Primerjava obravnavanih grednih vezi - ovrednotenje

Našteti so bili osnovni tipi zvez - konstrukcijskih izvedb zveze pesta z gredjo ter podane osnovne značilnosti najbolj uporabljanih grednih vezi v strojništvu. Posamezne izvedbe je potrebno ovrednotiti in izbrati nekaj rešitev, ki bi bile primerne za uporabo na avtomobilskem volanskem drogu.

Postopek vrednotenja smo spoznali pri predmetu "metodika konstruiranja" in kot takega ga bomo uporabili tudi v tej nalogi. Ideja postopka je v formiranju tako imenovane morfološke matrike, ki je zbir prepoznanih tehničnih sistemov. Te tehnične sisteme ocenjujemo na podlagi različnih kriterijev in podatke vnašamo v poseben diagram, iz katerega lahko dobimo "najbolj ustrezno" rešitev, seveda ob predpostavki, da smo ocenjevalne kriterije smiselno izbrali in jih tako tudi obravnavali. V našem primeru nisem sestavljal morfološke matrike, ker sem imel konstrukcije, ki sem jih obravnaval, že poznane in jih je potrebno samo oceniti.

Zgoraj smo omenili prepoznane tehnične sisteme. Kaj to sploh je? Tehnični sistem ni nič drugega kot neke vrste sestav elemenatrnih strojnih delov (elementov), ki pa so sestavljeni na tak način, da lahko že opravljajo neko funkcijo (npr. prenašajo obremenitev). Kot tehnični sistem lahko smatramo npr. utorno gredno vez.

Primer: prekrivni spoj dveh pločevin s kovico je že nek enostaven tehnični sistem, ker pločevini že lahko opravljata neko funkcijo. Če pogledamo elemente tega tehničnega sistema (v nadaljevanju samo TS), lahko najdemo pločevini in kovico. Ti trije elementi pa sami zase ne morejo opravljati kakšne posebne funkcije (niso funkcionalni). In prav tukaj je nekakšna spodnja meja, ki definira TS iz drugega zornega kota. TS je vsak "skupek" elementarnih strojnih elementov, ki pa jih je ravno toliko, da ima ta "skupek" neko, za nas uporabno funkcijo in ga lahko kot takega uporabimo pri sestavljanju zahtevnejših (sestavljenih) TS.

Pa si poglejmo za začetek enostavno blok shemo (tako imenovani "black box") našega projekta. Kot sistem je mišljen samo del volanskega droga, kamor je nameščena gredna vez oziroma gredna vez kot taka. Shemo prikazuje spodnja slika.

Slika 1: Blok shema tehničnega sistema

Znano je, da je krmilni mehanizem izredno pomemben sistem v vsakem vozilu. Od njegovega delovanja in predvsem od njegove zanesljivosti je odvisna varnost potnikov ter ostalih udeležencev v prometu. Če pa pogledamo ostale sisteme v vozilu in jih primerjamo z našim volanskim drogom (gredna vez je naš obravnavani TS), lahko opazimo neko bistveno razliko in sicer je razlika v načinu "doziranja" obremenitve v TS - volanski drog z gredno vezjo (pri tem je treba povedati, da serijski avtomobili seveda sredi volanskega droga nimajo izvedene gredne vezi; to je povsem specialen primer, ki ga bomo uporabili na našem projektnem vozilu). Voznik z močjo svojih mišic vrti volanski obroč v kabini avtomobila. Ta vrtilni moment se prenaša direktno na volanski drog, s tem pa seveda tudi na našo gredno vez in jo tako obremenjuje s torzijo (če je nasprotni konec blokiran; npr. če avtomobil stoji na mestu; kar pri vozilih s volanskim servoojačevalnikom ni priporočljivo dejanje!!). Ko pa se avtomobil pelje po vozišču, se preko koles in obes na krmilni jarem prenašajo določene obremenitve, ki pa ustvarjajo na drugem koncu gredne vezi nek proti-moment, ki ga mora voznik obvladati, če hoče obdržati smer vožnje. To danes dejansko ne velja, ker imajo vsa vozila v krmilnem sistemu nameščeno upravljalno gonilo s ustrezno prestavo, ki je z nasprotne strani samozaporna, ampak pomembno je razmišljati tudi v tej smeri.

