۰ تا ۱۰۰ شافت‌ها: شناخت، انواع و کاربردها

۰ تا ۱۰۰ شافت‌ها: تعریف، انواع و کاربرد

شافت‌ها (Shafts) در صنعت و مهندسی مکانیک، به عنوان یکی از عناصر اساسی در اجزای اصلی ماشین آلات می‌باشد. شافت عضو چرخنده‌ایی است که سطح مقطع آن معمولاً گرد می‌باشد و برای انتقال نیرو‌ها و گشتاور‌ها از یک مکان به مکان دیگر استفاده می‌شود. شافت‌ها به عنوان محور چرخش اجزایی مانند چرخ دنده‌ها، چرخ تسمه‌ها (پولی‌ها)، میل لنگ‌ها و چرخ زنجیر‌ها به کار ‌می‌روند.
باید در نظر داشت که تفاوت شافت با میل محور (اکسل) یا به انگلیسی Axle به این صورت است که میل محور یک عضو غیر چرخنده است که گشتاوری به آن وارد نمی‌شود و فقط به عنوان تکیه گاه اجزا چرخان دیگر مانند چرخ‌ها و چرخ تسمه‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد.

انواع رایج شافت‌ها

شکل زیر برخی از انواع رایج شافت‌ها را نشان می‌دهد.
شافت ساده (Plain Transmission)
شافت پلکانی (Stepped Shaft)
اسپیندل ماشین ابزار (Machine Tool Spindle)
میل محور چرخان راه آهن (Railway Rotating Axle)
میل محور کامیون غیر چرخشی (Railway Rotating Axle)
میل لنگ (Crankshaft)

مواد ساخت شافت‌ها و تأثیر آن بر خواص مکانیکی

یکی از اصلی ترین تصمیمات در طراحی شافت‌ها، انتخاب مواد مناسب برای ساخت آنها است. در این قسمت، به بررسی انواع مواد مورد استفاده در ساخت شافت‌ها، مزایا و محدودیت‌های هر کدام و کاربردهای آنها پرداخته خواهد شد:

فولاد، آلومینیوم و آلیاژهای آلومینیومی، آلیاژهای تیتانیوم، آلیاژهای مسی و برنجی و کامپوزیت‌ها از جمله متریال‌هایی هستند که می‌توانند برای ساخت شافت‌ها مورد استفاده قرار بگیرند. در بین متریال‌های نام برده شده فولاد‌ها بیشترین کاربرد را در ساخت شافت دارند. در ادامه مختصری در مورد متریال‌های ساخت شافت به غیر از فولاد ارائه می‌شود و سپس به بررسی انواع فولاد‌های رایج در ساخت شافت پرداخته خواهد شد.

آلومینیوم و آلیاژهای آلومینیومی
– مزایا: سبکی، مقاومت به خوردگی، قابلیت انجام فرآیندهای حرارتی برای بهبود خواص مکانیکی.
– محدودیت‌ها: استحکام کمتر نسبت به فولاد، محدودیت در بهبود خواص مکانیکی.
– کاربردها: در صنایع هوافضا، خودروسازی، الکترونیک، و اسباب‌بازی‌سازی.

آلیاژهای تیتانیوم
– مزایا: مقاومت بالا به دما، سبکی، مقاومت به خوردگی و اکسید شدن.
– محدودیت‌ها: هزینه بالا و پردازش دشوار.
– کاربردها: در صنایع هوافضا، پزشکی (دستگاه‌های پیوند استخوان)، ورزش‌های موتوری و نیروگاه‌های حرارتی.

آلیاژهای مسی و برنجی
– مزایا: رسانایی حرارت و الکتریسیته، مقاومت به خوردگی، مقاومت مطلوب به خستگی.
– محدودیت‌ها: استحکام کمتر نسبت به فولاد.
– کاربردها: در اتصالات الکتریکی و الکترونیکی، صنعت خودروسازی، و تولید ابزارهای دقیق.

کامپوزیت‌ها
– مزایا: سبکی بسیار، مقاومت مکانیکی بالا، انعطاف‌پذیری، مقاومت به خوردگی.
– محدودیت‌ها: هزینه تولید و پردازش بالا، نیاز به تخصص در طراحی و تولید.
– کاربردها: در صنایع هوافضا، اتومبیل‌سازی، ورزش‌های موتوری، و صنعت دریایی.

با توجه به خصوصیات مواد مختلف در ساخت شافت؛ بهبود عملکرد، دوام، و ایمنی شافت‌ها در گرو انتخاب مناسب جنس شافت با توجه به مزایا و محدودیت‌های هر ماده و توجه به کاربرد آن می باشد.

