logo

logo

logo

logo

logo

البراغي واللوالب

براغي ولوالب

-

 البراغي واللوالب

البراغي واللوالب

أنواع اللوالب والبراغي

أسنان اللوالب ومعايير تصنيفها
تصميم اللوالب والبراغي

 

البراغي واللوالب bolts and screws أجسام أسطوانية أو مخروطية في محيطها الخارجي أثلام (أخاديد) حلزونية helical grooves، تسمى الأسنان الخارجية threads، وتُستخدم لتثبيت مختلف القطع الإنشائية والميكانيكية أو ربطها أو تجميع بعضها مع بعض. اللوالب على أنواع من حيث الشكل والقياس والاستخدام. ولاستكمال عملية الربط تُصمَّم أثلام حلزونية (أسنان) داخلية مكمَّلة على القطعة المراد تثبيتها أو على قطعة أخرى منفصلة تسمى الصامولة أو العزقة أو الجوزة بحسب شكلها يُربط بها البرغي أو اللولب من الجهة المقابلة.

يُجهَّز اللولب عادةً برأس خاص محدد الشكل لإدارته في حركة تقدمية عند الربط، أو تراجعية عند الفك. وتكون أبعاد الرأس عادة أكبر من أبعاد الجذع (أو الساق) المحلزن (الملولب) من البرغي bolt أو اللولب.

ثمّة مجموعتان من اللوالب والبراغي: الأولى براغي المكنات وتُثبّت بصامولة (الشكل1) أو ما يماثلها، أو تُثبتّ في القطعة المراد تثبيتها، والثانية ذات قطر مخروطي محلزن ومستدق النهاية يستخدم غالباً في أعمال النجارة والصناعات الخشبية واللدائنية ولتثبيت الصفائح المعدنية مع القطع الخشبية وغيرها، ويجري ربطه بتطبيق عزم فتل على رأس اللولب بحيث يتقدم داخل القطعة لولبياً.

الشكل (1)

(أ) برغي برأس مسدس مع صامولة، (ب) برغي خشابي.

يعود تاريخ اللوالب إلى القرن الثاني قبل الميلاد، إلا أن البرغي المعدني الفعلي المعروف اليوم لم يُطوَّر حتى عصر النهضة؛ وكان يصنع يدوياً، ولم تكن البراغي متماثلة، ويصعب استخدامها عملياً. وأول مكنة لقطع اللوالب صنعها الفرنسي جاك بيسون Jacques Besson عام 1586 ممهداً الطريق لهذه الصناعة التي شهدت تطوراً كبيراً، من حيث سرعة الإنتاج ونوعيته وطرائق التصنيع والأتمتة. وفي العام 1836 طوَّر الأمريكي وليم كين William Keane طريقة إنتاج الأسنان بالدرفلة، التي زادت من درجة جودة اللوالب بزيادة كثافة المعدن. تعتمد هذه الطريقة تشكيل الحلزنة باستخدام قالب درفلة خاص أو قالب تشكيل الأسنان بأقل كلفة.

أنواع اللوالب والبراغي:

للّولب والبرغي سن حلزونية مرتفعة حول محور جذعه، ينحصر الفرق بين اللولب والبرغي في شكل الجذع والرأس. فجذع اللولب مخروطي و رأسه مجهَّز بشق يسمح بارتكاز رأس المفك لفكه أو ربطه، ولا يحتاج إلى صامولة أو عزقة لربطه، أما البرغي فرأسه رباعي الأضلاع أو سداسي، وقد يُجهَّز بشق، ويربط بصامولـة أو بثقب ملولب في القطعة المراد تثبيتها بمعونة مفتاح عياري أو قابل للضبط. وهناك نوع من البراغي على شكل خطاف يُزرع داخل الخرسانة يبرز رأسه الأصغر من قطره الخارجي لربط القطع المنفصلة بالهيكل الخرساني (الشكل 2).

الشكل (2) بعض أنواع اللوالب والبراغي.

اللوالب والبراغي يمينية الحلزنة في معظمها، ومنها ما هو يساري الحلزنة يُستخدم لمعاكسة عزم الفتل في حال تطبيق عزم فتل على القطعة التي يربطها اللولب بقطعة تدور باتجاه معاكس، ويتسبب دورانها في تراخي شد اللولب أو فكّه. وهنا يكون اتجاه عزم الفتل متفقاً مع اتجاه الحركة التقدمية للولب أو البرغي وليس العكس. وهي على أنواع:

- اللوالب المشقوقة الرأس slot head screws:

يمكن أن يكون اللولب برأس وحيد الشق ويربط بالمفك العادي، ويُستخدم غالباً في الأشغال الخشبية ولربط القطع اللدائنية؛ لأنه يسمح بانغراز رأس اللولب داخل القطعة. والرؤوس الغاطسة هي المفضلة لأن سطوحها تتساوى مع سطح القطعة التي تُثبت بها أو تكون غائرة فيها.

