รายละเอียดของเฟืองและวัสดุเฟือง (ตอนที่ 1)

เฟืองหรือที่เราเรียกทับศัพท์ว่า “เกียร์ (Gear)” ตามภาษาต้นฉบับนั้นเป็นที่รู้จักและใช้ประโยชน์กันมานานแล้ว โดยเฉพาะยุคปัจจุบัน ในงานต่าง ๆ ที่เกี่ยวกับเครื่องจักรและกลไกคงจะหลีกหนีการใช้เฟืองไปไม่พ้น

เฟืองกับรายละเอียดที่น่ารู้ (Gearing)
ตอนที่ 1 รายละเอียดของเฟืองและวัสดุเฟือง

อาจหาญ ณ นรงค์ผู้ช่วยผู้จัดการแผนกซ่อมบำรุง
บริษัท โยโกฮาม่า ไทร์ แมนูแฟคเจอริ่ง (ประเทศไทย) จำกัด 

เฟืองหรือที่เราเรียกทับศัพท์ว่า “เกียร์ (Gear)” ตามภาษาต้นฉบับนั้นเป็นที่รู้จักและใช้ประโยชน์กันมานานแล้ว โดยเฉพาะยุคปัจจุบัน ในงานต่าง ๆ ที่เกี่ยวกับเครื่องจักรและกลไกคงจะหลีกหนีการใช้เฟืองไปไม่พ้น เราอาจจะรู้จักรูปร่างภายนอกของเฟืองกันเป็นอย่างดี แต่สำหรับรายละเอียดที่ลึกลงไปกว่านั้นแล้ว น้อยคนที่จะรู้จักอย่างถ่องแท้

ทำความรู้จักกับเฟือง (Introduction to Gear)เฟือง (Gear) เป็นเครื่องกลที่ทำงานโดยการหมุน เป็นที่รู้จักกันมานานแล้ว คาดว่าตั้งแต่ยุคที่มนุษย์เริ่มมีอารยธรรมและคิดประดิษฐ์เครื่องมือเครื่องใช้ขึ้นมา เฟืองก็เป็นชิ้นส่วนหนึ่งที่ถูกมนุษย์ทำขึ้นมา โดยเริ่มต้นที่เฟืองไม้ในยุคโบราณ แต่สำหรับเฟืองสมัยใหม่นั้นเพิ่งมีการปรับปรุงและเปลี่ยนแปลงลักษณะดังที่เราเห็นเมื่อไม่กี่ร้อยกว่าปีที่ผ่านมา เฟืองทำขึ้นมาเพื่อวัตถุประสงค์ในการ ใช้สำหรับการส่งกำลังในลักษณะของแรงบิด (Torque) โดยการหมุนของตัวเฟืองที่มีฟันอยู่ในแนวรัศมี โดยการส่งกำลังจะสามารถเกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่อมีฟันเฟืองตั้งแต่สองตัวขึ้นไป

รูปที่ 1 แสดงรูปเฟืองไม้สมัยโบราณ

1. ชนิดของเฟือง (Type of Gears)ดังที่กล่าวมาแล้วว่าเฟืองนั้นถือกำเนิดขึ้นมานานแล้วและผ่านการปรับปรุงทั้งในเรื่องของวัสดุที่ใช้ทำเป็นตัวเฟืองและลักษณะหรือแบบต่าง ๆ เพื่อความเหมาะสมต่อการใช้งานและอย่างอื่น  โดยทั่วไปแล้วเราแบ่งชนิดย่อยๆของเฟืองออกเป็นชนิดต่างๆตามรูปร่างและลักษณะการใช้งานดังนี้คือ

1.1 เฟืองตรง (Spur Gears)เฟืองตรง (Spur gear) ดังรูปที่ 2 เป็นเฟืองที่มีใช้งานกันมากที่สุดในบรรดาเฟืองชนิดต่าง ๆ จะมีลักษณะเฉพาะคือฟันของเฟืองจะเป็นแนวขนานไปกับรูเพลา โดยเฟืองตรงเรียกอีกอย่างหนึ่งว่าเฟืองขนานกับเพลา (Parallel–shaft Gear) 

