การออกแบบเครื่องจักรกล (Machine Design)

เอกสารการสอน
วชิ า การออกแบบเครือ่ งจักรกล

รหัสวิชา 03-407-071-303

นายอิทธพิ ล วรพนั ธ

สังกัดสาขาวิชาวศิ วกรรมเคร่ืองกล คณะวิศวกรรมศาสตรและสถาปต ยกรรมศาสตร
วิทยาเขตนครราชสีมา มหาวทิ ยาลัยเทคโนโลยรี าชมงคลอีสาน

การออกแบบเครื่องจักรกล
Machine Design

อิทธพิ ล วรพนั ธ์

สาขาวศิ วกรรมเครอื่ งกล
คณะวศิ วกรรมศาสตร์และสถาปตั ยกรรมศาสตร์

มหาวิทยาลัยเทคโนโลยรี าชมงคลอีสาน
2561

การออกแบบเครื่องจกั รกล ก

คาํ นาํ

เอกสารการสอน การออกแบบเครื่องจกั รกล เล่มน้ี เรียบเรียงข้นึ เพ่อื ใชเ้ ป็นสื่อการเรียนการสอนในรายวชิ า 03-407-
071-303 การออกแบบเครื่องจักรกล (Machine Design) ของหลักสูตรวิศวกรรมศาสตรบัณฑิต สาขาวิชา
วศิ วกรรมเคร่ืองกล มหาวิทยาลยั เทคโนโลยีราชมงคลอีสาน โดยรายวิชาดงั กล่าวถูกกาํ หนดให้เป็นวิชาชีพเฉพาะ
(รายวชิ าบงั คบั ) ท้งั น้ีตามคาํ อธิบายรายวิชามีเน้ือหาซ่ึงสามารถแบ่งออกไดเ้ ป็ น 3 ส่วนใหญ่ ๆ ได้แก่ส่วนที่ 1 คือ
ทฤษฏีพ้ืนฐานของการออกแบบ เน้ือหาจะประกอบด้วย แนวคิดและข้นั ตอนในการออกแบบ วสั ดุท่ีใช้ในการ
ออกแบบ สภาวะความเคน้ ที่เกิดจากภาระต่าง ๆ ในชิ้นงาน ส่วนที่ 2 คือทฤษฎที ่ีเก่ียวกับความเสียหายของชิ้นงาน
จากภาระคงที่และภาระที่เป็ นวฎั จกั รและส่วนที่ 3 คือการออกแบบชิ้นส่วนพ้ืนฐานของเครื่องจกั รกลและการ
เลือกใชง้ านให้เหมาะสม เช่น การออกแบบรอยต่อดว้ ยหมุดย้าํ เพลา สปริง แบร่ิง คปั ปลิง เฟื อง เบรกและครัทช์
สายพานและโซ่ เป็นตน้
เนื่องจากเน้ือหาของรายวิชาน้ีมีจาํ นวนมาก ผูเ้ รียบเรียงจึงไดแ้ บ่งออกเป็ น 7 หน่วยเรียนประกอบดว้ ย หน่วยที่ 1
แนะนาํ การออกแบบเครื่องจกั รกล หน่วยท่ี 2 วัสดุในทางวิศวกรรมและคุณสมบัติ หน่วยท่ี 3 การวิเคราะห์ความ
เค้น หน่วยที่ 4 ทฤษฎีความเสียหายภายใต้แรงกระทาํ คงท่ี หน่วยที่ 5 ทฤษฎีความเสียหาภายใต้แรงกระทาํ ซ้ํา ๆ
หน่วยที่ 6 การออกแบบรอยต่อด้วยหมุดยา้ํ และหน่วยเรียนสุดท้ายหน่วยที่ 7 การออกแบบสปริง ซ่ึงเน้ือหาเหล่าน้ี
จะทาํ ให้ผเู้ รียนสามารถทาํ ความเขา้ ใจไดง้ า่ ยข้ึนพร้อมท้งั นาํ ไปประยกุ ตใ์ ชก้ บั งานจริงได้
ผเู้ รียบเรียงขอขอบคณุ รศ.ดร.ชวลิต ถ่นิ วงศพ์ ิทกั ษ์ ภาควชิ าวศิ วกรรมเคร่ืองกล มหาวทิ ยาลยั อุบลราชธานี ทก่ี รุณา
มอบขอ้ มูลต่าง ๆ ที่เป็ นประโยชน์ต่อการเรียบเรียงเอกสารการสอนน้ี ขอขอบคุณ รศ.ดร.พิพฒั น์ อมตฉายา รอง
อธิการบดีวิจยั และบริการวิชาการ มหาวทิ ยาลยั เทคโนโลยีราชมงคลอสี าน ท่ีไดใ้ ห้แนวทางและชว่ ยช้ีแนะเกี่ยวกับ
การเรียบเรียงเอกสารการสอนน้ี ขอขอบคุณ ศ.ดร.กุลเชษฐ์ เพียรทอง ภาควิชาวิศวกรรมเคร่ืองกล มหาวิทยาลัย
อบุ ลราชธานี ในฐานะอาจารยท์ ป่ี รึกษาในระดบั ป.โท-เอก ท่ีไดถ้ ่ายทอดความรู้ต่าง ๆ และปลูกฝังวิธีการในการ
ทาํ งานท่ีดีให้แก่ผูเ้ รียบเรียงและขอขอบคณุ คณะวศิ วกรรมศาสตร์และสถาปัตยกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลยั เทคโนโลยี
ราชมงคลอีสานทก่ี รุณาใหก้ ารสนบั สนุนในการจดั ทาํ เอกสารการสอนเลม่ น้ีมาโดยตลอด
สุดท้ายน้ีผูเ้ รียบเรียงหวงั เป็นอย่างยิ่งวา่ เอกสารการสอนเล่มน้ีจะเป็นประโยชนต์ ่อการเรียนการสอนในรายวิชาการ
ออกแบบเครื่องจักรกลและสามารถนําไปประยุกตใ์ ช้ในการทาํ งานจริงเกี่ยวกบั การออกแบบชิน้ ส่วนต่าง ๆ ของ
เคร่ืองจกั รกลได้ หากนกั ศกึ ษาหรือผูใ้ ชเ้ อกสารการสอนเล่มน้ีทา่ นใดมีขอ้ เสนอแนะเพื่อการปรับปรุงเอกสารการ
สอนเล่มน้ีให้มีความสมบูรณ์มากย่ิงข้ึน สามารถส่งขอ้ เสนอแนะต่าง ๆ มาไดท้ ่ี อีเมล : [email protected]
ผเู้ รียบเรียงยนิ ดีนอ้ มรับและขอขอบคณุ ในความอนุเคราะหน์ ้นั มา ณ โอกาสน้ีดว้ ย

อิทธิพล วรพนั ธ์
สาขาวิศวกรรมเครื่องกล คณะวศิ วกรรมศาสตรแ์ ละสถาปัตยกรรมศาสตร์

มนี าคม 2561

ข การออกแบบเคร่ืองจกั รกล

การออกแบบเครื่องจกั รกล ค

สารบญั

คาํ นาํ หน้า
สารบญั ก
ลกั ษณะรายวชิ า ค
การแบ่งหน่วยเรียน จ
จดุ ประสงค์การสอน ฉ
กําหนดการสอน ญ
การประเมินผลรายวชิ า ฑ
ตารางกาํ หนดนํา้ หนกั คะแนน ต
หน่วยท่ี 1 แนะนาํ การออกแบบเคร่ืองจักรกล ด
3
1.1 บทนาํ สู่การออกแบบชิน้ ส่วนเครื่องจกั รกล
1.2 เคร่ืองมือและขอ้ ควรคาํ นึงถึงในการออกแบบ 3
12
1.3 ค่าความปลอดภยั และคา่ ความน่าเชื่อถือในการออกแบบ
14
1.4 มาตรฐาน รหัสและหน่วยทีใ่ ชใ้ นการออกแบบ
หน่วยที่ 2 วัสดใุ นทางวิศวกรรมและคณุ สมบัติ 16

2.1 ประเภทและคุณสมบตั ิทางกลของวสั ดุ 23
2.2 กระบวนการข้ึนรูปและกระบวนการทางความรอ้ นของโลหะ
2.3 วสั ดผุ สมสําหรบั เหล็กและโลหะใชง้ าน 23
หน่วยท่ี 3 การวิเคราะห์ความเค้น 32
3.1 บทนาํ สู่การวเิ คราะหค์ วามเคน้ 35
55
3.2 ความเคน้ และวงกลมของมอห์รใน 3 มิติ 55
หน่วยที่ 4 ทฤษฎคี วามเสียหายภายใต้แรงกระทําคงที่
61
4.1 ทฤษฎีความเสียหายสาํ หรบั แรงกระทาํ คงท่ี 75
75
4.2 การเปรียบเทียบทฤษฎีความเสียหายกบั ผลการทดลอง
หน่วยที่ 5 การออกแบบชิ้นส่วนภายใต้แรงกระทาํ ซํา้ ๆ 107
117
5.1 ความเคน้ ความเครียดและอายุการลา้ 117

5.2 ค่าขีดจาํ กดั ความลา้ คา่ พกิ ดั ความลา้ และตวั คณู ปรบั แกค้ า่ 131
5.3 ทฤษฎคี วามเสียหายและการเลือกใชต้ วั คณู ปรบั แกค้ วามเคน้ 159

5.4 การออกแบบชิ้นส่วนใหม้ ีอายจุ าํ กดั และการออกแบบชิ้นส่วนท่ีถูกกระทาํ ดว้ ยเคน้ ผสม 179

ง การออกแบบเคร่ืองจกั รกล

สารบัญ (ต่อ)

หน่วยท่ี 6 การออกแบบรอยต่อด้วยหมดุ ยาํ้ หน้า
หน่วยท่ี 7 6.1 ลกั ษณะทว่ั ไปและชนิดการเสียหายของรอยตอ่ ดว้ ยหมดุ ย้าํ 189
บรรณานกุ รม 6.2 ชนิดและประสิทธิภาพของรอยตอ่ ดว้ ยหมดุ ย้าํ 189
6.3 การออกแบบรอยตอ่ ดว้ ยหมดุ ย้าํ สาํ หรบั ภาชนะความดนั
การออกแบบสปริง 195
7.1 ความเคน้ ผลของความโคง้ และระยะยืดของสปริงเกลยี ว
203
7.2 สปริงรบั แรงดงึ และแรงอดั 213
213
7.3 สปริงเกลียวอดั
221
7.4 สปริงเกลียวอดั ทาํ งานภายใตส้ ภาวะไดนามกิ สแ์ ละการออกแบบ
235

253
275

การออกแบบเครื่องจกั รกล จ

ลกั ษณะรายวิชา

1. รหสั และช่ือวิชา 03-407-071-303 การออกแบบเคร่ืองจกั รกล (Machine Design)
2. สภาพรายวชิ า วิชาชีพเฉพาะในหลกั สูตรวิศวกรรมศาสตรบณั ฑติ สาขาวชิ าวิศวกรรมเคร่ืองกล
3. ระดบั รายวชิ า ภาคการศึกษาท่ี 1 และ 2 ช้นั ปี ที่ 3
4. พนื้ ฐาน
04-031-202 กลศาสตร์ของวสั ดุ 1 (Mechanics of Materials 1)
5. เวลาศึกษา 51 คาบเรียนตลอด 17 สัปดาห์ ทฤษฎี 45 คาบ ปฏิบตั ิ - คาบต่อสัปดาห์และนกั ศึกษาต้องใช้
เวลาศึกษาคน้ ควา้ นอกเวลา 6 ชว่ั โมงตอ่ สัปดาห์
6. จํานวนหน่วยกิต 3(3-0-6) หน่วยกติ
7. จดุ ประสงค์รายวิชา
1. เพื่อให้นกั ศึกษาสามารถเขา้ ใจถงึ หลกั การพ้ืนฐานของการออกแบบทางวิศวกรรมเคร่ืองกล
2. เพือ่ ใหน้ กั ศึกษาทราบและเขา้ ใจถงึ ทฤษฎีและปัจจยั ตา่ ง ๆ ที่ตอ้ งคาํ นึงถงึ ในการออกแบบ
3. เพ่ือให้นกั ศึกษาสามารถออกแบบชิ้นส่วนเครื่องจกั รกลโดยคาํ นึงถงึ ความเสียหายที่อายุใช้
งานตามตอ้ งการและทค่ี ่าความปลอดภยั ท่ีภาระชนิดตา่ ง ๆ ได้

8. คาํ อธบิ ายรายวชิ า 4. เพื่อใหน้ กั ศกึ ษาสามารถเขา้ ใจถึงหลกั การออกแบบชิน้ ส่วนหลกั ของเคร่ืองจกั รกลตา่ ง ๆ ได้

ศกึ ษาถึงพ้ืนฐานของการออกแบบเคร่ืองจกั รกล คุณสมบตั ขิ องวสั ดแุ ละขอบข่ายข้นั ตอนการ
ออกแบบเบ้ืองต้น ความเค้นผสมและทฤษฎีความเสียหายของชิ้นงานเคร่ืองจักรกล การ
ออกแบบสาํ หรบั การแตกหักเนื่องจากความลา้ การออกแบบรอยตอ่ ดว้ ยหมุดย้าํ การเช่ือม และ
สลกั เกลียวลิ่ม และสลกั เกลียวยืด สปริง การออกแบบเคร่ืองจักรกลเก่ียวกบั เฟื องตรง เฟื อง
เฉียง เฟื องดอกจอก ชุดเฟื องหนอน เจอร์นัลแบร่ิงและการหล่อลื่น โรลล่ิงแบร่ิง เบรก
และคลทั ซ์ การเชื่อมต่อ สายพาน โซ่ และการเลือกใชใ้ ห้เหมาะสมกบั เครื่องจกั รกล

ฉ การออกแบบเครื่องจกั รกล

การแบ่งหน่วยเรียน ช่ัวโมงเรียน
ทฤษฎี ปฏบิ ตั ิ
หน่วยที่ รายการ
3-
1 แนะนาํ การออกแบบเคร่ืองจกั รกล
1.1 บทนาํ สู่การออกแบบชิ้นส่วนเคร่ืองจกั รกล 3-
1.1.1 ความสําคญั และเน้ือหาของรายวชิ า 4-
1.1.2 นิยามและความหมายของการออกแบบ
1.1.3 การออกแบบทางวศิ วกรรมเคร่ืองกล
1.1.4 กระบวนการออกแบบทางวศิ วกรรม
1.2 เครื่องมือและขอ้ ควรคาํ นึงถึงในการออกแบบ
1.2.1 เครื่องมอื ช่วยในการออกแบบ
1.2.2 ขอ้ ควรคาํ นึงถงึ ในการออกแบบ
1.3 ค่าความปลอดภยั และค่าความนา่ เชอ่ื ถอื ในการออกแบบ
1.3.1 คา่ ความปลอดภยั ในการออกแบบ
1.3.2 คา่ ความนา่ เชื่อถือในการออกแบบ
1.4 มาตรฐาน รหสั และหน่วยทีใ่ ชใ้ นการออกแบบ
1.4.1 มาตฐานและรหสั ทใี่ ชใ้ นการออกแบบ
1.4.2 หน่วยท่ใี ชใ้ นการออกแบบ

2 วัสดใุ นทางวศิ วกรรมและคณุ สมบตั ิ
2.1 ประเภทและคณุ สมบตั ทิ างกลของวสั ดุ
2.1.1 ประเภทของวสั ดุ
2.1.2 คณุ สมบตั ิทางกลของวสั ดุ
2.2 กระบวนการข้ึนรูปและกระบวนการทางความรอ้ นของโลหะ
2.2.1 กระบวนการข้ึนรูปของโลหะ
2.2.2 กระบวนการทางความร้อนของโลหะ
2.3 วสั ดผุ สมสําหรับเหลก็ และโลหะใชง้ าน
2.3.1 วสั ดุผสมสําหรบั เหลก็

2.3.2 โลหะใชง้ านท่ีควรรู้จกั และการใหช้ ื่อ
3 การวเิ คราะห์ความเค้น

3.1 บทนาํ สู่การวิเคราะหค์ วามเคน้
3.1.1 องคป์ ระกอบความเคน้
3.1.2 วงกลมของมอหร์ และความเคน้ หลกั

การออกแบบเคร่ืองจกั รกล ช

การแบ่งหน่วยเรียน (ต่อ) ชั่วโมงเรียน
ทฤษฎี ปฏิบัติ
หน่วยท่ี รายการ
9-
3.2 ความเคน้ และวงกลมของมอหร์ ใน 3 มติ ิ
3.3.1 ความเคน้ ใน 3 มติ ิ 10 -
3.3.2 ขอ้ สงั เกตเก่ียวกบั วงกลมของมอห์รใน 3 มิติ

4 ทฤษฎีความเสียหายภายใต้แรงกระทาํ คงที่
4.1 ทฤษฎีความเสียหายสาํ หรบั แรงกระทาํ คงที่
4.1.1 ทฤษฎคี วามเคน้ หลกั สูงสุด
4.1.2 ทฤษฎีความเคน้ เฉือนสูงสุด
4.1.3 ทฤษฎคี วามเครียดสูงสุด
4.1.4 ทฤษฎีพลงั งานความเครียดสูงสุด
4.1.5 ทฤษฎีความฝืดภายในหรือสมมตุ ฐิ านของคูลอมบ-์ มอหร์
4.2 การเปรียบเทียบทฤษฎีความเสียหายกบั ผลการทดลอง
4.2.1 เปรียบเทียบทฤษฎตี า่ ง ๆ กบั ผลการทดลองกรณีวสั ดเุ หนียว
4.2.2 เปรียบเทียบทฤษฎตี า่ ง ๆ กบั ผลการทดลองกรณีวสั ดเุ ปราะ

5 การออกแบบชิน้ ส่วนภายใต้แรงกระทําซํา้ ๆ
5.1 ความเคน้ ความเครียดและอายกุ ารลา้
5.1.1 ความสมั พนั ธ์ระหว่างความเครียดและอายุการลา้
5.1.2 ความสัมพนั ธ์ระหวา่ งความเคน้ และอายุการลา้
5.2 คา่ ขีดจาํ กดั ความลา้ ค่าพิกดั ความลา้ และตวั คณู ปรับแกค้ า่
5.2.1 คา่ ขดี จาํ กดั ความลา้
5.2.2 ค่าพกิ ดั ความลา้
5.2.3 ค่าขดี จาํ กดั ความลา้ ใชง้ านและตวั คณู ปรับแกค้ ่าตา่ ง ๆ
5.3 ทฤษฎีความเสียหายและการเลอื กใชต้ วั คณู ปรับแกค้ วามเคน้
5.3.1 ทฤษฎกี ารเสียหายภายใตแ้ รงกระทาํ แบบสลบั
5.3.2 การเลือกใช้ตัวคูณปรับแก้ความเค้นในกรณีที่ความเค้น
สลบั ไม่เป็นความเคน้ สลบั แบบสมบรู ณ์
5.4 การออกแบบชิ้นส่วนให้มีอายจุ าํ กดั และการออกแบบชิน้ ส่วนท่ี
ถกู กระทาํ ดว้ ยเคน้ ผสม
5.4.1 การออกแบบชิ้นส่วนให้มอี ายจุ าํ กดั

