กลไกการป นจักรยานแบบเชิงเส...
Transcript of กลไกการป นจักรยานแบบเชิงเส...
กลไก
กลไกการปนกลไกการปนจกรยานจกรยานแบบเชงเสนแบบเชงเสน อภชย สรอยแสง, ธรธร เทยนแกว และ พรย มณรตน
จกรยานทใชกนอยทกวนนใชการสงกาลงจากขาไป
ทแปนถบซง ตดอยทปลายกานปน โดยกานปนนจะ
ถกขนยดเขากบเพลาของจานโซ ขณะขบขแรงกดจากขาจะทาใหแปน
ถบเคลอนทรอบเพลา ทาใหจานโซซงถกขนตดกบเพลาหมนไปดวย โซ
ทคลองอยกบจานโซกจะสงกาลงขบไปยงลอเกดการหมน เปนลกษณะ “กลไกการปนแบบเชงมม ” โดยทวไปเมอมการประดษฐกลไกขนใชงาน
วศวกรมกใหความสนใจวากลไกนนมประสทธภาพเพยงใด โดยมก
ประเมนในรปของงาน W (Work, J) ทกลไกนนใหได สาหรบกลไกการ
ปนแบบเชงมมหาก พจารณาในเชงอดมคต (ไรความเสยดทานและการ
สญเสย) งานทไดจากการปน ณ องศาการปน (เรเดยนต) ใดๆ หาได
ดงน
dW = Tdt = Td (1)
เมอ T เปนทอรก (Torque, Nm) ซงคานวณไดจากขนาดของแรง
คณกบระยะตงฉากจากตาแหนงทแรงกระทาถงจดหมน T=FR สวน
เปนความเรวเชงมม (Angular velocity, rad/s) ซงคานวณไดจาก
ความเรวรอบของการปน และ t เปนเวลา หากเราปนดวยความเรวรอบ
คงทงานทไดจงขนอยกบทอรกเพยงอยางเดยว และถาหากแรงปนคงท
เราสามารถเพมทอรก (เพมงาน) ไดโดยเพมระยะตงฉากจากแนวแรง
ถงจดหมนหรอเพมความยาวกานปน อยางไรกตามในขณะปนจกรยาน แมจะสามารถรกษาแรงปนให
คงทตลอดคาบการปนได แตทอรกทไดในแตละชวงจะไมคงทเพราะ
ระยะตงฉากจากแนวแรงถงจดหมนมคาเปลยนไปตามองศาการปน ดงแสดงในรปท 1 (บน) ดงนนทอรกทได ณ องศาการปนใดๆ จงเปน
T=FRcos (2)
เมอ =0o จะไดคาทอรกสงสดเพราะ cos=1 และทมม =90o, -90o
จะไดคาทอรกตาสดเปนศนย การเปลยนแปลงทอรกเทยบกบองศาการ
ปนแสดงดวยกราฟร ปโคงระฆงควา (โคงโคไซน) ในรปท 1 (ลาง) ซง
เราสามารถคานวณหางานท ณ ตาแหนงองศาการปนใดๆ ได จาก
การแทนสมการท (2) ลงใน (1)
dW = FRcos d (3)
งานรวมทไดในชวงครงคาบการปน (-90o 90o) หาไดโดย
การอนทเกรตสมการท (3) ตลอดชวงครงคาบดงกลาวดงน
/2 /2/2
- /2
- /2 - /2
dW = F R cos d =F Rsin 2F R
(4)
ซงหากปนดวย แรงคงทและกานปนมความยาวคงท (ไมยดหดขณะ
ปน) งานรวมทไดกคอพนทใตกราฟของรประฆงควานนเอง จะสงเกต
เหนวางานรวมครงคาบการปนมคาเปนสองเทาของความยาวกานปน ซงเปนงานสงสดทจะไดในทางทฤษฎ ของกลไกการปนแบบเชงมม
แตในทางปฏบตจรงงานทไดจะนอยกวานเนองจากระบบมความสยด
ทานและแรงปนกไมสมาเสม อ จงทาใหไดทอรกลดลง
แนวทางการเพมประสทธภาพของกลไกการปนแบบเชงมมจง
เปนไปไดแนวทางเดยวคอเพมความยาวของกานปน R ใหมากขน
เพอใหไดทอรกมากขนและไดงานมากขน ตามสมการท (4) (สวน
และ F นนเกยวของกบสมรรถภาพผปน ซง อาจเพมไดโดยเพมคาอด
ฉดและแรงจงใจในรปแบบตางๆ ซงอยนอกเหนอการควบคมและ
ออกแบบทางวศวกรรม ในทนจงกาหนดใหคงทกอน) อยางไรกตาม
เมอ R ยาวขนมกสงผลใหคาบการปนยาวขนเชนกน เวลาทใชปนตอ
รอบกนานขนหรอความเรวรอบลดลง เมอทอรกเพมขนแตความเรว
รอบลดลง งานทไดกอาจไมเพมขนอยางทคาดไวกเปนได นอกจากน
ความยาวกานปนกถกจากดดวยสรระของผปนและโครงสร างของ
จกรยาน ซงไมสามารถออกแบบกลไกอยางไรขดจากดได จากขอจากดของกลไกแบบเชงมมทไมสามารถใหทอรกคงทได
เพราะขนอยกบองศาการปน ทมงานจงมแนวคดวาหากสามารถสราง
กลไกทเปนอสระจากองศาการปนได โดยออกแบบใหแนวแรงตงฉาก
กบกานปนตลอดเวลา กจะไดกลไกทสรางทอรกสงสดตอเนองตลอด