รูปที่ 2 เฟืองตรง (Spur Gear)

เฟืองตรงเป็นเฟืองที่มีโครงสร้างง่ายและไม่สลับซับซ้อน โดยถ้าเฟืองตรงสองตัวขบกันเราเรียกว่าเฟืองพีเนียน (Pinion Gears) โดยทั่วไปแล้วเฟืองตรงที่ใช้ส่งกำลังแต่ละคู่นั้นจะมีขนาดของฟันเฟืองหรือโมดูล (Module, m) เท่า ๆ กัน หมุนด้วยความเร็วเชิงเส้นที่เท่ากันแต่การได้เปรียบเชิงกลที่เกิดขึ้นจะเกิดจากจำนวนฟันที่ต่างกัน (อัตราทด, Ratio) ของเฟืองแต่ละตัว เฟืองตรงส่วนมากจะนำมาใช้ในระบบส่งกำลัง (Transmission Component)

ลักษณะเฉพาะของเฟืองตรง* มีความง่ายในการผลิตเนื่องจากรูปแบบของฟันเฟืองไม่สลับซับซ้อน ส่งผลให้ราคาต่ำกว่าเฟืองชนิดอื่น
* ไม่มีแรงรุน (Trust) ที่เกิดขึ้นในแนวแกน (No Axial Force) ในขณะที่ทำงาน
* มีความง่ายในการผลิตให้มีคุณภาพสูง
* เนื่องจากเป็นเฟืองแบบธรรมดาจึงมีความง่ายในการหาซื้อ

1.2 เฟืองเฉียง (Helical Gears)เฟืองเฉียงมีลักษณะทั่วไปเหมือนเฟืองตรง แต่ลักษณะแนวของฟันเฟืองจะไม่ขนานกับเพลาโดยจะทำมุมเฉียงไปเป็นมุมที่ต้องการ โดยอาจจะเอียงไปทางซ้ายหรือเอียงไปทางขวาขึ้นอยู่กับลักษณะความต้องการในการใช้งานและการออกแบบของผู้ผลิต เฟืองเฉียงมีลักษณะรูปร่างดังรูปที่ 3 โดยเฟืองเฉียงแต่ละคู่ที่ขบกันเพื่อส่งกำลังนั้น เฟืองหนึ่งฟันเฟืองจะเอียงไปทางซ้ายและอีกฟันเฟืองหนึ่งจะเอียงไปทางขวาในมุมที่เท่ากัน 

รูปที่ 3 เฟืองเฉียงและรายละเอียดของฟันเฟือง (Helical Gears)

ลักษณะเฉพาะของเฟืองเฉียง* เมื่อเปรียบเทียบการรับภาระ (Load) แล้ว สำหรับเฟืองขนาดเดียวกัน เฟืองเฉียง (Helical Gear) จะรับภาระ (Load) ได้มากกว่าเฟืองตรง (Spur Gear) เนื่องจากการที่ฟันเฟืองมีลักษณะเอียงจึงทำให้ความยาวของฟันเฟืองยาวกว่าและพื้นที่หน้าสัมผัสของฟันมีมากกว่าเฟืองตรง

* เสียงในขณะทำงานของเฟืองเฉียงจะเงียบกว่าเฟืองตรงเนื่องจากการขบกันของเฟืองจะกระทำอย่างนิ่มนวลกว่า เนื่องจากมุมที่เฉียงของฟันเฟืองทำให้เกิดการเหลื่อม (Overlap) กันของฟันเฟืองขณะหมุน

* เกิดแรงรุน (Trust) ตามแนวแกนมากกว่าในขณะที่หมุนเนื่องจากการเอียงของฟันเฟืองที่มากซึ่งจะส่งผลให้อายุการใช้งานของแบริ่งลดต่ำลง

1.3 เฟืองก้างปลา (Herringbone Gears or Double Helical Gears)เพื่อลดแรงรุนด้านข้างในขณะทำงานของเฟืองเฉียง จึงได้ถูกพัฒนารูปแบบจากเฟืองเฉียงมาเป็นเฟืองก้างปลา ซึ่งมีลักษณะของฟันเฟืองที่เฉียงเข้าหากันในมุมที่เท่ากัน ทำให้แรงลัพธ์ของแรงรุน (Trust) เท่ากับศูนย์

