مفتاح (هندسة)

الموسوعة الحرة

في الهندسة الميكانيكية ، يُستخدم المفتاح لربط عنصر دوار في الآلة بعمود . يمنع المفتاح الدوران النسبي بين الجزأين ويُمكّن من نقل عزم الدوران . لكي يعمل المفتاح، يجب أن يحتوي كل من العمود والعنصر الدوار على مجرى للمفتاح ومقعد له ، وهو عبارة عن فتحة وجيب يُناسبان المفتاح. يُطلق على النظام بأكمله اسم الوصلة المفتاحية . [ 1 ] [ 2 ] قد تسمح الوصلة المفتاحية بحركة محورية نسبية بين الجزأين.

تشمل المكونات ذات المفاتيح الشائعة التروس والبكرات والوصلات والحلقات .

الأنواع

هناك خمسة أنواع رئيسية من المفاتيح: الغائرة ، والسرجية ، والمماسية ، والمدورة ، والمنحنية .

مفتاح غارق

أنواع المفاتيح الغاطسة: المستطيلة ، والمربعة ، والغاطسة المتوازية ، وذات الرأس المائل ، والريشية ، ووودروف .

مفاتيح متوازية

تُعدّ المفاتيح المتوازية الأكثر استخدامًا. وهي ذات مقطع عرضي مربع أو مستطيل. تُستخدم المفاتيح المربعة للأعمدة الصغيرة، بينما تُستخدم المفاتيح المستطيلة للأعمدة التي يزيد قطرها عن 170 مم (6.5 بوصة ) أو عندما يكون سُمك جدار محور التوصيل عاملًا مهمًا. غالبًا ما تُرفق المفاتيح المتوازية بمسامير تثبيت لتأمين الأجزاء المتوافقة في مكانها. [ 3 ] مجرى المفتاح عبارة عن فتحة طولية في كل من العمود والجزء المتوافق.  

W = ⁠ d / 4 ⁠
H = 2d / 3​​​

أين

  • W هو عرض المفتاح
  • يمثل H الارتفاع الرئيسي
  • d هو قطر العمود

مفاتيح وودروف

مفاتيح وودروف نصف دائرية ، حيث يتلاءم جزء منها مع مجرى مفتاح دائري ، بينما يتلاءم الجزء المتبقي مع مجرى مفتاح طولي في الجزء المقابل. يمكن قطع الجزء الدائري مباشرةً بالقطع الغاطس باستخدام قاطع وودروف دائري دون الحاجة إلى أي تجاويف. تتمثل الميزة الرئيسية لمفتاح وودروف في الاستغناء عن عملية التفريز بالقرب من أكتاف العمود، حيث تتراكم الإجهادات [ 4 ] وتتأثر المركزية [ 3 ] . وتُعد المركزية مهمة للغاية للتشغيل بسرعات عالية. كما أن التوافق الدقيق بين المفتاح ومجرى المفتاح يقلل من الخلوص وتركيز الإجهادات، ويُحسّن من موثوقية المفتاح. ومن المزايا الإضافية إمكانية إزالة المفتاح العالق من العمود بضربة مطرقة، حيث يدفع الشكل الدائري المفتاح خارج المجرى، على عكس المفتاح القياسي الذي يتطلب دفعه محوريًا أو سحبه من المجرى. تشمل التطبيقات الشائعة أدوات الآلات ، وتطبيقات السيارات ، وآلات نفخ الثلج ، ومراوح السفن .

طُوّر هذا النوع من المفاتيح على يد ويليام ن. وودروف من هارتفورد، كونيتيكت . وفي عام 1888، مُنح ميدالية جون سكوت من معهد فرانكلين لاختراعه. [ 5 ]

مفاتيح مدببة

المفتاح المخروطي يكون مخروطيًا فقط من الجانب الذي يُعشّق مع المحور. مجرى المفتاح في المحور مخروطي الشكل، ويتطابق شكله مع شكل المفتاح المخروطي. تحتوي بعض المفاتيح المخروطية على لسان أو نتوء لتسهيل إزالتها أثناء الفك. الغرض من الشكل المخروطي هو تثبيت المفتاح نفسه، بالإضافة إلى تثبيت العمود بإحكام في المحور دون الحاجة إلى برغي تثبيت . تكمن مشكلة المفاتيح المخروطية في أنها قد تتسبب في انحراف مركز دوران العمود قليلاً عن الجزء المتصل به. [ 3 ] يختلف هذا النوع من المفاتيح عن قفل العمود المخروطي في أن المفاتيح المخروطية تحتوي على شكل مخروطي مطابق في مجرى المفتاح، بينما لا تحتوي أقفال العمود المخروطي على ذلك.