انتخاب جنس شافت

تغییر شکل (Deflection) شافت‌ها متأثر از استحکام (Strength) نمی‌باشد بلکه تابع سفتی (Stiffness) آن‌ها می‌باشد که در واقع توسط مدول الاستیسیته نمایانگر می‌شود و در اصل برای همه فولاد‌ها ثابت است. در نتیجه، مقاومت شافت در مقابل تغییر شکل را نمی‌توان با انتخاب نوع ماده کنترل کرد، بلکه تنها راه کنترل آن در نظر گرفتن ملاحظات مربوط به شکل هندسی شافت می‌باشد.
جنس شافت، با توجه به نیاز موجود برای تحمل تنش‌های وارد شده به شافت و شرایط کاری آن تعیین می‌شود. بسیاری از شافت‌ها از فولاد‌های کم کربن،  سرد کشیده (Cold-drawn) و نورد گرم (Hot-rolled) مانند ANSI 1020 و ANSI 1050 ساخته می‌شوند. برای یادگیری نحوه نام‌گذاری فولاد‌ها می‌توانید در دوره کلید فولاد شرکت کنید.

معمولاً از نظر اقتصادی توجیه پذیر‌تر است در ابتدا طراحی شافت را با یک فولاد ارزان قیمت‌تر شروع کرد و در صورتی که با توجه به اندازه‌های قابل قبول، اگر تغییر شکل از حد مجاز فرا‌تر نرفت آن را برای شافت در نظر گرفت. در غیر این صورت فولاد‌های با استحکام بیشتر و گران قیمت‌تر انتخاب شود. فولادهای آلیاژی ANSI با کد‌های 1340، 1350، 3140، 3150، 4140، 4340، 5140 و 8650 می‌توانند به منظور افزایش استحکام شافت در نظر گرفته شوند.

در ادامه ویژگی فولادهای کربنی و آلیاژی ANSI با کد‌های 1020، 1050، 1340، 1350، 3140، 3150، 4140، 4340، 5140 و 8650 که برای تولید شافت ممکن است استفاده شود معرفی شده است.

معرفی فولادهای شافت

در زیر، خواص مکانیکی مهم مانند استحکام تسلیم، استحکام نهایی و سختی برای فولادهای کربنی و آلیاژی ANSI با کد‌های 1020، 1050، 1340، 1350، 3140، 3150، 4140، 4340، 5140 و 8650  آورده شده است. همچنین، موارد استفاده از هر فولاد و گروه مربوطه به هر یک از این فولاد‌ها نیز ذکر شده است.

1) فولاد ANSI 1020

– استحکام تسلیم: تا حدود 285 مگاپاسکال
– استحکام نهایی: تا حدود 515 مگاپاسکال
– سختی (برینل): تا حدود 150 BHN
– گروه فولاد: کربن پایین (Low Carbon Steel)
– موارد استفاده: قطعات ساختمانی، قطعات ماشین‌آلات ساده

2) فولاد ANSI 1050

– استحکام تسلیم: تا حدود 550 مگاپاسکال
– استحکام نهایی: تا حدود 690 مگاپاسکال
– سختی (برینل): تا حدود 197 BHN
– گروه فولاد: کربن متوسط (Medium Carbon Steel)
– موارد استفاده: قطعات خودرو، ابزارهای دستی

3) فولاد ANSI 1340

– استحکام تسلیم: تا حدود 620 مگاپاسکال
– استحکام نهایی: تا حدود 780 مگاپاسکال
– سختی (برینل): تا حدود 229 BHN
– گروه فولاد: کربن متوسط (Medium Carbon Steel)
– موارد استفاده: قطعات ماشین‌آلات، دستگاه‌های صنعتی

4) فولاد ANSI 1350

– استحکام تسلیم: تا حدود 675 مگاپاسکال
– استحکام نهایی: تا حدود 830 مگاپاسکال
– سختی (برینل): تا حدود 240 BHN
– گروه فولاد: کربن متوسط (Medium Carbon Steel)
– موارد استفاده: شافت‌ها، قطعات خودرو، ابزارهای مکانیکی

5) فولاد ANSI 3140

– استحکام تسلیم: تا حدود 680 مگاپاسکال
– استحکام نهایی: تا حدود 830 مگاپاسکال
– سختی (برینل): تا حدود 235 BHN
– گروه فولاد: کربن متوسط (Medium Carbon Steel)
– موارد استفاده: شافت‌ها، قطعات ماشین‌آلات سنگین

