MODULARNA VGRADNJA STANDARDNEGA ELEKTROMOTORJA …core.ac.uk/download/pdf/67608351.pdf · MODULARITY DESIGN OF STANDARD ELEKTROMOTORS FOR GEAR UNITS Key words: gear unit, electric

MODULARNA VGRADNJA STANDARDNEGA

ELEKTROMOTORJA NA ZOBNIŠKA GONILA

Diplomsko delo

Študent: Denis ŠTAJDOHAR

Študijski program: Univerzitetni študijski program 1. stopnje strojništvo

Smer: Konstrukterstvo

Mentor: doc. dr. Aleš BELŠAK

Somentor: izr. prof. dr. Miran ULBIN

Maribor, junij 2016

II

III

I Z J A V A

Podpisani Denis Štajdohar, izjavljam, da:

je diplomsko delo rezultat lastnega raziskovalnega dela,

da je predloženo delo v celoti ali v delih ni bilo predloženo za pridobitev

kakršnekoli izobrazbe po študijskem programu druge fakultete ali univerze,

da so rezultati korektno navedeni,

da nisem kršil-a avtorskih pravic in intelektualne lastnine drugih,

da soglašam z javno dostopnostjo diplomskega dela v Knjižnici tehniških fakultet

ter Digitalni knjižnici Univerze v Mariboru, v skladu z Izjavo o istovetnosti tiskane

in elektronske verzije zaključnega dela.

Maribor, 26.04.2016 Podpis: ________________________

IV

ZAHVALA

Zahvaljujem se mentorju doc. dr. Alešu Belšaku

in somentorju izr. prof. dr. Miranu Ulbinu za

pomoč in vodenje pri opravljanju diplomskega

dela.

Posebna zahvala velja staršem, ki so mi

omogočili študij in me konstantno podpirali pri

mojem delu.

V

MODULARA VGRADNJA STANDARDNEGA ELEKTROMOTORJA NA

ZOBNIŠKO GONILO

Ključne besede: zobniško gonilo, elektromotor, modularna vgradnja, konstruiranje,

IEC, Catia

UDK: 621.833:621.313.13(043.2)

POVZETEK

V diplomskem delu so predstavljene ideje in rešitve, kako povezati standardni IEC

elektromotor na zobniško gonilo. Diplomsko delo zajema opis zobniških gonil in

standardnih IEC elektromotorjev. Predstavljene so nekatere že znane rešitve

povezave zobniškega gonila z elektromotorjem in tudi lastne rešitve povezav. V

diplomskem delu so tudi predstavljeni analitični izračuni za posamezne rešitve. Ideje

in komponente so podprte tudi z računalniškimi modeli. Na koncu diplomskega dela je

tudi primerjava med posameznimi vmesniki oz. povezavami in njihovimi lastnostmi.

VI

MODULARITY DESIGN OF STANDARD ELEKTROMOTORS FOR

GEAR UNITS

Key words: gear unit, electric motor, modularity desig, constructing, IEC, Catia

UDK: 621.833:621.313.13(043.2)

ABSTRACT

This diploma thesis presents ideas and solutions on how to connect a standard IEC

electric motor to a gear train. The thesis comprises a description of gear trains and

standard IEC electric motors. Some already established solutions of connecting a gear

train to an electric motor are presented, as well as my own ideas on this. The analytical

calculations for each individual idea have also been set out, with the ideas and

components further supported by computer-simulated models. In the conclusion a

comparison of individual adapters is given in which their basic characteristics and

capabilities are presented.

VII

KAZALO

1 UVOD ................................................................................................................... 1

1.1 OPIS SPLOŠNEGA PODROČJA DIPLOMSKEGA DELA ........................................................................ 1

1.2 OPREDELITEV DIPLOMSKEGA DELA ........................................................................................... 1

1.3 STRUKTURA DIPLOMSKEGA DELA ............................................................................................. 2

2 ZOBNIŠKA GONILA............................................................................................ 3

2.1 NASADNA ZOBNIŠKA GONILA .................................................................................................. 4

3 ELEKTROMOTORJI ............................................................................................ 5

3.1 MOTORJI NA IZMENIČNI TOK .................................................................................................. 5

3.2 STANDARDNI IEC ELEKTROMOTORJI ......................................................................................... 6

3.3 NAMENSKI ELEKTROMOTORJI ................................................................................................. 7

3.4 PREDNOSTI IN SLABOSTI NAMENSKIH ELEKTROMOTORJEV ............................................................. 7

4 POVEZAVE MED ELEKTROMOTORJI IN ZOBNIŠKIMI GONILI ...................... 8

5 PREDSTAVITEV VMESNIKA ZA POVEZAVO STANDARDNEGA IEC

ELEKTROMOTORJA IN ZOBNIŠKEGA GONILA ..................................................... 9

5.1 PRIMER PRVEGA VMESNIKA – ENOJNI STOŽČASTI NASED ............................................................. 10

5.2 PRIMER DRUGEGA VMESNIKA – DVOJNI STOŽČASTI NASED .......................................................... 12

5.3 PRIMER TRETJEGA VMESNIKA – VOTLA GRED ............................................................................ 14

6 ANALITIČNI PRERAČUNI ................................................................................. 15

6.1 POTREBNI PODATKI ZA ANALITIČNI PRERAČUN: ......................................................................... 15

6.2 PRIMER PRVEGA VMESNIKA – ENOJNI STOŽČASTI NASED ............................................................. 16

6.3 PRIMER DRUGEGA VMESNIKA – DVOJNI STOŽČASTI NASED .......................................................... 26

6.4 PRIMER TRETJEGA VMESNIKA – VOTLA GRED ............................................................................ 29

7 GEOMETRIJA VMESNIKA ................................................................................ 32

7.1 KONTROLA UPOGIBNE NAPETOSTI V OHIŠJU ............................................................................. 41

8 MODELIRANJE VMESNIKA ............................................................................. 43

9 PRIMERJAVA VMESNIKOV ............................................................................. 47

10 ZAKLJUČEK ..................................................................................................... 50

VIII

11 LITERATURA .................................................................................................... 51

12 PRILOGE ........................................................................................................... 52