Naš TS - gredna vez mora izpolnjevati konstrukcijske zahteve, ki so bolj ali manj definirane z okoljem, v katerem bo le-ta obratoval. Nekatere najbolj bistvene so navedene na spodnjem seznamu.

• premer gredi, ki ju spajamo z gredno vezjo: 15..25 [mm]

• največju zunanji premer gredne vezi: 60 [mm]

• največja dolžina gredne vezi (definirana z stopnicama na volanskem drogu): 100 [mm]

• vrtilni moment, ki ga mora gredna vez prenašati: 50...150 [Nm]

Zgornje dimenzije, ki seveda niso povsem točno definirane (gre le za okvirne vrednosti, ki nam bodo pomagale izločiti določene konstrukcijske izvedbe vezi, ki jih npr. zaradi zgornjih dimenzijskih omejitev sploh ni možno npr. izdelati) sem izbral glede na položaj volanskega droga v prostoru ter dimenzije samega volanskega droga (ne obstoječega, že modificiranega, torej podaljšanega). Vprašanje, ki se pojavi, je seveda, kje sem dobil velikost vrtilnega momenta, ki ga mora vez prenašati, saj je to v bistvu že rezultat preračuna samega krmilnega sistema (obes, preme,.........), iz katerega nato lahko dimenzioniramo vse ostale elemente. Zavedati se moramo, da obremenitve, ki se prenašajo na volanski drog ne izvirajo iz potniške kabine (gledano zelo poenostavljeno), ampak izvirajo iz kontaktnih površin med voziščem in pnevmatiko. Zgoraj napisana številka je samo izredno groba ocena, katere številčno vrednost lahko hitro izračunamo iz enačbe za dopustni površinski pritisk ter premera gredi za utorno gredno vez, ki nam bo zopet služila samo za vrednotenje posameznih konstrukcij.

Poleg zgoraj naštetih dimenzijskih zahtev mora tip gredne vezi izpolnjevati še tele zahteve:

• sestavljena iz standardnih elementov oziroma profilov (geometrijskih; npr. utorna vez, poligonska), za katera so na voljo ustrezna orodja in se lahko izbrano konstrukcijo izdela v strojni delavnici z lahko dostopnimi orodji in stroji; to je za nas še kako pomembno
• ne sme vsebovati nobenih elementov, ki jih je potrebno vzdrževati (npr. z mazanjem, obnavljanjem ali morebitnim pritezanjem)
• omogočena mora biti enostavna montaža in demontaža brez kakšnega specialnega orodja
• zaželjeno je samodejno centriranje zveze (npr. zveza z zagozdo nam pesto premakne iz sredine, kar nam povzroči dodatne obremenitve)
• zaželjena je montaža oziroma spojitev volanskega droga brez večjega aksialnega premika obeh spajanih gredi
• gredna vez mora zagotavljati aksialni pomik (podaljšanje ali skrajšanje volanskega droga) zaradi po globini nastavljivega volanskega obroča
• deli gredne vezi morajo biti izdelani iz na našem tržišču dostopnega materiala

Sedaj si naredimo pregled vseh prej opisanih tipov grednih vezi, ki bi jih lahko uporabili na našem volanskem drogu. Vsak TS-tip gredne vezi bo dobil svojo številko, ki nam bo omogočala enostavnejšo nadaljnjo obravnavo. Vse skupaj je zbrano v tabeli 1:

Vsak tip gredne vezi bomo ovrednotili po dveh kriterijih, in sicer:

• dimenzijski kriterij

• izvedbeni (konstrukcijski) kriterij

Vsak izmed teh dveh kriterijev bo v nadaljevanju dobil svoje pod-kriterije, ki bodo izločili ali potrdili uporabo posameznega tipa gredne vezi. Na koncu bomo še enkrat pogledali oba rezultata in se odločili za končno konstrukcijo.