ซ การออกแบบเคร่ืองจกั รกล

การแบ่งหน่วยเรียน (ต่อ) ชั่วโมงเรียน
ทฤษฎี ปฏบิ ตั ิ
หน่วยที่ รายการ
6-
5.4.2 การออกแบบชิน้ ส่วนท่ถี กู กระทาํ โดยความเคน้ ผสมแบบสลบั
6 การออกแบบรอยต่อด้วยหมดุ ยาํ้ 10 -

6.1 ลกั ษณะทวั่ ไปและชนิดการเสียหายของรอยต่อดว้ ยหมดุ ย้าํ
6.1.1 ลกั ษณะทวั่ ไปของรอยตอ่ ดว้ ยหมดุ ย้าํ
6.1.2 ชนิดของการเสียหายของรอยตอ่ ดว้ ยหมุดย้าํ

6.2 ชนิดและประสิทธิภาพของรอยต่อดว้ ยหมดุ ย้าํ
6.2.1 ชนิดของรอยต่อดว้ ยหมุดย้าํ
6.2.2 ประสิทธิภาพของรอยตอ่ ดว้ ยหมดุ ย้าํ

6.3 การออกแบบรอยต่อดว้ ยหมดุ ย้าํ สาํ หรบั ภาชนะความดนั
6.3.1 การหาค่าตา่ ง ๆ สาํ หรบั การออกแบบ
6.3.2 การออกแบบรอยต่อดว้ ยหมดุ ย้าํ

7 การออกแบบสปริง
7.1 ความเคน้ ผลของความโคง้ และระยะยดื ของสปริงเกลียว
7.1.1 ความเคน้ ในสปริงเกลียว
7.1.2 อิทธิพลของความโคง้
7.1.3 ระยะยืดของสปริงเกลียว
7.2 สปริงรบั แรงดงึ และแรงอดั
7.2.1 สปริงรบั แรงดงึ
7.2.2 สปริงรับแรงอดั
7.2.3 ความเสถยี รของสปริง
7.2.4 วสั ดุทาํ สปริง
7.3 สปริงเกลยี วอดั
7.3.1 สปริงรบั แรงอดั แบบเกลยี วภายใตภ้ าระสถิต
7.3.2 ส่ิงท่ตี อ้ งคาํ นึงถึงในการออกแบบสปริงอดั แบบเกลยี ว
7.3.3 ความถีว่ ิกฤติของสปริงเกลยี ว
7.3.4 สปริงภายใตก้ ารลา้
7.4 สปริงเกลยี วอดั ทาํ งานภายใตส้ ภาวะไดนามิกส์และการออกแบบ
7.4.1 สปริงเกลียวอดั ทาํ งานภายใตส้ ภาวะไดนามิกส์

การออกแบบเคร่ืองจกั รกล ฌ

การแบ่งหน่วยเรียน (ต่อ) ชั่วโมงเรียน
ทฤษฎี ปฏบิ ัติ
หน่วยท่ี รายการ

7.4.2 การออกแบบสปริงอดั แบบเกลียวสําหรบั ภาระไดนามกิ ส์ รวมทฤษฎี 45 ชม.
7.4.3 อายุใชง้ านของสปริงเกลียวแบบอดั ทดสอบ 6 ชม.
รวม 51 ชม.

ญ การออกแบบเครื่องจกั รกล

จดุ ประสงค์การสอน

หน่วยที่ รายการ ช่ัวโมงเรียน
ทฤษฎี ปฏิบัติ
1 แนะนาํ การออกแบบเคร่ืองจกั รกล 3 (ชม.) -

1.1 เขา้ ใจบทนาํ สู่การออกแบบชิ้นส่วนเคร่ืองจกั รกล 95 นาที
1.1.1 บอกความสาํ คญั และเน้ือหาของรายวิชา
1.1.2 บอกนิยามและความหมายของการออกแบบ 30 นาที
1.1.3 บอกการออกแบบทางวศิ วกรรมเคร่ืองกล
1.1.4 อธิบายกระบวนการออกแบบทางวศิ วกรรม 30 นาที

1.2 รู้เครื่องมอื และขอ้ ควรคาํ นึงถึงในการออกแบบ 25 นาที
1.2.1 บอกเครื่องมือชว่ ยในการออกแบบ
1.2.2 บอกขอ้ ควรคาํ นึงถึงในการออกแบบ 3 (ชม.) -
70 นาที
1.3 เขา้ ใจคา่ ความปลอดภยั และคา่ ความน่าเช่ือถอื ในการออกแบบ
1.3.1 อธิบายค่าความปลอดภยั ในการออกแบบ 40 นาที
1.3.2 อธิบายคา่ ความน่าเช่ือถอื ในการออกแบบ
70 นาที
1.4 รู้มาตรฐาน รหสั และหน่วยที่ใชใ้ นการออกแบบ
1.4.1 บอกมาตฐานและรหสั ทใี่ ชใ้ นการออกแบบ
1.4.2 บอกหน่วยที่ใชใ้ นการออกแบบ

2 วัสดใุ นทางวศิ วกรรมและคณุ สมบตั ิ

2.1 รู้ประเภทและคณุ สมบตั ทิ างกลของวสั ดุ
2.1.1 บอกประเภทของวสั ดุ
2.1.2 บอกคุณสมบตั ทิ างกลของวสั ดุ

2.2 เขา้ ใจกระบวนการข้ึนรูปและกระบวนการทางความรอ้ นของ
โลหะ

2.2.1 อธิบายกระบวนการข้ึนรูปของโลหะ
2.2.2 อธิบายกระบวนการทางความร้อนของโลหะ
2.3 รูว้ สั ดุผสมสาํ หรบั เหลก็ และโลหะใชง้ าน
2.3.1 บอกวสั ดผุ สมสําหรบั เหลก็
2.3.2 บอกโลหะใชง้ านทค่ี วรรูจ้ กั และการให้ช่ือ

การออกแบบเคร่ืองจกั รกล ฎ

จดุ ประสงค์การสอน (ต่อ)

หน่วยท่ี รายการ ชั่วโมงเรียน
ทฤษฎี ปฏิบัติ
3 การวเิ คราะห์ความเค้น 4 (ชม.) -
105 นาที
3.1 เขา้ ใจบทนาํ สู่การวเิ คราะหค์ วามเคน้
3.1.1 บอกองคป์ ระกอบความเคน้ 135 นาที
3.1.2 อธิบายวงกลมของมอหร์ และความเคน้ หลกั
9 (ชม.) -
3.2 คาํ นวณความเคน้ และวงกลมของมอหร์ ใน 3 มติ ิ 480 นาที
3.2.1 คาํ นวณความเคน้ ใน 3 มิติ
3.3.2 บอกขอ้ สงั เกตเกี่ยวกบั วงกลมของมอห์รใน 3 มิติ 60 นาที

4 ทฤษฎีความเสียหายภายใต้แรงกระทําคงที่ 12 (ชม.) -
120 นาที
4.1 คาํ นวณทฤษฎีความเสียหายสาํ หรบั แรงกระทาํ คงท่ี
4.1.1 คาํ นวณทฤษฎคี วามเคน้ หลกั สูงสุด 120 นาที
4.1.2 คาํ นวณทฤษฎีความเคน้ เฉือนสูงสุด
4.1.3 คาํ นวณทฤษฎีความเครียดสูงสุด
4.1.4 คาํ นวณทฤษฎพี ลงั งานความเครียดสูงสุด
4.1.5 คาํ นวณทฤษฎีความฝื ดภายในหรือสมมุติฐานของคู
ลอมบ-์ มอห์ร

4.2 เขา้ ใจการเปรียบเทียบทฤษฎคี วามเสียหายกบั ผลการทดลอง
4.2.1 อธิบายเปรียบเทียบทฤษฎีต่าง ๆ กับผลการทดลองกรณี
วสั ดุเหนียว
4.2.2 อธิบายเปรียบเทียบทฤษฎีต่าง ๆ กับผลการทดลองกรณี
วสั ดเุ ปราะ

5 ทฤษฎีความเสียหายภายใต้แรงกระทําซํา้ ๆ

5.1 เขา้ ใจความเคน้ ความเครียดและอายกุ ารลา้
5.1.1 อธิบายความสัมพนั ธ์ระหวา่ งความเครียดและอายกุ ารลา้
5.1.2 อธิบายความสัมพนั ธ์ระหวา่ งความเคน้ และอายุการลา้

5.2 คาํ นวณคา่ ขีดจาํ กดั ความลา้ ค่าพิกดั ความลา้ และตวั คูณปรับแก้
ค่า

5.2.1 บอกคา่ ขีดจาํ กดั ความลา้
5.2.2 คาํ นวณคา่ พิกดั ความลา้

ฏ การออกแบบเครื่องจกั รกล

จุดประสงค์การสอน (ต่อ)

หน่วยที่ รายการ ชั่วโมงเรียน
ทฤษฎี ปฏบิ ัติ
5.2.3 คาํ นวณค่าขีดจาํ กดั ความลา้ ใชง้ านและตวั คูณปรับแก้ค่า 180 นาที
ต่าง ๆ
5.3 คาํ นวณทฤษฎีความเสียหายและการเลือกใช้ตวั คูณปรับแก้ 120 นาที
ความเคน้
5.3.1 คาํ นวณทฤษฎีการเสียหายภายใตแ้ รงกระทาํ แบบสลบั 4 (ชม.) -
5.3.2 อธิบายการเลือกใช้ตัวคูณปรับแก้ความเค้นในกรณีที่ 60 นาที
ความเคน้ สลบั ไม่เป็ นความเคน้ สลบั แบบสมบูรณ์2.2.17 บอก
คา่ ความเหนียวได้ 180 นาที
5.4 คาํ นวณการออกแบบชิ้นส่วนให้มีอายุจาํ กดั และการออกแบบ 120 นาที
ชิ้นส่วนที่ถกู กระทาํ ดว้ ยเคน้ ผสม
5.4.1 คาํ นวณการออกแบบชิน้ ส่วนใหม้ อี ายุจาํ กดั
5.4.2 คาํ นวณการออกแบบชิ้นส่วนที่ถูกกระทาํ โดยความเคน้
ผสมแบบสลบั
6 การออกแบบรอยต่อด้วยหมุดยาํ้

6.1 เขา้ ใจลกั ษณะทว่ั ไปและชนิดการเสียหายของรอยตอ่ ดว้ ยหมุด
ย้าํ
6.1.1 บอกลกั ษณะทวั่ ไปของรอยตอ่ ดว้ ยหมดุ ย้าํ
6.1.2 อธิบายชนิดของการเสียหายของรอยตอ่ ดว้ ยหมดุ ย้าํ

6.2 คาํ นวณชนิดและประสิทธิภาพของรอยต่อดว้ ยหมดุ ย้าํ
6.2.1 บอกชนิดของรอยต่อดว้ ยหมุดย้าํ
6.2.2 คาํ นวณประสิทธิภาพของรอยต่อดว้ ยหมุดย้าํ

6.3 คาํ นวณการออกแบบรอยต่อด้วยหมุดย้าํ สําหรับภาชนะความ
ดนั
6.3.1 บอกการหาค่าตา่ ง ๆ สําหรับการออกแบบ
6.3.2 คาํ นวณการออกแบบรอยตอ่ ดว้ ยหมุดย้าํ

การออกแบบเคร่ืองจกั รกล ฐ

จุดประสงค์การสอน (ต่อ)

หน่วยท่ี รายการ ช่ัวโมงเรียน
ทฤษฎี ปฏบิ ตั ิ
7 การออกแบบสปริง -
10 (ชม.)
7.1 รู้ความเคน้ ผลของความโคง้ และระยะยืดของสปริงเกลยี ว
7.1.1 บอกความเคน้ ในสปริงเกลยี ว 60 นาที
7.1.2 บอกอิทธิพลของความโคง้
7.1.3 บอกระยะยดื ของสปริงเกลยี ว 180 นาที

7.2 คาํ นวณสปริงรับแรงดึงและแรงอดั 180 นาที
7.2.1 คาํ นวณสปริงรับแรงดึง
7.2.2 คาํ นวณปริงรบั แรงอดั 180 นาที
7.2.3 คาํ นวณความเสถยี รของสปริง
7.2.4 อธิบายวสั ดทุ าํ สปริง

7.3 คาํ นวณสปริงเกลยี วอดั
7.3.1 คาํ นวณสปริงรับแรงอดั แบบเกลยี วภายใตภ้ าระสถติ
7.3.2 อธิบายสิ่งที่ตอ้ งคาํ นึงถึงในการออกแบบสปริงอดั แบบ
เกลียว
7.3.3 คาํ นวณความถีว่ ิกฤติของสปริงเกลียว
7.3.4 คาํ นวณสปริงภายใตก้ ารลา้

7.4 คาํ นวณสปริงเกลียวอดั ทาํ งานภายใตส้ ภาวะไดนามกิ สแ์ ละการ
ออกแบบ

7.4.1 คาํ นวณสปริงเกลยี วอดั ทาํ งานภายใตส้ ภาวะไดนามิกส์
7.4.2 คาํ นวณการออกแบบสปริงอัดแบบเกลียวสําหรับภาระ
ไดนามิกส์
7.4.3 คาํ นวณอายุใชง้ านของสปริงเกลยี วแบบอดั

ฑ การออกแบบเคร่ืองจกั รกล

กําหนดการสอน

สัปดาห์ที่ ว/ด/ป ชม. ท่ี รายการ หมายเหตุ
1 1-3 แนะนาํ การออกแบบเคร่ืองจักรกล
1.1 บทนาํ สู่การออกแบบชิ้นส่วนเคร่ืองจกั รกล
1.1.1 ความสําคญั และเน้ือหาของรายวชิ า
1.1.2 นิยามและความหมายของการออกแบบ
1.1.3 การออกแบบทางวิศวกรรมเคร่ืองกล

1.1.4 กระบวนการออกแบบทางวิศวกรรม
1.2 เครื่องมือและขอ้ ควรคาํ นึงถึงในการออกแบบ
1.2.1 เครื่องมอื ชว่ ยในการออกแบบ
1.2.2 ขอ้ ควรคาํ นึงถึงในการออกแบบ

1.3 คา่ ความปลอดภยั และค่าความน่าเช่ือถอื ในการออกแบบ
1.3.1 คา่ ความปลอดภยั ในการออกแบบ
1.3.2 คา่ ความนา่ เชื่อถือในการออกแบบ
1.4 มาตรฐาน รหสั และหน่วยทใี่ ชใ้ นการออกแบบ

1.4.1 มาตฐานและรหสั ทใี่ ชใ้ นการออกแบบ
1.4.2 หน่วยท่ใี ชใ้ นการออกแบบ
2 1-3 วสั ดใุ นทางวิศวกรรมและคุณสมบัติ
2.1 ประเภทและคณุ สมบตั ทิ างกลของวสั ดุ
2.1.1 ประเภทของวสั ดุ
2.1.2 คณุ สมบตั ิทางกลของวสั ดุ
2.2 กระบวนการข้ึนรูปและกระบวนการทางความรอ้ นของโลหะ
2.2.1 กระบวนการข้ึนรูปของโลหะ
2.2.2 กระบวนการทางความรอ้ นของโลหะ
2.3 วสั ดุผสมสําหรบั เหล็กและโลหะใชง้ าน
2.3.1 วสั ดผุ สมสําหรับเหล็ก

2.3.2 โลหะใชง้ านทค่ี วรรูจ้ กั และการให้ชื่อ
3 1-3 การวเิ คราะห์ความเค้น
3.1 บทนาํ สู่การวเิ คราะหค์ วามเคน้

3.1.1 องคป์ ระกอบความเคน้
3.1.2 วงกลมของมอห์รและความเคน้ หลกั

การออกแบบเคร่ืองจกั รกล ฒ

กาํ หนดการสอน (ต่อ)

สัปดาห์ท่ี ว/ด/ป ชม. ที่ รายการ หมายเหตุ

3.2 ความเคน้ และวงกลมของมอห์รใน 3 มติ ิ
3.3.1 ความเคน้ ใน 3 มติ ิ

4 1 3.3.2 ขอ้ สงั เกตเกย่ี วกบั วงกลมของมอหร์ ใน 3 มติ ิ
2-3 ทฤษฎคี วามเสียหายภายใต้แรงกระทําคงที่
4.1 ทฤษฎีความเสียหายสาํ หรบั แรงกระทาํ คงที่
4.1.1 ทฤษฎีความเคน้ หลกั สูงสุด

5 1-3 4.1.2 ทฤษฎคี วามเคน้ เฉือนสูงสุด
4.1.3 ทฤษฎีความเครียดสูงสุด

6 1-3 4.1.4 ทฤษฎีพลงั งานความเครียดสูงสุด
4.1.5 ทฤษฎีความฝื ดภายในหรือสมมุติฐานของคูลอมบ์-

มอห์ร

7 1 4.2 การเปรียบเทยี บทฤษฎคี วามเสียหายกบั ผลการทดลอง
4.2.1 เปรียบเทียบทฤษฎีต่าง ๆ กับผลการทดลองกรณีวสั ดุ

เหนียว
4.2.2 เปรียบเทียบทฤษฎีต่าง ๆ กบั ผลการทดลองกรณีวสั ดุ
เปราะการ
2-3 ออกแบบชิ้นส่วนภายใต้แรงกระทาํ ซํ้า ๆ
5.1 ความเคน้ ความเครียดและอายุการลา้
5.1.1 ความสัมพนั ธ์ระหวา่ งความเครียดและอายุการลา้
5.1.2 ความสัมพนั ธร์ ะหวา่ งความเคน้ และอายุการลา้
สอบกลางภาค
8 1-3

1-3 5.2 ค่าขีดจาํ กดั ความลา้ คา่ พกิ ดั ความลา้ และตวั คณู ปรบั แกค้ า่
9 5.2.1 คา่ ขดี จาํ กดั ความลา้

5.2.2 คา่ พกิ ดั ความลา้
5.2.3 คา่ ขดี จาํ กดั ความลา้ ใชง้ านและตวั คณู ปรบั แกค้ า่ ต่าง ๆ

10 1-3 5.3 ทฤษฎคี วามเสียหายและการเลอื กใชต้ วั คณู ปรบั แกค้ วามเคน้

5.3.1 ทฤษฎกี ารเสียหายภายใตแ้ รงกระทาํ แบบสลบั
5.3.2 การเลือกใชต้ วั คูณปรับแกค้ วามเคน้ ในกรณีท่ีความเคน้
สลบั ไมเ่ ป็นความเคน้ สลบั แบบสมบรู ณ์

ณ การออกแบบเคร่ืองจกั รกล

กาํ หนดการสอน (ต่อ)

