Konstrukcijske izvedbe grednih vezi

V strojništvu je poznanih nekaj značilnih tipov grednih vezi, ki jih je vsekakor možno uporabiti pri snovanju podaljška volanskega droga. Pa vendar smo pri uporabi določenih izvedb omejeni, bodisi zaradi dimenzij ali pa zaradi same ideje, kako posamezna gredna vez prenaša obremenitev, nenazadnje pa tudi s samo konstrukcijo.

Glede na način prenosa obremenitve se gredne vezi ločijo na dve veji in sicer na oblikovne in torne gredne vezi. Kot nam pove že ime samo, je razlika med njima ta, da se pri prvih obremenitev prenaša z obliko, pri drugih pa z, na ustrezen način pridobljeno torno silo med kontaktnimi površinami. Pri tej zadnji možnosti pa se pojavi problem. Naše izhodišče predstavlja že obstoječi del volanskega droga med obema kardanskima zgloboma. Glede na konstrukcijsko izvedbo tega elementa bi bilo najbolje, da bi se podaljsala cev s premerom 19 [mm]. Na žalost pa ne poznamo materiala, iz katerega je ta cev izdelana, zato tudi ne moremo natančno predpisati kako in s kakšnim postopkom npr. varjenja se lahko ta cev vari.

Ker je volanski drog zelo pomemben element vsakega motornega vozila in ker je od njegove zanesljivosti odvisna varnost potnikov v vozilu, je padla odločitev, da bo spoj oblikoven in ne toren.

**Tabela 1: Konstrukcijske izvedbe oblikovnih grednih vezi in njihove glavne značilnosti**
Lastnosti / Slika	Mozniki	Utorne in zobate zveze	Poligonske zveze
Prenos aksialne sile	NE	NE	NE
Sunkovita obremenitev	NE	DA	DA
Enostavna montaža	DA	DA	DA
Poljubna lega montaže	NE	DA	DA
Aksialni pomik zveze	NE	DA	POGOJNO
Zarezni efekt zveze	VELIK	VELIK	MAJHEN
Produkcijski stroški	SREDNJI	VISOKI	VISOKI
Količina dodatnih elementov	MAJHEN	NOBEN	NOBEN

Oblikovne gredne vezi prenašajo obremenitve (največkrat je to vrtilni moment) s posebno oblikovanimi deli in sicer preko površinskega tlaka (ploščinskega pritiska), ki deluje neposredno med pestom in gredjo. To je bistvena ideja vseh oblikovnih spojev. V tem primeru se obremenitve prenašajo neposredno iz gredi na pesto (ali pa obratno). Poznamo pa še gredne vezi, ki imajo v svojem drobovju vgrajene dodatne elemente, ki služijo samo za prenos že prej omenjenega ploščinskega pritiska ali kvečjemu še za morebitno centriranje. To so seveda mozniške gredne vezi in vezi z zagozdami. V nadaljevanju si bomo pogledali osnovne principe, ki se uporabljajo pri preračunu oblikovnih grednih vezi.

Omenili smo, da so nekateri deli gredi in pesta (npr. bočne površine raznih utorov in podobno) pri prenosu obremenitve obremenjeni s ploščinskim pritiskom, ki pa mora biti v dopustnih mejah, da ne pride do mehanskih poškodb (npr. vtiskovanja gredi v pesto) vezi in s tem do izgube funkcionalnosti - prevelike zračnosti in neustreznega položaja pesta glede na gred. Dopustni ploščinski pritisk določimo po enačbah.

kjer je p omenjeni površinski pritisk, R meja plastičnosti gradiva pesta in n varnostni koeficient proti krhkemu oz. žilavemu lomu.