IX

UPORABLJENI SIMBOLI

P moč

n vrtilna frekvenca

Rm natezna trdnost

𝑅𝑒 , 𝑅𝑝0,2 meja plastičnosti

E modul elastičnosti

𝜈 Poissonovo število

𝜏𝐷𝑡 𝑖𝑧𝑚 vzvojna trajna dinamična trdnost

d manjši premer

D večji premer

𝐷𝑠𝑟 srednji premer

L dolžina

x razmerje konusa

𝛼 kot stožca

𝜌 torni kot

𝜇 koeficient trenja

𝐹𝑝 osna sila

T vrtilni moment elektromotorja

𝑝𝑑𝑜𝑝 dopustni površinski tlak

𝜏𝑡𝑑𝑜𝑝 dopustna vzvojna napetost

p tlak

𝜏𝑡 vzvojna napetost

𝑊𝑡 odpornostni moment prereza

X

UPORABLJENE KRATICE

IEC International Electrotechnical Commision

CAD Computer Aided Design

IE1…4 stopnje učinkovitosti elektromotorjev

CAD Computer Aided Design

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

1

1 UVOD

1.1 Opis splošnega področja diplomskega dela

Gonila so prenosniki moči in vrtilnega momenta, ki prilagajajo vrtilne frekvence ter

hitrosti med pogonskimi in delovnimi stroji. Z njimi se prilagaja lastnosti pogonskih

strojev potrebam delovnih strojev. Gonila in njihove funkcije pa se lahko med seboj

zelo razlikujejo, glede na namen uporabe ter obratovalne pogoje. Zato je poznanih več

različnih vrst gonil, kot so: mehanizmi, jermenska, verižna in zobniška gonila.

Zobniška gonila oz. gonila na splošno, se uporabljajo za pogon raznih delovnih strojev:

tekočih trakov, tekočih stopnic, proizvodnih linij, žičnic, itd. V veliki večini, so ta gonila

gnana s pomočjo elektromotorjev. Vrsta in izbira elektromotorja sta odvisni od njihovih

lastnosti, namena uporabe in pa seveda od zahtev naročnika.

1.2 Opredelitev diplomskega dela

Najpogosteje se uporabljajo tako imenovani ˝reduktorski˝ elektromotorji oz.

elektromotorji za gonila ali namenski elektromotorji, ki so posebej prirejeni za pogon

zobniških gonil. Ti elektromotorji so posebej po naročilu narejeni za posamezno

podjetje in se od standardnih IEC (International Electrotechnical Commision)

elektromotorjev razlikujejo v tem, da imajo prirejeno prirobnico za pritrditev na samo

gonilo, imajo ojačene ležaje za prenašanje večjih obremenitev, ter izboljšano tesnenje

z ustreznima radialnima tesniloma.

Problem, ki se pojavi pri uporabi namenskih elektromotorjev je, da to niso standardni

elektromotorji, ki so dostopni širšemu tržišču. Za naročnike zobniških gonil to

predstavlja težavo. Ob morebitnem popravilu ali menjavi, morajo čakati dlje časa, da

dobijo prav takšen elektromotor, kar predstavlja za naročnike večje stroške pri sami

zamenjavi in dobavi motorja. Gonilo in s tem naprava, ki jo gonilo poganja ne more v

tem času obratovati, kar pa predstavlja še dodaten strošek za naročnika.


2

Ker se te težave pojavljajo v podjetjih, ki proizvajajo zobniška gonila, bi bilo smiselno,

da bi namesto namenskih elektromotorjev začeli vgrajevati standardne IEC

elektromotorje. Ti so mnogo bolj dostopni in naročniki ne bi imeli prej omenjenih težav,

podjetja pa bi postala bolj konkurenčna.

V današnji strokovni literaturi ne najdemo veliko zapisov o povezavi gonil s

standardnimi IEC elektromotorji. Zato je v okviru diplomske naloge skonstruirana,

preračunana ter predstavljena rešitev, ki bi lahko rešila prej omenjen problem.

1.3 Struktura diplomskega dela

V drugem poglavju diplomskega dela bodo predstavljena zobniška gonila, s

poudarkom na nasadnih zobniških gonilih. Predstavljene so tudi njihove prednosti in

slabosti.

Tretje poglavje na kratko opisuje standardne IEC in nameske elektromotorje.

Predvsem je poudarek na prednostih in slabostih prigradnje takšnih elektromotorjev. V

tem poglavju bo jasno razvidno, zakaj in kdaj bi bilo smiselno uporabiti standardni IEC

elektromotor in kdaj namenski elektromotor.

V četrtem poglavju so predstavljene že obstoječe povezave zobniških gonil z

elektromotorji, h krati pa so predstavljene nove rešitve. Predstavljene povezave bodo

vsaka zase podrobneje obravnavane in ocenjene.

Peto poglavje je namenjeno predstavitvi idej, katere so zamišljene kot rešitev za

povezavo zobniškega gonila in elektromotorja. Vsaka izmed rešitev je podrobneje

opisana.

Šesto poglavje je namenjeno analitičnemu preračunu, v katerem so upoštevane vse

zunanje obremenitve, ki vplivajo na povezavo (navor na izstopni gredi elektromotorja,

navor na vstopni gredi zobniškega gonila, osne sile, sila trenja, vrtilna frekvenca, itd.).

V sedmem poglavju je obravnavana geometrija posameznega vmesnika, da se bo ta

čim bolje prilegal zobniškemu gonilu in elektromotorju.


3

V osmem poglavju, je na podlagi geometrije in analitičnega preračuna predstavljen

način konstruiranja /modeliranja posameznega vmesnika. Prav tako je nekaj besed

namenjenih izbranemu CAD programu v katerem so vmesniki skonstruirani.

V zadnjem, devetem poglavju so obravnavani vsi trije vmesniki in med seboj primerjani.

Tukaj so predstavljene prednosti posameznih rešitev. Razloženo je tudi kateri vmesnik

je v določenem primeru najbolj primeren.

2 ZOBNIŠKA GONILA

Zobniška gonila so najbolj razširjena in uporabljena vrsta gonil. So mehanski

prenosniki, zato se uvrščajo med gonila z mehanskim prenosom krožnega gibanja iz

gonilne na gnano gred. Vgrajena so med izstopno gredjo pogonskega stroja in vstopno

gredjo delovnega stroja. V veliki večini primerov, pa sta izstopna gred pogonskega

stroja in vstopna gred zobniškega gonila povezani z gredno vezjo ali sklopko.

