محاسبه گشتاور پیچ ها – فرمول + جدول + نرم افزار

گشتاور پیچ Torque به نیروی چرخشی گفته می‌ شود که برای سفت کردن یا بستن پیچ و مهره اعمال می‌شود. مقدار گشتاور به پارامترهایی مانند قطر پیچ، رزوه، ضریب اصطکاک بین سطح اتصال، جنس مواد پیچ و مهره و طول پیچ بستگی دارد. هر یک از این عوامل می‌توانند تأثیر مستقیم بر مقدار گشتاور مورد نیاز داشته باشند. در این مطلب، فرمول محاسبه گشتاور پیچ، جدول استاندارد گشتاور یا ترک پیچ و تأثیر پارامترهای مختلف بر آن را بررسی و نرم افزارهای محاسبه دقیق گشتاور پیچ ها را معرفی می کنیم.

گشتاور پیچ چیست؟

گشتاور پیچ معیاری برای اندازه‌گیری نیروی لازم جهت چرخش پیچ و مهره‌ ها به ‌منظور ایجاد یک اتصال محکم و مقاوم است. این نیروی چرخشی به‌طور معمول از طریق یک ابزار دستی یا برقی، مانند آچار یا پیچ‌گوشتی، اعمال می‌شود و نقش مهمی در ایمنی و عملکرد اتصالات دارد. زیرا مقدار صحیح گشتاور می ‌تواند تضمین کند که اتصال به‌درستی و با قدرت مناسب سفت شده است.
گشتاور بیش از حد می ‌تواند باعث آسیب به پیچ، مهره یا سطح اتصال گردد و حتی ممکن است منجر به شکست آن شود. علاوه براین، گشتاور کم می‌تواند باعث شل شدن اتصال و در نتیجه ناپایداری سازه یا سیستم شود. به همین دلیل باید مقدار گشتاور پیچ ها به روش صحیح و دقیق محاسبه شود.

به نقل از سایت americanbelleville

پیچ با گشتاور کم تغییر شکل می‌ دهد و قادر نخواهد بود نیروی فشرده‌سازی مورد نیاز را تأمین کند، در حالی که پیچ با گشتاور زیاد خواهد شکست.

گشتاور سنج یا ترکمتر چیست؟

گشتاورسنج یا ترکمتر Torque Meter ابزاری برای اندازه‌گیری و نمایش مقدار گشتاور اعمال ‌شده به یک پیچ، مهره یا هر نوع اتصال چرخشی دیگر است. این دستگاه به طور خاص برای اندازه‌گیری نیروی چرخشی یا گشتاور در فرایندهایی که نیاز به دقت بالا در سفت کردن پیچ‌ و مهره‌ دارند، مورد استفاده قرار می‌گیرد.
ترکمتر به کاربران کمک می‌کند تا گشتاور دقیق مورد نیاز برای سفت کردن پیچ‌ و مهره را اندازه گیری کنند. در نتیجه، از شل شدن پیچ‌ یا آسیب‌ دیدن اتصالات به دلیل سفت شدن بیش از حد جلوگیری می‌کند.
ترکمترها دارای انواع مختلف مکانیکی و دیجیتال هستند. نوع مکانیکی این ابزار شامل یک فنر و عقربه است و بر اساس تغییرات کشش فنر، مقدار گشتاور را نشان می‌دهند. مدل های دیجیتال ترکمتر از سنسور و صفحه ‌نمایش دیجیتال برای نمایش مقدار گشتاور استفاده می‌کند. مدل های دیجیتال دقیق تر از نوع مکانیکی بوده و اغلب برای استفاده در محیط ‌های صنعتی و مهندسی طراحی می‌شوند.

عوامل موثر در محاسبه گشتاور پیچ

مقدار گشتاور پیچ به چندین پارامتر مختلف بستگی دارد که هرکدام تأثیر مستقیم بر مقدار نیروی چرخشی لازم برای سفت کردن پیچ و مهره دارند. از مهم ترین این پارامترها می توان به موارد زیر اشاره کرد:

• قطر پیچ: هرچه قطر پیچ بزرگ‌ تر باشد، به دلیل داشتن سطح تماس بیشتر و مقاومت بالاتر در برابر سایش، به گشتاور بیشتری برای سفت کردن نیاز دارند.
• رزوه پیچ: فواصل بین رزوه‌ پیچ یا گام پیچ نیز بر گشتاور تأثیر دارد. هر چه رزوه ها ریزتر باشند، به گشتاور کمتری نیاز است و بالعکس.
• ضریب اصطکاک: سطح تماس پیچ و مهره و جنس مواد آن‌ها می‌تواند باعث تغییر در مقدار اصطکاک شود. برای مثال، پیچ ‌های با روکش ‌های خاص یا مهره‌هایی از جنس فولاد ضد زنگ می‌توانند ضریب اصطکاک متفاوتی داشته باشند که تأثیر مستقیم بر گشتاور خواهد داشت.
• جنس پیچ: پیچ و مهره ‌هایی که از فلزات نرم‌ تر یا مقاوم‌ تر ساخته شده‌اند، نیاز به گشتاور متفاوتی دارند. برای مثال، پیچ ‌های ساخته‌ شده از فولاد ضدزنگ ممکن است به گشتاور بالاتری نسبت به پیچ‌ های آلومینیومی نیاز داشته باشند.
• آبکاری و پوشش سطحی: برخی از پیچ ‌ها دارای پوشش ‌های خاص مانند گالوانیزه یا پوشش‌های دیگر هستند که می‌توانند اصطکاک را کاهش دهند یا مقاومت در برابر خوردگی را افزایش دهند. این نوع پوشش ‌ها تأثیر مستقیمی بر گشتاور مورد نیاز برای بستن پیچ دارند.

روش های محاسبه گشتاور پیچ

برای محاسبه گشتاور پیچ روش های مختلفی وجود دارد که از نظر میزان دقت و نحوه کار با هم فرق دارند. برای محاسبه مقدار گشتاور پیچ و مهره می توان از روش های زیر استفاده کرد:

محاسبه دستی گشتاور پیچ با ترکمتر

در این روش، گشتاور پیچ با استفاده از ابزارهایی مانند آچار گشتاور یا ترکمتر Torque Wrench محاسبه می‌شود. در این حالت، نیروی چرخشی که باید بر پیچ اعمال شود، به‌طور دستی توسط یک فرد با تجربه اندازه‌گیری می‌شود. برای این کار، ابزار آچار گشتاور معمولا دارای یک درجه‌ بندی است که میزان گشتاور اعمال شده را نشان می‌دهد. این روش معمولا در کارگاه ‌ها و محل ‌های نصب پیچ‌ و مهره به‌کار می‌رود.

فرمول محاسبه گشتاور پیچ

گشتاور پیچ به‌طور کلی از طریق رابطه بین نیروی اعمال ‌شده، قطر پیچ و ضریب اصطکاک محاسبه می ‌شود. برای محاسبه دقیق گشتاور پیچ، معمولا از فرمول ‌های دقیق ‌تری استفاده می‌شود که متغیرهای مختلف را در نظر می‌گیرند. فرمول محاسبه گشتاور پیچ که دقت بالایی دارد به صورت زیر است:
T=F×d×μ
در این فرمول

• T: گشتاور پیچ (نیروی چرخشی) که به ‌صورت نیوتن‌ متر Nm اندازه‌گیری می‌شود
• F: نیروی محوری نیرویی است که به‌طور مستقیم در جهت محور پیچ اعمال شده و باعث می‌شود پیچ وارد مهره یا سوراخ شود. این نیرو برحسب نیوتن بوده و معمولا از طریق تجهیزات اندازه‌گیری مانند نیروسنج محاسبه می ‌شود. در این رابطه مقدار F را 75% کلاس پیچ یا استحکام تسلیم در نظر می گیریم.
• D: قطر موثر پیچ یا قطر خارجی رزوه پیچ (میلی‌متر یا متر)
• μ : ضریب اصطکاک بین رزوه‌ و سطح تماس است. این ضریب بستگی به جنس مواد پیچ و مهره، نوع پوشش و همچنین شرایط کاری (خشک یا روغنی بودن سطح) دارد. برای رزوه های فولادی این ضریب برابر با 0.2، رزوه با پوشش داکرومات برابر با 0.16 و برای رزوه های روغن کاری شده برابر با 0.16-0.17 است.