6) فولاد ANSI 3150

– استحکام تسلیم: تا حدود 735 مگاپاسکال
– استحکام نهایی: تا حدود 885 مگاپاسکال
– سختی (برینل): تا حدود 255 BHN
– گروه فولاد: کربن متوسط (Medium Carbon Steel)
– موارد استفاده: شافت‌ها، قطعات خودرو، ابزارهای صنعتی

7) فولاد ANSI 4140

– استحکام تسلیم: تا حدود 415 مگاپاسکال
– استحکام نهایی: تا حدود 850 مگاپاسکال
– سختی (برینل): تا حدود 269 BHN
– گروه فولاد: آلیاژی کربن متوسط (Alloy Medium Carbon Steel)
– موارد استفاده: شافت‌ها، قطعات ماشین‌آلات، ابزارهای صنعتی

8) فولاد ANSI 4340

– استحکام تسلیم: تا حدود 620 مگاپاسکال
– استحکام نهایی: تا حدود 850 مگاپاسکال
– سختی (برینل): تا حدود 249 BHN
– گروه فولاد: آلیاژی کربن متوسط (Alloy Medium Carbon Steel)
– موارد استفاده: شافت‌ها، قطعات ماشین‌آلات، قطعات پرسی

9) فولاد ANSI 5140

– استحکام تسلیم: تا حدود 415 مگاپاسکال
– استحکام نهایی: تا حدود 810 مگاپاسکال
– سختی (برینل): تا حدود 228 BHN
– گروه فولاد: آلیاژی کربن متوسط (Alloy Medium Carbon Steel)
– موارد استفاده: قطعات ماشین‌آلات، قطعات خودرو، ابزارهای صنعتی

10) فولاد ANSI 8650

– استحکام تسلیم: تا حدود 600 مگاپاسکال
– استحکام نهایی: تا حدود 960 مگاپاسکال
– سختی (برینل): تا حدود 311 BHN
– گروه فولاد: آلیاژی کربن متوسط (Alloy Medium Carbon Steel)
– موارد استفاده: قطعات ماشین‌آلات سنگین، قطعات پرسی، قطعات خودرو

لطفاً توجه داشته باشید که این ارقام تقریبی هستند و ممکن است با ترکیب‌های مختلف و فرآیندهای حرارتی مختلف تغییر کنند. همچنین، برای موارد دقیق‌تر و دسترسی به اطلاعات کامل‌تر، مراجعه به استانداردها و منابع معتبر مرتبط توصیه می‌شود.

کاربردهای شافت‌ها

شافت‌ها به عنوان اجزای کلیدی در دستگاه‌ها و ماشین‌های مختلف از صنایع مختلف، نقش حیاتی در انتقال حرکت، قدرت و انرژی دارند. این اجزا به عنوان پل ارتباطی بین موتورها، موتور‌ها و مکانیزم‌های دیگر عمل می‌کنند و عملکرد صحیح و کارآمد دستگاه‌ها را تضمین می‌کنند. در ادامه، به برخی از کاربردهای مهم شافت‌ها در صنایع مختلف اشاره خواهیم کرد:

صنعت خودروسازی: در این صنعت، شافت‌ها در جعبه‌های دنده، سیستم‌های ترمز و دیگر اجزای مهم دستگاه‌ها به کار می‌روند. همچنین، شافت‌های انتقال نیرو و چرخ‌ها در خودروها نقش اساسی در ایجاد حرکت و سرعت دارند.

صنعت هوافضا: در این صنعت، شافت‌ها برای انتقال نیرو و حرکت در موتورها، توربین‌ها و سیستم‌های دیگر مورد استفاده قرار می‌گیرند. انتخاب مواد با ویژگی‌های خاص مکانیکی و حرارتی در این شافت‌ها از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است.

صنعت نفت و گاز: شافت‌ها در اجزای مختلف تجهیزات نفتی و گازی، از جمله پمپ‌ها، کمپرسورها و ژنراتورها به کار می‌روند. در شرایط محیطی و حرارتی متفاوت، شافت‌های با مواد مختلف و خصوصیات مشخص مورد استفاده قرار می‌گیرند.

صنعت الکترونیک و الکتریکی: در این صنعت، شافت‌ها در اجزای موتورها، دستگاه‌های جریان‌برق، ژنراتورها و دستگاه‌های مکانیکی مختلف کاربرد دارند. این شافت‌ها باید دارای دقت بالا و ویژگی‌های الکتریکی مناسب باشند.