คาบการปน เปน “กลไกเชงอดมคต” ทมงานจงไดคดคนและออกแบบ
“กลไกการปนแบบเชงเสน ” ขนมา ดงภาพรางแนวคดในรปท 2
รปท 1 กลไกการปนแบบเชงมม
รปท 2 ภาพรางแนวคดกลไกการปนแบบเชงเสน
กลไกนผปนจะออกแรงทแปนถบซงตดตงไวทระยะ R หางจากจด
หมน คาบการปนจะเรมจากจด A และสนสดทจด B โดยไมหมนรอบจาน
โซ โดยความยาวชวง AB (ครงคาบการปนแบบเชงเสน ) จะออกแบบให
เทากบความยาวชวงโคงครงวงกลม BCD (ครงคาบการปนแบบเชงมม )
ดวยแนวคดนแรง F จะตงฉากกบกานปนเสมอ ทาใหทอรกสงสดตลอด
คาบการปน หากพจารณาบนเงอนไขเดยวกบกลไกแบบเชงมม คอใชแรง
-90o 0o 90o
Torque
F
0o
-90o
R
Rcos
0o
F -90o
90o
R
สายสงกาลง
B A
C
D
s
ปนเทากน ระยะกานปนเทากน และความเรว รอบเทากน จะไดงานรวม
ครงคาบเปน
dW = Fds (5)
เมอ ds เปนระยะในแนวเชงเสนซงสมพนธกบระยะเชงมม ในรป s=Rd ดงนน ในชวงคาบทเทากน งานรวมทไดจากกลไกแบบเชงเสน
จงมคาเทากบพนทใตกราฟสเหลยมในรปท 1 (ลาง) ซงเทากบ
/2 /2/2
- /2
- /2 - /2
dW = F R d =F R FR
(6)
จะเหนไดอยางชดเจนวาบนเงอนไขเดยวกน กลไกการปนแบบเชงเสนม
ประสทธภาพสงกวากลไกการปนแบบเชงมม โดยพนทแรเงาในรปท 1
(ลาง) แสดงถงงานทไดเพมขนซงคดเปนเปอรเซนตไดเทากบ
FR-2FR100 36.4%
FR
(7)
นนคอ ในทางทฤษฎกลไกการปนแบบเชงเสนมประสทธ ภาพสง
กวากลไกการปนแบบเชงมม 36.4 เปอรเซนต
การสรางตนแบบกลไกการปนแบบเชงเสน ครงน เรมจากสราง
แบบวาดเขยนดวยโปรแกรม SolidWork โดยรปรางและขนาดของ
โครงสรางทออกแบบคานงถงความเหมาะสมกบสรระของผปนและ
ความแขงแรงของโครงสราง ไดลกษณะดงแสดงดงรปท 3 และ 4
สวนประกอบหลกของกลไกคอ หมายเลข 1 แปนถบ หมายเลข 2 ลอ
แปนถบ หมายเลข 3 รางแปนถบ หมายเลข 4 โซสงกาลง หมายเลข
5 จานโซหว หมายเลข 6 จานโซทาย หมายเลข 7 เพลาหนา
หมายเลข 8 เพลาหลง หมายเลข 9 สายเคเบล หมายเลข 10 มเล
และหมายเลข 11 ชดสงกาลงไปยงลอ
รปท 3 แนวคดสาหรบกลไกตนแบบทสรางขน
รปท 4 แบบเขยนคอมพวเตอรของจกรยานกลไกการปนแบบเชงเสน
กลไกการปนกลไกการปนจกรยานจกรยานแบบเชงเสนแบบเชงเสน
LLiinneeaarr--DDrriivveenn MMeecchhaanniissmm
อภชย สรอยแสง, ธรธร เทยนแกว และ พรย มณรตน
สาขาวชาวศวกรรมเครองกล สานกวชาวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยเทคโนโลยสรนาร
1
9
8
6
5
7
2
4
3
11 10
“นกศกษาทงสามคนนมพนเพตางจงหวด (เชนเดยวกบผม
และนกศกษา มทส สวนใหญ) เรยนจบจากโรงเรยนโนเนมตาง
อาเภอ (เชนเดยวกบผมอก) ผมไดลองใหไอเดยไปโดยไมคาดหวง
วาเขาจะทาได เพราะเคยเสนอไอเดยนกบนกศกษาหลายกลมใน
หลายรนปทผานมาไดลองทา ชวงแรกของการทางานเปนการ
นาเอาแนวคด (นามธรรม) ไปออกแบบและสรางเปนชนงาน
(รปธรรม) นนเตมไปดวยความทลกทเลเพราะคดไมออก แตดวย
ความพยายามและเอาใจใสของนกศกษาอยางตอเนอง ไอเดยตางๆ
ทเปนไปไดจงผดขนมาและนาไปสชนงานทสาเรจได ขอชนชมใน
แบบอยางของความคดสรางสรรและความพยายาม ซงเชอวาจะเปน
อกสวนหนงทออกไปเปนวศวกร มทส ทมคณภาพได...”
กรต สลกษณ/ ทปรกษาโครงงาน
“ทมงานมแนวคดวาหากสามารถสรางกลไกการ
ปนทเปนอสระจากองศาการปนได โดยออกแบบให
แนวแรงตงฉากกบกานปนตลอดเวลา กจะทาใหได
กลไกทสรางทอรกสงสดตอเนองตลอดคาบการปน
เปนกลไกเชงอดมคต ทมงานจงค ดคนและออกแบบ
“กลไกการปนแบบเชงเสน ” ขนมา