آحرون

يتميز مفتاح سكوتش أو المفتاح الهولندي بفتحة دائرية (بدلاً من المستطيلة)، تُصنع عن طريق الحفر المحوري في محور الدوران والعمود المُجمّعين، حيث يعمل وتد معدني كمفتاح. إذا كانت الفتحة والمفتاح مخروطيين، يُشار إلى المفتاح باسم وتد هولندي ، والذي يُدفع للداخل ويمكن تشطيبه اختيارياً بالقطع أو التجليخ ليصبح مستوياً مع نهاية العمود. إذا تم تجهيز فتحة المفتاح الهولندي المستقيمة بسن لولبي، فإن برغياً عادياً يعمل كمفتاح هولندي ملولب.

تُعدّ دبابيس الزنبرك بديلاً لدبابيس التثبيت الصلبة، حيث تعمل كبديل لدبابيس التثبيت الهولندية. تتميز دبابيس الزنبرك بقدرتها على التثبيت الذاتي، فلا تنفكّ تحت تأثير الاهتزازات. توفر دبابيس الزنبرك المجوفة مقاومة قصّ أقل من دبابيس التثبيت الصلبة، ويمكن تعديل هذه المقاومة بتغيير سُمك جدارها. صُممت مواصفات مقاومة القصّ المحدودة هذه لتحمّل التشغيل العادي، ولكنها تنكسر عند تعرّضها لعزم دوران زائد على العمود، مما يحمي باقي أجزاء الآلة من التلف.

يُحسّن إدخال جلبة إضافية بين المحور والعمود أداءَ وسهولةَ استخدام الوصلات المُسنّنة. جلبات Taper-Lock هي وصلات محور مُسنّنة مزودة بثلاثة مجاري مفاتيح هولندية ملولبة ومسمارين تثبيت كمفاتيح هولندية، بالإضافة إلى مجرى المفتاح المستطيل. تكون مجاري المفاتيح الهولندية ملولبة فقط على جانب المحور أو جانب العمود البديل، مع وجود فتحة خلوص لولبية على الجانب المقابل. بمجرد إدخال مسامير التثبيت في الفتحات المُختارة، تعمل آلية المحور بسهولة لقفل أو تحرير المحور من العمود بإحكام، دون الحاجة إلى طرق أو سحب المحور. تعمل جلبات الفصل السريع ( QD ) بشكل مشابه، ولكنها تضع نمطًا دائريًا من ثلاثة ثقوب غير ملولبة وثلاثة ثقوب ملولبة بالكامل على حافة الجلبة، بعيدًا عن محور العمود، بدلاً من وضعها عبر واجهة الجلبة بالمحور.

مفصل هيرث يشبه مفصل سبلاين ولكن مع وجود الأسنان في نهاية العمود بدلاً من السطح.

مفاتيح السرج

تُثبّت هذه الأنواع من المفاتيح عادةً على العنصر المحرك (مثل الأعمدة). وتتميز هذه المفاتيح بقوة أقل مقارنةً بالمفاتيح الغاطسة. ونادرًا ما تُستخدم هذه المفاتيح لنقل طاقة أقل إلى العناصر المُدارة (مثل الوصلات).

مفاتيح مماسية

تُستخدم مفاتيح التماس في التطبيقات الشاقة ذات عزم الدوران العالي. يشكل جانب كل مجرى مفتاح نتوءات يرتكز عليها المفتاح، ناقلاً القوة بالضغط. هذا يعني أنه لحركة عكسية للعمود، يلزم مفتاح آخر على طول مماس باتجاه الخارج في الاتجاه المعاكس. عادةً ما يكون هذا المفتاح مُزاحًا بزاوية 90° أو 180° على العمود. قد يكون المفتاح على شكل إسفين أو مستطيل أو مربع، ولكن تُستخدم بشكل خاص المفاتيح المستطيلة ذات الشكل المخروطي المزدوج.

مفتاح Spline

يستخدم هذا النوع من المفاتيح عدة مسارات في المحور لنقل الطاقة العالية.

مقاعد المفاتيح

عملية تشكيل المجاري هي عملية إنشاء الفتحات في الأجزاء المتوافقة. يمكن إجراء هذه العملية باستخدام مجموعة متنوعة من الآلات المختلفة، بما في ذلك آلة التخريم، وآلة تشكيل المجاري، وآلة القطع الكهربائي السلكي، وآلة التشكيل أو آلة تشكيل الفتحات العمودية، وآلة الطحن العمودية أو الأفقية، أو باستخدام الإزميل والمبرد.