สัปดาห์ท่ี ว/ด/ป ชม. ที่ รายการ หมายเหตุ

11 1-2 5.4 การออกแบบชิน้ ส่วนให้มอี ายจุ าํ กดั และการออกแบบชิ้นส่วน
ท่ีถกู กระทาํ ดว้ ยเคน้ ผสม
5.4.1 การออกแบบชิ้นส่วนใหม้ อี ายจุ าํ กดั
5.4.2 การออกแบบชิ้นส่วนที่ถูกกระทําโดยความเค้นผสม
แบบสลบั
3 การออกแบบรอยต่อด้วยหมุดยํา้
6.1 ลกั ษณะทว่ั ไปและชนิดการเสียหายของรอยตอ่ ดว้ ยหมุดย้าํ
6.1.1 ลกั ษณะทวั่ ไปของรอยต่อดว้ ยหมดุ ย้าํ
6.1.2 ชนิดของการเสียหายของรอยต่อดว้ ยหมุดย้าํ

12 1-3 6.2 ชนิดและประสิทธิภาพของรอยตอ่ ดว้ ยหมดุ ย้าํ
6.2.1 ชนิดของรอยตอ่ ดว้ ยหมุดยา้ํ
6.2.2 ประสิทธิภาพของรอยตอ่ ดว้ ยหมดุ ย้าํ

13 1-2 6.3 การออกแบบรอยต่อดว้ ยหมุดย้าํ สาํ หรบั ภาชนะความดนั
6.3.1 การหาคา่ ต่าง ๆ สําหรบั การออกแบบ
6.3.2 การออกแบบรอยต่อดว้ ยหมดุ ย้าํ

3 การออกแบบสปริง
7.1 ความเคน้ ผลของความโคง้ และระยะยืดของสปริงเกลยี ว
7.1.1 ความเคน้ ในสปริงเกลยี ว
7.1.2 อิทธิพลของความโคง้
7.1.3 ระยะยืดของสปริงเกลียว

14 1-3 7.2 สปริงรบั แรงดงึ และแรงอดั
7.2.1 สปริงรับแรงดึง
7.2.2 สปริงรับแรงอดั
7.2.3 ความเสถียรของสปริง
7.2.4 วสั ดทุ าํ สปริง

15 1-3 7.3 สปริงเกลยี วอดั
7.3.1 สปริงรบั แรงอดั แบบเกลยี วภายใตภ้ าระสถิต
7.3.2 สิ่งที่ตอ้ งคาํ นึงถงึ ในการออกแบบสปริงอดั แบบเกลยี ว
7.3.3 ความถ่วี กิ ฤตขิ องสปริงเกลียว

การออกแบบเคร่ืองจกั รกล ด

กาํ หนดการสอน (ต่อ)

สัปดาห์ท่ี ว/ด/ป ชม. ที่ รายการ หมายเหตุ

7.3.4 สปริงภายใตก้ ารลา้

16 1-3 7.4 สปริงเกลียวอัดทํางานภายใต้สภาวะไดนามิกส์และการ
ออกแบบ
7.4.1 สปริงเกลยี วอดั ทาํ งานภายใตส้ ภาวะไดนามกิ ส์
7.4.2 การออกแบบสปริงอดั แบบเกลียวสําหรบั ภาระไดนามิกส์
7.4.3 อายใุ ชง้ านของสปริงเกลยี วแบบอดั

17 1-3 สอบปลายภาค

ต การออกแบบเครื่องจกั รกล

การประเมนิ ผลรายวิชา

1) เกณฑ์การพจิ ารณา
รายวิชาน้ีแบง่ เป็น 7 หน่วยเรียน แยกได้ 59 บทเรียน การวดั และประเมินผลรายวชิ าดาํ เนินการแยกเป็น 3 ส่วน โดย
แบง่ แยกคะแนนแต่ละส่วนจากคะแนนเต็มท้งั รายวชิ า 100 คะแนน ดงั น้ี

1.1 ผลงานที่มอบหมาย 10 คะแนนหรือรอ้ ยละ 10
1.2 พิจารณาจิตพิสัย (กจิ นิสยั ความต้งั ใจ และการร่วมกิจกรรม) 10 คะแนน หรือรอ้ ยละ 10
1.3 การทดสอบแต่ละหน่วยเรียน 80 คะแนนหรือรอ้ ยละ 80 โดยจัดแบ่งน้ําหนักคะแนนในแต่ละหน่วย

ตามตารางกาํ หนดน้าํ หนกั คะแนน
2) เกณฑ์ผ่านรายวิชา
ผทู้ จ่ี ะผ่านรายวชิ าน้ีจะตอ้ ง

2.1 มีเวลาเรียนไม่ต่าํ กว่ารอ้ ยละ 80
2.2 คะแนนรวมท้งั รายวชิ าไม่ต่าํ กวา่ ร้อยละ 40 ของคะแนนรวม
3) เกณฑ์ค่าระดับคะแนน
การประเมนิ แบ่งออกเป็น 2 ข้นั ตอน ดงั น้ี
3.1 พิจารณาตามเกณฑผ์ า่ นรายวชิ าตามขอ้ 2 ผไู้ มผ่ ่านเกณฑข์ อ้ 2 จะไดร้ บั คา่ ระดบั คะแนน F
3.2 ผทู้ ่ีสอบผ่านเกณฑข์ อ้ 2 จะไดร้ ับคา่ ระดบั คะแนน ตามเกณฑ์ ดงั น้ี

คะแนนรอ้ ยละ 80 - 100 ได้ A
คะแนนรอ้ ยละ 75 - 79 ได้ B+
คะแนนรอ้ ยละ 70 - 74 ได้ B
คะแนนรอ้ ยละ 60 - 69 ได้ C+
คะแนนรอ้ ยละ 50 - 59 ได้ C
คะแนนรอ้ ยละ 45 - 49 ได้ D+
คะแนนรอ้ ยละ 40 - 44 ได้ D
คะแนนรอ้ ยละ 0 - 39 ได้ F

การออกแบบเครื่องจกั รกล ถ

ตารางกําหนดนา้ํ หนักคะแนน

คะแนนรายหน่วย นํา้ หนกั คะแนน
และน้าํ หนกั คะแนน พุทธิพสิ ัย

เลข ี่ทห ่นวย
คะแนนรายห ่นวย
ความ ู้รความจํา
ความเข้าใจ
การนําไปใช้
ูสงก ่วา
ทักษะ ิพสัย
ช่ือหน่วย
5 3 2-- -
1 บทนาํ สู่การออกแบบชิ้นส่วนเครื่องจกั รกล 5 2 3-- -
2 วสั ดใุ นทางวศิ วกรรมและคณุ สมบตั ิ 5 1 25- -
3 การวเิ คราะห์ความเคน้ 17 1 3 10 - -
4 ทฤษฎคี วามเสียหายภายใตแ้ รงกระทาํ คงท่ี 20 2 4 11 - -
5 การออกแบบชิ้นส่วนภายใตแ้ รงกระทาํ ซ้าํ ๆ 10 1 3 10 - -
6 การออกแบบรอยต่อดว้ ยหมดุ ย้าํ 18 2 5 10 - -
7 การออกแบบสปริง 80 12 22 46 - -
ก คะแนนภาควชิ าการ 10
ข คะแนนภาคผลงาน 10
ค คะแนนภาคจติ พสิ ยั 100

รวมท้ังสิ้น

แนะนาํ การออกแบบเครืองจกั รกล 1

สัปดาห์ที 1 ใบเตรียมการสอน รหัสวิชา 03-407-071-303

เวลา 3 ชัวโมง หน่วยที แนะนาํ การออกแบบเครืองจักรกล

1.1 บทนาํ สู่การออกแบบชินส่วนเครืองจกั รกล เวลา 95 นาที

ชือบทเรียน 1.2 เครืองมือและขอ้ ควรคาํ นึงถงึ ในการออกแบบ เวลา 30 นาที
1.3 คา่ ความปลอดภยั และความน่าเชือถอื ในการออกแบบ เวลา 30 นาที

1.4 มาตรฐาน รหสั และหน่วยทีใชใ้ นการออกแบบ เวลา 25 นาที

จดุ ประสงค์การสอน

1.1 เขา้ ใจบทนาํ สู่การออกแบบชินส่วนเครืองจกั รกล

1.1.1 บอกความสาํ คญั และเนือหาของรายวชิ า

1.1.2 บอกนิยามและความหมายของการออกแบบ

1.1.3 บอกการออกแบบทางวศิ วกรรมเครืองกล

1.1.4 อธิบายกระบวนการออกแบบทางวิศวกรรม

1.2 รูเ้ ครืองมือและขอ้ ควรคาํ นึงถงึ ในการออกแบบ

1.2.1 บอกเครืองมือชว่ ยในการออกแบบ

1.2.2 บอกขอ้ ควรคาํ นึงถงึ ในการออกแบบ

1.3 เขา้ ใจคา่ ความปลอดภยั และคา่ ความน่าเชือถอื ในการออกแบบ

1.3.1 อธิบายค่าความปลอดภยั ในการออกแบบ

1.3.2 อธิบายคา่ ความน่าเชือถอื ในการออกแบบ

1.4 รู้มาตรฐาน รหสั และหน่วยทีใชใ้ นการออกแบบ

1.4.1 บอกมาตฐานและรหัสทีใชใ้ นการออกแบบ

1.4.2 บอกหน่วยทใี ชใ้ นการออกแบบ

ใบเตรียมการสอน บทเรียนที 1.1 ถึง 1.4 หนา้ 3 ถึง 19

เนือหา 1.1 บทนาํ สู่การออกแบบชินส่วนเครืองจักรกล

1.1.1 ความสาํ คญั และเนอื หาของรายวชิ า

1.1.2 นิยามและความหมายของการออกแบบ

1.1.3 การออกแบบทางวศิ วกรรมเครืองกล

1.1.4 กระบวนการออกแบบทางวิศวกรรม

1.2 เครืองมือและข้อควรคาํ นึงถงึ ในการออกแบบ

1.2.1 เครืองมือช่วยในการออกแบบ

1.2.2 ขอ้ ควรคาํ นึงถึงในการออกแบบ

1.3 ค่าความปลอดภยั และค่าความน่าเชือถือในการออกแบบ

2 การออกแบบเครืองจกั รกล

1.3.1 คา่ ความปลอดภยั ในการออกแบบ
1.3.2 คา่ ความนา่ เชือถอื ในการออกแบบ
1.4 มาตรฐาน รหัสและหน่วยทใี ช้ในการออกแบบ
1.4.1 มาตฐานและรหสั ทใี ชใ้ นการออกแบบ
1.4.2 หน่วยทีใชใ้ นการออกแบบ

แนะนาํ การออกแบบเครืองจกั รกล 3

หน่วยที 1

แนะนําการออกแบบเครอื งจกั รกล

1.1 บทนําสู่การออกแบบชินส่วนเครืองจักรกล
1.1.1 ความสําคญั และเนือหาของรายวชิ า

เอกสารการสอน การออกแบบชินสว่ นเครืองจกั รกล (Machine elements design) เลม่ นีเรียบเรียงขนึ มาโดยมี
วตั ถุประสงค์เพือใช้ประกอบการเรียนการสอนในรายวิชาการออกแบบเครืองจกั รกล (Machine design) สําหรับ
นกั ศึกษาสาขาวศิ วกรรมเครืองกล คณะวิศวกรรมศาสตร์และสถาปัตยกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลยั เทคโนโลยรี าช
มงคลอีสาน ซึงเป็ นวิชาบงั คบั ในหลกั สูตรวิศวกรรมศาสตรบัณฑิต สาขาวิชาวิศวกรรมเครืองกลและสามารถ
นาํ ไปใช้ประกอบการเรียนการสอนกับหลกั สูตรอืน ๆ ของคณะวิศวกรรมศาสตร์และสถาปัตยกรรมศาสตร์ทีขอ
รับรองปริญญาบตั ร ประกาศนียบัตรหรือวุฒิบตั รในการประกอบวิชาชีพวิศวกรรมควบคุมจากสภาวิศวกรใน
สาขาวิชาวิศวกรรมเครืองกลได้ เช่น หลกั สูตรวิศวกรรมศาสตรบณั ฑิต สาขาวิชาวิศวกรรมเครืองจักรกลเกษตร
สาขาวิชาวิศวกรรมระบบราง สาขาวชิ าวิศวกรรมเครืองจกั รกลหนกั สาขาวชิ าวศิ วกรรมการทาํ ความเยน็ และปรับ
อากาศและสาขาวิชาวิศวกรรมหลงั การเก็บเกียวและแปรสรูป เป็ นตน้ นอกจากจะเป็ นรายวชิ าบงั คบั ในหลกั สูตร
วิศวกรรมศาสตรบณั ฑติ สาขาวิชาวิศวกรรมเครืองกลแลว้ ยงั เป็นรายวิชาทีใชเ้ ทียบรายวิชาตามเกณฑท์ สี ภาวศิ วกร
กาํ หนดโดยอยู่ในกลุ่มองค์ความรู้เฉพาะทางวิศวกรรมกลุ่มที เครืองจักรกล (Machinery) ความรู้ทีเกียวขอ้ งกับ
Machinery Systems, Machine Design, Prime Movers ดว้ ย

ดงั นนั รายวิชาการออกแบบเครืองจักรกลจึงถือไดว้ ่าเป็ นรายวิชาทีมีความสําคญั อย่างยิงของหลกั สูตรวิศวกรรม
ศาสตรบณั ฑิต สาขาวิชาวิศวกรรมเครืองกลตามทีไดก้ ล่าวมาแลว้ โดยในรายวิชานีนักศึกษาจะได้เห็นแนวทางที
ชดั เจนมากขึนเกียวกบั งานออกแบบทางวิศวกรรมเครืองกลหลงั จากทีนกั ศึกษาไดศ้ ึกษาในรายวิชาพืนฐานทีจะใช้
ในการออกแบบมาแลว้ ในชนั ปี ที 1 และ 2 จากรายวิชาสถิตยศาสตร์ (Engineering static) และกลศาสตร์ของวสั ดุ 1
(Mechanics of materials 1)

ทงั นีเนือหาของเอกสารการสอน การออกแบบชินส่วนเครืองจักรกล สามารถแบ่งไดเ้ ป็ น 3 ส่วน ได้แก่ ส่วนที 1
พนื ฐานของการออกแบบ เนือหาประกอบดว้ ยนิยาม ความหมายของการออกแบบและกระบวนการในการออกแบบ
เบอื งตน้ วสั ดุทีใชใ้ นการออกแบบและการวเิ คราะหส์ ภาวะความเคน้ ทีเกิดจากภาระชนิดต่าง ๆ ส่วนที 2 การป้องกัน
ความเสียหาย เนือหาประกอบดว้ ยทฤษฎีทีเกียวขอ้ งกับความเสียหายของชินงานจากภาระคงทีและภาระทเี ป็นวฏั
จกั รและส่วนที 3 การประยกุ ตใ์ ชง้ าน เนือหาประกอบดว้ ยการออกแบบชินส่วนพืนฐานของเครืองจกั รกลทงั ในกรณี

4 การออกแบบเครืองจกั รกล

ของการออกแบบชินส่วนทางกลอย่างง่ายและกรณีของการออกแบบระบบทางกลทมี ีความซบั ซ้อน อยา่ งไรก็ตาม
ในการเรียนหรือศึกษาเนือหาต่าง ๆ จากตาํ ราเล่มนีจาํ เป็ นอย่างยิงทีนกั ศึกษาจะตอ้ งมีความรู้พืนฐานจากรายวิชา
กลศาสตร์ของวสั ดุมาเป็ นอย่างดี ไม่ว่าจะเป็ นเนือหาในส่วนของการหาภาระภายในทีกระทาํ ต่อวตั ถุ รวมถึงการ
วเิ คราะห์หาค่าความเคน้ (Stress) และความเครียด (Stain) ทเี กิดจากภาระชนิดต่าง ๆ ทมี ากระทาํ กบั วตั ถุ การศึกษา
พฤตกิ รรมของวตั ถุเมอื ถูกกระทาํ จากภาระภายนอก การเปลียนแปลงรูปร่างและการเสียหายของชินงานทเี กดิ จาก
ภาระกระทาํ ภายนอก การพิจารณาสภาวะความเคน้ ทีเกิดบนส่วนเล็ก ๆ ของชินส่วน (Element) ตา่ ง ๆ รวมไปถงึ ค่า
ความเคน้ สูงสุดทียอมใหเ้ กดิ ขนึ กบั ชินงานและความเคน้ ทมี ีคา่ ไมเ่ กินค่าความแขง็ แรงของวสั ดุเพือไมใ่ ห้ชินงานเกิด
ความเสียหาย ฯลฯ

เอกสารการสอนเล่มนีประกอบไปดว้ ยเนือหาจาํ นวนทงั สิน 7 บท โดยแต่ละบทมรี ายละเอียดคร่าว ๆ ดงั ตอ่ ไปนี
 หน่วยที 1 เป็ นการแนะนําให้ผูเ้ รียนเขา้ ใจถึงรูปรวมของการออกแบบชินส่วนเครืองจกั รกลก่อนโดย
เริมแรกจะเป็ นการกล่าวถึงนิยามและความหมายของการออกแบบจากนนั ก็จะอธิบายถึงความหมายและ
ลกั ษณะการออกแบบทางวศิ วกรรมเครืองกล เพือให้นกั ศึกษาไดเ้ ขา้ ใจถงึ สิงทีกาํ ลงั จะเรียนในรายวิชานี
มากยิงขึน รวมไปถึงอธิบายถึงกระบวนการออกแบบทางวิศวกรรมทีงานออกแบบเป็ นผลิตภณั ฑ์หรือ
ชินงาน ซึงเป็ นการออกแบบทีสาํ คญั ในวิชานี นอกจากนียงั จะกล่าวถงึ ขอ้ ควรคาํ นึงถึงในการออกแบบที
ผูอ้ อกแบบจําเป็ นต้องทราบ รวมไปถึงการอธิบายเกียวกับค่าบางค่าทีจาํ เป็ นและต้องคาํ นึงถึงในการ
ออกแบบ เช่น ค่าความปลอดภัย (Safety factor) ค่าความน่าเชือถือ (Reliability) มาตรฐานและรหัส
(Standards and codes) สุดทา้ ยเป็นการกล่าวถึงระบบหน่วยทีใชใ้ นการออกแบบ
 หน่วยที 2 เป็ นการแนะนาํ ประเภทของวสั ดุในทางวิศวกรรมทีใช้ในการออกแบบชินส่วนทางกล สมบตั ิ
ของวสั ดุทีจาํ เป็น กระบวนการขึนรูปโลหะ รวมถงึ กระบวนการทางความร้อนสําหรับโลหะและโลหะที
นิยมใชใ้ นการออกแบบชินส่วนทางกลทคี วรรูจ้ กั
 หน่วยที 3 กล่าวถงึ การทบทวนความเคน้ ในชินส่วนทเี กิดจากภาระในงานวิศวกรรมแบบตา่ ง ๆ รวมไปถึง
สภาวะความเค้นในระบบพิกัดฉากและการหาความเคน้ หลกั ซึงเป็ นความเคน้ ทีจาํ เป็ นในการออกแบบ
ชิ นงาน
 หน่วยที 4 เป็นบททีกลา่ วถึงทฤษฎกี ารเสียหายแบบตา่ ง ๆ ทนี าํ มาใชใ้ นการออกแบบ อาทิเช่น ทฤษฎคี วาม
เคน้ หลกั สูงสุด ทฤษฎคี วามเคน้ เฉือนสูงสุด ทฤษฎีความเครียดสูงสุด และทฤษฎีสมมุติฐานของคูลอมบ์
และมอห์ร เป็นตน้ แตท่ ฤษฎที ีกลา่ วมาทงั หมดจะเป็นเฉพาะทฤษฎกี ารเสียหายภายใตแ้ รงกระทาํ ทเี ป็นแบบ
คงทเี ท่านัน นอกจากนีในส่วนสุดท้ายของบทจะเป็นการเปรียบเทียบทฤษฎีตา่ ง ๆ กบั ผลการทดลองโดย
แยกเป็นสองกรณีคือวสั ดเุ หนียวกบั วสั ดุเปราะ
 หน่วยที 5 จะกล่าวถึงเนือหาหลกั ๆ ของบทคือการออกแบบชินส่วนภายใต้แรงกระทาํ แบบเป็ นวฏั จักร
(แรงซาํ ๆ) โดยมเี นือหายอ่ ย ไดแ้ ก่ ความสัมพนั ธ์ระหวา่ งความเคน้ กบั อายุการลา้ นิยามของขดี จาํ กดั ความ
ลา้ และพิกัดความลา้ การหาค่าขีดจาํ กัดความลา้ ใช้งานและตวั คูณปรับแก้ค่าต่าง ๆ ทฤษฎีความเสียหาย
ต่าง ๆ การเลือกใช้ตัวคูณปรับแก้ความเคน้ การออกแบบชินส่วนให้มีอายุจาํ กัด และสุดท้ายคือการ
ออกแบบชินส่วนทีถกู กระทาํ ดว้ ยแรงซาํ ๆ และเป็นความเคน้ ผสม