Slika 2.1: Shematski prikaz uporabe zobniškega gonila [3]

Zobniško gonilo je sestavljeno iz zobniške dvojice, ki je lahko v enostopenjski (ena

zobniška dvojica) ali večstopenjski (več zobniških dvojic) izvedbi. Njihova naloga je

prilagajanje vrtilnega momenta in vrtilne frekvence pogonskega stroja glede na potrebe

/ zahteve delovnega stroja [3].


4

Zobniške dvojice / gonila se v osnovi med seboj razlikujejo, glede na razmerje

(odvisnost) lege med gonilno in gnano gredjo. Najpogosteje uporabljene oblike

zobniških dvojic v splošnem strojništvu so [3]:

- valjaste zobniške dvojice; osi pastorka in zobnika sta vzporedni,

- stožčaste zobniške dvojice; osi pastorka in zobnika se sekata,

- polžaste zobniške dvojice; osi polža in polžnika sta mimobežni.

Zobniška dvojica je sestavljena iz dveh nasproti vrtečih se zobnikov. Pri valjastih in

stožčastih zobniških dvojicah imenujemo manjši zobnik tudi pastorek, večji pa zobnik.

Po dogovoru označimo število zob pastorka 𝑧1, število zob zobnika pa 𝑧2. Pri polžastih

dvojicah imenujemo manjši zobnik polž s številom zob 𝑧1, večji pa polžnik s številom

zob 𝑧2 [3].

Tabela 2.1: Osnovne karakteristike valjastih, stožčastih in polžastih dvojic [3]

2.1 Nasadna zobniška gonila

Naloga je osredotočena na tako imenovana nasadna zobniška gonila. To je vrsta gonil,

katera se lahko namesti neposredno na vstopno gred delovnega stroja.

Obravnavalo se bo predvsem reduktorje to je zobniško gonilo, ki prilagaja vrtilni

moment in vrtilno frekvenco pogonskega stroja potrebam delovnega stroja in pri tem

reducira vrtilno frekvenco in h krati povečuje vrtilni moment. Uporabljajo se tam, kjer je

zaželeno počasnejše gibanje vendar ustrezno velik vrtilni moment za premagovanje

obremenitev.


5

3 ELEKTROMOTORJI

Predstavljajo največkrat uporabljeno vrsto pogonskega stroja. Pojavljajo se v vseh

napravah, saj imajo vrsto prednosti. To so stroji, ki pretvarjajo električno energijo v

koristno mehansko delo, katero uporabljamo za poganjanje različnih strojev in naprav.

V osnovi se delijo na elektromotorje na enosmerni tok (DC) in dvosmerni tok (AC) [7].

V strojništvo se v veliki večini uporabljajo motorji na izmenični tok, zato so tudi v

naslednjem poglavju na kratko opisani.

3.1 Motorji na izmenični tok

Izmenični elektromotorji so priključeni na vir izmenične napetosti in predstavljajo

večinski delež elektromotorjev, ki so danes v uporabi.

Za razliko od enosmernih elektromotorjev, so ti sestavljeni iz dveh glavnih sestavnih

delov, in sicer iz statorja in rotorja. Na stator je nameščeno večfazno navitje, ki zaradi

premika faznih napetosti ustvarja vrtečo magnetno polje s konstantno amplitudo,

katero ustvarja elektromagnetni navor, ki vrti rotor. Vrtilna hitrost motorjev je odvisna

od električnega omrežja [7].

Pri motorjih na izmenični tok, poznamo naslednje tipe elektromotorjev:

- Sinhronski elektromotorji: rotor se vrti z enako vrtilno hitrostjo, kot vrtilno

magnetno polje in je zasnovan kot večpolni el. magnet, napajan z enosmernim

tokom [7].

- Asinhronski elektromotorji: rotor se vrti nekoliko počasneje kot vrtilno

magnetno polje in je izveden z večfaznim navitjem. Lahko pa je izdelan v

preprostejši izvedbi, ki je nekoliko bolj robustna in se pogosteje uporablja.

Natančneje kot kratkostična kletka, ki je sestavljena iz medsebojno povezanih

palic iz aluminija ali bakra. Asinhronski elektromotorji so zmožni prenesti do

trikrat večje obremenitve, kot pa je njihova nazivna obremenitev [7].


6

3.2 Standardni IEC elektromotorji

Oznaka IEC pomeni, da elektromotorji ustrezajo predpisom in normam, ki jih

predpisujejo standardi, ki so bili razviti s strani mednarodne Elektrotehnične Komisije

(International Electrotechnical Commission-IEC).

IEC standardi pokrivajo celotno področje elektromotorjev. Od same zasnove

elektromotorjev, dimenzij, do načina izdelave in vgradnje, velikostnih razredov,

izkoristkov in testiranj. Določajo kako elektromotorje razvrstiti v učinkovitostne razrede

glede na njihov izkoristek. To je zapisano v standardu IEC 60034-30-1. Obstajajo štirje

učinkovitostni razredi:

- IE1 standardni izkoristek (Standard efficiency)

- IE2 visok izkoristek (High efficiency)

- IE3 premium izkoristek (Premium efficiency)

- IE4 super premium izkoristek (Super premium efficiency)

Ti razredi in njihove stopnje predstavljajo osnovno izhodišče za posamezne države in

skupnosti, da lahko določijo minimalne ravni učinkovitosti, ki ustrezajo predpisom,

katere predpisujejo internacionalni standardi.

Po načinu vgradnje, obstajajo trije tipi. Pri vsakem pa je možnih šest različnih pozicij

pritrditve elektromotorja na gonilo ali delovni stroj.

- Prvi način vgradnje: elektromotor ima nameščene noge na katerih stoji, s

katerimi se pritrdi na podlago,

- drugi način: z večjo standardno prirobnico, ki ima oznako B5 in se namesti

neposredno na pritrdilno mesto gonila ali delovnega stroja,

- tretji način: z nekoliko manjšo standardno prirobnico z oznako B14, s katero se

elektromotor prav tako namesti neposredno na gonilo ali delovni stroj.

Dimenzije elektromotorjev in prirobnic so standardizirane in so odvisne od velikosti

elektromotorja - te pa so odvisne od njegove moči.

V diplomski nalogi je izbrana standardna prirobnica z oznako B5. S tem so pogojene

tudi dimenzije vmesnika, ki je skonstruiran. Z manjšo modifikacijo ga je možno prirediti

k dimenzijam standardne prirobnice B14 ali elektromotorja z nogami.