จากลักษณะของเฟืองก้างปลาดังรูปที่ 4 จะเห็นว่ามีลักษณะเหมือนกับการเอาเฟืองเฉียงมาประกบกันในลักษณะที่สมมาตร ทำให้เฟืองก้างปลาสามารถรักษาข้อดีของเฟืองเฉียงไว้ได้ คือเสียงที่เงียบขณะทำงานรับภาระ (Load) ได้มากกว่าเฟืองตรง ในขณะเดียวกันแรงสั่นสะเทือนที่เกิดขึ้นในขณะทำงานก็ยังคงน้อยเมื่อเทียบกับเฟืองตรง แต่ลดข้อเสียที่มีอยู่เพียงอย่างเดียวของเฟืองเฉียงคือแรงรุน จากลักษณะของเฟืองก้างปลาที่มุมเอียงของเฟืองเอียงเข้าหากันในลักษณะที่องศาเท่ากันทำให้ผลลัพธ์ของแรงรุนไม่มี 

รูปที่ 4 เฟืองก้างปลา (Double Helical Gears or Herringbone Gears)

1.4 เฟืองสะพาน (Rack Gears)ในหนึ่งชุดของเฟืองสะพานนั้นประกอบด้วยสองส่วนคือส่วนที่เป็นเฟือง (Gear) ตัวขับซึ่งส่วนมากแล้วจะเป็นเฟืองตรง (Spur Gear) แต่ในบางอุปกรณ์อาจเป็นเฟืองเฉียงก็มี และส่วนที่เป็นเฟืองสะพาน (Rack) ซึ่งมีลักษณะเป็นแท่งยาวตรงและมีฟันเฟืองอยู่ด้านบนขบอยู่กับส่วนที่เป็นฟันเฟือง (Gear)

หน้าที่ของเฟืองสะพานคือใช้ในการเปลี่ยนทิศทางการเคลื่อนที่จากการเคลื่อนที่ในลักษณะการหมุนหรือการเคลื่อนที่เชิงมุมเป็นการเคลื่อนที่เชิงเส้นหรือการเคลื่อนที่เชิงเส้นหรือการเคลื่อนที่กลับไปกลับมา 

รูปที่ 5 เฟืองสะพาน (Rack Gears)

การใช้งานเฟืองสะพาน* การส่งถ่ายกำลังในเครื่องจักรกล
* ใช้กับเครื่องพิมพ์หรือเครื่อง Plot ขนาดใหญ่
* หุ่นยนต์ (Robot)
* การส่งถ่ายกำลังในระบบบังคับเลี้ยวของรถยนต์ (Steering)

1.5 เฟืองวงแหวน (Internal Gear, Ring Gear)เฟืองวงแหวนเป็นเฟืองตรงอีกชนิดหนึ่งซึ่งมีลักษณะเหมือนกับเฟืองตรง แต่ฟันเฟืองจะอยู่ด้านในของวงกลมต้องใช้คู่กับเฟืองขนาดเล็กกว่าที่ขบอยู่ด้านในดังรูปที่ 6 เฟืองวงแหวนจะใช้งานในลักษณะที่ต้องการให้เฟืองขับและเฟืองตามทำงานหรือหมุนในทิศทางเดียวกัน

สำหรับอัตราทดนั้นสามารถออกแบบให้มากหรือน้อยได้โดยขึ้นอยู่กับขนาดของเฟืองตัวนอก (Ring) และเฟืองตัวใน (Pinion) ดังรูปที่ 6 โดยที่ถ้าหากเฟืองตัวในเล็กกว่าเฟืองตัวนอกมากอัตราทดก็จะมากและถ้าหากเฟืองตัวในมีขนาดใกล้เคียงกับเฟืองตัวนอกอัตราทดก็จะน้อย โดยปกติของเฟืองวงแหวนแล้วเฟืองตัวเล็ก (Pinion Gear) ที่อยู่ด้านในจะทำหน้าที่เป็นตัวขับ

