Pogonska gred: definicija, obremenitve in zasnova

Pogonska gred: definicija, obremenitve in zasnova — praktičen vodnik o prenosu navora, torzijskih in strižnih obremenitvah, materialih ter optimizaciji trdnosti in teže.

Pogonska gred, pogonska gred, gonilna gred, propelerska gred ali Kardanova gred je del stroja, ki prenaša moč od motorja ali motorja do mesta, kjer se lahko opravlja koristno delo. Pogonska gred omogoča prenos vrtilne moči (navorja) med komponentami, pogosto ob različnih razdaljah in legah, pri čemer mora zagotoviti dovoljeno togost, nosilnost in dolgo življenjsko dobo.

Kako nastaja in kaj prenaša navor

Večina motorjev ustvarja moč kot navor tako, da se nekaj vrti. To lahko počne motor z notranjim izgorevanjem (kot v avtomobilu), voda, ki poganja vodno kolo, ali plin ali voda, ki gre skozi turbino. Ta vrtilna moč se imenuje navor. Obremenitev, ki se vrti, povzroča torzijske in strižne napetosti. Pogonske gredi morajo biti dovolj močne, da prenesejo te obremenitve brez prekomernega upogiba, lomov ali utrujenostnih razpok.

Vrste pogonskih gredi

• Trdna gred – enodelna, enostavna za prenašanje visokih upora, vendar težja in manj primerna za dolge razpone.
• Cevaste (okrogle votle) gredi – boljše razmerje med trdnostjo in težo; pogoste v avtomobilski in letalski industriji.
• Propelerska (marine) gred – prilagojena za prenos moči na propeler v plovilu, običajno s posebnimi ležaji in tesnili.
• Kardanova (univerzalna) gred – uporablja univerzalne sklope za prenos moči med osi, ki niso vzporedne ali so v premikanju.
• Gredi s konstantno hitrostjo (CV) – uporabljene tam, kjer je potrebna konstantna vrtljiva hitrost pri kotnih odmikov.

Glavne obremenitve in njihove posledice

Poleg torzijskih in strižnih napetosti se pogonska gred pogosto izpostavlja:

• Upogibne obremenitve zaradi lastne teže, podpore in transverzalnih sil.
• Utrujenostne obremenitve zaradi ponavljajočih se spreminjanj navora in vibracij.
• Ekscentrične obremenitve zaradi neravnovesja ali nepravilne montaže, ki povečajo dinamične napetosti.

Nepravilno dimenzionirana ali izravnana gred lahko povzroči poškodbe ležajev, spojev (npr. kardanov) in celo zlom gredi.

Zasnova in materiali

Pri zasnovi pogonske gredi je treba upoštevati namen uporabe, prenosni navor, dolžino gredi, vrtljaje ter pogoje delovanja (temperatura, korozija, udarci). Pogosti materiali so legirana jekla (npr. 42CrMo), nizkoleglasta jekla in včasih aluminij ali kompoziti za lažje konstrukcije. Izbor je odvisen od zahtev glede trdnosti, togosti, teže in strojne obdelave.

Dimenzioniranje in ključni izračuni

• Določitev premera (ali debeline stene cevi) temelji na zahtevani torzijski trdnosti in dovoljenih napetostih.
• Preverjanje kritične hitrosti (kritični vrtljaji) – daljše in tanjše gredi so občutljive na rezonanco; zato je treba zagotoviti, da delovne vrtljaje gred ne približujejo kritični hitrosti.
• Upoštevanje faktorjev varnosti in faktorjev utrujenosti pri ponavljajočih se obremenitvah.
• Preverjanje upogibno-torzijske interakcije, zlasti pri podpornih razmikih in neenakomerni obremenitvi.

Spoji, ležaji in prenosi

Spoji so ključni del gredi in vključujejo:

• Univerzalni (Kardanovi) sklepi – enostavni in robustni, vendar spreminjajo hitrost vrtenja pri večjih kotih.
• CV sklepi – omogočajo prenos pri kotih brez spreminjanja hitrosti; pomembni pri pogonih koles.
• Elementi za drsenje (splajni) – omogočajo spremembo dolžine gredi zaradi gibanja vzmetenja.
• Flanse in prirubniki – omogočajo enostavno montažo in poravnavo.

Ležaji in nosilci morajo biti pravilno izbrani in podmazani, saj vplivajo na življenjsko dobo gredi in porabo energije.

Proizvodnja in obdelava

Gredi se običajno izdelujejo z obdelavo iz palic ali cevi, struženjem, brušenjem in toplim ali hladnim oblikovanjem. Kritične površine (npr. prehodi v območjih zarez ali koles) se radi kalijo, nitridirajo ali površinsko obdelajo za izboljšanje odpornosti proti utrujanju. Varjeni priključki zahtevajo zelo skrbno izvedbo in preverjanje z ultrazvočnimi ali drugimi preiskavami, če so obremenitve zahtevne.

Vzdrževanje in pregledovanje

Pravilno in redno vzdrževanje preprečuje večino težav:

• Redni pregledi na poškodbe, razpoke ali deformacije.
• Meritve neravnovesja in izravnave (runout).
• Preverjanje stanja spojev, tesnil in podmazovanja.
• Poslušanje in merjenje vibracij za zgodnje odkrivanje težav.

Najpogostejše okvare in preprečevanje

• Utrujnostne razpoke pri prehodih premera ali pri varjenih spojih — prepreči s fillet radiusi, gladkimi prehodi in kaljenjem.
• Neravnovesje gredi vodi v povečane sile na ležaje — redno uravnoteženje je ključno.
• Preobremenitve in udarci — uporaba varovalk, sklopk ali maziv za ublažitev impulznih sil.
• Nepravilna montaža (neporavnana ležišča ali spojke) — natančna poravnava in merjenje pri montaži.