7

3.3 Namenski elektromotorji

Namenski ali ˝reduktorski˝ elektromotorji se imenujejo zato, ker so namenjeni za

neposredni pogon največkrat reduktorjev. To so v bistvu standardni elektromotorji, ki

pa so bili spremenjeni (prilagojeni) s strani podjetij, ki proizvajajo zobniška gonila z

namenom, da se elektromotorji čim bolje prilagodijo gonilom.

Ti elektromotorji imajo ležaje večje nosilnosti, da lahko prenašajo večje obremenitve.

Imajo izboljšano tesnenje, kar dosežejo z ustreznima radialnima tesniloma in prav tako

zamenjano standardno prirobnico z namensko prirobnico, ki se čim boje prilega gonilu,

da sestav elektromotorja in reduktorja zavzame čim manj prostora.

Kot že omenjeno, te spremembe (modifikacije) niso vedno enake, temveč so odvisne

od podjetij, ki proizvajajo gonila in imajo različne pristope in načine prilagajanja

elektromotorjev.

3.4 Prednosti in slabosti namenskih elektromotorjev

Prednosti:

- boljše prileganje elektromotorja k gonilu,

- sestav elektromotorja in gonila zavzame manj prostora,

- mirnejšo delovanje pri obratovanju,

- prenašanje večjih obremenitev,

- boljše tesnenje,

- lažja vgradnja,

- neposredna vgradnja elektromotorja na gonilo (ni potrebnega nobenega

vmesnika)

- elektromotor je prirejen za posamezno gonilo

Slabosti:

- ni standardni IEC elektromotor,

- ni dobavljiv v prodajni mreži standardnih elementov,


8

- dražje vzdrževanje,

- višja cena,

- narejen za določeno podjetje,

- ob morebitni okvari je potrebno kupiti enak elektromotor,

- daljša čakalna doba za dobavo elektromotorja,

- gonilo, ki ga elektromotor poganja v času okvare in dobave ne more obratovati

- večje izgube za naročnika

4 POVEZAVE MED ELEKTROMOTORJI IN ZOBNIŠKIMI GONILI

Za gredne vezi se uporabljajo zveze gredi in pesta, oz. takšni elementi, ki omogočajo

prenos vrtilnega momenta s pesta na gred (in obratno) ali iz gonilne na gnano gred. V

posebnih primerih pa tudi omogočajo premikanje pesta v aksialni smeri.

V osnovi ločimo povezave gredi in pesta ter hkrati prenos vrtilnega momenta v dve

skupini. V prvo skupino spadajo elementi, ki vrtilni moment prenašajo z obliko-

oblikovne zveze. V drugi skupini pa se vrtilni moment prenaša s pomočjo trenja in te

povezave imenujemo torne zveze.

Gredne vezi se med seboj ločijo glede na njihove lastnosti. Poznamo naslednje vrste

povezav [1]:

Toge gredne vezi: povezujejo gredi v trdno, vendar razstavljivo zvezo, ne dovoljujejo

pa nobenih premikov gredi. Vrtilni moment prenašajo v obeh smereh vrtenja, vendar

se hkrati prenašajo tudi sunki, udarci in tresljaji. Njihova konstrukcija je enostavna, zato

tudi izdelava ni zahtevna, kar se odraža tudi v ceni. Toge povezave niso izpostavljene

nikakršni obrabi in jih ni potrebno vzdrževati.

Primeri, ki se pojavljajo v splošnem strojništvu: kolutna gredna vez, objemna gredna

vez, mufna gredna vez…[1]

Izravnalne gredne vezi: se uporabljajo v primerih, kadar gredi niso soosne, saj

omogočajo premike in (ali) zasuke gredi, ki so lahko posledica nepravilne izdelave ali

montaže, obratovanja, temperaturnega raztezanja… lahko so sestavljene iz togih ali


9

elastičnih elementov in zato jih tudi delimo na elastične in neelastične izravnalne

gredne vezi [1].

Neelastične gredne vezi: vsebujejo toge vezne elemente in so primerne za

obratovanje, kjer se pojavljajo manjši sunki. Izravnavajo vzdolžne, prečne in kotne

premike gredi, ne morejo pa izravnavati zasukov gredi. Primeri: kardanski zglob,

parkljasta gredna vez, zobata gredna vez,… [1]

Elastične gredne vezi: so sestavljene iz elastičnih veznih elementov. Izravnavajo

premike in zasuke gredi, ter blažijo sunke ali pa dušijo nihanje. Uporabljajo se

predvsem tam, kjer se pojavljajo visoki sunki (npr. pri zagonu).

Primer: gredna vez z jeklenim trakom, vez z gumijastim obročem, gredna vez s

torzijsko vijačno vzmetjo,… [1]

5 PREDSTAVITEV VMESNIKA ZA POVEZAVO STANDARDNEGA

IEC ELEKTROMOTORJA IN ZOBNIŠKEGA GONILA

Namen naloge je skonstruirati in preračunati vmesnik, ki bo povezoval zobniško gonilo

z ustreznim standardnim IEC elektromotorjem.

Podjetja pogonske tehnike, proizvajajo zobniška gonila, ki nimajo samostojno

vgrajenih vstopnih gredi. Kot vstopno gred uporabijo gred namenskega elektromotorja

na katero namestijo zobnik, ki je del vstopne zobniške dvojice zobniškega gonila.

To ima svoje prednosti, vendar tudi slabosti. Problem se pojavi, kadar želi uporabnik

kot pogon za zobniško gonilo uporabiti standardni IEC elektromotor. Dimenzije

standardne prirobnice elektromotorja se razlikujejo od dimenzij zobniškega gonila. V

tem primeru se gred elektromotorja ne more uporabiti kot vstopna gred gonila. Težavo

odpravi uporaba vmesnika. Vmesnik nadomesti vstopno gred gonila in hkrati omogoči

povezavo z izstopno gredjo elektromotorja.

Pri konstruiranju vmesnika, je potrebno slediti določenim predpostavkam. Zaželeno je,

da je vmesnik preprost, učinkovit in vsebuje čim več standardnih strojnih elementov, ki


10

se uporabljajo v splošnem strojništvu. Vmesnik je možno izdelati v podjetju, kjer

izdelujejo zobniška gonila in ne predstavlja visokega stroška.