แนะนาํ การออกแบบเครืองจกั รกล 5

 หน่วยที 6 เป็ นบทแรกทีกล่าวถึงการออกแบบชินส่วนเครืองจักรกลทีเป็ นชินส่วนทีใช้กนั เยอะในงาน
ทางด้านวิศวกรรมเครืองกล โดยจะกล่าวถึงการออกแบบรอยต่อด้วยหมุดยาํ ซึงประกอบด้วย ลกั ษณะ
ทวั ไป การเสียหาย ชนิดและประสิทธิรูปของรอยต่อดว้ ยหมุดยาํ และเนือหาสุดท้ายจะเป็ นการออกแบบ
รอยตอ่ ดว้ ยหมุดยาํ โดยยกกรณีการออกแบบรอยต่อดว้ ยหมดุ ยาํ ของหมอ้ ไอนาํ (Boiler) มาเป็นกรณีศกึ ษา

 หน่วยที 7 จะกล่าวถึงการออกแบบสปริง โดยมีเนือหาคือ ความเคน้ ในสปริงเกลยี ว ค่าความเคน้ ทีเกิดขึน
ในเกลียว อิทธิพลของความโคง้ ระยะยืดของสปริงเกลียว สปริงรับแรงดึง สปริงรบั แรงอดั ความเสถียร
ของสปริง วสั ดุทาํ สปริง สปริงรับแรงอดั แบบเกลียวภายใต้ภาระสถิต สิงทีตอ้ งคาํ นึงถึงในการออกแบบ
สปริงอดั แบบเกลียว สปริงภายใตก้ ารลา้ ความถีวิกฤตขิ องสปริงเกลยี ว การออกแบบสปริงอดั แบบเกลียว
สําหรับภาระไดนามิกส์ อายุใช้งานของสปริงเกลียวแบบอดั การออกแบบสปริงรับแรงดึง การคาํ นวณ
เกียวกับส่วนของตวั สปริงความเคน้ ดัดในห่วง และเนือหาหัวขอ้ สุดท้ายคือการออกแบบสปริงเกลียวรับ
แรงบดิ

1.1.2 นยิ ามและความหมายของการออกแบบ

ในปัจจบุ นั จะพบว่าในชีวติ ประจาํ วนั ของเรามกั จะเกียวขอ้ งหรือได้ยนิ คาํ ว่า การออกแบบ (Design) อยู่เป็ น
ประจาํ อาทเิ ชน่ คาํ ว่าการออกแบบเฟอร์นิเจอร์ การออกแบบแฟชนั การออกแบบผลิตภณั ฑแ์ ละการออกแบบสวน
เป็นตน้ รวมไปถึงในหลายสาขาวิชาชีพก็มกั จะเกียวขอ้ งกบั คาํ ว่าการออกแบบอยดู่ ว้ ยเช่นกนั หากจะถามว่ามนุษย์
รูจ้ กั การออกแบบตอนไหน ตอ้ งยอ้ นไปตงั แตย่ คุ ทมี นุษยไ์ ดเ้ กิดขึนมาในโลกใบนี โดยมนุษยเ์ ราถือวา่ เป็นสิงมีชีวิตที
มีพฒั นาการในดา้ นตา่ ง ๆ มากทสี ุด ในยุคแรก ๆ มนุษยไ์ ดม้ กี ารดาํ รงชีวติ อยูภ่ ายใตก้ ฎเกณฑ์ของธรรมชาตโิ ดยการ
อาศัยปัจจัยสีเป็ นพืนฐานในการดาํ รงชีวิต ได้แก่ อาหาร ทีอยู่อาศัย เครืองนุ่งห่มและยารักษาโรค ต่อมาก็ได้มี
พฒั นาการในด้านต่าง ๆ เช่น ดา้ นอาหารได้มกี ารปรุงอาหารใหส้ ุกจากเดิมทีกินพืชและเนือสตั วด์ ิบ ๆ การพฒั นา
วิธีการในการปรุงอาหาร รวมไปถึงวสั ดอุ ปุ กรณ์ทใี ชใ้ นการประกอบอาหารดว้ ย ดา้ นทีอยอู่ าศยั จากเดิมทีอาศยั อยใู่ น
ถาํ ตอ่ มากไ็ ดพ้ ฒั นามาเป็นการสรา้ งเพิงพกั ดว้ ยใบไม้ ใบหญา้ หรือกระโจมมุงจากหนงั สตั วเ์ พอื การอยอู่ าศยั จนกระ
ทงั ไดม้ กี ารพฒั นามาเป็นสิงก่อสรา้ งทีหลากหลายและสวยงามในปัจจุบนั ดา้ นเครืองนุ่งห่มมนุษยไ์ ดพ้ ฒั นาการจาก
ไม่ใส่เสือผ้ามาเป็ นนุ่งห่ม ด้วยใบไม้ เปลือกไม้ หนังสัตว์ จนกระทังในปัจจุบันมีการผลิตเส้นใยจากพืช สัตว์
สารเคมี นาํ มาทาํ เป็นเครืองนุ่งห่ม และสุดทา้ ยดา้ นยารกั ษาโรค จากแต่ก่อนมแี ค่อาหารทกี ินเขา้ ไป ซึงเป็นทงั อาหาร
และยารักษาโรคไปในตวั จนในปัจจบุ นั มีการพฒั นายารักษาโรคต่าง ๆ จากสัตว์ พชื และสารเคมีตา่ ง ๆ ขึนเพือใช้
รกั ษาอาการป่ วยของมนุษยจ์ ากโรคต่าง ๆ จะเห็นว่ามนุษยเ์ ราไดพ้ ฒั นาวสั ดุ อุปกรณ์และเทคนิควธิ ีการต่าง ๆ เพือ
อาํ นวยประโยชน์แก่การดํารงชีวิตมากมายโดยมีหลกั ฐานต่าง ๆ ทีชีให้เห็นว่ามนุษยไ์ ด้พัฒนาตนเองดา้ นต่าง ๆ
ได้แก่ รูปวาดกิจกรรมด้านตา่ ง ๆ ของมนุษยต์ ามผนงั ถาํ เชน่ ในประเทศไทยพบทีผาแตม้ อาํ เภอโขงเจียม จังหวดั
อุบลราชธานี (ดงั แสดงในรูปที . ) ถาํ เขาจนั ทร์งาม อาํ เภอสีคิว จงั หวดั นครราชาสีมา และวสั ดุอุปกรณ์เครืองมือ
เครืองใชแ้ ละเครืองประดบั เชน่ เครืองปันดินเผาจากแหล่งโบราณคดีบา้ นเชียง จงั หวดั อดุ รธานี เป็นตน้

6 การออกแบบเครืองจกั รกล

รูปที . รูปเขียนบนผนงั ถาํ ทีผาแตม้ จงั หวดั อบุ ลราชธานีทแี สดงถงึ กิจกรรมตา่ ง ๆ ของมนุษยส์ มยั กอ่ นอนั เป็น
หลกั ฐานบง่ บอกถงึ พฒั นาการในดา้ นตา่ ง ๆ

(ทมี า : https://www.flickr.com/photos/wwwp-esancom/page2)
จากทีกล่าวมาขา้ งตน้ สิงทีมนุษยไ์ ด้เรียนรูแ้ ละได้มีพฒั นาการในด้านต่าง ๆ นนั ถือไดว้ ่าเป็ นการออกแบบ ซึงเป็ น
คุณลกั ษณะพิเศษของมนุษยท์ แี ตกต่างจากสัตวส์ ายพนั ธุ์อืน ๆ ในโลก ดงั นนั การออกแบบจงึ เป็นการสรา้ งสรรคส์ ิง
ใหม่ ๆ ขึนมาหรือคดิ ปรบั ปรุง แกป้ ัญหาและพฒั นาของเก่าให้สามารถไดง้ านไดด้ ีกว่าเดิม ซึงมีความสําคญั ต่อการ
ดาํ รงชีวติ ของมนุษยเ์ ป็ นอย่างมากตงั แตอ่ ดีตมาจนถึงปัจจบุ นั มนุษยเ์ ริมสร้างสรรค์สิงแปลกใหม่ขนึ มาเพือสนอง
ความตอ้ งทางดา้ นประโยชน์ใชส้ อยและความงามควบคกู่ ันไป อนั เป็นปัจจยั สําคญั ทีพฒั นาคณุ รูปชีวติ เพอื การดาํ รง
อยู่ของมนุษยท์ ดี ีขนึ ดงั นี

 การออกแบบเพอื เสริมสรา้ งพฒั นาวิถชี ีวิตให้ดขี ึน เป็นการออกแบบโครงสร้างทางสังคม คา่ นิยม ประเพณี
วฒั นธรรม ความเชือ ศาสนา สิงเหล่านีมนุษยจ์ ะต้องเป็ นผูก้ าํ หนดหรือออกแบบให้เหมาะสม ตามสรูป
แวดลอ้ มของธรรมชาตเิ พือสนองความตอ้ งการของมนุษยท์ างดา้ นจติ ใจ

 การออกแบบเพือสนองความตอ้ งการในเรืองของความสะดวกสบายในการดาํ รงชีวิต ทางด้านวตั ถุ มนุษย์
รูจ้ กั คิดประดษิ ฐ์ดดั แปลงธรรมชาติ หรือสร้างสรรคข์ ึนใหม่ มกี ารปรบั ปรุงพฒั นาเครืองมอื เครืองใชต้ า่ ง ๆ
ทจี าํ เป็นในการดาํ รงชีวติ ทาํ ใหช้ ีวิตสะดวกสบายยิงขึน และเป็ นการตอบสนองทางดา้ นร่างกายของมนุษย์
อยา่ งไรกต็ ามคาํ ว่า การออกแบบ มกั จะมคี วามหมายทีกวา้ งมากและแตกต่างกนั ไปตามบริบทของลกั ษณะ
งานนัน ๆ หรืออาชีพนัน ๆ ซึงก็ได้มีผู้ทีให้คาํ นิยามและความหมายของการออกแบบไว้มากมาย ทงั นี
ความหมายโดยทวั ไปแลว้ การออกแบบ อาจหมายถึงการคิดแกป้ ัญหาหรือการตดั สินใจ เพอื ใหไ้ ดผ้ ลลพั ธ์
หรือคาํ ตอบตามทีเราตอ้ งการ โดยผลลพั ธ์หรือคาํ ตอบทีไดข้ องการออกแบบนนั อาจไมไ่ ดจ้ าํ กดั วา่ ตอ้ งเป็ น
ชินงานหรือสิงของทีจบั ตอ้ งไดเ้ ท่านนั (ในทางวศิ วกรรมการออกแบบส่วนมากจะเป็นชินงานหรอื สิงของ)
แตอ่ าจเป็นแนวคิด กระบวนการ วธิ ีการ หรือหลกั การก็เป็นได้

แนะนาํ การออกแบบเครืองจกั รกล 7

สาํ หรบั การออกแบบในทางวิศวกรรมศาสตร์หรือบางทจี ะเรียกว่าการออกแบบทางวศิ วกรรม (Engineering design)
นัน ถา้ พิจารณาตามคาํ นิยามของคณะกรรมการรับรองวิทยาฐานะสาขาวิศวกรรมและเทคโนโลยี (Accreditation
Board of Engineering and Technology, ABET) จะหมายถึง กระบวนการในการประดิษฐ์ระบบ ชิ นส่วน หรือ
กระบวนการทีตอบสนองความต้องการทีถูกกําหนดขึน การออกแบบทางวิศวกรรมเป็ นกระบวนการในการ
ตดั สินใจโดยตอ้ งใชค้ วามรู้ทางวิทยาศาสตร์และคณิตศาสตร์ รวมไปถงึ ความรู้เชิงวิศวกรรม เพือเปลียนทรัพยากร
ให้เป็นไปตามจุดมงุ่ หมายทถี กู กาํ หนดขึนเพอื ให้ไดป้ ระโยชนส์ ูงสุด ทงั นีจากนิยามของการออกแบบทางวศิ วกรรม
จะเห็นวา่ ในการออกแบบทางวิศวกรรมจาํ เป็ นทีจะตอ้ งใชศ้ าสตร์ในดา้ นต่าง ๆ ควบคู่กนั หลายศาสตร์ เช่น ความรู้
ทางคณิตศาสตร์ ความรู้ทางวิทยาศาสตร์และความรู้เชิงวิศวกรรม มาช่วยวิเคราะห์ สังเคราะห์เพือหาผลเฉลยของ
การออกแบบนนั เอง

1.1.3 การออกแบบทางวศิ วกรรมเครืองกล

ในหัวขอ้ นีจะอธิบายถึงการออกแบบทางวศิ วกรรมเครืองกล (Mechanical engineering design) แตก่ ่อนทจี ะ
กล่าวถึงการออกแบบทางวิศวกรรมเครื องกลขออธิบายถึงงานทางด้านวิศวกรรมทีเกียวข้องกับสาขา
วิศวกรรมเครืองกลเสียกอ่ นเพอื ให้ผเู้ รียนไดม้ องรูปออกว่างานทีเกยี วขอ้ งกบั วศิ วกรรมเครืองกลมีอะไรบา้ ง

โดยทัวไปเราสามารถแบ่งงานทางวิศวกรรมเครืองกลออกได้เป็ น 2 สายงานใหญ่ ๆ ได้แก่ 1) สายงานทางด้าน
วศิ วกรรมระบบเชิงกล (Mechanical system) และ 2) สายงานทางด้านวิศวกรรมระบบเชิงพลงั งานและความร้อน
(Energy and thermal system) ดงั แสดงเป็ นแผนผงั ในรูปที 1.2 ทงั นีถา้ พิจารณาในส่วนของงานทางด้านวิศวกรรม
ระบบเชิงกลนนั หลกั ๆ จะไดแ้ ก่งานทีเกียวขอ้ งกบั วตั ถุแข็งเกร็ง (Rigid body) ทงั หมด ยกตวั อย่างเช่น เฟื อง เพลา
สปริง โซ่ สกรู สลกั เกลียว เป็นตน้ ส่วนงานทางดา้ นวศิ วกรรมระบบเชิงพลงั งานและความรอ้ นกจ็ ะเกียวขอ้ งกบั การ
ถ่ายโอนพลงั งานและความรอ้ น (Energy and heat transfer) โดยมขี องไหล เชน่ นาํ หรืออากาศ เป็นตวั กลาง

อยา่ งไรก็ตามในตาํ ราเลม่ นีจะกลา่ วถงึ เฉพาะงานทางดา้ นวิศวกรรมระบบเชิงกลเทา่ นนั ทงั นีเพราะเนือหาของตาํ รา
เป็ นการออกแบบชิ นส่วนเครืองจักรกลซึงเกียวข้องกับวัตถุแข็งเกร็งเสียเป็ นส่วนใหญ่ ถึงแม้ว่างานทาง
วศิ วกรรมเครืองกลทงั สองสายงานจะมีความแตกตา่ งกันตามทีได้กล่าวมา แต่ในบางครงั ก็จาํ เป็ นทีจะต้องนําองค์
ความรู้จากอีกสายงานหนึงมาชว่ ยในการออกแบบดว้ ยการบูรณาการกนั กบั อีกสายงานดว้ ยเชน่ กนั เพอื ให้เกิดความ
เข้าใจเรืองการบูรณาการองค์ความรู้ระหว่างสายงานขอยกตวั อย่างการออกแบบรถยนต์ จะเห็นได้ว่าในการ
ออกแบบจาํ เป็นทีจะตอ้ งใชศ้ าสตร์เชิงกลมาชว่ ยในส่วนของโครงสร้างรถยนต์เชน่ ความแข็งแกร่งของวสั ดุและการ
เลือกใชว้ สั ดุ แตก่ ็ยงั ตอ้ งอาศยั ศาสตร์ทางดา้ นกลศาสตร์ของไหลเขา้ มาชว่ ยในเรืองของหลกั อากาศพลศาสตร์เพอื หา
ค่าสัมประสิทธิแรงตา้ น (Drag coefficient) ดว้ ย เป็นตน้

8 การออกแบบเครืองจกั รกล

รูปที . แผนผงั แสดงการแบ่งงานทางดา้ นวศิ วกรรมเครืองกล

การแกป้ ัญหา
การออกแบบ
การออกแบบ
ทางวศิ วกรรม
การออกแบบ
ทางวศิ วกรรมเครืองกล

การออกแบบ
ชินส่วนเครืองจกั รกล

รูปที . การแบง่ ลาํ ดบั ชนั ของการแกป้ ญั หา
จากรูปที 1.3 แสดงการแบง่ ลาํ ดบั ชนั ของการแกป้ ัญหา (Problem solving) จะเหน็ ว่าการออกแบบทางวิศวกรรมเป็ น
ส่วนหนึงของการแกป้ ัญหา ซึงเป็นไปตามนิยามและความหมายของการออกแบบในหัวขอ้ ที 1.2 ตามทไี ด้กล่าวไป
แลว้ ในขณะทีการออกแบบทางวิศวกรรมเครืองกลก็ถือเป็ นส่วนหนึงของการแก้ปัญหาดว้ ยเช่นกนั และการการ
ออกแบบชินสว่ นเครืองจกั รกล (งานระบบเชิงกล) กอ็ ยภู่ ายใตก้ ารออกแบบทางวศิ วกรรมเครืองกลตามลาํ ดบั ดงั นนั
การออกแบบทางวศิ วกรรมเครืองกลจะถือเป็ นงานทางวิศวกรรมเชิงระบบ โดยเป็ นการออกแบบทเี นน้ ให้ชินส่วน
ตา่ ง ๆ ของเครืองจักรกลทาํ งานไดอ้ ย่างมีประสิทธิรูป เหมาะสม ปลอดภยั และสอดคลอ้ งกับการทาํ งานของส่วน
อืน ๆ ทงั ระบบ โดยทวั ไปการออกแบบมกั เนน้ ไปทกี ารเลือกขนาด ชนิด รูปทรงและวสั ดุของชินสว่ นใหเ้ หมาะสม
กบั สภาวะการใช้งานหรือกล่าวเป็ นนัยหนึงคือให้สามารถทํางานได้ตามหน้าทีโดยไม่เกิดการเสียหายนันเอง
ตวั อย่างของการออกแบบทางวิศวกรรมเครืองกลทีพบเจอบ่อย ๆ เช่น การออกแบบเพลาทีใช้ส่งถ่ายกาํ ลังใน