- اللوالب المتصالبة الشق ( لولب فيليبس) Phillips screw:

وهي من أكثر اللوالب شيوعاً، ولرأس اللولب شق متصالب يُستخدم لربطه وفكه مفك متصالب الرأس. يَحول رأس هذه اللوالب دون انزلاق المفك، ويقِّلل تشوّه رأس اللولب عند الربط أو الفك. وغالباً ما تكون اللوالب من هذا النوع مسطحة أو غاطسة.

- اللوالب والبراغي المجهَّزة برؤوس خاصة:

ثمّة أنواع أخرى من اللوالب تحتاج رؤوسها إلى مفكات أو مفاتيح خاصة للربط والفك، وغالباً ما تكون رؤوسها مضلعة أو غاطسة.

- البراغي المضلعة الرأس polygon head bolts:

تُجهّز هذه البراغي برؤوس مربعة أو سداسية الشكل، ويستخدم لربطها أو فكها مفتاح شق أو مفتاح حلقي. ويمكن أن يكون المفتاح عيارياً بأبعاد رأس البرغي أو قابلاً للضبط. وقد يُجهّز رأس البرغي المضلع بشق إضافي لربطه وفكه بمفك اللوالب. كما قد يكون البرغي مخروطياً- مثل اللولب- لربطه ذاتياً بدلاً من الصامولة أو الثقب الملولب.

- البراغي المقببة الرأس rounded head bolts:

قد يُجهّز بعض أنواع البراغي برؤوس مقببة، تبرز عن سطح القطعة لمنع أذاها عن مستخدمي الآلات. وغالباً ما تكون هذه الرؤوس مجهّزة بشقوق لتسهيل ربطها وفكها.

الصواميل (العزقات) وحلقات الإحكام nuts and washers:

الصواميل أدوات ربط ميكانيكي مضلعة من الخارج، ملولبة من الداخل بالخطوة والسن المناسبة للبرغي الذي ستُربط به، واتجاه لولبتها مخالف للولبة البرغي وترتبط به بإحكام عند تثبيت القطع الإنشائية.

والصواميل على أنواع بحسب الشكل والاستخدام ونوع المعدن (الشكل 3). ومنها صواميل مجنحة تسمى (جوزة)، وصواميل قِفل مهمتها منع ارتخاء شد الصامولة في أثناء العمل أو عند التعرض للصدم والاهتزاز.

الشكل (3) بعض أنواع الصواميل.

تُستعمل غالباً حلقات إحكام لتثبيت الصامولة أو العزقة، ويختلف شـكلها ودورهـا ونـوع معدنها (الشكل 4) بحسب الغاية منها، ولحلقة الإحكام النابضية دور قفل يمنع ارتخاء شد الصامولة، وثمة حلقات مهمتها إحكام الشد ومنع تسرب الغاز أو السائل.

الشكل (4) بعض أنواع الحلقات

أسنان اللوالب ومعايير تصنيفها:

تتميز السن بخطوتها p والزاوية بين السطحين المكونين لها وشكل رأسها وعمقها (البعد بين الرأس وجذره )، إضافة إلى أقطار جذعها الخارجية (العظمى) والداخلية (الصغرى) والمتوسطة (المحلزنة)، (الشكل 5).

 

الشكل (5) تسميات مميزات السن

وتختلف المعايير في قيم بعضها كما تختلف بالسماحيات المقبولة بين اللولب والصامولة. تعطى أبعاد اللوالب وأسنانها threads باستخدام منظومة القياس الإنكليزية (الإنش)، أو منظومة المتر العالمية. تختلف أشكال أسنان اللوالب بحسب نوع الاستخدام، ومنها أسنان ببوابة gate واحدة، أو ببوابتين أو أكثر (الشكل 6). ولهذه البوابات دور مهم في سرعة تقدم البرغي في كل دورة، وهناك لوالب أسنانها أو خطوتها خشنة، وأخرى أسنانها ناعمة، سواء كانت يسارية الحلزنة أم يمينية، كما يوجد أسنان ناعمة جداً تصنع لأغراض خاصة. وتُستخدم رموز عالمية international symbols لتحديد نوعية السن والخطوة. وتتوفر جداول خاصة يمكن الرجوع إليها لتحديد الأبعاد الأساسية لأسنان اللوالب وفق المعايير الموحدة، أو المعايير الوطنية الأمريكية، أو منظومة القياس العالمية لأسنان اللولب.

 
الشكل (6) سن ببوابة وببوابتين وبثلاث بوابات

1- أنواع الأسنان: يظهر الشكل (7) أنواع الأسنان الشائعة في استعمالات مختلفة، ويلاحظ اختلاف الزوايا وأشكال نهايات السن وعمقها كما يلاحظ تسميتها وفق مصنّعها أو أول من صممها .