V diplomski nalogi je izbrano gonilo, ki ga proizvaja podjetje Strojna Maribor. To je

nasadno zobniško gonilo z valjastimi zobniki in poševnim ozobjem, ki nosi oznako

FG42. Vsi potrebni podatki, ki so uporabljeni v preračunih so povzeti iz njihovega

kataloga.

Pri izbiri elektromotorja se mora upoštevati lastnosti zobniškega gonila. Elektromotor

mora izpolnjevati pogoje, ki jih zobniško gonilo določa. Izbran elektromotor avstrijskega

proizvajalca FFD Austria, tipa: 2SIE 100 L4 le te izpolnjuje. Potrebni podatki za

preračune in konstruiranje pa so povzeti po njihovem katalogu.

Povezave, ki so predstavljene v tej diplomski nalogi, so namensko skonstruirane za

izbrani tip gonila in elektromotorja. Z manjšimi popravki in ponovnim preračunom je

možno prirediti kombinacije drugega zobniškega gonila in standardnega IEC

elektromotorja.

5.1 Primer prvega vmesnika – enojni stožčasti nased

Primer prvega vmesnika, ki predstavlja povezavo med zobniškim gonilom in

elektromotorjem je poimenovan enojni stožčasti nased.

Vmesnik je narejen z uporabo standardnih strojnih elementov in ga ni zahtevno

izdelati. Sestavljajo ga ohišje (katero je sestavljeno iz vmesne cevi ter sprednje in

zadnje prirobnice), standardnega zaprtega krogličnega ležaja znamke SKF oznake:

E2.6306-2Z, standardnega radialnega tesnila SKF z oznako: 28x52x7 HMSA10 V,

vskočnika, membranske vzmeti, stožčastega naseda-pesta (ki je hkrati vstopna gred

zobniškega gonila), stožčastega naseda-puše (katero namestimo na izstopno gred

elektromotorja), moznika tipa A in dvajsetimi vijaki M12.

Stožčasti nased spada med povezave, kjer se vrtilni moment prenašata s pomočjo

trenja.

Osnovna operacija izdelave stožčastega naseda je struženje. V enačbah zahtevani

torni koeficient µ med površinama konusa določa njeno kvaliteto. Površina konusa se

mora dodatno obdelati s postopkom brušenja.


11

Za izdelavo ohišja je glavna operacija struženje, natančneje fino struženje, ker se

zahteva kvaliteta površine 𝑅𝑎 = 0,8µ𝑚.

Pri tej izvedbi (uporabi konusa) se pojavi težava. Konus mora prenesti minimalni vrtilni

moment, ki ga zagotovimo z osno silo 𝐹𝑝, katera potiska oba dela konusa skupaj.

Posledica delovanja osne sile je nastanek površinskega tlaka p, ki v ravnini kontaktnih

površin ustvari silo trenja 𝐹𝑡𝑟, katera nasprotuje zdrsu konusa in omogoča prenos

vrtilnega momenta, ter vrtilne hitrosti.

Rešitev težave in zagotovitev dovolj velike osne sile, v vmesniku omogoča vgradnja

standardne membranske vzmeti. Vzmet se nahaja med ležajem in stožčastim

nasedom-pestom, kakor je prikazano na sliki (slika 5.1). Ob obremenitvi vzmet s svojo

silo pritiska na ležaj in stožčasti nased-pesto, ter tako zagotovi potrebno osno silo. Da

vzmet lahko stisnemo in s tem zagotovimo potrebno osno silo, je zunanja dolžina ohišja

skrajšana za dve desetinki milimetra (0,2 mm). Dolžina ohišja, ki je krajša od skupne

razdalje obeh sestavljenih gredi (vstopna gred gonila in izstopna gred elektromotorja),

določi zračnost med zadnjo prirobnico ohišja in prirobnico standardnega IEC

elektromotorja, ki znaša natanko 0,2 mm. Ko s štirimi vijaki M12 privijemo prirobnici

skupaj, s tem posledično pritisnemo konusa na membransko vzmet.

Sestava vmesnika in vgradnja na samo gonilo ni zahtevna. Najprej se sestavi ohišje

(sprednja in zadnja prirobnica se privijeta na vmesno cev). Nato se v ohišje namesti

kroglični ležaj, ki ga varujemo z vskočnikom. Sledi namestitev membranske vzmeti na

stožčasti nased-pesto, ki se vstavi v ležaj. Ko je stožčasti nased-pesto vstavljen v

ohišje, se v sprednjo prirobnico namesti radialno tesnilo, ki tesni olje v gonilu. Vmesnik

se s štirimi vijaki M12 privije na zobniško gonilo. V utor na izstopni gredi elektromotorja

se vstavi moznik in nanjo namesti stožčasti nased-pušo. Ko sta oba stožčasta naseda

vgrajena, se elektromotor vstavi v vmesnik, prirobnici elektromotorja in vmesnika pa

se privijeta s štirimi imbusnimi vijaki M12.

Vmesnik je obremenjen z vzvojno obremenitvijo, zato je skonstruiran na dopustno

izmenično torzijsko obremenitev, ki jo prenaša. Izračunana je bila potrebna osna sila,

kontroliran površinski tlak med površinama konusa ter med moznikom in konusom.

Izračunan je tudi vrtilni moment, ki ga konus prenese in s tem dokazuje ustreznost

konusa.

Analitični preračun stožčastega naseda sledi v naslednjem poglavju.


12

Slika 5.1: Primer prvega vmesnika – enojni stožčasti nased

5.2 Primer drugega vmesnika – dvojni stožčasti nased

Drugi vmesnik je sestavljen iz dveh stožčastih nasedov. Zanj veljajo popolnoma enake

predpostavke, kot za prvi vmesnik. Sestavljajo ga več ali manj enaki strojni elementi,

s to razliko, da je pri temu vmesniku dodana cev, ki povezuje oba konusa (konus na

štrclju in konus na izstopni gredi elektromotorja). Postopki izdelave posameznih

elementov so enaki kot pri prvem vmesniku.


13

Pojavi se enaka težava; to je zagotavljanje potrebne osne sile za prenos vrtilnega

momenta. Tudi v tem primeru, se osna sila zagotovi z membransko vzmetjo, ki je

vstavljena med ležaj in podložko za stožčastim nasedom – štrcljem.

Postopek sestave in montaže vmesnika je enak in je opisan v primeru prvega

vmesnika.

Ključne prednosti tega vmesnika so opisane v poglavju, kjer so med seboj primerjani

vsi vmesniki.