รูปที่ 6 เฟืองวงแหวน Internal Gear

1.6 เฟืองดอกจอก (Bevel Gear)เฟืองดอกจอกจะมีรูปทรงคล้ายกับกรวยมีทั้งแบบเฟืองตรง (Straight Bevel Gear) และแบบเฟืองเฉียง (Spiral Bevel Gear) เฟืองดอกจอกจะเป็นเฟืองสองตัวที่ขบกันในลักษณะแนวเพลา (Shaft) ของเพลาทั้งคู่จะตั้งฉากหรือตัดกัน (Intersect) ส่วนมากแล้วเพลาของเฟืองทั้งคู่จะตั้งฉากกันเป็นมุม 90 องศา

รูปที่ 7 เฟืองดอกจอกแบบเฟืองตรง (Straight Bevel Gear)

รูปที่ 8 เฟืองดอกจอกแบบเฟืองเฉียง (Spiral Bevel Gear) และเฟืองไฮปอยด์

1.6.1 เฟืองดอกจอกแบบเฟืองตรง (Straight Bevel Gear)จะมีลักษณะของฟันเฟืองที่เป็นเฟืองตรง โดยที่แนวของฟันเฟืองจะเป็นแนวเดียวกับยอดของเฟืองโดยที่แนวของฟันเฟืองจะเป็นมุมตัดกับแนวแกนเพลา คุณสมบัติเฉพาะของเฟืองแบบนี้คือ
* ง่ายต่อการผลิตจึงทำให้มีราคาถูกกว่า
* สามารถทำอัตราทดสูงสุดได้ถึง 1:5

ส่วนใหญ่แล้วจะใช้ในงาน ส่วนประกอบของเครื่องจักร และเฟืองท้ายของรถยนต์โดยทำหน้าที่เป็นเฟืองบายศรี (Differential Gear) ป้องกันการสะบัดของล้อทั้งสองข้างขณะเลี้ยว

รูปที่ 9 เฟืองบายศรีในเฟืองท้ายรถยนต์ซึ่งประกอบด้วยชุดเฟืองดอกจอก

1.6.2 เฟืองดอกจอกแบบเฟืองเฉียง (Spiral Bevel Gear)ฟันของเฟืองแบบนี้จะมีลักษณะเป็นแนวโค้ง (Curve ดังรูปที่ 8A) ออกไปรอบ ๆ รัศมีของเฟือง (ต่างจากแบบฟันตรงที่ฟันของแบบนั้นจะออกมาตรง ๆ ตามแนวรัศมีของเฟือง) และแนวด้านบนของฟันก็จะลาดลงในลักษณะโค้งจากด้านในออกไปสู่ด้านนอกขอบฟัน การที่เฟืองมีลักษณะโค้งแบบนี้ทำให้มีพื้นที่สัมผัสหรือพื้นที่รับแรงมากกว่าแบบเฟืองตรง ทำให้มีความทนทานมากกว่าและเสียงในขณะการทำงานน้อยกว่าเฟืองดอกจอกแบบเฟืองเฉียง

คุณสมบัติเฉพาะในการใช้งานเฟืองดอกจอกแบบเฟืองเฉียง ที่โดดเด่นมีดังนี้คือ
* สามารถออกแบบให้อัตราทด (Ratio) มากกว่า โดยมีความแข็งแรงทนทานมากกว่าเฟืองดอกจอกแบบเฟืองตรง
* เหมาะสำหรับใช้กับอัตราทดของเฟืองที่มาก ๆ
* มีประสิทธิภาพในการส่งถ่ายกำลังที่ดีกว่าในขณะที่การทำงานเงียบกว่าเฟืองดอกจอกแบบเฟืองตรง
* มีความยากกว่าในการออกแบบและสร้าง จึงทำให้มีราคาแพงกว่า

การใช้งานเฟืองดอกจอกแบบเฟืองเฉียงจะพบใช้งานมากในยานพาหนะทั้งบกและน้ำ เช่น ในอุปกรณ์และชิ้นส่วนยานยนต์ โดยเฉพาะในระบบส่งกำลังและขับเคลื่อน ในรถแทรกเตอร์ ในระบบเฟืองส่งกำลังของเรือ