แนะนาํ การออกแบบเครืองจกั รกล 9

เครืองจกั รกล การออกแบบสปริง การออกแบบรอยตอ่ หมุดยาํ การออกแบบสกรู สลกั เกลียว เป็นตน้ อยา่ งไรก็ตาม
ในการออกแบบเครืองจักรกลจาํ เป็ นจะตอ้ งนาํ หลกั การของความแข็งแรงของวสั ดุ (Strength of materials) มาช่วย
ในการแกป้ ัญหาการออกแบบ โดยมจี ดุ มงุ่ หมายใหช้ ินส่วนเครืองจกั รกลมีความถูกตอ้ งและเหมาะสม

1.1.4 กระบวนการในการออกแบบทางวิศวกรรม

จากหัวขอ้ ที 1.2 เรืองนิยามและความหมายของการออกแบบ เราได้ทราบแล้วว่าการออกแบบคือการ
แก้ปัญหาเพือให้ไดผ้ ลลพั ธ์ตามทีตอ้ งการ โดยผลลพั ธ์อาจจะอยู่ในรูปของแนวคิด วธิ ีการ รวมไปถึงอยู่ในรูปของ
ผลติ ภณั ฑห์ รือชินงานทเี ราคนุ้ เคย ซึงผลลพั ธ์ในลกั ษณะตา่ ง ๆ ตามทีไดก้ ล่าวมาจะมีกระบวนการในการออกแบบที
แตกต่างกันออกไปตามแตบ่ ริบทของผลลพั ธ์นัน ๆ แต่โดยรูปรวมองค์ประกอบในการออกแบบก็มกั จะคลา้ ยคลึง
กนั ในหวั ขอ้ นีจะกล่าวถงึ ขนั ตอนในการออกแบบแตจ่ ะเนน้ เฉพาะงานออกแบบทีเป็นผลิตภณั ฑห์ รือชินงานเทา่ นนั
ทงั นีเนืองจากการออกแบบชินส่วนเครืองจกั รกล ผลลพั ธ์ของการออกแบบส่วนใหญ่จะอยู่ในรูปผลิตภณั ฑ์หรือ
ชินงานนนั เอง

การออกแบบทางวิศวกรรมมกั เป็นกระบวนการทีมคี วามต่อเนืองอาจประกอบด้วยขนั ตอนย่อย ๆ มากมายตามแต่
ลกั ษณะของงานทีต้องการออกแบบ ซึงขันตอนในการออกแบบสามารถแบ่งได้เป็ นขันตอนต่าง ๆ และมี
รายละเอยี ดดงั ตอ่ ไปนี (แสดงตามรูปที 1.4)

1) ขันตอนการกาํ หนดความต้องการหรือการกาํ หนดปัญหา (ขันตอนที 1)
การกาํ หนดความตอ้ งการหรือการกาํ หนดปัญหาถือไดว้ ่าเป็นขนั ตอนแรกของการออกแบบทางวศิ วกรรม
เป็ นขนั ตอนมีความสําคญั กล่าวคือวิศวกรผูอ้ อกแบบจะตอ้ งรับรู้ความต้องการหรือปัญหาทีจะออกแบบ
เสียกอ่ น โดยในขนั ตอนนีวิศวกรผอู้ อกแบบจะตอ้ งทาํ ความเขา้ ใจความตอ้ งการหรือปัญหานนั ๆ ให้ชดั เจน
มากทีสุด ทงั นีตอ้ งกาํ หนดให้ชดั เจนก่อนวา่ จะออกแบบเพือตอบสนองความต้องการอะไร โดยทวั ไปมกั
เป็นความตอ้ งการของสงั คมหรือลูกคา้ จากนนั เมอื ทราบความตอ้ งการแลว้ จงึ นาํ ไปสู่การกาํ หนดโจทยข์ อง
การออกแบบว่าคืออะไร อย่างไรกต็ ามหากกาํ หนดโจทยก์ ารออกแบบไมช่ ดั เจนหรือโจทยม์ คี วามคลุมเครือ
ก็อาจจะทาํ ให้การออกแบบดาํ เนินไปไม่ถูกทาง ซึงอาจทาํ ให้ไดผ้ ลลพั ธ์ของการออกแบบไม่ตอบสนอง
ความตอ้ งการกเ็ ป็นได้ ดงั นนั ก่อนการออกแบบวศิ วกรผอู้ อกแบบจะตอ้ งกาํ หนดปัญหาและความตอ้ งการ
ให้ชดั เจนและมีความครบถว้ น สมบรู ณ์ เสียก่อน ซึงจะทาํ ใหก้ ารออกแบบเป็นไปในทิศทางทถี ูกตอ้ ง ทงั นี
หากมปี ระเดน็ ใดทยี งั คลมุ เครือหรือไมช่ ดั เจน วศิ วกรผอู้ อกแบบกอ็ าจจาํ เป็นตอ้ งหาผูร้ ่วมออกแบบทเี ขา้ ใจ
ประเด็นปัญหานัน ๆ เพิมเติมด้วยเพือจะได้ช่วยกันทาํ ให้ไดผ้ ลลพั ธ์ของการออกแบบทีตอบสนองความ
ตอ้ งการอยา่ งแทจ้ ริง
2) ขนั ตอนการรวบรวมข้อมูล (ขันตอนที 2)
ในขนั ตอนที 2 คือขนั ตอนการรวบรวมขอ้ มลู ในการออกแบบ วศิ วกรผอู้ อกแบบจะตอ้ งดาํ เนินการรวบรวม
รายละเอียดของสิงทตี อ้ งการออกแบบให้มากทีสุด รวมไปถึงจะตอ้ งศึกษาเกณฑต์ ่าง ๆ ทีเป็นขอ้ ควรระวงั
และปฏิบตั ิตามด้วย ตัวอย่างของรายละเอียดของสิงทีต้องการออกแบบ เช่น คุณลกั ษณะ ขนาด ราคา
จาํ นวนทตี อ้ งการผลิต อายกุ ารใชง้ าน สภาวะของการใชง้ าน ความน่าเชือถือ นาํ หนกั และกรรมวิธีในการ

10 การออกแบบเครืองจกั รกล

ผลิต เป็ นต้น ส่วนตวั อย่างของเกณฑ์ต่าง ๆ ทีเป็ นขอ้ ควรระวงั และพึงปฏิบัติตาม เช่น เกณฑ์ในการ
ออกแบบหมอ้ ไอนาํ (Boiler) หรือภาชนะความดนั ผนงั บาง (Thin wall pressure vassal)
3) ขนั ตอนการออกแบบในลกั ษณะแนวคิด (ขนั ตอนที 3)
ในขนั ตอนนีจะเป็นขนั ตอนทเี ริมนาํ เอาขอ้ มลู ตา่ ง ๆ ทีเก็บรวบรวมในขนั ตอนที 2 ประกอบกับโจทยข์ อง
การออกแบบมาเริมทาํ การออกแบบคร่าว ๆ ซึงในขนั ตอนนีถือไดว้ ่าเป็ นส่วนของการพฒั นาแนวคดิ โดย
แนวคิดอาจมีได้หลายรูปแบบดงั นนั วศิ วกรผูอ้ อกแบบอาจนาํ แบบทเี กิดจากการออกแบบในลกั ษณะของ
แนวคิดหลาย ๆ แบบมาประกอบการตดั สินใจเพือดคู วามเป็นไปได้ ขอ้ เด่นและขอ้ ด้อย รวมไปถงึ การดูว่า
สอดคลอ้ งกบั ขอ้ จาํ กัดต่าง ๆ หรือไม่ ทงั นีอาจจะมีขนั ตอนของกระบวนการทาํ ซํา (Iteration) เพอื หาแบบ
ในลกั ษณะแนวคิดทดี ที สี ุด
4) ขนั ตอนการออกแบบในลักษณะทกี ่อให้เกิดเป็ นรูปร่าง (ขนั ตอนที 4)
ในขนั ตอนนีวิศวกรผูอ้ อกแบบจะเริมดาํ เนินการในการแปลงแบบในลกั ษณะแนวคิดให้เกิดเป็ นแบบทีมี
ความเป็นจริงมากขึน กล่าวคือเมือไดแ้ บบในลกั ษณะแนวคิดทีคดิ ว่าเหมาะสมทีสุดแลว้ ในขนั ตอนตอ่ ไปก็
เป็ นการออกแบบเบืองต้นในลกั ษณะทีก่อให้เกิดเป็ นรูปร่าง โดยในขนั นีมุ่งแสดงความสัมพันธ์ของ
ชินส่วนต่าง ๆ ว่าสามารถทาํ งานไดจ้ ริงตามแบบทวี างไวห้ รือไม่ ซึงอาจจะตอ้ งมีการปรับปรุงรายละเอยี ด
บางจุดไปในตวั ดว้ ย ในปัจจุบนั การออกแบบในลกั ษณะทีก่อให้เกิดเป็ นรูปร่างในเบืองตน้ อาจใช้วิธีการ
สร้างแบบจําลองทางคอมพิวเตอร์ (Computer simulations) เข้ามาช่วย ซึงจะเป็ นการช่วยประหยัด
งบประมาณไดม้ ากกว่าการทดลองสรา้ งชินงานจริงแลว้ ทาํ การแกไ้ ขเปลยี นแปลงคา่ ตา่ ง ๆ ไปเรือย ๆ
5) ขันตอนการออกแบบในรายละเอียด (ขันตอนที 5)
ในขนั ตอนนีประกอบดว้ ยการออกแบบทเี ป็นการคาํ นวณรายละเอยี ดของชินสว่ นตา่ ง ๆ ในแบบ เช่น ขนาด
ของชินส่วนทุกชิน การต่อเชือมชินส่วนเขา้ ดว้ ยกัน การส่งถ่ายกาํ ลงั วสั ดุทใี ชแ้ ละชนิดและขนาดอุปกรณ์
ตน้ กาํ ลงั เป็นตน้ ในขนั ตอนนีจะตอ้ งมกี ารแสดงแบบรายละเอยี ดของชินส่วนทกุ ชินรวมไปถงึ การแสดง
รูปด้านต่าง ๆ ของชินสว่ นตามทีจาํ เป็ น มีการกําหนดพิกัดความเผือและกรรมวิธีในการผลิตต่าง ๆ ที
เกียวขอ้ ง เชน่ กรรมวธิ ีทางความร้อน รวมทงั อาจจะตอ้ งมีการระบชุ ินส่วนทีตอ้ งผลติ เอง ดงั นนั ในขนั ตอน
นีมกั ประกอบดว้ ยบุคลากรในหลาย ๆ ด้านทีต้องทํางานไปดว้ ยกนั เช่น ช่างเขียนแบบและวิศวกรสาขา
ตา่ ง ๆ เป็นตน้
6) ขันตอนการสร้างต้นแบบและทดสอบ (ขันตอนที 6)
ในการออกแบบผลติ ภณั ฑห์ รือชินงานนนั การสรา้ งตน้ แบบและทาํ การทดสอบถอื ไดว้ ่ามคี วามสาํ คญั อย่าง
ยิงกอ่ นทีจะนําผลิตภัณฑ์หรือชิ นงานไปผลิตเพือจําหน่าย ในขนั ตอนนีจะต้องมีการสร้างตัวต้นแบบ
(Prototype) จากแบบทไี ดม้ าจากขนั ตอนที 5 เพอื นาํ ตวั ตน้ แบบมาทาํ การทดสอบและดขู อ้ บกพร่องต่าง ๆ ที
อาจจะเกิดขึน ทงั นีหากพบว่ามีขอ้ บกพร่องเกิดขึนกบั ตวั ต้นแบบก็จาํ เป็ นทีจะต้องดาํ เนินการแก้ไขและ
พัฒนาตวั ต้นแบบให้ดียิงขึน โดยในขันตอนนีถือได้ว่าเป็ นขนั ตอนทีมีความสําคัญขันตอนหนึงทังนี
เนืองจากจะเป็นการทาํ ให้วศิ วกรผอู้ อกแบบแน่ใจไดว้ า่ ผลติ ภณั ฑห์ รือชินงานทอี อกแบบจะสามารถทาํ งาน
ตอบสนองกับความต้องการและปัญหาจากขนั ตอนที 1 ได้และในขนั ตอนนีอาจทาํ การวิเคราะห์ต้นทุน

แนะนาํ การออกแบบเครืองจกั รกล 11

ทางด้านเศรษฐศาสตร์ควบคู่ไปด้วยก็ได้เพือให้ผลิตภณั ฑ์หรือชินงานทีออกแบบสามารถแข่งขนั ทาง
การตลาดกบั ผลติ ภณั ฑห์ รือชินงานของคแู่ ข่งได้
7) ขันตอนการผลติ (ขนั ตอนที 7)
ในขันตอนนีฝ่ ายผลิตจะทําการผลิตโดยใช้แบบทีได้จากการพัฒนา ซึงผ่านการทดสอบและแก้ไข
ขอ้ บกพร่องแลว้ จากขนั ตอนที 6 เขา้ สู่สายการผลิต ทงั นีหากพบขอ้ บกพร่องหรือขอ้ ควรแกไ้ ขอาจสังให้นาํ
แบบกลบั ไปแกไ้ ขปรับปรุงในขนั ตอนที 5 และหากเป็นขอ้ บกพร่องเลก็ ๆ นอ้ ย ๆ ก็อาจกลบั ไปปรบั ปรุง
หรือแกไ้ ขในขนั ตอนที 6 เพยี งเท่านนั

การกาํ หนดความตอ้ งการหรือการกาํ หนดปัญหา
(Define need or define problem)

การรวบรวมขอ้ มลู
(Gather information)

การออกแบบในลกั ษณะของแนวคดิ
(Conceptual design)

การออกแบบในลกั ษณะทีก่อใหเ้ กิดเป็นรูปร่าง
(Embodiment design)

การออกแบบในรายละเอียด
(Detail design)

การสร้างตน้ แบบและทดสอบ
(Construct prototype and prototype testing)

การผลิต
(Manufacturing)

รูปที .4 แผนผงั แสดงขนั ตอนการออกแบบในกรณีทงี านออกแบบเป็นผลติ ภณั ฑห์ รือชินงาน

12 การออกแบบเครืองจกั รกล

1.2 เครืองมือและข้อควรคาํ นึงถงึ ในการออกแบบ
1.2.1 เครืองมือช่วยในการออกแบบ

หวั ขอ้ นีถอื ไดว้ ่ามีความสําคญั ทีจะต้องกล่าวถึงเพราะเมือวิศวกรผูอ้ อกแบบไดน้ าํ เครืองมือต่าง ๆ ไปช่วยใน
การออกแบบจะทาํ ใหส้ ามารถลดระยะเวลาและต้นทุนในการออกแบบลงไดน้ ันเอง ในปัจจุบนั พบว่ามีเครืองมือ
ตา่ ง ๆ ทเี ป็นตวั ช่วยวิศวกรผอู้ อกแบบในการแกป้ ัญหาดา้ นการออกแบบอยูม่ ากมาย ซึงเป็นผลมาจากความกา้ วหน้า
ทางเทคโนโลยีดา้ นคอมพวิ เตอร์และอุปกรณ์ชว่ ยคาํ นวณทางวทิ ยาศาสตร์

โดยโปรแกรมทางคอมพวิ เตอร์สาํ หรับชว่ ยในการออกแบบจะมลี กั ษณะทีแตกต่างกนั บา้ งขึนอยู่กบั ฟังก์ชนั ของการ
นําไปใช้งาน กล่าวคือหากวิศวกรผู้ออกแบบต้องการสร้างและจาํ ลองชิ นงานทีออกแบบก็สามารถสังการให้
โปรแกรมคอมพิวเตอร์สรา้ งและจาํ ลองชินงานทีออกแบบให้ไดโ้ ดยอตั โนมตั ิ ทงั นีโปรแกรมคอมพิวเตอร์ทที าํ งาน
ในลกั ษณะดังกล่าวจะเรียกว่า โปรแกรมประเภท Computer Aid Design (CAD) ซึงมีอยู่หลายโปรแกรมด้วยกนั ที
นิยมนาํ มาใชง้ านกนั ในปัจจุบนั เช่น โปรแกรม AutoCAD Solid work และ Unigraphics เป็นตน้

โปรแกรมคอมพิวเตอร์ชว่ ยในการออกแบบตามทีไดก้ ล่าวมาจะมีความสามารถในการแสดงผลในรูปแบบ 2 มิติที
วศิ วกรผูอ้ อกแบบไดอ้ อกแบบไวไ้ ปเป็ นรูปแบบ 3 มิติโดยอตั โนมตั ิ ผลลพั ธข์ องการออกแบบจากโปรแกรมช่วย
ออกแบบประเภท CAD ดงั แสดงในรูปที . (a) นอกจากนียงั สามารถส่งผลลพั ธ์ทีไดไ้ ปยงั เครืองมือช่วยในการ
ผลติ ตน้ แบบไดโ้ ดยตรง ทงั นีการใชโ้ ปรแกรมชว่ ยในการออกแบบในลกั ษณะนีมขี อ้ ดคี อื สามารถคาํ นวณค่า ต่าง ๆ
ได้อย่างรวดเร็วและมีความแม่นยาํ ส่งผลให้การดาํ เนินงานตามขันตอนต่าง ๆ เริ มตังแต่ในกระบวนการการ
ออกแบบไปจนถึงกระบวนการการผลติ เป็นไปไดอ้ ยา่ งรวดเร็ว