 

الشكل (7) أنواع الأسنان

على سبيل المثال، تُستخدم الأسنان الموحّدة في منظومة الإنش للبراغي واللوالب الملولبة من الطرفين، وهي نتيجة اتفاق لجان القياس الكندية والبريطانية والأمريكية. ثم استُبدلت بها المنظومة الوطنية الأمريكية لقياس أسنان اللوالب.

وتختلف المنظومات المعمول بها في التفاصيل الصغيرة فقط، وفي الترتيبات المتعلقة بالتسامحات الزاوية المعتمدة للسن.على سبيل المثال، السن المدورة بزاوية °55 مستخدمة لدى لجنة قياس السن البريطانية مقارنة بالزاوية 60° في المنظومة الأساسية. أما السن المستخدمة لنقل القوة في اللولب فشبه منحرفة (مكتفة) بزاوية سن 29°، يراعى في كل حالة تناسب المقاييس لذلك تعطى الأبعاد في كثير من الأحيان بدلالة الخطوة.

2- الأسنان المعيارية ومنظوماتها:

تُختار قياسات الأسنان وخطواتها من الجداول المعيارية المعتمدة، وتحدِّد منظومات القياس المختلفة المعطيات الكاملة عن مقاييس اللوالب وأسنانها وخطواتها، والتسامحات المسموح بها. وهناك ثلاث مجموعات إضافية تعداد أسنانها 8 و12 و16 سناً بالإنش الواحد، و يمكن تشكيلها بأقطار مختلفة. وقد أضيفت أرقام التسامحات نظراً لاستحالة إنتاج اللوالب والبراغي بالأبعاد الموصَّفة بدقة تامة فيُفسح المجال لتسامحات محدَّدة ومقبولة تتناسب مع أبعاد اللوالب والصامولات. والحد الأعظمي للتسامح هو الفرق بين القطر الأكبر لخطوة اللولب والصامولة وبين قيمة القطر الأصغري لقطر الخطوة المسموح بها. أما الحد الأصغري للتسامح فهو الفرق بين القطر الأصغري لخطوة اللولب والصامولة وبين القطر الأعظمي للخطوة. ويُعدّ المنتج عالي الجودة عندما يكون التسامح في حدّه الأصغري.

أ- منظومة الأسنان الموحدة Unified Threads:

تُقسم الأسنان الموحدة إلى الأصناف 1A، 2A ، و3A للأسنان الخارجية، وإلى الأصناف 1B ، 2B، و 3Bللأسنان الداخلية.

ففي الصنفين 1A و1B يكون البرغي والصامولة في حدود التسامح الأعظمي وفي الإشغال الأعظمي للخلوص بعد عملية التجميع المطلوبة، حيث قطر الخطوة الأعظمي للصامولة عند القياس الأساسي، وقطر الخطوة الأعظمي للبرغي أصغر من الأساسي. ويمثل مخطط الحاجز تسامحات اللوالب النموذجية وخلوصاتها (الشكل 8).

 

الشكل (8) تسامحات قطر الخطوة والخلوص لمختلف أصناف التوافقات حتى 1إنش، اللولب والصامولة بثماني أسنان بالإنش

والصنفان 2A و 2B مماثلان للصنفين 1A و1B، ولكن تسامحهما أصغر وخلوصهما بعد التجميع أصغر أيضاً. هذان الصنفان مناسبان جداً لتصنيع معظم البراغي. أما الصنفان 3A و3B فتسامحهما أصغر وخلوصهما صفر عند التجميع بالشرط الأعظمي المعدني، حيث يكون لكل من اللولب والصامولة قطر خطوة أساسي. تُستخدم هذه الأصناف في التطبيقات ذوات التوافق الضيق أو التي تتطلب دقة عالية وأساسية، وفي حالات أخرى خاصة يمكن أن يكون اللولب من صنف والصامولة من صنف آخر.

تكتب الأبعاد والتسامحات وفق ترتيب معين ،مثل:

- الأسنان الخشنة UNC) Unified Coarse-Thread): مثال: ()، أي قطـر السـن الخارجـي 1 إنش، 3 أسنان بالإنش، والصنف 2A الذي يعين السماحية.

- مجموعة الأسنان الناعمة Unified Fine-Thread

(UNF) مثال: (). القطر الداخلي للسن 1 إنش، 12 سناُ بالإنش صنف 1B

- ويوجد أيضاً مجموعة أسنان الأنابيب الوطنية (NPT) National Pipe Thread في حالة الأسنان اليسارية يجب أن تُتبع الرموز المسجلة على المخططات التصميمية بحرفي LH.

ب- منظومة الأسنان الوطنية الأمريكية American National Threads:

مجموعة الأسنان الخشنة (المعيار الوطني الأمريكي) (CN) American National Coarse- Thread: مثال ()، أي قطر السنإنش، 13 سناً بالإنش الصنف 2 الذي يعين السماحية في هذا المعيار.