التخريش

تُستخدم عملية التخريش بشكل أساسي لقطع مجاري المفاتيح الداخلية ذات الزوايا المربعة. ويتم استخدام أداة التخريش والجلبة والدليل المناسبة لكل مقطع عرضي لمجرى المفتاح، مما يجعل هذه العملية أكثر تكلفة من معظم البدائل. ومع ذلك، فهي تُنتج مجرى المفتاح الأكثر دقة من بين جميع العمليات. تتضمن عملية تخريش مجرى المفتاح ثلاث خطوات رئيسية: أولاً، يتم تثبيت قطعة العمل على مكبس التثبيت ، ثم توضع الجلبة في فتحة قطعة العمل. ثانياً، يتم إدخال أداة التخريش ودفعها لقطع مجرى المفتاح. وأخيراً، توضع حشوات بين الجلبة وأداة التخريش لتحقيق العمق الصحيح اللازم للمفتاح. [ 6 ]

قيثارة المفاتيح

أداة لقص المفاتيح وعينة من أشكال مختلفة يمكن قصها
آلة حديثة لتركيب المفاتيح

آلات تشكيل مجاري المفاتيح ، والمعروفة أيضًا باسم آلات تشكيل مجاري المفاتيح أو قواطع مجاري المفاتيح ، هي آلات متخصصة مصممة لقطع مجاري المفاتيح. وهي تشبه إلى حد كبير آلات التشكيل العمودية ؛ والفرق هو أن أداة القطع في آلة تشكيل مجاري المفاتيح تدخل قطعة العمل من الأسفل وتقطع أثناء حركة القطع للأسفل، بينما تدخل أداة القطع في آلة التشكيل قطعة العمل من الأعلى وتقطع للأسفل. يوجد فرق آخر في آلة تشكيل مجاري المفاتيح، وهو وجود نظام توجيه فوق قطعة العمل لتقليل الانحراف، مما ينتج عنه قطع ذو دقة أعلى. تبدأ العملية بتثبيت قطعة العمل على الطاولة باستخدام أداة تثبيت أو ملزمة . يتم تحديد موضع قطعة العمل بشكل صحيح، ثم يبدأ الذراع الترددي بالعمل. تحتوي بعض الطرازات على طاولة ثابتة بحيث يتم تغذية أداة القطع أفقيًا في قطعة العمل، بينما تحتوي طرازات أخرى على طاولة متحركة تغذي قطعة العمل إلى أداة قطع ثابتة. يمكن لهذه الآلات قطع ميزات أخرى ذات جوانب مستقيمة غير مجاري المفاتيح (انظر الصورة). كما يمكنها أيضًا إنتاج فتحات مغلقة ، وهي فتحات لا تمتد عبر قطعة العمل بأكملها. [ 7 ] [ 8 ]

القطع السلكي بالتفريغ الكهربائي (EDM)

تُستخدم عملية القطع الكهربائي بالتفريغ السلكي (EDM) بشكل أساسي في عمليات الإنتاج بكميات صغيرة، حيث تكون الدقة العالية مطلوبة أو لا تتوفر تقنيات قطع أخرى بسهولة. تقوم هذه العملية بقطع مجاري المفاتيح عن طريق إزالة المادة من قطعة العمل من خلال سلسلة من التفريغات الكهربائية السريعة بين سلك ملفوف وقطعة العمل عبر سائل عازل. تتيح آلات القطع الكهربائي بالتفريغ السلكي التي تعمل بالتحكم الرقمي الحاسوبي (CNC) إمكانية قطع مجموعة واسعة من مجاري المفاتيح، بما في ذلك مجاري مفاتيح متعددة على نفس المحور. تتمثل القيود الرئيسية لهذه الآلات في الوقت اللازم لقطع مجرى المفتاح، بالإضافة إلى حجم القطع التي يمكن لآلة القطع الكهربائي بالتفريغ السلكي استيعابها. [ 9 ]

التشكيل أو التثقيب

تُستخدم عملية التشكيل أو التخديد بشكل أساسي لقطع مجاري المفاتيح التي لا تمتد على طول القطعة بالكامل. وكما هو الحال في عملية تثبيت المفاتيح، تستخدم عملية التشكيل أداة قطع أحادية النقطة، إلا أن أدوات التشكيل لا تُوجّه خلال القطع بواسطة عمود ثابت. ولذلك، فإن القطع الناتجة عن عملية التشكيل تكون أكثر عرضة للانحراف من القطع الناتجة عن عملية تثبيت المفاتيح. [ 9 ]

الطحن

يمكن إنتاج مجاري المفاتيح المتوازية والمخروطية ومجاري مفاتيح وودروف على آلة التفريز . تُستخدم قواطع التفريز الطرفية أو قواطع التخديد لمجاري المفاتيح المتوازية والمخروطية، بينما يُستخدم قاطع وودروف لمجاري مفاتيح وودروف. [ 10 ]

بالنسبة لمجاري المفاتيح الداخلية التي ليست طويلة جدًا، يمكن تشكيل مجاري المفاتيح إذا كان نصف القطر مقبولًا.