Logično je, da igra glavno vlogo pri določitvi dopustnega površinskega tlaka tisti del gredne vezi (pesto ali gred), ki je izdelan iz slabšega (mehkejšega materiala). Namreč, če je material mehak, je bolj podvržen dejstvu, da se trši deli vtisnejo vanj, s čimer pa med deli izgubimo potrebne tolerance in gredna vez ne more več normalno obratovati in prenašati obremenitev. Ker je gred največkrat mnogo bolj obremenjena kot pa pesto, je zato pesto običajno izdelano iz materiala s slabšimi trdnostnimi lastnostmi.

Dopustni površinski tlak je funkcija mehanskih lastnosti dela gredne vezi, ki je izdelan iz trdnostno slabšega materiala. Prej smo ugotovili, da je to pesto. Glede na to ločimo dva značilna primera:

Vrednosti za omenjene faktorje varnosti (glej zgornjo enačbo in razlago členov v njej!) odčitamo iz posebnih tabel, ki so dostopne v literaturi. Ker natančen preračun ni predmet obravnave, ga bomo izpustili.

Poglejmo si sedaj najznačilnejše predstavnike grednih vezi v strojništvu. Prva je vsekakor

Zveza z moznikom (mozniška gredna vez) je ena izmed najbolj pogostih vezi, ki se uporabljajo v strojništvu. Prednost te zveze je predvsem v enostavni izvedbi in zmožnosti prenosa zelo velikih in predvsem mirnih obremenitev. Za razliko od zagozd (ki jih ne bomo obravnavali, ker njihov delovni princip in lastnosti spetih gredi za naš namen ni primeren!) mozniki nimajo nagiba paralelnih stranic, zato se pri montaži ne pojavijo velike notranje obremenitve v pestu. Prerez mozniške gredne vezi prikazuje spodnja slika.

Ta tip vezi je seveda oblikoven. Obremenitev (vrtilni moment) se prenaša samo preko površinskega pritiska na boke moznika ter obeh utorov v pestu in gredi. Utor v gredi, kamor vstavimo moznik, je lahko izdelan na dva načina, in sicer s stebelnim (tip A) ali pa kolutnim (tip B) frezalom. Velika prednost tega tipa zveze je možnost aksialne pomičnosti pesta glede na gred (ali seveda obratno). V našem primeru je to zelo dobrodošlo, saj je volan vozila P406 nastavljiv po globini in se mora volanski drog na vsak način "prilagajati" potrebam voznika.

Če pri prenosu večjih obremenitev ne zadošča (po dolžini in višini) en moznik, jih pač uporabimo več, npr. 2, 3 ali celo več. Seveda pa mora biti v teh zadnjih primerih tudi gred ustreznih dimenzij (naša ima premer okrog 19 [mm]), ker je sicer zvezo z več mozniki težko izdelati, poraja pa se tudi vprašanje, ali ne bi bilo pametneje uporabiti kakšen drug tip gredne vezi, npr. utorno zvezo.

Obstaja še en tip zveze z zelo podobnimi karakteristikami kot so bile pravkar opisane, to je zveza s segmentnim moznikom. Najprej si poglejmo sliko:

Razlika med tem in zgornjim tipom mozniške zveze je samo v obliki samega moznika, ki ima v tem primeru obliko krožnega odseka. Glavna slabost te izvedbe pa je seveda ta, da je gred močno oslabljena, še posebej, če zvezo uporabimo na zelo vitkih gredeh. In prav to je razlog, da lahko že kar takoj rečemo, da ta tip skorajda ni uporaben na volanskem drogu vozila, kjer si nikakor ne moremo privoščiti morebitne odpovedi oziroma zloma gredi.

Poglejmo si najenostavnejši način, kako spojiti dve gredi, da sta zmožni prenašati vrtilni moment. Zveza z zatičem je tipična predstavnica oblikovnih grednih vezi, kjer si lahko res nazorno predstavljamo eksistenco ploščinskega pritiska. Glede na položaj osi gredi in zatiča ločimo dve izvedbi, in sicer:

Možna je seveda tudi vmesna izvedba (os zatiča je postavljena pod nekim ostrim kotom glede na simetrijsko os gredi), ki pa se v praksi redko uporablja, dokaj problematična pa je tudi izdelava poševne luknje, še posebej, če je prej omenjeni kot majhen.