Ker smo omejeni s prostorom, je pomembno, da zveze ocenjujemo po tem, koliko uporabnega prostora zavzamejo, zato je uveden dimenzijski kriterij. Z konstrukcijskim kriterijem pa ocenjujemo, kaksna je ustreznost posameznega tipa vezi glede na samo konstrukcijo oziroma glede na to, kako je dotična zveza narejena, saj so s tem pogojene možnosti za izdelavo.

Dimenzijski kriteriji

Z uvedbo dimenzijskega kriterija zajamemo fizične dimenzije posamezne gredne vezi kot celote in vseh njenih gradnikov. Kaj to pomeni? Primer: volanski drog ima premer okoli 20 [mm]. Vedeti moramo, da prav vsi tipi grednih vezi ne omogočajo spajanje tako drobnih gredi, ker jim pač konstrukcijski ustroj to preprečuje, še posebej, če je vez obremenjena z močnim vrtilnim momemtom, ki je naša glavna obremenitev. Značilen primer take vezi je zveza z moznikom. Moznik kot tak zahteva za svojo vgradnjo nek prostor v radialni smeri, če je prostora premalo, je ali gred močno oslabljena ali pa je pesto preveliko. To dejstvo je še bolj izrazito pri uporabi segmentnega moznika. Ker smo vezani na že izdelane dele (gredi), bo dimenzijski kriterij verjetno odločilnega pomena pri izboru ustreznega tipa gredne vezi.

Dimenzijski kriteriji, po katerih bom vrednotil posamezne tipe so sledeči:

1. Premer gredi, ki ju spajamo (premer volanskega droga je na mestu spojitve natanko 19 [mm], čim manjšo gred lahko z dotično gredno vezjo spojimo, tem boljša bo ocena te gredne vezi)

2. Zahtevani prostor v aksialni smeri (na cilindričnem delu volanskega droga, kamor pride nameščena gredna vez je le okrog 60 [mm] prostora)

3. Zahtevani prostor v radialni smeri (največji zunanji premer npr. morebitne prirobnice)

4. Delež oslabitve gredi (zmanjšanje efektivnega preseka volanskega droga)

5. Možnost uporabe standardnih elementov (velikost le-teh je namreč dimenzijsko navzdol omejena!)

Izvedbeni (konstrukcijski) kriteriji

Izvedbeni kriterij za razliko od zgornjega ne obravnava dimenzijske "primernosti" tipov grednih vezi, ampak vrednoti posamezne konstrukcijske izvedbe glede na njihov ustroj. Povedano z drugimi besedami: le-ta ocenjuje, kako je posamezna gredna vez narejena, koliko in kakšne elemente vsebuje ter seveda kakšne so možnosti za izdelavo in montažo. Z izvedbenim kriterijem se bo izločilo tiste tipe grednih vezi, ki so komplicirano sestavljene (npr. kolutna gredna vez, čeprav je za izdelavo razmeroma preprosta), vsebujejo veliko elementov ali pa celo zahtevajo vzdrževanje. Vedeti moramo, da mora biti volanski drog spojen na čimbolj preprost in močno funkcionalen način, torej v smislu "vgradi in pozabi".

Izvedbeni kriteriji pa so:

1. Stopnja zahtevnosti konstrukcijske izvedbe dotične gredne vezi (kompliciranost izvedbe)

2. Število uporabljenih elementov (dodatnih, poleg gredi, ki ju spajamo)

3. Stopnja zahtevnosti izdelave sestavnih delov (specialna orodja, stroji,.....)

4. Ali je potrebno spajani gredi posebej obdelati (npr. na njih izdelati morebitne utore, izvrtine, zareze, posnetja,....)

