ExzLearn

Higher Pair และข้อต่อพิเศษ — Pin-slot, Universal, เฟือง, ลูกเบี้ยว

ข้อต่อที่ส่งการเคลื่อนที่ข้ามมุม เปลี่ยนความเร็ว หรือแปลงการหมุนเป็นการเลื่อน พร้อมภาพเคลื่อนไหวที่คำนวณจากสูตรจริง

กลาง 5 นาที อัปเดต 26 ต.ค. 2569
สรุปใน 30 วินาที
  • Pin-in-slot: สลักวิ่งในร่อง ทั้งหมุนและเลื่อนได้ (2 DOF ในระนาบ)
  • Universal joint: ส่งการหมุนข้ามแกนที่เอียงกันได้ แต่ ความเร็วขาออกแกว่ง ไม่คงที่
  • เฟือง / แร็คแอนด์พิเนียน / ลูกเบี้ยว: เป็น Higher pair ที่ "บังคับความสัมพันธ์" ระหว่างสองชิ้น เช่น อัตราทด หรือรูปแบบการยก

Pin-in-slot — หมุนพร้อมไถลในร่อง

Pin-slot joint
กำลังโหลดภาพ 3D…
ลากเพื่อหมุนดู · scroll เพื่อซูม

สลัก (สีเทา) ยึดกับฐาน ส่วนก้านมีร่องยาวสวมอยู่บนสลัก ก้าน หมุนรอบสลัก และ ไถลไปตามร่อง ได้พร้อมกัน จึงเป็น 2 DOF

  • เจอที่ไหน: กลไก Scotch yoke (แปลงการหมุนเป็นการเลื่อนแบบไซน์), กลไก quick-return ของเครื่องไส, ร่องปรับระยะในโครงยึดต่างๆ
  • ใน Fusion 360: Pin-slot
  • ในการนับ DOF แบบ 2 มิติ ข้อต่อนี้นับเป็น half joint (j₂) เพราะปล่อย 2 DOF

Universal joint (Hooke / Cardan)

ส่งการหมุนจากเพลาหนึ่งไปอีกเพลาที่ เอียงทำมุมกัน ภายในมี กากบาท (spider/cross) ต่อกับก้ามปู (yoke) สองข้าง ซึ่งจริงๆ คือ Revolute 2 ตัวที่แกนตั้งฉากและตัดกันที่จุดเดียว

Universal joint, แกนเอียง 30°
กำลังโหลดภาพ 3D…
ลากเพื่อหมุนดู · scroll เพื่อซูม

เพลาขาเข้า (สีหลัก) หมุนด้วยความเร็ว คงที่ ดูตัวเลขด้านล่างภาพ: ความเร็วเพลาขาออก (สีส้ม) แกว่งขึ้นลง 2 รอบต่อการหมุน 1 รอบ ระหว่างประมาณ 0.87× ถึง 1.15× ภาพนี้คำนวณตำแหน่งกากบาทจากเรขาคณิตจริง ไม่ได้ใส่การแกว่งเข้าไปเอง

ช่วงความเร็วขาออกขึ้นกับมุมเอียง β:

text
ω_out / ω_in  แกว่งระหว่าง  cos β  ถึง  1 / cos β
β = 30°  →  0.866 ถึง 1.155

เฟืองตรง (Spur gears)

ฟันเฟืองสองตัวสัมผัสกันเป็น เส้น จึงเป็น Higher pair ฟันบังคับให้ ความเร็วที่วงกลมพิตช์ (pitch circle) ของทั้งคู่เท่ากัน จึงได้อัตราทดคงที่

เฟือง 12 ฟัน ขับ เฟือง 20 ฟัน
กำลังโหลดภาพ 3D…
ลากเพื่อหมุนดู · scroll เพื่อซูม

เฟืองตัวเล็ก (สีหลัก) เป็นตัวขับ ตัวใหญ่หมุน ช้ากว่า และ กลับทิศ สังเกตจุดสีเงินบนเฟืองแต่ละตัว ตัวเล็กหมุนครบ 5 รอบ ตัวใหญ่จะหมุนได้ 3 รอบพอดี

text
อัตราทด (gear ratio) = Z_ตาม / Z_ขับ = 20 / 12 ≈ 1.67
ความเร็วขาออก = ความเร็วขาเข้า ÷ 1.67   (กลับทิศ)
แรงบิดขาออก   ≈ แรงบิดขาเข้า × 1.67   (ไม่รวมการสูญเสีย)
เส้นผ่านศูนย์กลางพิตช์ d = m × Z   (m = module)

Rack & Pinion — หมุนเป็นเลื่อน

แร็คแอนด์พิเนียน
กำลังโหลดภาพ 3D…
ลากเพื่อหมุนดู · scroll เพื่อซูม

เฟือง (pinion) หมุนแล้วดันแร็ค (เฟืองตรงที่ยืดเป็นแท่ง) ให้เลื่อน ระยะเลื่อนเท่ากับความยาวส่วนโค้งบนวงกลมพิตช์ที่หมุนผ่านไปพอดี

text
ระยะเลื่อน x = r × θ    (θ เป็นเรเดียน, r = รัศมีพิตช์ = m × Z / 2)
หมุน 1 รอบ   → เลื่อน π × m × Z
  • เจอที่ไหน: พวงมาลัยรถยนต์ (rack-and-pinion steering), เครื่อง CNC ขนาดใหญ่ที่แกนยาวมาก, ประตูรั้วเลื่อนไฟฟ้า

Cam & Follower — กำหนดรูปแบบการยกด้วยรูปทรง

ลูกเบี้ยว (cam) หมุน แล้ว รูปทรงขอบ ของมันจะดันตัวตาม (follower) ให้ขึ้นลงตามจังหวะที่ออกแบบไว้ การเคลื่อนที่ทั้งหมดถูก "เขียน" ไว้ในรูปทรงของลูกเบี้ยว

ลูกเบี้ยวแผ่น + ตัวตามปลายแหลม
กำลังโหลดภาพ 3D…
ลากเพื่อหมุนดู · scroll เพื่อซูม

ความสูงของตัวตามเท่ากับรัศมีของลูกเบี้ยวตรงจุดที่ชี้ขึ้นพอดีในขณะนั้น ภาพนี้คำนวณจากโปรไฟล์จริง ระยะยกสูงสุดเท่ากับรัศมีที่ยาวที่สุดลบด้วยวงกลมฐาน (base circle)

🔺 Knife-edge

ปลายแหลม ทำตามโปรไฟล์ได้แม่นที่สุด แต่สึกเร็ว ใช้กับงานแรงต่ำ

⚙️ Roller

ปลายเป็นลูกกลิ้ง แรงเสียดทานต่ำ ทนทาน ใช้บ่อยที่สุดในเครื่องจักร

▬ Flat-faced

หน้าเรียบ กะทัดรัด ใช้ในวาล์วเครื่องยนต์ (ลูกเบี้ยวกด tappet)

ทบทวน

ทบทวน 1
U-joint ตัวเดียวต่อเพลาที่เอียง 30° ถ้าเพลาขาเข้าหมุนคงที่ เพลาขาออกจะเป็นอย่างไร?
ทบทวน 2
เฟืองขับ 15 ฟันหมุน 1,500 rpm ขบกับเฟือง 45 ฟัน เฟืองตามหมุนเท่าไรและทิศไหน?
ทบทวน 3
พิเนียนมี module 2 และ 20 ฟัน หมุน 1 รอบ แร็คจะเลื่อนไปประมาณเท่าไร?
#mechanical#universal-joint#gear#rack-and-pinion#cam#pin-slot#higher-pair