وتشمل الصنفين 2 و3 للبرغي وللصامولة حيث التسامح في الصنف 2 أكبر للبرغي وللصامولة ولكن من دون خلوص، ويُستخدمان في التجميع الأعظمي المعدني. أما الصنف 3 فالتسامح فيه أصغر بتوافق ضيق عند التجميع. وعند التجميع الأعظمي المعدني لا يوجد خلوص بين اللولب والصامولة، في حين يوجد خلوص في الصنفين 2A و2B في منظومة الأسنان الموحَّدة.

ج- منظومة الأسنان في المعايير العالمية (International Standards (SI:

يكون الشكل الجانبي للسن المثلثي في المنظومة العالمية شبيهاً بالسن الموحَّدة وبزاوية 60 °، متضمناً الزاوية وقمة مسطحة تساوي 1/8 قيمة الخطوة، وتعطى بالميليمتر. يبيّن الرسم التخطيطي ذلك في الشكل (7)، حيث الجزء المسطح في الأسفل يساويP/4، ولا يوجد تبادل بين المنظومة العالمية والمنظومة الموحدة للأسنان.

تُصمَّم الأسنان المترية على أساس القطر والخطوة مثل M10X1.5 حيث تشير M إلى النظام المتري، والرقم 10 إلى قطر السن (مم)، والرقم 1.5 إلى قيمة الخطوة (مم). ولها رموز خاصة للتسامحات أو التفاوتات بين اللولب والصامولة. يتوقف مجال التفاوت المناسب بين اللولب الخلوصي أو الانتقالي أو التداخلي ومربطه على نوع اللولب واستخداماته، ويُحدَّد قياس الأسنان الملولبة الخاصة باللولب المتري ISO ابتداءً من قطر 1مم، حيث يُحدد لسن الصامولة وسن البرغي رتب التفاوت المسموح بها.

تُحدَّد لحلزنة الصامولة رتب التفاوت 8-7-6-5-4، ونطاقات التفاوت G أو H.

ويُحدَّد لحلزنة البرغي رتب التفاوت 9-8-7-6-5-4-3، ونطاقات التفاوت a-b-c-d-e-f-g-h-m.

وتختلف نوعيات التفاوت بحسب نوع السن الملولبة، وتكون (f) للسن الدقيقة، و(m) للسن المتوسطة، و(g) للسن الخشنة.

أما موضع نطاق التفاوت فيتوقف على حالة سطح السن الملولبة الذي قد يكون عادياً، أو مغطىً بطبقة فسفاتية، أو مغلفناً بطبقة من الزنك. مثال ذلك:

حلزنة صامولة ذات تفاوت M20X2-7G.

حلزنة برغي ذي تفاوت M8-6h.

أزواج صامولة M6-7H/8g.

أزواج لولب M20X2-6H/5g.

ولضبط المنتج من البراغي والصواميل تُستخدم محدِّدات قياس خاصة مثل السُدادة لحلزنة الصامولة والحلقة لضبط حلزنة البرغي.

- تصميم اللوالب والبراغي:

يُراعى في تصميم اللوالب والبراغي والصواميل استخداماتها التجارية والصناعية وطرق ربطها والتسامحات ودقة الخلوص المرغوب فيها بين البرغي والصامولة، كما تُراعى أسباب زيادة الإجهاد والتعب الحاصل على البرغي.

1- أثر الإجهاد الأولي initial stress:

يوضح الشكل (9) حملاً تمثيلياً مطبقاً على برغي، وينطبق مركز البرغي على مركز ثقل الجزء الذي يربطه، وقد تضاف حلقتا إحكام. تشد الصامولة والبرغي في البدء فتسبب قوة شد أولية تتوزع بين البرغي والصامولة. وعند تطبيق الحمل الخارجي سيطبق على المجموعة قوة شد إضافية وقوة قص أيضاً فيتشوه الجزء الحامل من البرغي بسبب الإجهاد المطبق (استطالة وفتل). ومن المناسب أن يُعرف لهذه المجموعة ما يسمى بثابت النابض K، أي القوة اللازمة لإحداث استطالة مرنة قيمتها واحدة الطول المستعملة (إنش مثلاً).

 

الشكل (9) القوى المطبقة على برغي تثبيت تحت الحمل.

ويمكن حساب ثابت النابض لكل من البرغي والصامولة بدلالة معامل يونغ (E) Young’s modulus المقابل لكل منهما ومساحة المقطع المعرض للقوة A وطول كل منهما l ، على سبيل المثال يكون ثابت النابض للبرغي معطى بالمعادلة (1):

 

حيث يشير الدليل b إلى البرغي، وهو الجزء المقصود، ويعرف ثابت نابض مقابل للصامولة بدليل p .وبفرض أن الصامولة مشدودة إلى المدى الذي يولد قوة شد إضافية يتعرض لها البرغي تساوي ، تكون قوة الشد الإجمالية على البرغي هي (المعادلة 2):

 

حيث يمثل الرمز P الحمولة المطبقة على منظومة البرغي والصامولة.