1.6.3 เฟืองไฮปอยด์ (Hypoid Gears)เป็นเฟืองที่จัดอยู่ในประเภทเฟืองดอกจอกแบบเฟืองเฉียง แต่จะต่างกันตรงที่แกนเพลาของเฟืองไฮปอด์ยนั้นระนาบแกนของเพลาของเฟืองขับและเพลาของเฟืองตามจะไม่ตัดกันซึ่งมีลักษณะดังรูปที่ 8B ลักษณะรูปทรงของเฟืองไฮปอยด์จะมีลักษณะการหมุนเป็นไฮเปอร์บอลิกและที่ผิวของเฟืองไฮปอยด์จะมีลักษณะเป็นผิวไฮเปอร์บอลิก ในขณะที่ผิวของเฟืองดอกจอกแบบเฉียงจะมีลักษณะเป็นรูปทรงกรวยธรรมดา (Normally Conical) 

รูปที่ 10 เฟืองไฮปอยด์ในเพลาท้ายรถยนต์

ในการส่งถ่ายกำลังระหว่างฟันเฟืองของเฟืองไฮปอยด์นั้น การถ่ายถอดกำลังจากเฟืองขับไปสู่เฟืองตามจะเป็นไปในลักษณะการลื่นไถล (Sliding) อยู่กึ่งกลางระหว่างเฟืองตรง (Straight Gear) และเฟืองตัวหนอน (Worm Gear) ดังนั้นจึงต้องการสารหล่อลื่นที่ถูกต้องและมีประสิทธิภาพในการหล่อลื่นสูงสุดซึ่งโดยปกติแล้วต้องใช้น้ำมันหล่อลื่นที่ใช้ต้องมีความหนืดกว่าเฟืองดอกจอกสำหรับเฟืองที่มีขนาดเท่ากัน

รูปที่ 11 ความแตกต่างระหว่าเฟืองดอกจอกชนิดต่าง ๆ กับเฟืองไฮปอยด์

1.7 เฟืองดอกจอกแบบสมมาตร (Miter Gear) Miter Gear เป็นเฟืองดอกจอกแบบพิเศษแบบหนึ่ง โดยเป็นเฟืองที่มีอัตราทด (Ratio) 1:1 หรืออาจเรียกอีกอย่างว่าเฟืองเปลี่ยนทิศทางก็ไม่ผิดโดยเพลาของเฟืองขับและเฟืองตามทำมุมกัน 90 องศาดังรูปที่ 12

รูปที่ 12 Miter Gear     

รูปที่ 13 เฟืองเกลียวสกรู (Screw Gears or Spiral Gears)

1.8 เฟืองเกลียวสกรู (Screw Gears or Spiral Gears)มีลักษณะเป็นเฟืองเฉียงหรือเฟืองเกลียวใช้ส่งกำลังระหว่างเพลาที่ทำมุมกัน 90 องศา มีลักษณะดังรูปที่ 13 การใช้งานเฟืองชนิดนี้ส่วนมากจะใช้ในการเปลี่ยนทิศทางในการส่งกำลังของเพลา โดยลักษณะเฉพาะของเฟืองแบบนี้มีดังนี้คือ

* ใช้กับชุดเฟืองที่มีการทดรอบมากและมีจำนวนเฟืองมากหลายอัน
* การสึกหรอจะเกิดขึ้นค่อนข้างมากเนื่องจากลักษณะการเคลื่อนที่ส่งกำลังของเฟืองจะมีลักษณะในการลื่นไถล (Sliding Contact) ระหว่างผิวของฟันเฟืองคู่ที่ใช้ส่งกำลัง
* ไม่เหมาะที่จะใช้กับระบบส่งกำลังที่มีกำลังมาก ๆ

การใช้งานเฟืองเกลียวสกรูมักจะนิยมใช้กับงาน ในระบบเฟืองส่งกำลังของรถยนต์ (Driving Gear for Automobile) และในเครื่องจักรตรงจุดที่ต้องการเปลี่ยนมุมในการส่งกำลัง