ในขณะทีโปรแกรมอีกประเภทหนึงทีเรียกว่าโปรแกรมประเภท Computational Fluid Dynamics (CFD) ก็ได้รับ
ความนิยมในการนาํ มาช่วยในการออกแบบชินส่วนเครืองจกั รกลเช่นกนั แตก่ ารนาํ โปรแกรมประเภทนีมาใชง้ านจะ
ม่งุ เนน้ ไปทีปัญหาการออกแบบทีมีความซับซ้อนมากกวา่ ลกั ษณะของปัญหาการออกแบบทีใช้โปรแกรมประเภท
CAD รูปที 1.5(b) แสดงผลลพั ธ์ของการออกแบบจากโปรแกรมช่วยออกแบบประเภท CFD โดยโปรแกรมประเภท
นีทีนิยมใช้กันในปัจจุบนั เช่น โปรแกรม Ansys CFX และ Fluent เป็ นต้น อย่างไรก็ตามโปรแกรมช่วยในการ
ออกแบบในแต่ละประเภทตามทีไดก้ ล่าวมาขา้ งตน้ นนั ลว้ นมีพนื ฐานมาจากหลกั การทางคณิตศาสตร์ทงั สิ น ดงั นนั
ในการนาํ โปรแกรมชว่ ยในการออกแบบเหล่านีไปใชง้ านวิศวกรผอู้ อกแบบในฐานะผใู้ ชโ้ ปรแกรม (user) จึงจาํ เป็ น
ทจี ะตอ้ งมคี วามรู้และเขา้ ใจพนื ฐานทางคณิตศาสตร์มาพอสมควร

แนะนาํ การออกแบบเครืองจกั รกล 13

(a)

(b)
รูปที 1.5 ตวั อยา่ งผลลพั ธข์ องการออกแบบจากการใชโ้ ปรแกรมประเภทตา่ ง ๆ มาชว่ ยในการออกแบบทาง

วศิ วกรรม (a) โปรแกรมประเภท CAD และ (b) โปรแกรมประเภท CFD
(ทีมา : https://www.simscale.com/blog/2016/03/what-everybody-ought-to-know-about-cfd/)

1.2.2 ข้อควรคาํ นึงถึงในการออกแบบ

ในการออกแบบชินงานใด ๆ เพือให้ชินงานนันสามารถทาํ งานไดต้ ามเงือนทีเราออกแบบไวโ้ ดยไม่กอ่ ให้เกิดการ
เสียหายของชินงานขนึ นัน สิงหนึงทีวิศวกรผูอ้ อกแบบจะตอ้ งคาํ นึงถึงก็คือ ค่าความแข็งแรงของวสั ดุ (Strength of
materials) เพราะเป็ นค่าทีเกียวขอ้ งกบั ความเสียหายของชินงานโดยตรง แต่ยงั มขี อ้ ควรคาํ นึงถึงอืน ๆ อีก ซึงอาจมี
ผลกระทบต่อการออกแบบ รวมไปถงึ เป็นสาเหตทุ ีทาํ ให้เกดิ ความเสียหายตอ่ ชินงานหรือทาํ ใหช้ ินงานไมส่ ามารถใช้
งานได้ รวมไปถงึ ชินงานสามารถใชง้ านไดแ้ ตไ่ ม่เป็นไปตามทอี อกแบบไว้ ขอ้ ควรคาํ นึงถึงในการออกแบบ ไดแ้ ก่

1. ความแข็งแรงและความเคน้ ทเี กิดขึนจริง (strength and stress)

14 การออกแบบเครืองจกั รกล

2. ความแข็งเกร็งและการโก่งตวั (stiffness and defection)
3. ความสึกหรอและการกดั กร่อน (wear and corrosion)
4. ค่าความปลอดภยั (safety factor)
5. คา่ ความน่าเชือถือ (reliability)
6. คา่ ความฝืด (friction)
7. การใชง้ านไดแ้ ละสามารถประยุกตใ์ ชง้ านไดห้ ลายอยา่ ง (usable and utility)
8. ราคา (cost)
9. การผลติ (processing)
10. นาํ หนกั และขนาด (weight and size)
11. อายุการใชง้ าน (life)
12. เสียงและการสันสะเทอื น (noise and vibration)
13. รูปร่างและรูปทรง (shape and style)
14. คณุ สมบตั ทิ างความรอ้ น (thermal properties)
15. การควบคมุ (control)
16. การซ่อมบาํ รุง (maintenance)
17. การหล่อลนื (lubrication)
18. ผลกระทบต่อสิงแวดลอ้ ม (environmental concerns)

1.3 ค่าความปลอดภัยและความน่าเชือถือในการออกแบบ
1.3.1 ค่าความปลอดภยั

จากหัวขอ้ ที 1.6 เรืองขอ้ ควรคาํ นึงถงึ ในการออกแบบ จะเหน็ ว่า ค่าความปลอดภยั (Safety factor) เป็นหนึงใน
ขอ้ ควรคาํ นึงถึงในการออกแบบทีมคี วามสําคญั อย่างยิง ดงั นนั ในหัวขอ้ นีจะเป็นการอธิบายเพือขยายความเกียวกับ
คา่ ความปลอดภยั เพือให้นกั ศกึ ษาไดเ้ ขา้ ใจถงึ ความหมายและตระหนกั ถึงความสําคญั ของค่าความปลอดภยั ในการ
ออกแบบมากยิงขนึ

ค่าความปลอดภัย โดยทวั ไปจะแทนสัญลักษณ์ด้วยตวั อกั ษร N ในการออกแบบชินส่วนเครืองจักรกลค่าความ
ปลอดภยั ถือเป็ นค่าทีวิศวกรผูอ้ อกแบบจะต้องคาํ นึงถึงมากทีสุดในการออกแบบ ทงั นีเพราะเป็ นค่าทีเกียวขอ้ ง
โดยตรงกบั การเสียหายทอี าจจะเกิดขึนกบั ชินงานทเี ราไดอ้ อกแบบไวน้ นั เอง

เราสามารถหาค่าความปลอดภยั ไดจ้ ากนิยามของค่าความปลอดภยั ทีว่า อตั ราส่วนของค่าความตา้ นแรงดึงสูงสุด
(Ultimate tensile strength, Sut) หรือค่าความต้านแรงดึงคราก (Yield tensile strength, Syt) ของวสั ดุ ตอ่ คา่ ความเคน้
ใช้งาน (Working stress,  w ) ทังนีจากนิยามของค่าความปลอดภยั ดังกล่าว สามารถเขียนเป็ นสมการในการ
คาํ นวณหาค่าความปลอดภยั เพอื ให้เขา้ ใจงา่ ยยิงขนึ ไดต้ ามสมการที 1.1 และ 1.2 ทงั นีเมือพจิ ารณาทคี ่าความตา้ นแรง
ดงึ สูงสุดเป็นหลกั จะไดส้ มการในการคาํ นวณคอื

แนะนาํ การออกแบบเครืองจกั รกล 15

N  Sut (1.1)
w

และเมือพิจารณาทคี า่ ความตา้ นแรงดงึ ครากเป็นหลกั จะไดส้ มการในการคาํ นวณ คือ

N  Syt (1.2)
w

ในการคาํ นวณหาคา่ ความปลอดภยั ตามสมการดา้ นบนนันขึนอยกู่ ับว่าวศิ วกรผอู้ อกแบบจะเลือกใช้สมการที 1.1
หรือ 1.2 ในการคาํ นวณ โดยหากเลือกใชส้ มการที 1.1 ในการคาํ นวณจะให้ค่าความปลอดภยั สูงกว่ากรณีเลอื กใช้
สมการที 1.2 เสมอ ทงั นีเนืองจากในสมบตั ิของวสั ดุขนาดของค่า Sut มีค่ามากกว่าขนาดของค่า Syt นันเอง แต่
โดยทวั ไปแลว้ ค่าความปลอดภยั ควรจะตอ้ งมคี ่ามากกวา่ 1 เสมอ ซึงหมายความวา่ ชินส่วนเครืองจกั รกลทีออกแบบ
สามารถรบั ภาระใช้งานไดต้ ามทตี อ้ งการจริง ๆ อย่างไรกต็ ามนอกจากค่าความเคน้ ทีเกดิ ขนึ กบั ชินงานแลว้ ในการ
เลอื กใชค้ ่าความปลอดภยั ยงั จะตอ้ งพจิ ารณาปัจจยั อืน ๆ ประกอบดว้ ย เชน่

 ชนิดของแรงทมี ากระทาํ ตอ่ ชินงานเชน่ แรงอยนู่ ิง แรงกระแทก หรือแรงทีเปลยี นแปลงขนาดอยู่
ตลอดเวลา เป็นตน้

 ลกั ษณะการใชง้ านของชินงานเช่น เกยี วขอ้ งกบั การทอี าจจะสูญเสียชีวติ มนุษยแ์ ละทรัพยส์ ินจาํ นวนมาก
หรือไม่ ถา้ เกียวขอ้ งกอ็ าจจะตอ้ งการค่าความปลอดภยั ทสี ูงกวา่ ปกติ เป็นตน้

 นาํ หนกั ของชินงานหากมคี วามจาํ เป็นในการออกแบบชินงานใหเ้ บาทสี ุด อาจจะตอ้ งพจิ ารณาเลอื กใชค้ า่
ความปลอดภยั อยา่ งละเอียดเป็นพเิ ศษ

 จาํ นวนชินงานทผี ลติ ออกมา หากผลติ ครงั ละมาก ๆ ไม่ควรใชค้ า่ ความปลอดภยั สูงเกินไป เพราะจะ
ส่งผลต่อตน้ ทนุ ในการผลติ ชินงานนนั ทงั นีหากใชค้ า่ ความปลอดภยั สูง นนั หมายความวา่ ใชว้ สั ดุจาํ นวน
ทมี ากตามไปดว้ ยในการผลติ ชินงาน

สาํ หรับวิศวกรผูอ้ อกแบบทีเพงิ เริมตน้ งานดา้ นการออกแบบ ซึงยงั ไม่มีประสบการณ์ในการออกแบบมากนกั อาจ
เลอื กใชค้ า่ ความปลอดภยั ทเี กดิ จากแรงชนิดตา่ ง ๆ ไดจ้ ากตารางที 1.1 สาํ หรบั เป็นแนวทางในการคาํ นวณออกแบบก็
ได้

1.3.2 ค่าความน่าเชือถือ

นอกจากค่าความปลอดภยั ทีไดอ้ ธิบายถงึ ความหมายและความสําคญั ไวใ้ นหัวขอ้ ก่อนหน้านีแลว้ ยงั มีค่าที
ควรคาํ นึงถึงในการออกแบบอีกค่าทีวศิ วกรผูอ้ อกแบบจาํ เป็นตอ้ งทราบและเลอื กใชใ้ หเ้ หมาะสมกบั การออกแบบ
นนั กค็ ือ ค่าความน่าเชือถือ (Reliability) เขียนแทนดว้ ยตวั อกั ษร R โดยค่าความน่าเชือถือนนั เป็นตวั เลขทีไดม้ าจาก
วธิ ีการและหลกั การทางสถิติ ซึงเป็นตวั เลขทีใชบ้ ่งบอกถึงระดบั ความน่าเชือถือวา่ ชินงานหรือกระบวนการผลติ นนั
ๆ จะสามารถทาํ งานไดต้ ามขอ้ กาํ หนดทไี ดอ้ อกแบบไวห้ รือไม่

16 การออกแบบเครืองจกั รกล

โดยทวั ไปค่าความน่าเชือถือจะมีค่าอยู่ระหว่าง 0-1 หรือหากแปลงเป็ นเปอร์เซ็นต์ก็จะมีค่าอยู่ระหว่าง 0%-100%
ทงั นีในการแปลความหมายถา้ R = 0 หรือ 0 % นันหมายความว่าชินงานหรือกระบวนการผลิตนัน ๆ ไม่มี ความ
น่าเชือถอื เลย ในทางตรงกนั ขา้ มถา้ R = 1 หรือ 100 % นนั หมายความชินงานหรือกระบวนการผลติ นนั ๆ สามารถ
ทาํ งานได้ตามตามขอ้ กาํ หนดทีไดอ้ อกแบบไว้ ซึงในทางปฏิบตั ิค่าความน่าเชือถือจะไม่เท่ากบั 1 หรือ 100 % ได้
ดงั นันในการออกแบบทัวไปค่าความน่าเชือถือทีนิยมใช้กนั มักมีค่าตังแต่ 0.9 หรือ 90 % ขึนไป ก็ถือได้ว่าการ
ออกแบบชินงานหรือกระบวนการผลติ นนั ๆ มีความน่าเชือถอื แลว้

ตารางที 1.1 ค่าความปลอดภยั ทแี นะนาํ ให้ใชส้ ําหรับการออกแบบในกรณีทวี ิศวกรผอู้ อกแบบยงั ไม่มปี ระสบการณ์
ในการออกแบบ

ชนิดของแรง โลหะเหนียว เหล็กหล่อและโลหะเปราะ
(loads type) (ductile materials) (cast iron and brittle materials)

แรงอยนู่ ิง N  Sut N  Syt N
แรงซาํ ทิศทางเดียวหรือ w w
แรงกระแทกเลก็ นอ้ ย 5-6
แรงซาํ สองทศิ ทางหรือ 3-4 1.5-2 7-8
แรงกระแทกเลก็ นอ้ ย 6 3
แรงกระแทกอยา่ งหนกั 10-12
8 4 15-20
10-15 5-7

1.4 มาตรฐาน รหัสและหน่วยทีใช้ในการออกแบบ

1.4.1 มาตรฐานและรหสั ทีใช้ในการออกแบบ

ในหัวนีจะอธิบายถึงมาตรฐาน (Standards) และรหัส (Codes) ซึงถือว่าเป็ นสิงสําคญั ทีวิศวกรผูอ้ อกแบบ
จาํ เป็ นทีจะต้องรู้จกั และทาํ ความเขา้ ใจ ทงั นีมาตรฐานและรหัสถูกกาํ หนดขึนมาโดยมีวตั ถปุ ระสงคเ์ พือจาํ กดั ความ
หลากหลายของชินส่วนต่าง ๆ และเพือความปลอดภยั ความมีประสิทธิรูปและสามารถควบคุมคุณรูปได้ สําหรับ
รายละเอียดของมาตรฐานและรหสั มดี งั นี

(1) มาตรฐาน หมายถงึ ตวั กาํ หนดคุณลกั ษณะจาํ เพาะของผลติ ภณั ฑ์ วสั ดุ และกระบวนการผลติ โดยอาจ
ครอบคลมุ ตงั แตว่ ิธีการผลติ กระบวนการผลติ การควบคุมคณุ รูป ตลอดจนการจดั การในดา้ น ตา่ ง
ๆ ทเี กียวขอ้ งดว้ ย

(2) รหสั หมายถงึ ขอ้ มูลจาํ เพาะของผลติ ภณั ฑ์ ซึงกาํ หนดตามมาตรฐานต่าง ๆ เป็นขอ้ มลู ทบี ง่ ชีถงึ
คุณลกั ษณะของผลิตภณั ฑน์ นั ๆ เช่น ขนาดและคุณสมบตั ิ เป็นตน้

แนะนาํ การออกแบบเครืองจกั รกล 17

แต่ก่อนเมือครังทียงั ไม่มีการกาํ หนดมาตรฐานและรหัสนนั ทาํ ให้ผูใ้ ช้งานเกิดความยุ่งยาก ไม่คล่องตวั มีความ
สินเปลอื งสูงและประสิทธิรูปในการทาํ งานลดตาํ ลง ขอยกตวั อยา่ งเพือใหม้ องเห็นรูปมากยิงขึน เช่นในกรณีทีถา้ ไม่
มกี ารกาํ หนดมาตรฐานในการผลิตสกรู สลกั เกลียวและนอตยึดสลกั เกลยี ว โรงงานแตล่ ะโรงงานกจ็ ะผลิตของใคร
ของมนั เป็ นต้นว่าโรงงาน (ก) ผลิตสลกั เกลียวขนาด 1/2 นิว ทีมีร่องเกลียว 9 เกลียวต่อนิ ว ในขณะทีโรงงาน (ข)
ผลิตสลกั เกลียวขนาด 1/2 นิวเหมือนกันแต่มีร่องเกลียว 12 เกลียวต่อนิ ว ในการใช้งานสลกั เกลียวเมือเกิดความ
เสียหายทีทาํ ใหจ้ าํ เป็นตอ้ งเปลียนสลกั เกลียว ผใู้ ชง้ านจะตอ้ งหาซือสลกั เกลียวทีตอ้ งการสําหรับนาํ มาเปลียนแทน
สลกั เกลียวทเี กิดความเสียหาย ซึงมอี ยหู่ ลากหลายในทอ้ งตลาดและหากไม่สามารถหาสลกั เกลียวตามทตี อ้ งการไดก้ ็
จะตอ้ งสังผลิตเป็ นพิเศษจากโรงงานผูผ้ ลิตโดยตรง จึงทําให้เกิดปัญหาแก่ผูใ้ ชง้ านดังทีได้เกรินไวใ้ นขา้ งต้น ซึง
มาตรฐานและรหสั ก็จะเขา้ มาช่วยแกป้ ัญหาดงั กล่าวและอาํ นวยความสะดวกในการเลอื กใชแ้ กผ่ ูใ้ ชง้ านดว้ ยนนั เอง

มาตรฐานและรหัสต่าง ๆ นันจะถูกกําหนดจากองค์การหรือสมาคมทีก่อตงั ขึนมาเพือทาํ หน้าทีในการกําหนด
มาตรฐานและรหัส ดงั นันการตงั ชือองค์การและสมาคมเหล่านันจึงตังชือตามลักษณะ ประเภทและชนิดของ
มาตรฐานและรหสั ตา่ ง ๆ

องค์การและสมาคมทีวิศวกรผู้ออกแบบในสายงานวิศวกรรมเครืองกลควรทราบโดยเฉพาะทีเกียวขอ้ งกบั การ
ออกแบบชินสว่ นเครืองจกั รกล ไดแ้ ก่

(1) สมาคมอลูมเิ นียม (Aluminum Association: AA)
(2) สมาคมผผู้ ลิตเฟืองแห่งอเมริกา (American Gear Manufacturers Association: AGMA)
(3) สถาบนั ผผู้ ลิตเหลก็ แห่งอเมริกา (American Iron and Steel Institute: AISI)
(4) สถาบนั มาตรฐานแห่งชาติอเมริกนั (American National Standard’s Institute: ANSI)
(5) สมาคมโลหะแห่งอเมริกา (American Society for Metals: ASM)
(6) สมาคมวิศวกรเครืองกลแห่งอเมริกา (American Society of Mechanical Engineers: ASME)
(7) สมาคมโลหะและการทดสอบแห่งอเมริกา (American Society of Testing and Materials: ASTM)
(8) สมาคมการเชือมแห่งอเมริกา (American Welding Society: AWS)
(9) สมาคมผผู้ ลิตตลบั ลกู ปื นลดความฝืด (Anti-friction Bearing Manufacturers Association: AFBMA)
(10) องคก์ ารมาตรฐานสากล (International Standard Organization: ISO)
(11) สถาบนั มาตรฐานแห่งบริตชิ (British Standard Institute: BSI)
(12) สมาคมวิศวกรรมยานยนต์ (Society of Automotive Engineering: SAE)
(13) มาตรฐานอตุ สาหกรรมแห่งเยอรมนั (Deutsch Industrial Norm: DIN)
(14) องคก์ ารระบบหน่วยสาํ หรับโลหะและอลั ลอย (Unified Numbering System for Metal and Alloys:

UNS)
(15) มาตรฐานอุตสาหกรรมประเทศญีป่ นุ (Japanese Industrial Standards: JIS)