يفيد معرفة قيمة هذه القوة في تعيين قوة التحمل العظمى والصغرى وتعطى عادة قوة البرغي الوسطى مساويةً نصف و ، وبذلك تكون القوة الوسطى بحسب المعادلة (3):

 
 

وقد يتطلب التصميم حساب قوة الضغط الأصغري(عوضاً عن قوة الشد) على جزء من البراغي الذي يمكن تحمله عند الحمل الأعظمي، فيعطى بالمعادلة (4):

 
 

تنتقل القوة المطبقة إلى الأسنان ومساحاتها وتتوزع عليها فتدخل في الحساب أبعاد البرغي والصامولة وكذلك الزوايا بين سطوحها ودرجة التماس فيما بينها.

2- العوامل الإضافية الواجب مراعاتها عند التصميم:

عندما تُستخدم البراغي لربط صفائح يكون أثر الربط محصوراً في منطقة محيطة بالبرغي كما في الشكل (10 – أ)، وتكون المنطقة المتأثرة بقوة الربط قريبة من مخروطين برأسين منطبقي القاعدة وملتفين حول البرغي. يتشكل هذان المخروطان بزاوية 45° حول الصامولة ورأس البرغي. ويكون ثابت النابض على شكل تجويف أسطواني قطره الخارجي d2 وقطره الداخلي d1.

عند ربط البرغي لا مركزيـاً (الشكل 10 - ب) فإنه يتعرض لأثر الانحناء، نتيجة عزم القوة حول النقطة A.

 

الشكل (10) العوامل الإضافية الواجب أخذها بالحسبان في تصميم الوصلات المجمعة بالبراغي.

أما عندما تُربط قطعتان ببرغي ربطاً جاسئاً (الشكل 11 - أ) تكون قيمة استطالة البرغي المطلوبة للتكيف مع القوة صغيرة جداً، ويُحدِث الحمل ارتداداً أو تراجعاً في أعلى نقطة سطح الاتصال، ويمكن أن يتلاشى الامتطاط الرئيسي للبرغي وتبقى القوة .

يمكن تحسين الربط بالبراغي باستخدام حلقة إحكام نابضية تحت الصامولة، كما في (الشكل 11 – ب). وقد يحدث منع التشوهات بوساطة الحلقة تمدداً أكبر بعدة مرات من استطالة البرغي. والحلقة فعالة في المجال المرن ولا تنضغط بشكل جاسئ. ومن المعروف أن حلقة القفل النابضية تضغط بشدة على الجزء المجمَّع، وتساعد على خفض تبدّل الحمل على البرغي. لكن قد تتسبب مثل هذه العناصر في الواقع في مخاطر إضافية ناجمة عن اللدونة في تشتيت الإجهاد الرئيسي عند نقاط الربط أو على كامل السطح.

يؤثر استخدام مانعة التسرب المسطحة بين قطعتين (الشكل 11 – ج)- سواء كانت قاسية أم لينة-في القيمة الكلية لثابت نابض القطعة. فالحلقة المانعة اللينة تخفض من قيمة مسببة قدراً أكبر من الحمل P المطبَّق على البرغي. ويحدث مجموع التشوهات الدائمة لمانعة التسرب (حلقة الإحكام) ضياعاً في قيمة القوة الرئيسية.

تُستخدم مع البراغي في المنشآت المعدنية حلقات إحكام فولاذية قاسية مجهَّزة بنتوءات تضغط من الخارج على السطح المستوي، وتتسطح عند ربط الصامولة. وهي مؤشر إلى مقدار القوة الرئيسية المطبَّقة على البرغي.

 

الشكل (11) أنواع مختلفة من الجمع بالبرغي والصامولة.

3- لوالب القدرة power screws:

تُستخدم لوالب القدرة لرفع الأثقال أو لنقل القوة المجهدة في المكنات. ويمكن رفع الثقلW المطبَّق على اللولب أو خفضه (الشكل 12) بإدارته. و تُدخل محاولة التدوير أبعاد الأسنان والبرغي في الحساب لتعطي قيمة العزم اللازم لرفع الحمل.

 

الشكل (12) لولب القدرة.

تمثل القوة الإجمالية المطبَّقة على أسنان اللولب. يميل مسقط القوة على السطح بزاوية اللولب ، محسوبة بالاستناد إلى شعاع خطوة اللولب (قطر الخطوة). ويرتفع الوزن عندما تطبق القوة F أفقياً باتجاه اليسار.

تتركز قوة الاحتكاك على طول السن ، حيث معامل احتكاك السن. وتنشأ في أثناء الحركة قوة احتكاك مقاومة ، حيث معامل احتكاك قاعدة السن، أو احتكاك الجلبة.