Analitični preračun tega vmesnika je skorajda identičen preračunu prvega vmesnika in

prav tako sledi v naslednjem poglavju.

Slika 5.2: Primer drugega vmesnika – dvojni stožčasti nased


14

5.3 Primer tretjega vmesnika – votla gred

Tretji vmesnik se imenuje votla gred. Gre za gred, ki ima na eni strani izvrtino v katero

vstavimo gred elektromotorja in utor za moznik, preko katerega se prenaša vrtilni

moment iz gonilne na gnano gred.

Na prvi pogled se zdi, da je to najlažja možna povezava dveh gredi, vendar temu ni

tako. Problem se pojavi, kadar je potrebno izdelati utor za moznik. Edini postopek s

katerim se sploh ta utor lahko izdela je pehanje. Vendar tudi pri tem postopku se

pojavijo težave. Omejeni smo namreč z globino do katere lahko pehamo. Dodatno

težavo pa predstavlja izvrtina, ki je v tem primeru slepa in se zaradi tega odrezki ne

morejo pravilno odvajati.

Vse ostale komponente pa se izdelajo s postopkom finega struženja, kot je bilo

povedano že v prejšnjih dveh primerih.

Tudi pri tem vmesniku je bil cilj, da je sestavljen iz čim več standardnih strojnih

elementov. Elementi, ki ga sestavljajo so identični kot v prejšnjih dveh primerih in so

dostopni širom sveta.

Sestavljanje in montaža vmesnika sta prav tako enostavni kot v prejšnjih primerih, s to

razliko, da v tem primeru ni potrebna osna sila, ker se vrtilni moment prenaša z obliko

preko moznika. Najprej se sestavi ohišje (na vmesno cev se pritrdi sprednjo in zadnjo

prirobnico), nato se v ohišje vgradi zaprt kroglični ležaj, ki ga varuje vskočni obroč. V

ležaj se namesti votla gred in v sprednjo prirobnico vstavi radialno tesnilo. Ko je

vmesnik sestavljen, se s štirimi imbusnimi vijaki M12 pritrdi na zobniško gonilo. V

izvrtino gredi se vstavi distančno podložko, katera preprečuje aksialni pomik gredi.

Nato se v utor izstopne gredi elektromotorja vstavi moznik, ter elektromotor namesti v

vmesnik. Elektromotor se s štirimi imbusnimi vijaki M12 privije na zadnjo prirobnico

ohišja vmesnika.

Gred vmesnika je obremenjena z vzvojno (torzijsko) izmenično obremenitvijo, ki je

posledica vrtilnega momenta katerega proizvede elektromotor. Zaradi tega je vmesnik

skonstruiran glede na dopustno vzvojno napetost materiala, z namenom, da je

napetost, ki se pojavi v gredi čim manjša. Prav tako se med površinama moznika in

votle gredi pojavi površinski tlak, ki prav tako ne presega dopustne vrednosti materiala.


15

Rezultati so podrobno prikazani v naslednjem poglavju, ki zajema analitični preračun.

Slika 5.3: Primer tretjega vmesnika – votla gred

6 ANALITIČNI PRERAČUNI

6.1 Potrebni podatki za analitični preračun:

Material vmesnika: konstrukcijsko jeklo S355, ker je cenovno ugodno, dostopno, v

splošnem strojništvu se veliko uporablja in, ker z svoji lastnostmi več kot zelo dobro

ustreza pogojem in zahtevam, katere se pojavljajo v obravnavanih primerih.


16

Lastnosti materiala S355:

- natezna trdnost 𝑅𝑚= 490 𝑁 𝑚𝑚2⁄

- meja plastičnosti 𝑅𝑒 , 𝑅𝑝0,2= 345 𝑁 𝑚𝑚2⁄

- modul elastičnosti 𝐸= 210 000 𝑁 𝑚𝑚2⁄

- Poissonovo število 𝜈= 0,3

- Vzvojna trajna dinamična izmenična trdnost 𝜏𝐷𝑡 𝑖𝑧𝑚= 150 𝑁 𝑚𝑚2⁄

Elektromotor: standardni IEC elektromotor avstrijskega proizvajalca FFD Austria.

Specifikacije motorja:

- tip: 2SIE 100 L4A

- moč P= 2,2 kW ( 3KM)

- vrtljaji n= 1440 𝑚𝑖𝑛−1

- vrtilni moment T= 14600 Nmm = 14,6 Nm

Zobniško gonilo: nasadno zobniško gonilo z valjastimi zobniki s poševnim ozobjem,

oznaka FG42, proizvajalec Strojna Maribor.

Specifikacije zobniškega gonila:

- tip: FG 42

- navor na izstopni gredi 𝑀𝑡2 = 1362 𝑁𝑚

- maksimalna dovoljena aksialna sila 𝐹𝑝 = 12100 𝑁

- maksimalna dovoljena radialna sila 𝐹𝑟 = 24500 𝑁

- prestavno razmerje i = 98,50

6.2 Primer prvega vmesnika – enojni stožčasti nased

Dimenzije stožčastega naseda:

- večji premer D = 40 mm

- manjši premer d = 28 mm

- dolžina L= 30 mm

- razmerje konusa x = 1:10


17

- zunanji premer pesta 𝐷𝑝 = 64 mm

- utor za moznik b = 8P9

Dimenzije stožčastega naseda so določene na podlagi razmerja med večjim in

manjšim premerom. Izbrano razmerje konusa je 1:10. Prav tako se mora pri določanju

dimenzij upoštevati dimenzije gredi elektromotorja in moznika v njej. Upoštevati je

potrebno višino moznika, ki je iz gredi 𝑡2 = 3 mm.

Zunanji premer pesta pa je pogojen z velikostjo membranske vzmeti, katera nalega

nanjo. Membranska vzmet ima standardne dimenzije, kjer zunanji premer vzmeti

znaša D= 63 mm. Sledi izračun zgoraj naštetih dimenzij, ter analitični preračun, ki

dokazuje ustreznost stožčastega naseda.

𝑑 = 𝐷 −

𝐿 ∙ 1

𝑥= 40 𝑚𝑚 −

30 𝑚𝑚 ∙ 1

10= 37 𝑚𝑚

(6.1)

𝑑 [𝑚𝑚] manjši premer stožčastega naseda

𝐷 [𝑚𝑚] večji premer stožčastega naseda

𝐿 [𝑚𝑚] dolžina stožčastega naseda

𝑥 razmerje stožčastega naseda

V enačbi (6.1) je na podlagi večjega premera, dolžine in razmerja stožčastega naseda

izračunan manjši premer d, ki znaša 37 mm.