Uporabe in primeri

Pogonske gredi najdemo v številnih aplikacijah: avtomobilski pogoni (med menjalnikom in zadnjo osjo ali med prenosniki pri štirikolesnem pogonu), ladijski pogoni (propelerske gredi), industrijski prenosniki, pogoni črpalk in turbin ter strojna oprema v proizvodnji. Vsaka aplikacija ima svoje specifične zahteve glede teže, dolžine, obremenitev in okolja delovanja.

Pri načrtovanju pogonske gredi je torej treba uravnotežiti trdnost, togost, težo, stroške proizvodnje in vzdrževanja. Pravilna izbira materiala, dimenzij, spojev in zaščite pred korozijo ter redno vzdrževanje podaljšajo zanesljivost in varnost delovanja.

Avtomobili

Večina današnjih avtomobilov uporablja pogonske gredi za prenos moči od motorja do koles. Večina današnjih avtomobilov ima pogon na sprednja kolesa (pogon je na sprednjih kolesih). V tem primeru so pogonske gredi nameščene med medosnim menjalnikom in vsakim od sprednjih koles.

Pri avtomobilih s pogonom na zadnji kolesi so med diferencialom in vsakim zadnjim kolesom pogonske gredi. Poleg tega je pogonska gred, ki poteka po celotni dolžini avtomobila, od menjalnika spredaj do diferenciala zadaj - v britanski angleščini se temu ne reče drive shaft, temveč propeller shaft ali propelershaft, pogonske gredi pa se lahko imenujejo polgredi (ker sta dve gredi, ki tvorita eno os).

V avtomobilih se uporabljajo različne vrste pogonskih gredi:

• 1 kos pogonske gredi
• 2 kosa pogonske gredi
• Drsenje v pogonski gredi cevi

Pogonska gred Slip in Tube je nova vrsta gredi, ki pomaga absorbirati energijo ob trku in tako ščiti ljudi v avtomobilu ali tovornjaku. Znana je tudi kot zložljiva pogonska gred.

Dvojna propelerska gred tovornjaka

Pogonske gredi za motorna kolesa

Pogonske gredi se na motornih kolesih uporabljajo skoraj toliko časa, kolikor časa obstajajo motorna kolesa. Mnogi motocikli namesto tega uporabljajo preprostejši verižni ali jermenski pogon, vendar pogonske gredi potrebujejo manj nege in imajo dolgo življenjsko dobo. Težava pri uporabi pogonskih gredi na motornem kolesu je, da je potrebna zobniška prestava, da se moč z gredi na zadnje kolo obrne za 90°, s čimer se izgubi nekaj moči.

A 1913 FN (Fabrique Nationale), Belgija, štirje valji in gredni pogon

Traktorji

Kmetijski traktorji uporabljajo vrsto pogonske gredi, ki se imenuje gred za prevzem moči ali gred PTO. To je gred, ki izhaja iz zadnjega dela traktorja. Priključite jo lahko na katero koli kmetijsko opremo, ki potrebuje moč traktorskega motorja, na primer na balirko za seno ali rezalnik koruze. Tako lahko traktor uporabljate za različne namene, kmetijska oprema pa ne potrebuje lastnega motorja, s čimer prihranite denar.

Stari traktor John Deere s kardansko gredjo pod zaščitnim pokrovom

Pogonske gredi pri kolesih

Pogonska gred se lahko namesto verižnega pogona uporablja tudi pri kolesu. Uporabljali so jih že v prejšnjem stoletju, vendar nikoli niso postali zelo priljubljeni. Pri uporabi v kolesu ima pogonska gred več prednosti in slabosti:

Prednosti

• Pogonski sistem se redkeje zatakne ali zlomi, kar je pogosta težava pri kolesih z verižnim pogonom.
• Voznik ni podmazan z maščobo in ne grize verige, ki bi se prijela za oblačila.
• Pri pogonski gredi, ki je zaprta v cevi, je potrebna manjša previdnost kot pri verižnih sistemih, saj je pogonska gred običajno
• Bolj dosledno delovanje. Družba Dynamic Bicycles trdi, da kolo s pogonsko gredjo dosledno zagotavlja 94-odstotno učinkovitost, medtem ko kolo z verižnim pogonom lahko glede na stanje zagotavlja od 75 do 97-odstotno učinkovitost.
• Več prostora nad tlemi (oddaljenost od tal) za premagovanje neravnin ali stvari na poti
• Za podjetja za izposojo koles je verjetnost kraje kolesa s pogonsko gredjo manjša, saj je očitno videti drugače. Ta vrsta koles se uporablja v več večjih evropskih mestih, kjer so bili izvedeni veliki mestni projekti izposoje ali souporabe koles.

Slabosti

• Sistem pogonske gredi tehta več kot verižni sistem, običajno 1-2 kilograma več.
• V najboljšem stanju veriga zagotavlja večjo učinkovitost
• Nekatere težave z verigami rešuje prekritje verige in zobnikov s kovinskim ali plastičnim pokrovom.
• Uporaba lahkih zobnikov z velikim številom prestavnih razmerij je nemogoča, čeprav se lahko uporabijo zobniki v pesto.
• Snemanje kolesa je lahko težavno

 

Kolo na gredni pogon.

Vprašanja in odgovori

V: Kaj je pogonska gred?

V: Kako se ustvarja moč v motorjih ali motorjih?

V: Kateri so primeri virov vrtilne moči?

V: Kaj sta torzijska in strižna napetost?

V: Zakaj morajo biti pogonske gredi močne?

V: Kakšno ravnovesje je treba doseči pri načrtovanju pogonskih gredi?

V: Kako lahka pogonska gred vpliva na učinkovitost prenosa moči?

Išči po črki