وبافتراض القوة F كافية لإحداث الحركة إلى اليسار، فإن كامل قوة السن تُحسب كما يلي (المعادلة 5):

 

حيث زاوية الحلزنة.

ويُحسب العزم المطلوب لرفع الحمل بضرب القوى الأفقية بأنصاف الأقطار الموافقة.

عندئذٍ نحصل على المعادلة (6):

 

وبالتعويض بقيمة يكون عزم الرفع (المعادلة 7):

 
 

وهكذا يمكن تمثيل عزم رفع الحمل باستخدام الدليل كما في المعادلة (8):

 

تعطي المعادلة (7) قيمة العزم المطلوب لرفع الحمل عندما يكون الاحتكاك متضمناً السن والجلبة. ويمكن أن تحتوي الجلبة على مدرجة مانعة للاحتكاك. وفي هذه الحالة ربما تكون قيمة صغيرة على نحو كافٍ ويمكن إهمالها. وبذلك تشتمل المعادلة على الحد فقط.

في اللوالب المعيارية تكون زاوية اللولبة صغيرة والزاوية مساوية لقيمة . عندها يمكن تبديل بواحد ونصف من زاوية السن المتضمنة في المعادلات السابقة.

إن تطبيق القوة F في حالة الوزن الأقل على جهة اليمين يجعل أثر الرمز F، مع الرموز الأخرى الناجمة عن الاحتكاك معكوساً. ويكون العزم المطلوب للحمل الأصغري (المعادلة 9):

 

وفي هذه المعادلة يكون اتجاه العزم معاكساً لعزم الرفع كما هو في المعادلة (8).

يتوزع الحمل عادة على أسنان البرغي كلها ويجب أن تتجاوز القوة المطبقة قوة الاحتكاك حتى تتم الحركة وبالتالي تكون الزاوية المقابلة هي الزاوية الحرجة التي تعين منع حدوث حالة التقدم محققة المعادلة (10):

 

ومن أجل قيمة معامل الاحتكاك : تصبح هذه المعادلة (11):

 

وهي تمثل العلاقة بين زاوية حلزنة اللولب، ومعامل احتكاك اللولب، وزاوية السن. وهذا ما يجعل اللولب يعمل عمل قفل ذاتي. وفي حالة التعرض للاهتزاز تظل حالة التقدم مسموحاً بها، ولو كان التفاوت كافياً.

وفي حال التمكن من التخلص من الاحتكاكات الحاصلة في كل من اللولب والجلبة فإن المعادلة (7) تظهر أن العزم المطلوب لرفع الحمل هو المعادلة (12):

 

يعرف مردود أو فاعلية اللولب، بأنه نسبة العزمين الواردين في المعادلتين (7) و(12) أي معطى بالمعادلة(13):

 

وبالتالي فإن وجود احتكاك يحسن الفاعلية.أما إذا كانت قيمة احتكاك الجلبة مهملة فتكون معادلة قدرة اللولب هي (المعادلة 14):

 

4-العزم المطلوب لتوفير قوة الربط clamping force:

تُستخدم البراغي المعيارية بزاوية سن 60* بكثرة لأنها توفر قوة ربط مناسبة. يمكن تحديد القوة W اللازمة باسـتخدام معادلـة قدرة اللولـب (7) للبراغي بقطـر ½ إنش وأكبـر، وبفرض ، وباستخدام معطيات الجداول، يمكن أن تكون قيمة عزم الشد T كما في الجدول (1):

الجدول (1) أمثلة لتعيين الحمل أو القوة W

السن الخشنة

السن الخشنة

السن الناعمة

السن الناعمة

يمثل القطر d في هذه المعادلات القطر الرئيسي أو القطر الإسمي للبرغي، ويمثل شعاع الجلبة بين قطر البرغي والمسافة من جانب إلى آخر لمضلع الصامولة. أما معامل احتكاك سن اللولـب فيتم تقديـره تجريبياً، وكانت القيمة الرئيسية لمعامل الاحتكاك ، ومجال التفاوت =.