Bistvena razlika med obema zvezama je v načinu obremenitve zatiča. Pri izvedbi (1) sta v zvezi dve strižni ravnini (ki skušata zatič prestriči), medtem, ko je pri izvedbi (2) strižna ploskev samo ena. Pri (1) se ima zatič tendenco zviti v obliki razpotegnjene črke S, kar nam narekuje tudi temu ustrezno porazdelitev ploščinskega pritiska po bočni površini zatiča ter po bokih izvrtine v gredi in pestu. Pri (2) pa je zatič obremenjen samo s čistim strigom, za razliko od (1) pa tudi z enakomernim ploščinskim pritiskom po vsej bočni površini. Seveda to velja samo od predpostavki, da sta obe zvezi ustrezno izdelani.

Izvedba (1) pa ima za razliko od (2) bistveno slabost, namreč, v gred je potrebno izvrtati prečno luknjo, kar nam le-to zelo oslabi, še posebno, če je zveza obremenjena z močnim izmeničnim vrtilnim momentom. Res pa je, da je pri istih dimenzijah izvedba (1) sposobna prenašati večje obremenitve, to pa sledi že iz same postavitve zatiča. Namreč, pri (2) obstaja močna nevarnost, da se zatič, (ki je navadno izdelan iz kvalitetnega jekla, kaljen in brušen) vtisne v pesto (mehak material). S tem se spremenijo geometrijski odnosi med pestom in gredjo in gredna vez izgubi svojo funkcionalnost.

Izredno enostaven in cenen način za povezavo dveh gredi je tudi uporaba tako imenovane mufe. Mufa ni nič drugega kot neka cev primernih dimenzij, ki jo nataknemo na oba konca gredi, ki ju želimo spojiti med seboj, ob tem pa jo na gredeh še zavarujemo proti zavrtitvi. Izvedbo prikazuje nekoliko slabša spodnja slika.

Varovanje proti zavrtitvi lahko izvedemo na različne načine: z utorno gredjo, z moznikom, z vzdolžnim zatičem,... Zveza je izredno enostavna za izdelavo, lahko pa jo še nekoliko poenostavimo, in sicer tako, da eno gred izdelamo skupaj z mufo. Z drugimi besedami to pomeni, da gred na koncu odebelimo ter vanjo izvrtamo luknjo za drugo gred. Odebelitev lahko izdelamo tudi skupaj s kovanjem gredi in tako ohranimo ugoden potek materialnih vlaken po volumnu.

Kolutna gredna vez je izvedena tako, da imata obe gredi, ki ju hočemo spojiti, na svojih koncih izdelano prirobnico z ustreznimi izvrtinami, skozi katere namestimo vijake. Prirobnici sta lahko izvedeni kot posebna elementa, lahko pa sta tudi iz istega kosa kot gred. Največkrat uporabljamo prilagodne vijake, ki nato v izgotovljeni zvezi prenašajo obremenitev s strigom. Vijaki v tej gredni vezi predstavljajo samo neke vrste varovalo, namreč, načeloma naj bi se obremenitev prenašala s silo trenja (torej to ni oblikovna zveza) med obema kontaktnima površinama obeh prirobnic. Z vijaki samo zagotovimo ustrezno pritisno silo med obema prirobnicama. Možno je uporabiti tudi navadne glavične ali pa tudi stojne vijake. V zadnjih dveh primerih se obremenitev ne prenaša z obliko, ampak predvsem s trenjem med obema kontaktnima površinama obeh prirobnic. Število vijakov po obodu prirobnice se določi s preračunom, ki pa trenutno ni predmet obravnave.