1.9 เฟืองหนอน (Worm Gears)เป็นชุดเฟืองที่ประกอบด้วยเกลียวตัวหนอน (Worm) ซึ่งมีลักษณะของเกลียวที่วางอยู่บนก้านเกลียวตัวหนอน (Shank) เหมือนลักษณะของสกรูและเฟือง (Worm Wheel) ซึ่งมีลักษณะเป็นล้อเฟืองคล้าย ๆ กับเฟืองเฉียง (Helical Gear) แต่จะต่างกัน โดยเฉพาะอย่างยิ่งตรงสันฟันเฟืองจะมีลักษณะเว้าเพื่อให้รับกับความโค้งของเกลียวตัวหนอน ดังรูปที่ 14

แนวเพลาขับ (Worm Shaft) และเพลาตาม (Worm Wheel Shaft) ของเฟืองตัวหนอนจะทำมุมกันที่มุมฉาก 90 องศา การทำงานของเฟืองตัวหนอนจะเงียบและมีแรงสั่นสะเทือนเกิดขึ้นน้อย เนื่องจากการส่งถ่ายกำลังจากเฟืองขับไปยังเฟืองตามนั้นการส่งถ่ายกำลังจะเป็นไปในลักษณะของการลื่นไถล (Sliding)

รูปที่ 14 เฟืองหนอน (Worm Gears)

อัตราทดของเฟืองตัวหนอนสามารถทำได้มาก เนื่องจากลักษณะเฉพาะทางรูปแบบของเฟือง โดยอัตราทดสามารถคำนวณได้จากระยะห่างระหว่างศูนย์กลางของก้านเกลียวตัวหนอน (Shank) ถึงศูนย์กลางของเฟือง (Worm Wheel) หรือที่เรียกว่าระยะห่างระหว่างศูนย์กลาง (Center Distance) โดยถ้า Center Distance ยิ่งมากแสดงว่าอัตราทดของเฟืองจะยิ่งมาก ซึ่งในบางชุดเฟืองอาจทดมากกว่า 1 ชุด โดยอาจเป็นสองหรือสามชุด ในการส่งถ่ายกำลังของเฟืองตัวหนอนนั้นความเค้นที่เกิดขึ้นบนผิวฟันเฟืองจะมากกว่าเฟืองแบบเฟืองตรงหรือแบบเฟืองเฉียง อัตราทดของเฟืองตัวหนอน (Worm Gear Ratio)

สามารถคำนวณได้จากสมการ

ลักษณะเฉพาะของเฟืองตัวหนอนโดยสรุปได้มีดังนี้คือ
* สามารถทำอัตราทดได้สูงโดยการเพิ่มความห่างของระยะห่างระหว่างศูนย์กลาง (Center Distance)
* ขณะทำงานจะมีความเงียบและการสั่นสะเทือนน้อย

รูปที่ 15 รูปแบบของเฟืองชนิดต่าง ๆ  

รูปที่ 16 ลักษณะการถ่ายทอดกำลังของเฟืองแบบต่าง ๆ

สรุปเรื่องชนิดของเฟืองจากรายละเอียดเรื่องชนิดของเฟืองที่ผ่านมา คงจะทำให้ผู้อ่านมีความเข้าใจเรื่องเฟืองขึ้นมาไม่มากก็น้อย แต่ในการแบ่งประเภทของเฟืองยังมีการแบ่งอีกอย่างหนึ่งคือลักษณะของฟันและแนวหรือการจัดวางของเพลาดังรายละเอียดในตารางที่1

ตารางที่ 1 รูปแบบของเฟืองชนิดต่าง ๆ ตามประเภทของฟันและการจัดวางเพลา

เอกสารอ้างอิง[1] “Introduction to Gears: First Edition” KOHARA GEAR INDUSTRY, Kawaguchi-shi, Japan, November.1, 2006
[2] John J. Coy “Gearing”, National Aeronautics and Space Administration (NASA), NASA Lewis Research Center, Ohio, 1985
[3] “MARKS’ Standard Handbook for Mechanical Engineer”, 11th Edition, Mc GrawHill, New York, 2007
[4] “Gear technical reference” KOHARA GEAR INDUSTRY, Kawaguchi-shi, Japan,