Za lažje preračunavanje, se predpostavi, da vse sile, ki se pojavijo, delujejo na

srednjem premeru stožčastega naseda 𝐷𝑠𝑟. Tako je z enačbo (6.2) izračunan srednji

premer stožčastega naseda.

𝐷𝑠𝑟 =

𝐷 + 𝑑

2=

40 𝑚𝑚 + 37 𝑚𝑚

2= 38,5 𝑚𝑚

(6.2)

𝐷𝑠𝑟 [𝑚𝑚] srednji premer stožčastega naseda



Z enačbo (6.3) je izračunan polovični kot stožca α/2.


18

𝛼

2= 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑔 (

1

2 ∙ 𝑥) = 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑔 (

1

2 ∙ 10) = 2,86°

(6.3)

𝛼 [°] Kot stožca

𝑥 Razmerje stožčastega naseda

S pomočjo enačbe (6.4) se izračuna torni kot ρ.

𝑡𝑎𝑛𝜌 = 𝜇 = 0,1 → 𝜌 = 5,71° (6.4)

𝜌 [°] torni kot

µ koeficient trenja

Da stožčasti nased lahko prenaša vrtilni moment, je zato potreba minimalna osna sila,

katera je izračunana v enačbi (6.5).

𝐹𝑝 =2 ∙ 𝑇 ∙ 𝜈𝑧

𝐷𝑠𝑟∙

sin (𝛼2 + 𝜌)

sin(𝜌)

(6.5)

𝐹𝑝 =

2 ∙ 14600 𝑁𝑚𝑚 ∙ 1,3

38,5 𝑚𝑚∙

sin(2,86° + 5,71°)

𝑠𝑖𝑛5,71°= 1476,76 𝑁

𝐹𝑝 [𝑁] potrebna osna sila pri montaži

𝑇 [𝑁𝑚𝑚] vrtilni moment

𝜈𝑧 varnostni koeficient proti zdrsu; =1,3 – za stožčasti nased brez moznika

𝐷𝑠𝑟[𝑚𝑚] srednji premer stožčastega naseda

𝛼 [°] kot stožca

𝜌 [°] torni kot

Iz enačbe (6.5) je razvidno, da je minimalna osna sila odvisna od velikosti vrtilnega

momenta, ki ga ustvari elektromotor, varnostnega koeficienta (v tem primeru za

stožčasti nased brez moznika), srednjega premera stožčastega naseda, kota stožca

in pa tornega kota. Iz rezultata je razvidno, da znaša vrednost minimalne osne sile, ki

je potrebna za prenos vrtilnega 1476,76 N.

Sledi izračun največjega vrtilnega momenta, katerega prenese stožčasti nased v tem

vmesniku. Uporabi se enačba (6.6).


19

𝑀𝑡 =

𝐹𝑝 ∙ 𝐷𝑠𝑟 ∙ sin (𝜌)

2 ∙ sin (𝜌 +𝛼2)

(6.6)

𝑀𝑡 =

1476,76 𝑁 ∙ 38,5 𝑚𝑚 ∙ 𝑠𝑖𝑛5,71°

2 ∙ sin (5,71° + 2,86°)= 18980, 𝑁𝑚𝑚

𝑀𝑡 [𝑁𝑚𝑚] Največji vrtilni moment, ki ga konus prenese

𝐹𝑝 [𝑁] minimalna osna sila

𝐷𝑠𝑟[𝑚𝑚] srednji premer stožčastega naseda

𝜌 [°] torni kot


Največji vrtilni moment, ki ga konus prenese znaša 18,98 Nm. To je več kot 14,6 Nm,

kot je vrednost vrtilnega momenta, ki ga ustvari elektromotor. Iz enačbe je razvidno,

da stožčasti nased ustreza in je primeren za uporabo v vmesniku, ki povezuje to

zobniško gonilo s standardnim IEC elektromotorjem.

Izračunan je še vrtilni moment, ki se pojavi na vstopni gredi zobniškega gonila, da se

preveri ali sta elektromotor in stožčasti nased sposobna poganjati to gonilo. Izračun je

prikazan v enačbi (6.7).

𝑀𝑡1 =

𝑀𝑡2

𝑖=

1362 𝑁𝑚

98,50= 13,83 𝑁𝑚

(6.7)

𝑀𝑡1 [𝑁𝑚𝑚] vrtilni moment na vstopni gredi zobniškega gonila

𝑀𝑡2 [𝑁𝑚𝑚] vrtilni moment na izstopni gredi zobniškega gonila

𝑖 prestavno razmerje

Vrtilni moment na vstopni gredi zobniškega gonila je 13,83 Nm, kar je manj kot je vrtilni

moment elektromotorja, ki znaša 14,6 Nm in precej manj kot je zmožen prenesti

stožčasti nased. S tem je preverjeno, da elektromotor, predvsem pa stožčasti nased

ustreza in je primeren za povezavo gonila in elektromotorja.

Sedaj, ko je dosežena ustreznost stožčastega naseda, je še potrebno preveriti

napetosti, ki se pojavijo po prerezih. Prav tako je potrebno preveriti površinski tlak, ki

nastopi med površinama konusa, ter med moznikom in konusom. Potrebno je

izračunati dopustne napetosti materiala, v tem primeru za konstrukcijsko jeklo S355.


20

Najprej se z enačbo (6.8) izračuna vrednost za dopustni površinski tlak, ki ga material

prenese.

𝑝𝑑𝑜𝑝 =

𝑅𝑒

𝜈𝑒=

345 𝑁 𝑚𝑚2⁄

3= 115 𝑁 𝑚𝑚2⁄

(6.8)

𝑝𝑑𝑜𝑝 [𝑁 𝑚𝑚2⁄ ] dopustni površinski tlak

𝑅𝑒 [𝑁 𝑚𝑚2⁄ ] meja plastičnosti gradiva pesta

𝜈𝑒 varnostni koeficient proti plastični deformaciji

Vrednost za varnostni faktor je izbrana iz tabele 8.2 [1], za žilava gradiva, kjer so

mozniki obremenjeni z izmenično obremenitvijo in močnimi udarci.