Izvedba centriranja med obema deloma je enostavna. Največkrat uporabimo kar posebno stopnico, ki jo izstružimo skupaj s prirobnico oziroma takrat, ko obdelujemo kontaktne površine obeh prirobnic, lahko pa uporabimo tudi poseben centrirni obroč, ki a namestimo v ustrezne utore na obeh prirobnicah. Končni efekt je v obeh primerih isti, res pa je, da je izvedenka s centrirnim obročem produkcijsko zahtevnejša.

Utorne zveze so konstrukcijska izvedba vezi pesta z gredjo, v praksi pa se uporabljajo za prenos izmeničnih in sunkovitih obrmenitev. V čem je ideja prenosa obremenitve? Gred ima po obodu izdelane, na poseben način profilirane utore (oblika je standardizirana v DIN 5471/2). Pesto, ki je montirano na gredi, pa ima na mestih, kjer so utori na gredi, povsem enako oblikovane zobe, ki se točno prilegajo v utore na gredi. Na prvi pogled je zveza zelo podobna mozniški zvezi, ki ima moznike razporejene po obodu gredi, v pestu pa ustrezne utore. Sicer pa slika pove več, kakor tisoč besed:

Na zgornji sliki sta prikazana tudi oba možna načina centriranja pesta na gred in sicer:

Če so stične površine med pestom in gredjo izdelane z ustrezno toleranco, lahko dosežemo, da je pesto na gredi aksialno pomično, kar je za nas ugodno. Glede na omenjeno toleranco ločimo dva pod-tipa utornih zvez in sicer:

Kako tako gredno vez izdelamo? Največkrat se za izdelavo utorov na gredi uporablja rezkanje in sicer uporabljamo posebno oblikovana kolutna rezkala, vpeta na ustreznih trnih, obdelovanec pa je vpet v delilnem aparatu. S stališča dinamičnih obremenitev je ta način izdelave utorov slab, ker s omenjenim postopkom prekinemo notranje silnice v materialu, kar je še posebej škodljivo, če je gredna vez obremenjena z močnim torzijskim momentom. Boljši način je valjanje utorov. Gred se podaja med profilirane valje in s gnetenjem materiala se izdelajo utori.

Za utore v pestu je najhitrejši način postopek, imenovan posnemanje, orodje pa se imenuje posnemalna igla. Slabost tega postopka je ta, da je orodje izredno drago, vendar pri majhnih dimenzijah gredi in pesta skorajda ne obstaja kakšen drug način.

Gledano s konstrukcijskega stališča so zobate gredne vezi dokaj podobne utornim grednim vezem, podobni so postopki preračuna in izdelave, glavna razlika je samo v obliki profila kontaktne površine med pestom in gredjo in pa načinu centriranja pesta na gredi. Slika!

Pesto in gred se za razliko od utornih grednih vezi dotikata samo na bokih trikotnih ali evolventno oblikovanih nosilnih zob. Ker so zobje manjši, jih lahko uporabimo za tanjše gredi (naša gred je ranga velikosti ca. 20 [mm]). Ker je naleganje pesta na gred izvedeno na prej omenjeni način, je možno pozicioniranje pesta tudi v obodni smeri.

Zadnja dva tipa grednih vezi (t.j. utorna in zobata vez) sta na prvi pogled zelo primerna za uporabo na našem volanskem drogu, ker sta primerni za gredi majhnih premerov, lahko prenašata zelo velike in močno dinamične obremenitve, omogočata aksialno pomičnost in še kaj. Več o ocenjevanju posameznih izvedenk kasneje.

Kot pove že ime samo, sta dotikalni površini med pestom in gredjo oblikovani v obliki poligona. Kot poligon je mišljena posebno oblikovana krivulja in sicer je to največkrat trikotnik ali pa kvadrat, ki pa nimata ostrih oglišč, ampak imata lepo zaobljene prehode med stranicami. Najbolje je, da si pogledamo sliko.