18 การออกแบบเครืองจกั รกล

1.4.2 หน่วยทีใช้ในการออกแบบ

หน่วย (Unit) ทใี ชใ้ นงานทางวศิ วกรรมมอี ยู่ 2 ระบบคือระบบหน่วยองั กฤษ (British gravitation system) และ
ระบบหน่วยเอสไอ (International system) โดยระบบหน่วยทงั สองมีรายละเอยี ดดงั ต่อไปนี

 ระบบหน่วยองั กฤษเป็นหน่วยทีนิยมใช้กนั เฉพาะในประเทศองั กฤษและสหรัฐอเมริกาเท่านนั ใน
ระบบนีแรงมีหน่วยเป็นปอนด์ (lb) ความยาวมหี น่วยเป็นฟุต (ft) และเวลามหี น่วยเป็นวนิ าที (s)

 ระบบหน่วยเอสไอเป็ นหน่วยทีประกาศใช้ครงั แรกในปี ค.ศ. 1960 นิยมใช้กันอย่างแพร่หลายใน
หลายประเทศทวั โลกรวมถึงประเทศไทยด้วย ระบบนีแรงมีหน่วยเป็ นนิวตนั (N) มวลมีหน่วยเป็ น
กิโลกรมั (kg) ความยาวมหี น่วยเป็นเมตร (m) และเวลามหี น่วยเป็นวินาที (s)

จากสมการกฎการเคลือนทีขอ้ ทีสองของนิวตัน (Newton’s second law) ทีกล่าวว่า “การเปลียนแปลงของการ
เคลือนทีเป็นสัดส่วนโดยตรงกบั แรงกระทาํ และมีทิศทางเดยี วกบั แรงทมี ากระทาํ ในทิศทางทีเป็นเส้นตรงเดียวกนั ”
สามารถเขียนเป็ นสมการได้ตามสมการที 1.3 (เมือกําหนดให้ F คือแรง (Force) m คือมวล (Mass) และ a คือ
ความเร่ง (Acceleration))

F  ma (1.3)

สญั ลกั ษณ์ทใี ชแ้ ทนหน่วยในสมการการเคลอื นทขี อ้ ทสี องของนิวตนั คอื F  ML โดยที F หมายถงึ แรง M
T2

หมายถึงมวล L หมายถงึ ความยาวและ T หมายถึงเวลา ซึงหน่วยเหล่านีเรียกวา่ หน่วยมลู ฐาน (primary unit) โดยที

หน่วยมลู ฐานเป็นหน่วยวดั คา่ ปริมาณตา่ ง ๆ ทีเป็นอสิ ระไมข่ นึ ตอ่ กนั ตวั อย่างของหน่วยมลู ฐานในระบบหน่วยเอส

ไอแสดงไวใ้ นตารางที . ในขณะทหี น่วยทไี ดจ้ ากการนาํ หน่วยมลู ฐานมาประกอบกนั จะเรียกวา่ หน่วยอนุพนั ธ์

(Derived unit)

จากสมการที 1.3 แสดงใหเ้ ห็นว่าหน่วยของแรง คือหน่วยของ มวล ความยาวและเวลา โดยจะเห็นวา่ หน่วยของมวล
ความยาวและเวลา เราสามารถเลือกมาอย่างไรก็ได้ แต่หน่วยของแรงจะตอ้ งขึนอยู่กบั หน่วยทงั สามทเี ลือกมาตาม
สมการที 1.3 หน่วยทงั สามทเี ลอื กมานนั เรียกวา่ หน่วยมลู ฐาน และหน่วยของแรงซึงเกิดจากหน่วยทเี ลอื กมาทงั สาม
หน่วยเรียกวา่ หน่วยอนุพนั ธ์ นนั เอง

ตวั อยา่ งของหน่วยมูลฐานในระบบ SI เช่น ความยาว (m) มวล (kg) เวลา (s) กระแสไฟฟ้า (A) อุณหภูมิ (K) และมุม
เชิงระนาบ (rad) เป็นตน้ เพือป้องกนั ความสบั สนในการใชง้ านทางวทิ ยาศาสตร์และในทางเทคนิคในประเทศตา่ ง ๆ
International Bureau of Weights and Measures (BIPM) แ ล ะ International Standardizing Agency (SI) จึ ง ไ ด้
กาํ หนดกฎในการใชห้ น่วยในระบบ SI ขึนโดยมรี ายละเอียดดงั ต่อไปนี

 การแสดงตวั เลขทีมมี ากกว่า 4 ตวั จะมกี ารจัดตวั เลขนนั เป็นกลุ่ม โดยมกี ลุ่มตวั เลขกลุ่มละ 3 ตวั และแยก
จากกนั ดว้ ยช่องวา่ ง เช่น 1234 หรือ 1 234, 123 456.789 10 เป็นตน้

 ในการคาํ นวณทางวศิ วกรรมนันนิยมใช้คาํ อุปสรรค (prefix) หรือตวั คณู ขา้ งหน้าหน่วย ทงั นีเพือมาช่วย
แกป้ ัญหาไมใ่ หเ้ ขียนตวั เลขทมี ีค่านอ้ ยหรือมีค่ามากเกินไปจนอาจทาํ ให้สับสนได้ โดยคาํ อุปสรรคทีนิยม

แนะนาํ การออกแบบเครืองจกั รกล 19

ใชแ้ ละมีชือเรียกต่าง ๆ ดงั แสดงไวใ้ นตารางที 1.3 นอกจากนีจะขอยกตวั อยา่ งของการใช้คาํ อุปสรรคให้
เขา้ ใจมากขึนดงั นี วตั ถุชินหนึงถกู กระทาํ ดว้ ยความเคน้ ขนาด 10 × 106 Pa เทา่ กบั 1 MPa นนั เอง

ตารางที 1.2 หน่วยมูลฐานในระบบเอสไอ ชือ ตวั ย่อ

ปริมาณ เมตร m
ความยาว กโิ ลกรมั kg
วนิ าที s
มวล แอมแปร์ A
เวลา เคลวนิ K
กระแสไฟฟา้ เรเดียน rad
อุณหภูมิ
มมุ เชิงระนาบ

ตารางที 1.3 คาํ อุปสรรคนาํ หนา้ หน่วยทนี ิยมใชใ้ นการคาํ นวณทางวศิ วกรรม ตวั ย่อ
T
ตวั คณู คาํ อปุ สรรค G
M
1012 เทอรา (Tera) k
109 กิกะ (Giga) m
106 เมกกะ (Mega)
103 กิโล (kilo) 
10-3 มลิ ลิ (Milli)
10-6 ไมโคร (Micro) n
10-9 นาโน (Nano) P
10-12 พิโค (Pico)

20 การออกแบบเครืองจกั รกล

1. สอนบรรยาย

วิธสี อนและกจิ กรรม 2. ยกตวั อยา่ งประกอบ
สือการสอน
งานทีมอบหมาย 3. ใหน้ กั ศึกษามสี ่วนร่วมในการเรียนการสอนดว้ ยวิธีการถาม-ตอบ
การวัดผล
หนงั สือ -
อ้างอิง

เอกสาร 1. เอกสารคาํ สอนรายวชิ าการออกแบบเครืองจกั รกล

ประกอบ 2. Powerpoint ประกอบการสอนในแตล่ ะหน่วยเรียน

วัสดโุ สต 1. กระดานขาว-ปากกาเขยี นกระดานขาว

ทัศน์ 2. เครืองฉาย Projector

1. แบบฝึกหัด
2. คน้ ควา้ จากเอกสารทเี กียวขอ้ ง

1. สงั เกตจากพฤตกิ รรมและความสนใจในหอ้ งเรียน
2. การตอบคาํ ถาม
3. ประเมินงานทนี กั ศกึ ษาคน้ ควา้ มาได้
4. ตรวจแบบฝึกหดั /แบบทดสอบ

วสั ดุในทางวิศวกรรมและคณุ สมบตั ิ 21

สัปดาห์ที 2 ใบเตรียมการสอน รหสั วิชา 03-407-071-303

เวลา 3 ชัวโมง หน่วยที 2 วัสดใุ นทางวศิ วกรรมและคณุ สมบัติ

2.1 ประเภทและคุณสมบตั ทิ างกลของวสั ดุ เวลา 70 นาที

ชือบทเรียน 2.2 กระบวนการขนึ รูปและกระบวนการทางความรอ้ นของโลหะ เวลา 40 นาที

2.3 วสั ดผุ สมสาํ หรับเหล็กและโลหะใชง้ าน เวลา 70 นาที

จดุ ประสงค์การสอน

2.1 รูป้ ระเภทและคณุ สมบตั ทิ างกลของวสั ดุ

2.1.1 บอกประเภทของวสั ดุ

2.1.2 บอกคุณสมบตั ิทางกลของวสั ดุ

2.2 เขา้ ใจกระบวนการขนึ รูปและกระบวนการทางความรอ้ นของโลหะ

2.2.1 อธิบายกระบวนการขนึ รูปของโลหะ

. . อธิบายกระบวนการทางความร้อนของโลหะ

. รูว้ สั ดผุ สมสาํ หรับเหลก็ และโลหะใชง้ าน

. . บอกวสั ดุผสมสาํ หรบั เหลก็

. . บอกโลหะใชง้ านทีควรรู้จกั และการให้ชือ

ใบเตรียมการสอน บทเรียนที 2.1 ถึง 2.3 หนา้ 23 ถึง 50

เนือหา 2.1 ประเภทและคุณสมบตั ิทางกลของวสั ดุ

2.1.1 ประเภทของวสั ดุ

2.1.2 คณุ สมบตั ทิ างกลของวสั ดุ

2.2 กระบวนการขนึ รูปและกระบวนการทางความร้อนของโลหะ

2.2.1 กระบวนการขึนรูปของโลหะ

. . กระบวนการทางความร้อนของโลหะ

. วัสดผุ สมสําหรับเหล็กและโลหะใช้งาน

. . วสั ดุผสมสําหรบั เหลก็

. . โลหะใชง้ านทคี วรรูจ้ กั และการใหช้ ือ

22 การออกแบบเครืองจกั รกล

วสั ดุในทางวศิ วกรรมและคณุ สมบตั ิ 23

หน่วยที 2

วสั ดุในทางวศิ วกรรมและคุณสมบตั ิ

ในหน่วยเรียนนีจะกลา่ วถึงวสั ดุในทางวิศวกรรมทใี ชใ้ นการออกแบบชินส่วนเครืองจกั รกลและคุณสมบตั ิในดา้ น
ตา่ ง ๆ ของวสั ดุเหล่านนั เนือหาในหน่วยเรียนนีจะทาํ ให้วิศวกรผูอ้ อกแบบสามารถเลือกใชว้ สั ดใุ นการออกแบบให้
เหมาะสมกับชิ นงานทอี อกแบบในดา้ นของความแข็งแรง นําหนัก ราคาและความคงทน ทงั นีในการออกแบบ
ชินส่วนตา่ ง ๆ เป็นการยากทจี ะกาํ หนดประเภทของวสั ดุทีจะใชใ้ นการออกแบบให้แน่นอนลงไปได้ ดงั นนั การทีจะ
สามารถกาํ หนดประเภทของวสั ดทุ จี ะใชใ้ นการออกแบบได้ วศิ วกรผูอ้ อกแบบจาํ เป็นจะตอ้ งมคี วามรูพ้ นื ฐานในดา้ น
ต่าง ๆ ทเี กยี วขอ้ งกบั วสั ดมุ าพอสมควร

2.1 ประเภทและคณุ สมบตั ทิ างกลของวัสดุ
2.1.1 ประเภทของวสั ดุ

ในหัวขอ้ นีจะอธิบายถึงการแบ่งประเภทของวสั ดุทีมีความสําคญั ทางวิศวกรรมและลกั ษณะเฉพาะของวสั ดุ
ในแต่ละ่ กลุ่ม โดยวสั ดุทีเป็ นของแข็ง (solid materials) สามารถแบ่งออกไดเ้ ป็ น 4 กลุ่มพืนฐาน ได้แก่ กลุ่มโลหะ
(metal) กลุม่ เซรามกิ (ceramic) กลมุ่ พอลเิ มอร์ (polymer) และกลุ่มวสั ดุผสม (composite material) ดงั แสดงตามแผน
รูปในรูปที 2.1 ซึงเกณฑ์ทีใช้ในการแบ่งประเภทของวสั ดุทัง 4 กลุ่มจะพิจารณาจากรายละเอียดทางเคมีและ
โครงสรา้ งอะตอมของวสั ดุเป็นหลกั ทงั นีวสั ดุส่วนใหญ่ก็จะถูกจดั อยู่ในกลุ่มใดกลุ่มหนึงได้อยา่ งชดั เจนอยแู่ ลว้ ตาม
เกณฑท์ ีใชใ้ นการแบ่ง โดยวสั ดุในแตล่ ะกลุม่ มรี ายละเอยี ดของลกั ษณะดงั ต่อไปนี

1) กล่มุ โลหะ วสั ดุในกลุ่มนี (ดงั แสดงในรูปที 2.2 (ก)) เป็นวสั ดทุ มี คี ่าโมดลู สั (modulus) สูงพอสมควร (ค่า
โมดูลสั คือความชนั ของเส้นกราฟความเคน้ -ความเครียด ใชบ้ ง่ บอกถึงความสามารถในการรับแรงของ
วสั ดุ) นอกจากนียงั สามารถเพิมความแข็งแรง (strength)ไดโ้ ดยวิธีทางความร้อน (heat treatments) วิธี
ทางกล (mechanical treatments) หรือการเติมองคป์ ระกอบเพิมเติม เชน่ การเติมอลั ลอยส์ (alloying) เป็ น
ตน้ ลกั ษณะเด่นของวสั ดุกลุ่มโลหะคือสามารถเพิมความแข็งแรงของวสั ดุได้โดยทีวสั ดุยงั คงความ
เหนียว (ductility) ไวเ้ หมือนเดมิ ซึงการทวี สั ดุยงั คงความเหนียวไวจ้ ะเป็นผลดีในการขึนรูปวสั ดกุ ลา่ วคือ
จะชว่ ยให้การขนึ รูปวสั ดุทาํ ไดง้ ่ายขึน อย่างไรก็ตามการทีวสั ดุในกลุ่มนีมคี วามเหนียวกจ็ ะมีความเสียง
ต่อการสึกกร่อนของวสั ดุไดง้ า่ ยเชน่ กนั

2) วสั ดกุ ลุ่มเซรามิก วสั ดใุ นกลุ่มนี (ดงั แสดงในรูปที . (ข)) มคี ่าโมดลู สั สูงมากทสี ุด แตก่ ็เป็นวสั ดุกล่มุ ที
มีความเปราะสูงเช่นกัน นอกจากนียงั มีคุณสมบัติทีพิเศษคือมีค่าความแข็งแรงจากการดึง (tensile

24 การออกแบบเครืองจกั รกล

strength) นอ้ ยกว่าค่าความแข็งแรงจากการกด (compressive strength) ประมาณ เท่า โดยทวั ไปเซรา
มกิ จะมคี วามยดื หยนุ่ นอ้ ยหรือบางทไี มม่ ีความยืดหยุ่นเลย ดงั นนั จงึ ทาํ ให้วสั ดุในกลมุ่ นีไมค่ ่อยทนต่อค่า
ความเคน้ หนาแน่น (stress concentration) นอกจากนีวสั ดุในกลุ่มนียงั อ่อนไหวต่อโครงสร้างทมี ีความ
เคน้ เฉพาะจุด (contact stress) เชน่ จดุ ทีมีการจบั ยึด หากจะเปรียบเทยี บกบั วสั ดุทมี คี วามเหนียว (Ductile
Materials) ซึงสามารถจัดการกับการกระจุกตวั ของความเคน้ หนาแน่นไดโ้ ดยการยอมเสียรูปนิดหน่อย
เพอื ให้การกระจายตวั ของความเคน้ ราบเรียบขนึ แต่ในกรณีของเซรามิกส์นีทาํ ไม่ไดเ้ ลย เซรามิกส์และ
แกว้ นนั โดยทวั ไปเราจดั ให้เป็ นวสั ดุเปราะ (Brittle Materials) และคณุ สมบตั หิ นึงของวสั ดุเปราะคอื มคี ่า
ความแข็งแรง (Strength) ค่อนขา้ งกระจัดกระจายไม่แน่นอน และขึนกบั ปัจจยั หลายอย่าง เช่นลกั ษณะ
ของภาระทีมากระทาํ ปริมาตรของวสั ดุทีรับแรง เป็ นตน้ นอกจากนียงั อาจมีเรืองของเวลามาเกียวขอ้ ง
ดว้ ย ดงั นนั การออกแบบชินงานใดๆทีมีวสั ดกุ ลุ่มนีมาเกียวขอ้ งจึงไม่ง่ายนกั อยา่ งไรกต็ ามวสั ดกุ ลุม่ นีก็มี
สิงทีน่าสนใจคือ มนั มีความแข็งแกร่ง ทนต่อการขีดข่วน และรักษาความแข็งแรงไวไ้ ด้สมาํ เสมอ แม้
อณุ หภูมิสูงๆ นอกจากนียงั ทนตอ่ การกดั กร่อนอกี ดว้ ย
3) วัสดุกลุ่มพอลีเมอร์ เป็นวสั ดุ (ดงั แสดงในรูปที . (ค)) ทมี ีคา่ โมดูลสั (Modulus) นอ้ ยมากๆ (ประมาณ