این فرمول به ‌طور معمول برای محاسبه گشتاور پیچ‌هایی که تحت نیروی محوری و شرایط استاندارد قرار دارند، استفاده می‌شود. البته در شرایط خاص و پیچ ‌های با ویژگی‌های ویژه، ممکن است این فرمول تغییراتی داشته باشد.
فرض کنید که یک پیچ فولادی با قطر 10 میلی‌متر (0.01 متر) و ضریب اصطکاک 0.12 در حال سفت شدن است. نیروی محوری که به پیچ اعمال می‌شود، 500 نیوتن است. گشتاور مورد نیاز برای سفت کردن پیچ به ‌صورت زیر محاسبه می‌شود:
T=F×d×μ
جای‌گذاری مقادیر در فرمول:
T=500N×0.01m×0.12
T=0.60Nm
بنابراین، گشتاور مورد نیاز برای سفت کردن پیچ 0.60 نیوتن‌متر است.

فرمول محاسبه ترک یا گشتاور با در نظر گرفتن پیش ‌تنش پیچ

برای پیچ‌ های که تحت پیش‌تنش یا Preload قرار دارند، فرمول دقیق ‌تری وجود دارد که علاوه بر نیروی محوری، پیش ‌تنش نیز در نظر گرفته می‌شود. فرمول زیر برای گشتاور پیچ در چنین شرایطی استفاده می‌شود:
F=0.75×P*A
که در این فرمول:

• F نیروی پیش‌بار یا پیش تنش پیچ (Preload Force) به نیوتن (N) یا پوند (lb) است.
• P استحکام تسلیم پیچ است که به‌صورت نیوتن بر متر مربع (N/m²) یا پوند بر اینچ مربع (psi) اندازه‌گیری می‌شود. این مقدار نمایانگر حداکثر نیرویی است که پیچ می‌تواند تحمل کند قبل از اینکه تغییر شکل دائمی پیدا کند.
• A سطح مقطع موثر پیچ است که معمولاً بر حسب میلی‌متر مربع (mm²) یا اینچ مربع (in²) اندازه‌گیری می‌شود. این پارامتر نشان‌دهنده مساحت سطح مقطع رزوه‌ پیچ است و معمولا از قطر داخلی پیچ به دست می‌آید.

به عنوان مثال، فرض کنید پیچ فولادی با استحکام تسلیم P=600  نیوتن بر میلی‌متر مربع و سطح مقطع موثر A=10 mm2 داریم. نیروی پیش تنش پیچ را می‌توان به‌صورت زیر محاسبه کرد:
F=0.75×600×F=4500N
سپس این پارامتر در رابطه T=F×d×μ قرار گرفته و مقدار نهایی گشتاور یا ترک بدست می آید.

جدول گشتاور پیچ

جدول استاندارد گشتاور پیچ و مهره در گرید و کلاس های مختلف در اغلب پروژه ها برای محاسبه سریع پارامترها ضروری است. در زیر جدول گشتاور پیچ و مهره را می توانید مشاهده کنید:

نرم افزار محاسبه گشتاور پیچ برای اندروید

برای محاسبه دقیق، سریع و آسان گشتارو پیچ می توانید از نرم افزارها و اپلیکیشن های مختلف استفاده کنید. از جمله نرم افزار ترکمتر برای اندروید می توان به گزینه های زیر اشاره کرد:
Torque Wrench2.0
Metric Fastener Torque Free1
Bolt Torque
Flange Coupling Torque Free
Torque Calculator1.3

نرم افزارهای مهندسی برای محاسبه گشتاور

بسیاری از نرم افزارهای مهندسی و مکانیکی در کنار سایر قابلیت ها، قادر به محاسبه گشتاور پیچ و مهره هستند از قبیل:

• ANSYS Workbench
• Thread Stress Analysis (TSA)
• SolidWorks
• Creo (PTC)

سخن آخر

گشتاور یکی از فاکتورهای بسیار مهم در استفاده از پیچ و مهره و محکم کردن اتصال بین آنها است. در این مطلب نگاه کاملی به گشتاور، روش ها و فرمول محاسبه گشتاور پیچ یا ترک پیچ داشتیم و نرم افزارهای کاربردی در این زمینه ارائه شد. با شناخت این پارامتر و استفاده از نرم افزارها و همچنین جدول استاندارد گشتاور پیچ می توان مقدار دقیق این پارامتر را اندازه گیری و از آن برای میزان نیروی لازم برای چرخاندن پیچ و مهره استفاده کرد.