النحت

كانت إحدى أقدم طرق تثبيت المفاتيح هي النحت بالإزميل . يُشكّل مجرى المفتاح مبدئيًا باستخدام الإزميل ثم يُبرد حتى يصل إلى الحجم المطلوب؛ ويُجرّب المفتاح مرارًا لتجنب الإفراط في البرد. هذه التقنية طويلة ومملة، ونادرًا ما تُستخدم اليوم. [ 11 ]

وصلات مفتاحية

مفتاح القص هو عنصر مصمم ليتعطل ويمنع المزيد من التلف في حال تشغيل الآلة عن طريق الخطأ بما يتجاوز حدود تصميمها. قد يكون مفتاح القص بأي من التصاميم المذكورة أعلاه، ولكنه مصنوع من مادة أضعف من مادة العمود. يسهل استبدال مفتاح القص بتكلفة زهيدة، ويمنع حدوث أضرار جسيمة للآلية قد تكون مكلفة أو صعبة الإصلاح. على سبيل المثال، قد يستخدم عمود وبكرة فولاذيان مفتاحًا نحاسيًا. عند تطبيق عزم دوران زائد على الوصلة، تقص الحواف الفولاذية المفتاح النحاسي إلى قطعتين، مما يجعل البكرة تدور بحرية على العمود ويحمي باقي أجزاء الآلة من التلف المحتمل.

يمكن استخدام مفتاحين متوازيين إذا كانت وصلة العمود تتطلب عزم دوران أعلى. [ 3 ]

قد لا تكون مجاري المفاتيح المصنعة بشكل غير صحيح والتي حدث فيها انحراف أو انزلاق للقاطع قوية بما يكفي للتطبيق المطلوب. [ 12 ]

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ بهانداري، في بي (2007)، تصميم عناصر الآلات (  الطبعة الثانية)، تاتا ماكجرو هيل، ص  340، رقم ISBN 978-0-07-061141-2.
  2. ↑ ليونارد 1919 ، ص 394 . 
  3. 1 2 3 4 المفاتيح ومجاري المفاتيح (PDF) ، مؤرشفة من الأصل (PDF) في 2011-06-14 ، تم استرجاعها في 2010-03-19 .
  4. ↑ شيجلي، جوزيف؛ ميشكه، تشارلز (1989)، تصميم الهندسة الميكانيكية ( الطبعة الخامسة)، ماكجرو هيل، ISBN  0-07-331657-1.
  5. ↑ غارفيلد، يوجين (2007). "الحائزون على جائزة جون سكوت من عام 1826 حتى الآن" . مؤرشف من الأصل بتاريخ 29 نوفمبر 2023. تم الاطلاع عليه بتاريخ 23 أغسطس 2007 .
  6. ↑ كرار، إس إف (1983). عمليات أدوات الآلات. (ص 84-85). نيويورك: قسم جريج، ماكجرو هيل.
  7. ↑ Keyseating ، مؤرشف من الأصل في 2012-01-20 ، تم استرجاعه في 2010-01-30 .
  8. ↑ ويك، سي إتش (1964). تعدد استخدامات تثبيت المفاتيح. الآلات (نيويورك)، 70(8)، 138-140.
  9. 1 2 قطع مجاري المفاتيح - التخريش، وتركيب المفاتيح، والقطع الكهربائي السلكي، والتشكيل، والطحن ، مؤرشف من الأصل في 2015-01-06 ، تم استرجاعه في 2014-12-03 .
  10. ↑ كيب، آر آر (1995). ممارسات أدوات الآلات. (الطبعة الخامسة، ص 572). إنجلوود كليفس، نيو جيرسي: برنتيس هول، إنك.
  11. ↑ ليونارد 1919 ، ص 40 . 
  12. ↑ روميغ، جيه في (1926). مجلة العلوم الشعبية الشهرية. مجلة العلوم الشعبية الشهرية ، 110(5)، 72، 124.

فهرس