Oblika obeh profilov je seveda standardizirana. Izvrtina in čep sta izdelani v tolerančnem razredu IT 6, ki zagotavlja dobro centriranje, kar je pri tem tipu grednih vezi še posebej pomembno, še posebno, če je zveza obremenjena z močnim izmeničnim torzijskim momentom, kar je tipični obremenitveni primer volanskega droga. Razlog za to dejstvo bo naveden kasneje.

Bistvena prednost poligonskih grednih vezi je ta, da nimamo nobenih ostrih robov in prehodov, zato je vpliv zareznega učinka od vseh obravnavanih grednih vezi najmanjši. Slabost te vezi je ta, da pri preobremenitva vseeno obstaja možnost, da gred dobesedno razžene pesto. Ta efekt je še bolj izrazit pri P3G izvedbi, ki ima izvrtino v pestu se bolj podobno krogu, če pa bi bila stična površina cilindrična (presek okrogel), potem pa taka zveza ne prenaša nobenega vrtilnega momenta oziroma je ta zelo omejen.

S produkcijskega stališča je profiliranje gredi dokaj enostavno in ga lahko izvedemo z rezkanjem in brušenjem, kar sta dobro poznana in obvladljiva postopka. Večji problem se pojavi pri izdelavi luknje v pestu. Ena možnost je seveda posnemanje, za večje izvedbe pa uporabljamo elektroerozijo in fino brušenje s steblastimi brusi na posebnih CNC brusilnih strojih. V vseh primerih pa je izdelava takšne odprtine v pestu dokaj draga zadeva.

Kot pove že ime samo, se pri tej konstrukciji obremenitve med gredema prenašajo preko zob, ki pa so nameščeni prečno na geometrijsko os obeh gredi. Povedano z drugimi besedami: gredi, ki ju spajamo med seboj imata na svojih koncih narejeno tako imenovano zobato ploščo. Poglejmo si sliko, kako je stvar izvedena v praksi:

Če dobro pogledamo sliko, ta gredna vez ni nič drugega kot modificiran par stožčastih zobnikov z kotom stožca pri vrhu 180 [⁰]. Bistvena prednost te gredne vezi je samodejno centriranje obeh gredi, ki jih spajamo, seveda ob predpostavki, da je ozobljenje izdelano z ustrezno stopnjo natančnosti. Da gredna vez prenaša npr. vrtilni moment, je potrebno oba dela med seboj stisniti z ustrezno veliko aksialno silo. Namreč, ker so zobni boki postavljeni pod kotom glede na geometrijsko simetralo, se pojavi komponenta obodne sile v aksialni smeri, ki razmika obe gredi, ki ju med seboj spajamo. Sila, s katero moramo stisniti oba dela mora biti torej vsaj enaka vsoti vseh komponent obodne sile v aksialni smeri.

Velikost komponente obodne sile v aksialni smeri je seveda močno odvisna od kota poševnosti zobnih bokov (slika!). Čim večji kot ima vrzel med zobmi, tem večja aksialna sila za stisnitev gredne vezi je potrebna za prenos enakega vrtilnega momenta. Če so zobni boki paralelni z geometrijsko simetralo gredi, potem ta gredna vez preide v drugo, prav tako dobro poznano uzvedbo, in sicer v parkljasto, za katero pa je znano, da je povsem funkcionalna brez aksialne sile. Drugi skrajni primer je navadna kolutna gredna vez z enim samim vijakom. Ta zveza nastane iz pravkar obravnavane vezi takrat, ko postane kot ozobljenja 180 [⁰] , to pa ni več oblikovna, ampak navadna torna zveza, ki pa za naš namen ni primerna.

Potrebno silo v aksialni smeri lahko dosežemo na več načinov, najpreprostejši je prikazan na zgornji sliki, torej z glavičnim vijakom. Vijak je lahko tudi v stojni izvedbi, lahko pa uporabimo tudi navojno palico, ce spajamo daljše in po premeru majhne elemente, kar naš volanski drog vsekakor je. Seveda ta zadnja izvedba velja le za votel drog, se pravi, če je drog izdelan iz cevi.