5-تركز الإجهادات: stress concentration

تظهر الإجهادات المركزة في اللوالب نتيجة توزع الحمل عن طريق العنصر المتصل بالصامولة. وتنتقل هذه الإجهادات الناجمة عن القوة إلى اللولب وإلى المنطقة القريبة من الخارج، كما هي الحال عند انتقالها من اللولب إلى الصامولة. وفي الشروط المثالية يجب أن تكون قوة الربط التي يتعرض لها اللولب والصامولة منخفضة بانتظام بدءاً من كامل الاتصال بين اللولب والصامولة. ولكن يزيد إجهاد الشد قيمة الخطوة في سن البرغي، وينقص الضغط من قيمة الخطوة في سن الصامولة. يتحول القسم الأكبر من الحمل عند أول اقتران إلى سن الوصلة حيث يظهر أكبر تركز للإجهادات، وهكذا يكون تركز الإجهادات مخففاً نوعاً ما بتعرض أسنان اللولب للانضغاط وتعرض أسنان الصامولة للتمدد. تُحدَّد معاملات تركز الإجهادات على الأسنان بوجود أحمال ساكنة باستخدام تحاليل اللدونة الضوئية. وتُستخدم طرائق مختلفة لزيادة مرونة الصامولة، وزيادة مقطع الموضع الذي تنتقل إليه القوة. استُخدمت الصامولة المعرضة للشد، أو الصامولة ذات الحافة المسلوبة بنجاح في الحالات التي تتعرض للتعب. ويؤدي إنقاص مساحة مقطع الحافة إلى تشوهات بسبب الشد الناجم عن البرغي، وبناءً على ذلك تتوزّع القوة على عدد أكبر من الأسنان. تصنع الصواميل من مواد أقل صلابة من معايير جساءة البراغي. ويكون الحمل موزَّعاً على سطح أكبر مساحة. يجب أن تتصف المواد الأولية المستخدمة في تصنيع الصامولة بقدر كافٍ من الليونة لتتشوه من دون أن تتحطم.

كما تفيد زيادة مرونة البرغي أيضاً عند العمل في شروط زيادة إجهاد التعب. وقد يُترك تقعر صغير في القطر بين الساق ورأس البرغي يساعد على تخفيف تركز الإجهادات عند تلك النقطة. وإن تخطي قيمة زاوية السن يجب أن يكون صغير المقدار بحيث تتركز الإجهادات على الأسنان المتقدمة. وللسبب نفسه يُخفَّف مجرى الإجهادات، حيث يجب أن يكون قطره مساوياً لقطر جذر السن أو أقل قليلاً، كما يجب أن يُدمج مع الساق بأنصاف أقطار محدَّدة. تتغير مرونة البرغي بتخفيف الاستطالة الداخلية بين الرأس والأسنان. أما إذا كان البرغي يُستخدم في تثبيت عنصرين أو أكثر فيجب أن تُترك الاستطالات القصيرة للقطر الأصلي عند الربط لتعمل سطوح أدلةٍ لربط الأجزاء بالبراغي.

إن خلائط الفولاذ المعالجة حرارياً أكثر تقبلاً لتبدّل الشكل من الفولاذ المنخفض الكربون. وعند اختبار السن على إجهاد التعب من الملائم أن يُحدَّد عامل انخفاض الإجهاد بحيث يتناسب مع حدِّ تحمل المواد المستخدمة في تصنيع أسنان البرغي. وإلى جانب اختبار البراغي واللوالب على الأحمال الثابتة هناك اختبار إضافي لقياس تحمّل البراغي واللوالب بتطبيق أحمال دورياً بوجود اهتزاز. وقد صُمِّمت لهذه الغاية أجهزة خاصة تنفِّذ الاختبارات بسرعة وفعالية بتطبيق أحمال دورية تصل إلى 600 كيلو نيوتن، وبتردد يصل إلى 300 هرتز.

على سبيل المثال، يمكن أن يتركز الانهيار في البرغي في حالة السن الخشنة بنسبة15 % أسفل رأس البرغي، وبنسبة 20 % في نهاية السن على البرغي، وبنسبة %65 في البرغي وعلى وجه الصامولة.

6- الإجهادات الناجمة عن حِمل الصدم:

تتعرض البراغي أحياناً لتطبيقات مفاجئة أو لأحمال صدم. والإجهادات المطبَّقة بسبب هذه الأحمال يمكن أن تنتج عن طاقة الصدم U، ويجب أن يكون البرغي قادراً على امتصاصها. إن قوة تشوه البرغي تحت حمل الشد مثلثة، وتمثل مساحة المثلث طاقة الربط المحتفظة في البرغي U وعليه (المعادلة 15):

 

حيث F القوة الناجمة عن الصدم، و التشوه الناجم عن القوة. وقيمة التشوه تساوي F/K، حيث K ثابت نابض البرغي المساوي AE/L. وبعد التعويض تنتج المعادلة (16):

 

تساوي الإجهادات في البرغي قيمة القوة F موزَّعة على مساحة أصغر مقطع عرضي لأسنان البرغي، وهذه المساحة مساوية للمساحة المجهدة من الجزء المسنن من البرغي.

7- المواد وطرائق الإنتاج:

يُصنع اللولب بقطع المعدن بزاوية لولبية شديدة الميل بطرائق عدة :

أ- فتح الأسنان يدوياً: تجري لولبة القضبان خارجياً باستخدام لقم لولبة مثبتة على حامل بأقطار حتى M16. ويجري فتح الأسنان داخلياً باستخدام ذكر لولبة أولي، ثم متوسط، ثم إنجازي لإنهاء لولبة الثقوب (الشكل 13).