เท่า < ของโลหะ) มคี ุณสมบตั ิทีสําคญั คือสามารถเพิมความแข็งแรงไดม้ ากจนใกลเ้ คียงโลหะ วสั ดุ
จาํ พวกนีมีความยืดหยุ่นสูงมาก มีการคืบตวั (Creep) ในอุณหภูมิห้อง และคุณสมบตั ิต่างๆ ของมนั จะ
ขึนกบั อณุ หภมู เิ ป็นอย่างมาก โพลเี มอร์บางชนิดใชง้ านไดต้ ามปกตทิ ีอณุ หภูมิ °C แตจ่ ะกลายเป็นวสั ดุ
เปราะทีอณุ หภมู ิ °C และจะมีการคบื ตวั อยา่ งมากทอี ุณหภูมิ °C โดยทวั ไปแลว้ โพลเี มอร์และอีลาส
โตเมอร์ อาจเรียกไดว้ ่าไม่มคี วามแข็งแรงเพยี งพอทีจะใชง้ านไดท้ อี ณุ หภมู ิมากกว่า °C อย่างไรก็ตาม
ขอ้ ดีของโพลีเมอร์ และอีลาสโตเมอร์ ก็มีมาก เช่น มีค่าความแข็งแรงตอ่ นาํ หนกั สูงมาก สามารถขึนรูป
ไดง้ า่ ย ทาํ ใหก้ ระบวนการขนึ รูปทีซับซอ้ นลดความยุ่งยากลง นอกจากนี ยงั สามารถสรา้ งสีสันลงในเนือ
วสั ดุก่อนการขึนรูปได้ ทําให้ไม่ต้องมีขันตอนการทาสีหรืองานผิวสําเร็จ (Surface Finishing) อืนๆ
นอกจากนีโพลเี มอร์และอีลาสโตเมอร์ยงั ทนต่อการกดั กร่อน และมคี า่ ความเสียดทานตาํ อีกดว้ ย
4) วัสดกุ ล่มุ วัสดุผสมหรือคอมโพสิต เป็นกลมุ่ วสั ดุทมี ีคณุ สมบตั พิ เิ ศษหลาย ๆ อยา่ งอยรู่ วมกันการผสมกนั
ของกลุ่มวสั ดุต่าง ๆ ตามทีไดก้ ลา่ วมาแลว้ ได้แก่ วสั ดุกลุ่มโลหะ กลุ่มเซรามกิ ส์และแก้วและกลุ่มพอลิ
เมอร์ และอีลาสโตเมอร์เขา้ ดว้ ยกัน วสั ดุกลุ่มวสั ดุผสมแสดงดังรูปที 2.2 (ง) ในการผสมกนั จะรวมเอา
ขอ้ ดีของวสั ดแุ ตล่ ะกลุ่มและจะพยายามลดขอ้ เสียให้เหลือน้อยทสี ุด วสั ดุผสมมตี งั แตแ่ บบทีมคี ุณสมบตั ิ
พืน ๆ ทีสุดจนถึงแบบทีมีคุณสมบตั ิทีดีเยียมและราคาสูงมาก ๆ เชน่ พวกโพลิเมอร์เมทริกซ์ (polymer
matrix) ซึงทาํ มาจากเส้นใยและเรซิน ซึงมกั มีราคาแพง โดยทวั ไปคอมโพสิตมกั มรี าคาสูง และมกั จะใช้
ไม่ไดท้ อี ณุ หภมู สิ ูงกวา่ °C เนืองจากส่วนทเี ป็น Polymers อาจจะออ่ นตวั ได้ แตท่ อี ณุ หภมู หิ อ้ งมนั จะ
มคี ณุ สมบตั ิทดี ีเยยี ม อย่างไรกต็ ามขอ้ เสียของคอมโพสิตก็มบี า้ งเช่นขึนรูปไดย้ ากและการเชือมกย็ ากดว้ ย
คอมโพสิตมกั จะเลือกมาใชใ้ นงานทจี าํ เป็นจริง ๆ เทา่ นนั เนืองจากขอ้ จาํ กดั ของราคา

จากทีได้กล่าวมาจะเห็นว่าวสั ดุมีหลายประเภทและแต่ละประเภทก็มีข้อดีข้อเสียแตกต่างกันไป ดังนันวิศวกร
ผอู้ อกแบบจงึ ควรทจี ะรู้คณุ สมบตั ิพืนฐานตา่ ง ๆ ไวบ้ า้ ง เพอื ให้มองรูปของงานออกมาไดอ้ ยา่ งชดั เจนและอาจจะตอ้ ง

วสั ดุในทางวศิ วกรรมและคณุ สมบตั ิ 25

อาศยั ผูเ้ ชียวชาญดา้ นวสั ดุศาสตร์ในหลาย ๆ ดา้ นเพือจะสามารถเลอื กวสั ดุไดอ้ ยา่ งดที ีสุด อย่างไรก็ตามในเนือหาวชิ า
นีเราจะเนน้ ไปทีการใชโ้ ลหะในการออกแบบเป็นหลกั หากสนใจการออกแบบโดยใชว้ สั ดอุ ืน ๆ อาจตอ้ งหาความรู้
เกียวกบั วสั ดุเหล่านนั เพมิ เติมเสียก่อน

รูปที 2. แผนรูปแสดงการแบง่ กลุม่ วสั ดใุ นทางวิศวกรรมทีนยิ มใชโ้ ดยทวั ไป

(ก) (ข)

(ค) (ง)
รูปที 2.2 แสดงวสั ดใุ นกลมุ่ ตา่ ง ๆ (ก) วสั ดกุ ลุม่ โลหะ (ข) วสั ดุกลุ่มเซรามกิ (ค) วสั ดกุ ลุม่ พอลเิ มอร์และ (ง) วสั ดุ

กล่มุ วสั ดผุ สม
(ทมี า : https://agmetalminer.com/2020/05/18/stainless-price-rises-offer-a-hint-of-support-for-nickel/ และ
https://www.fibreglast.com/category/Carbon_Fiber และ https://www.scimath.org/lesson-chemistry/item/9631-1-

9631 )

26 การออกแบบเครืองจกั รกล

2.1.2 คุณสมบตั ิทางกลของวัสดุ

คุณสมบตั ทิ างกลของวสั ดุ (mechanical properties of materials) ถือเป็นคุณสมบตั ขิ องวสั ดุในการตอบสนอง
ต่อภาระทางกลทมี ากระทาํ กบั วสั ดุ ดงั นนั คา่ คุณสมบตั ิทางกลของวสั ดจุ งึ เป็นขอ้ มลู ทีมีความสาํ คญั ตอ่ การตดั สินใจ
เลือกวสั ดุมาใชใ้ นการออกแบบทางวิศวกรรมนันเอง การทีเราทราบข้อมูลคุณสมบตั ิทางกลของวสั ดุจะทําให้
สามารถเลือกใชป้ ระเภทของวสั ดุตามความตอ้ งการในการออกแบบได้ถกู ต้อง โดยเนือหาในหัวขอ้ นีจะขออธิบาย
รายละเอยี ดคุณสมบตั ิทางกลของวสั ดเุ ฉพาะทเี กียวขอ้ งกบั การออกแบบทางวศิ วกรรมเทา่ นนั

2.1.2.1 ความหนาแน่น

เป็ นอตั ราส่วนของนําหนักต่อปริมาตรของวสั ดุ ความจริง Archimedes ได้คน้ พบความหมายของ ความหนาแน่น
ตงั แตอ่ ดตี นานมาแลว้ และในปัจจบุ นั กย็ งั คงวดั ความหนาแน่นโดยวธิ ีเดิมอยนู่ ันคือการชงั นาํ หนกั ในอากาศและใน
ของเหลวทรี ูค้ วามหนาแน่นอยแู่ ลว้

2.1.2.2 ค่าโมดูลัสความยืดหย่นุ

นิยามโดยความชนั ของเสน้ กราฟความเคน้ -ความเครียด (Stress-Strain Curve) ในช่วงของการยืดหยุ่นแบบเชิงเส้น
(Linear-Elastic) มีหน่วยเป็ น GPa ค่าโมดูลสั ความยืดหยุ่นนีมี 3 ชนิดใช้ในกรณีของภาระแบบต่าง ๆไดแ้ ก่ ค่ายงั
โมดูลสั (Young’s Modulus; E) ใช้ในการอธิบายกรณีเป็ นความเคน้ ดึง-อดั (Tension-Compression) ค่าเชียโมดูลสั
(Shear Modulus; G) จะใชอ้ ธิบายกรณีเป็ นแรงบิดและคา่ บงั ลคโ์ มดลสั (Bulk Modulus; K) จะใช้ในกรณีของภาระ
แบบความดนั ไฮโดรสแตติก (Hydrostatic Pressure)

นอกจากนีนักศึกษาควรจะรู้จักนิยามอีกค่าหนึง เรียกว่าอตั ราส่วนปัวซอง (Poison’s ratio; v) เป็ นค่าทีไม่มีหน่วย
โดยนิยามหมายถึงคา่ ลบของอตั ราส่วนของความเครียดในแนวระนาบ (Lateral Strain) ตอ่ ความเครียดในแนวแกน
(Axial Strain) ของชินส่วนทีถกู แรงกระทาํ ตามแนวแกน

นกั ศึกษาควรจะรูด้ ว้ ยว่าความจริงแลว้ ค่าโมดูลสั ทีวดั จากความชนั ของเสน้ กราฟความเคน้ -ความเครียดนัน ไม่ใช่
คา่ ทีถูกตอ้ งทีสุด ทงั นีเนืองจากผลของความยืดหยุน่ การคืบตวั ของวสั ดแุ ละอืน ๆ ค่าโมดูลสั ทีแม่นยาํ เทียงและตรง
ควรจะวดั จากการทดสอบแบบไดนามิกส์ โดยการใส่ภาระการสันแบบธรรมชาติเขา้ ไปในคาน (Beam) หรือเส้น
ลวด (Wire) หรือการใชก้ ารวดั จากความเร็วของคลืนเสียงในเนือโลหะแตค่ วามยงุ่ อยากในการวดั ก็มมี ากตามมาดว้ ย

โดยทวั ไปสาํ หรบั วสั ดไุ อโซโทรปิก (Isotropic Materials) คา่ โมดูลสั ชนิดตา่ ง ๆ จะสมั พนั ธก์ นั ดงั นี

E  3G ; G E และ K E (2.1)
G 2(1   ) 3(1 2)
(1 )
3K

โดยที   1 ; G  3 E และ K  E แตถ่ า้ เป็นวสั ดยุ ดื หย่นุ (Elastomers) แลว้ v  1 ซึงทาํ ให้ G  1 E และ
38 23

K  E

วสั ดุในทางวศิ วกรรมและคณุ สมบตั ิ 27

2.1.2.3 ค่าต้านทานความเค้นครากหรือความแข็งแรงทจี ดุ คราก

สําหรบั วสั ดทุ ีไม่เปราะโดยทวั ไปเราอาจนิยามความแข็งแรงของวสั ดเุ ป็นค่าความเคน้ สูงสุดทวี สั ดุสามารถรองรบั ได้
โดยไม่คราก (Yields) โดยจุดครากนีเป็นจุดทีอยตู่ าํ แหน่งทีวสั ดเุ ริมมีการยดื ตวั หรือคราก (Yielding) อย่างไรก็ตาม
จุดครากนีไม่สามารถสงั เกตุไดง้ า่ ยนกั และการระบตุ าํ แหน่งในกราฟความเคน้ -ความเครียด (Stress-Strain Curve) ก็
ทาํ ไดย้ ากเช่นกนั ดงั นนั จึงมีการกาํ หนดวิธีสาํ หรับประมาณจุดครากนีเราเรียกวิธีนีว่าวธิ ีออฟเซท (Offset Method)
โดยการลากเส้นขนานกับเส้นตรงในช่วงการยืดหยุ่นแบบเชิงเส้นขึนไปตดั กับกราฟทีเริมโคง้ ตวั จดุ ตดั ทีไดค้ ือจุด
ครากดังรูปที 2.3 สําหรับโลหะเราจะนิยามความเค้นครากไว้ทีประมาณ 0.2% Offset ใน Stress-Strain Curve
หมายความว่าเราจะนับเอาจดุ ทีเส้นกราฟเริมจะเบียงเบนออกจากการเป็ นเส้นตรงในช่วง Linear-Elastic ออกไป
0.2% ดงั รูปที . ในกรณีของโลหะจดุ นีถอื เป็นจุดทีมี Dislocation มากพอ

  F A0

0.2 %
รูปที 2.3 ตวั อยา่ งกราฟความเคน้ -ความเครียด (Stress-Strain Curve) ของโลหะแสดง

ค่าความแขง็ แรงทจี ุดคราก ( y ) ทปี ระมาณ 0.2% Offset
สาํ หรบั พอลิเมอร์ซึงมคี ่าความยดื หยุน่ สูงมากนนั มกั จะนิยามจุดครากของมนั เป็นจุดทเี สน้ กราฟไม่เป็นเสน้ ตรงอยา่ ง
เหน็ ไดช้ ดั เจน ซึงส่วนใหญ่จะเป็ นประมาณ 1% Offset ซึงการเสียรูปของพอลิเมอร์นีเชือว่าเกิดจาก Shear-Yielding
หรืออาจจะเกิดจากการเลือนอย่างถาวรของโซ่โมเลกุลของพอลิเมอร์นนั ๆ หรืออาจเกิดจากการก่อตวั ของรอยร้าว
เลก็ ๆ ภายในเนือพอลิเมอร์นนั ๆ อนั เป็ นผลให้เกดิ การกระเจิงของแสงทาํ ให้เกิดรอยคลา้ ยเสน้ รอยร้าวสีขาว ๆใน
พอลิเมอร์ โดยทวั ๆ ไปแลว้ พอลิเมอร์จะมีความแข็งแรงต่อการกดมากกว่าความแข็งแรงจากการดึงอยู่ประมาณ
20%
สาํ หรับเซรามกิ ส์และแกว้ แลว้ ค่าความเคน้ ครากของมนั จะขนึ กบั ลกั ษณะของแรงกระทาํ เช่นสาํ หรับแรงดงึ นนั เซรา
มกิ สจ์ ะมคี ่าความเคน้ ครากนอ้ ยกวา่ ค่าจากความเคน้ อดั ประมาณ 10-15 เท่าในกรณีของคอมโพสิตอาจจะกาํ หนดให้
ตายตวั ได้ยาก โดยทวั ไปมกั ใช้ที 0.5 % Offset ในกรณีทีเป็ นคอมโพสิตทีมี Fiber (เช่น ไม)้ เป็ นองคป์ ระกอบค่า
ความแขง็ แรงจากการอดั มกั นอ้ ยกวา่ ความแข็งแรงจากการดึงพอสมควร (ประมาณไม่เกิน 30%) ทงั นีเพราะวา่ Fiber
มกั จะเกดิ การ Buckle ได้

28 การออกแบบเครืองจกั รกล

รูปที 2.4 แสดงกราฟความเคน้ -ความเครียด (Stress-Strain Curve) ของเซรามกิ ส์

2.1.2.4 ค่าต้านทานความเค้นสูงสุดหรือค่าความแขง็ แรงสูงสุด

นอกจากค่าความแข็งแรงทีจุดครากแลว้ ยงั มีความแข็งแรงอีกตวั หนึงเรียกว่าค่าความแข็งแรงสูงสุด (Ultimate
Strength) เป็ นค่าความเคน้ สูงสุดทีชิ นงานทดสอบสามารถจะรับได้ โดยจุดนีเป็ นจุดสูงสุดของกราฟความเคน้ -
ความเครียด ดงั แสดงในรูปที 2.3 ในกรณีของวสั ดุเปราะ (Brittle Materials) เช่น เซรามิกส์ แก้ว และพอลิเมอร์
เปราะบางชนิด ค่าความแข็งแรงสูงสุดนีจะเป็ นค่าเดียวกบั ค่าความแข็งแรงทีจุดคราก (Yield Strength) แต่ในกรณี
ของโลหะ (Metals) และพอลิเมอร์เหนียวบางชนิด (Ductile Polymers) และคอมโพสิตส่วนใหญ่ คา่ ความแข็งแรง
สูงสุดจะมากกวา่ ค่าความเคน้ ครากประมาณ 1.1-3 เท่า ทงั นีเนืองจากผลของ Work Hardening หรือในกรณีของคอม
โพสิตก็เป็นผลมาจากการทแี รงกระทาํ ต่าง ๆ ไปชว่ ยใหเ้ กิดการอดั ตวั ของพวกองคป์ ระกอบในคอมโพสิตเอง

2.1.2.5 โมดูลสั ของการดดั

นับเป็ นดรรชนีชีวดั ความแข็งแรงของวสั ดุอีกค่าหนึง โดยนิยามโมดูลัสของการดัดหมายถึงความเคน้ สูงทีสุดที
เกดิ ขึนทผี ิวของคานทีถกู ดดั จนถงึ ตาํ แหน่งทีเสียหายดงั แสดงในรูปที 2.5
นอกจากนีในบางครังอาจสามารถใชค้ า่ โมดูลสั ของการดดั แทนคา่ ความแขง็ แรงสูงสุดไดแ้ ตส่ าํ หรับเซรามกิ แ์ ลว้ ค่า
โมดลู สั ของการดดั จะมากกวา่ คา่ ความแขง็ แรงสูงสุดประมาณ 1.3 เทา่

2.1.2.6 ค่าพลังงานการคืนตัว

เป็ นค่าพลังงานทีถูกสะสมไวใ้ นวสั ดุในช่วงของการยืดหยุ่น (Elasticity) โดยไม่ทําให้เกิดการเสียหายและจะ
สามารถปลดปลอ่ ยออกมาไดเ้ มือถอนแรงทีกระทาํ นันออก คา่ พลงั งานนีคอื พืนทีใต้กราฟความเคน้ -ความเครียด
(Stress - Strain Curve) ในช่วงของการยืดหยุ่นเชิงเส้น (Linear Elastic) นนั เองและสามารคาํ นวณไดจ้ าก

วสั ดุในทางวศิ วกรรมและคณุ สมบตั ิ 29

R  1 f  f f2 (2.2)
2 2E

วสั ดทุ ีมีค่า R สูง ๆ จะสามารถนาํ มาสร้างเป็นสปริงทดี ีได้เพราะสามารถดูดซบั พลงั งานไดด้ แี ละคายกลบั ออกมาได้

ดีดว้ ย

รูปที 2.5 แสดงโมดูลสั ของการดดั (MOR) ของวสั ดุหนึง ๆ

2.1.2.7 ค่าความแข็ง (Hardness Number)

คา่ ความแข็งเป็นตวั บง่ ชีความแขง็ แรงของวสั ดุไดอ้ ยา่ งงา่ ย ๆ อีกวิธีหนึง การวดั ค่าความแขง็ ทาํ ไดโ้ ดยนาํ โลหะทผี ิว
ผา่ นการทาํ ความสะอาดมากอ่ นมากดดว้ ยหวั กดเลก็ ๆ (Indenter) ลงทผี วิ ของโลหะนนั จากนนั จะปรากฏหลุมเลก็ ๆ
จากการกดและค่าความแข็ง (Hardness Number) ก็สามารถวดั ได้โดยการคาํ นวณแรงทีกระทาํ ผ่านหัวกดหารด้วย
พืนทีฉายของขนาดหลุมทีเกิดขึน (Projected Area) ค่าความแข็งนีสามารถคาํ นวณไปประมาณค่าความแข็งแรง
สูงสุดของวสั ดไุ ด้

การวดั ค่าความแข็งทียอมรับกนั มี 2 วธิ ีคือ Rockwell Hardness Testing Method ซึงจะใชห้ ัวกดเป็นลกั ษณะปิ ระมิด
หรือเรียกทวั ไปวา่ Diamond Indenter ส่วนอีกวิธีเรียกว่า Brinell hardness Testing Method จะใชห้ วั กดมีลกั ษณะลูก
บอลลกลม

2.1.2.8 ค่าความต้านทานการขยายตัวของรอยร้ าว (Toughness (Gc ; kJ/m2) และ Fracture
Toughness ( Kc เมือ Kc มหี น่วยเป็ น MPa1/2 หรือ MN/m1/2)

เป็นคา่ ความตา้ นทานของวสั ดตุ ่อการขยายตวั ของรอยรา้ ว (บางทา่ นเรียกค่าความเหนียวนุ่ม) คา่ Fracture Toughness
วดั ไดโ้ ดยการสร้างรอยรา้ วขนาด 2C ดงั รูปที 2.6 แลว้ ใส่แรงดึงจากนนั บนั ทึกค่าความเคน้ ดงึ ณ จุดทีทาํ ใหร้ อยร้าว
เริมขยายตวั โดยทคี ่า Kc และGc คาํ นวณไดจ้ าก

Kc  y c (2.3)
c