5. Število uporabljenih standardnih (že izdelanih) elementov

6. Stopnja zahtevnosti montaže

7. Ali je potrebno morebitno vzdrževanje med obratovanjem?

8. Dostopnost orodij za izdelavo

9. Dostopnost materiala na tržišču

10. Cena

Sedaj, ko imamo definirane ocenjevalne kriterije, lahko začnemo z ocenjevanjem naših konstrukcijskih izvedb grednih vezi. Za obe zgoraj našteti skupini kriterijev sem sestavil svojo tabelo, v katero sem vpisoval ocene za posamezen pod-kriterij. Rdeče napisane številke so "kode" obravnavanih grednih vezi, "šifrant" pa je v tabeli 1. Številke v spodnjih dveh tabelah niso nič drugega kot ocene, ki sme si jih izbral, ko sem ocenjeval posamezne tipe grednih vezi po različnih kriterijih. Če številke "pretopimo" v besede, dobimo sledeč seznam:

• 1...slabo

• 2...dobro

• 3...zelo dobro

• 4...odlično

Na ta način sem dobil tabelo, ki jo prikazje spodnja slika.

Slika 2: Ocenjevanje po dimenzijskem kriteriju

Tabela z izvedbenimi pod-kriteriji pa je narisana spodaj.

Slika 3: Ocenjevanje po izvedbenem (konstrukcijskem) kriteriju

V predzadnjih vrsticah obeh tabel je navedena vsota ocen za posamezno gredno vez. V zadnjih stolpcih obeh tabel pa je "idealen" primer, torej konstrukcija z najvišjimi možnimi ocenami, vse ostale vsote pa so primerjane s idealno oceno po posameznem kriteriju, torej z vsoto 20 [-] za prvo in 36 [-] za drugo tabelo. V zadnjih vrsticah obeh tabel pa je še izračunano relativno razmerje proti idealnemu.

Ko dobimo dve tabeli, si zelo slabo predstavljamo, kaj je sedaj v redu in kaj ni, zato je smiselno tako grupo podatkov na nek način predstaviti, najbolje in najbolj nazorno to storimo z grafom. Izbral sem si graf, na katerem sem na absciso nanašal izvedbeni, na ordinato pa dimenzijski kriterij. To je samo stvar izbire, ki pa nima vpliva na rezultat ocenjevanja. ce bi si izbral obrato, bi bila premica in vse točke na grafu samo prezrcaljene okoli simetrale lihih kvadrantov, torej premice y = x.

Omeniti velja še tole. Naše gredne vezi sem ocenjeval po dveh glavnih kriterijih (namreč, po dimenzijskem in izvedbenem), zato sem tudi dobil dve tabeli. Če bi si izbral tri glavne kriterije, bi pač dobil tri tabele. Razlika, ki se pojavi, pa je ta, da graf ni več "ravninski", ampak na ta način dobimo neko, po prostoru raztroseno (v našem primeru po ravnini) množico točk, za katere pa gledamo oziroma si želimo, da ležijo čim bližje prostorski diagonali kvadra, ki ga v prostoru "napenjajo" vse tri koordinatne osi.

Če podatke iz zgornjih dveh tabel predstavimo grafično, lahko dobimo spodnjo sliko.

Slika 4: Grafični prikaz ocen

Modra črta na zgornjem grafu je idealen primer, rdeče pike pa predstavljajo oceno posameznih tipov grednih vezi. Posamezni tip gredne vezi je toliko bolj "idealen", kolikor bližji je idealni liniji. Številke na zgornjem grafu pa zopet predstavljajo "šifre", katerih razlaga je v Tabeli 1.

Postavlja se vprašanje, katero gredno vez izbrati? Odgovor se nahaja tukaj !