 

(الشكل 13)

الشكل (13-ب) فتح الأسنان بالدرفلة

الشكل (13-أ) فتح الأسنان يدوياً

ب- فتح الأسنان آلياً:

1- فتح الأسنان بالخراطة: يمكن اللجوء إلى هذه الطريقة عند التصنيع الفردي لجميع أشكال أسنان اللوالب ومقاساتها بدقة جيدة، ويمكن استخدام مكنات مؤتمتة للولبة قضبان معدنية قطرها مساوٍ لقطر رأس البرغي، وينجم عن ذلك هدر كبير في المادة الأولية. وتُعدّ هذه الطريقة غير اقتصادية مقارنةً بتشكيل الرأس بالتطريق على البارد.

2- فتح أسنان اللوالب بالتمشيط: تُطبّق هذه الطريقة في الإنتاج الكمي للوالب الصغيرة المثلثة السن- الخارجي منها والداخلي- باستخدام مكنات مؤتمتة، ونصف مؤتمتة. كما يمكن أيضاً تشكيل الأسنان بالجلخ (الشكل 14).

 
الشكل (14) فتح الأسنان بالتمشيط.

تُصنَع اللوالب والبراغي عادةً باستخدام مكنات تطريق مؤتمتة. تعطي هذه الطريقة منتجاً جاهزاً من دون هدر مواد (الشكل 15).

 
الشكل (15) مكنة مؤتمتة لتصنيع البراغي واللوالب

وقد يُصنع رأس البرغي بالتطريق على البارد للأقطار ¾ إنش أو أقل، وفي حالة الأقطار الكبيرة يجب تسخين نهاية القضيب المستخدم لإنتاج البرغي بدرجة حرارة مناسبة.

كما يمكن تشكيل السن بدرفلة القضيب باستخدام قوالب درفلة خاصة، فيُضغط جزء المادة لتشكيل جذر السن وحيث أن القوة تُفاضل لتنجر أعلى السن. ويكون القطر الخارجي للسن بهذا الشكل أكبر من قطر العمود الذي تمت درفلته.

إذا كان للجذر المسنن من البرغي قطر الجزء غير المسنن نفسه، يجب إجراء عملية الدرفلة مع إنقاص قيمة القطر. تشكّل مكنة التطريق هذا الجزء من مقطع البرغي الأصغر وتشكل رأس البرغي في الوقت نفسه. تعطي الدرفلة براغي أقوى من البراغي المصنَّعة بقطع الأسنان بإزالة الرايش بالخراطة كما هو معروف، وذلك لأن عملية الدرفلة تعمل على المحافظة على البنية الأصلية لجذر السن، ولذلك فهي تقدّم براغي أكثر مقاومة للصدم ولتحمل التعب.

يمكن ذكر إجهاد الشد على البراغي على نحو ملائم وبدرجات التصميم المطلوبة، حيث يمكن الرجوع إلى جداول خاصة تبيّن المواصفات الميكانيكية لمواد البرغي واللولب. كما يمكن كتابة علامة درجة التصميم على شكل خطوط على رأس البرغي استناداً إلى معيار مصمَّم لهذه الغاية.

يُستخدم الفولاذ أساساً في تصنيع البراغي واللوالب، فيُصنع اللولب من دون رأس من قضبان الفولاذ المصنَّع بالسحب ولاسيما باستخدام نوع الفولاذ. كما تُستخدم أنواع الفولاذ التالية لتصنيع البرغي برأس .

وثمة أنواع من اللوالب والبراغي تُصنع من خلائط النحاس أو الألمنيوم ومن مواد مقاومة للصدأ، ومن خلائط التيتانيوم والنيكل، كما يمكن استخدام اللدائن من مواد الـبولي فينيل كلوريد Polyvinyl (chloride (PVC ومواد أخرى غير معدنية في هذه الصناعة.

محمود إبراهيم

مراجع للاستزادة:

-J. A. Collins, R. Busby, and H. Staab, Mechanical Design of Machine Elements and Machines, John Wiley and Sons, 2009.

- C. McCauley, Machinery’s Handbook,Industrial Press, Inc 2016.

- R. L. Moet, Machine Elements in Mechanical Design, Pearson Prentice Hall, 2004.

- M. F. Spotts & T. E. Shoup, Design of Machine Elements, Prentice Hall, 1998.

- W. C. Young, R. G Budynas, Roark’s Formulas for Stress and Strain, McGraw-Hill Education 2011.

 


التصنيف : العلوم الهندسية وتقاناتها
النوع : العلوم الهندسية وتقاناتها
المجلد: المجلد الرابع
رقم الصفحة ضمن المجلد :
مشاركة :

اترك تعليقك



آخر أخبار الهيئة :

البحوث الأكثر قراءة

هل تعلم ؟؟

عدد الزوار حاليا : 515
الكل : 27464570
اليوم : 74607