Ker je stožčasti nased obremenjen z vzvojno izmenično obremenitvijo, se s pomočjo

enačbe (6.9) izračuna dopustno vzvojno napetost materiala.

𝜏𝑡𝑑𝑜𝑝 =

𝜏𝐷𝑡 𝑖𝑧𝑚

𝜈𝑧=

150 𝑁 𝑚𝑚2⁄

5= 30 𝑁 𝑚𝑚2⁄

(6.9)

𝜏𝑡𝑑𝑜𝑝 [𝑁 𝑚𝑚2]⁄ dopustna vzvojna napetost

𝜏𝐷𝑡 𝑖𝑧𝑚 [𝑁 𝑚𝑚2]⁄ vzvojna trajna dinamična izmenična trdnost

𝜈𝑧 varnostni koeficient pri zasnovi; =4 … 6

V nekaterih elementih se zaradi utora za moznik pojavi velik vpliv zareznega učinka,

zato je potrebno preveriti vzvojno oblikovno dopustno napetost materiala.

𝜏𝑜 𝑑𝑜𝑝 =

𝜏𝐷𝑡 𝑖𝑧𝑚 ∙ 𝑏1 ∙ 𝑏2

𝛽𝑘𝑡 ∙ 𝜈=

150 𝑁 𝑚𝑚2 ∙ 1,09 ∙ 0,96⁄

2,11 ∙ 1,7= 44 𝑁 𝑚𝑚2⁄

(6.10)

𝜏𝐷𝑡 𝑖𝑧𝑚 [𝑁 𝑚𝑚2]⁄ vzvojna trajna dinamična izmenična trdnost

𝜏𝑜 𝑑𝑜𝑝 [𝑁 𝑚𝑚2]⁄ vzvojna dopustna oblikovna napetost

𝑏1 koeficient velikosti prereza, tabela 10.4 [1]

𝑏2 koeficient kvalitet površine osi ali gredi, tabela 10.5 [1]

𝛽𝑘𝑡 koeficient zareznega učinka pri vzvojni obremenitvi

𝜈 varnostni koeficient proti trajnemu lomu osi ali gredi

Ko so izračunane dopustne napetosti, pa se lahko preverijo napetosti, ki se pojavijo po

prerezih in površinske tlake, ki nastopijo med naležnimi površinami.


21

Kot prvo je z enačbo (6.11) kontroliran površinski tlak, ki se pojavi med stičnima

površinama stožčastega naseda.

𝑝 =4 ∙ 𝐹𝑝

𝜋 ∙ (𝐷2 − 𝑑2)∙

sin (𝛼2) ∙ cos(𝜌)

sin (𝛼2 + 𝜌)

(6.11)

𝑝 =

4 ∙ 1476,76 𝑁

𝜋 ∙ (402 − 372)∙

sin(2,86°) ∙ cos(5,71°)

sin(2,86° + 5,71°)= 2,71 𝑁 𝑚𝑚2⁄

𝑝 [𝑁 𝑚𝑚2]⁄ površinski tlak

𝐹𝑝 [𝑁] osna sila




𝜌 [°] torni kot

Tako velja;

𝑝 ≤ 𝑝𝑑𝑜𝑝; 2,71 𝑁 𝑚𝑚2 ≤ 115 𝑁 𝑚𝑚2⁄⁄ (6.12)

Razvidno je, da je tlačna napetost, ki se pojavi med stičnima površina stožčastega

naseda veliko manjša kot pa je dopustni površinski tlak. To je posledica majhne pritisne

sile, ki deluje na stožčasta naseda ter velike površine konusa. Zaradi zelo majhne

napetosti bo vmesnik varno obratoval.

V izstopni gredi elektromotorja je moznik, ki prenaša vrtilni moment iz gredi na stožčasti

nased - pušo. Zato je tudi tukaj potrebno preveriti površinski tlak, ki nastane. To se

naredi v enačbi (6.13).

𝑝 = 𝑘 ∙

2 ∙ 𝑇

𝑑 ∙ (ℎ − 𝑡1) ∙ 𝑙𝑡 ∙ 𝑖

(6.13)

𝑝 = 1 ∙

2 ∙ 14600 𝑁𝑚𝑚

28𝑚𝑚 ∙ (7 𝑚𝑚 − 4 𝑚𝑚) ∙ 26 𝑚𝑚 ∙ 1= 13,37 𝑁 𝑚𝑚2⁄

𝑝 [𝑁 𝑚𝑚2]⁄ površinski tlak

𝑘 koeficient nošenja


𝑑 [𝑚𝑚] premer gredi

ℎ [𝑚𝑚] višina moznika


22

𝑡1 [𝑚𝑚] globina utora v gredi

𝑙𝑡 [𝑚𝑚] nosilna dolžina moznika

𝑖 število moznikov

Velja:

𝑝 ≤ 𝑝𝑑𝑜𝑝; 13,37 𝑁 𝑚𝑚2 ≤ 115 𝑁 𝑚𝑚2⁄⁄ (6.14)

Tudi tukaj je razvidno, da je površinski tlak, ki se pojavi med moznikom in stožčastim

nasedom – pušo precej manjši kot pa je dopustni tlak. S tem moznik ustreza in zveza

je varna.

Ko se izračuna dopustne napetosti in preveri površinski tlak, se v nadaljevanju tega

analitičnega preračuna preveri torzijske napetosti, ki se pojavijo v posameznih prerezih

komponent.

Preveri se vrednost torzijske napetosti, v stožčastemu nasedu – puši, ki se natakne na

izstopno gred elektromotorja. Najprej se z enačbo (6.15) izračuna odpornostni moment

prereza, katerega se zaradi lažjega preračunavanja poenostavi. V realnosti je prerez

stožčastega naseda v obliki krožnega kolobarja, ki ima izrezan del, na mestu kjer je

utor za moznik. V preračunu pa se kot odpornostni prerez upošteva krožni kolobar, ki

se nahaja med vrhom utora za moznik in zunanjim premerom stožčastega naseda.

Poenostavitev se lahko naredi zaradi tega, ker se napetosti po prerezu prenašajo

ravno na obodnih točkah in ker se napetost prenaša po krožnem kolobarju, ki je med

utorom in zunanjim premerom. Torzijsko napetost se preveri v prerezu A - A na koncu

stožčastega naseda, tam kjer je zunanji premer najmanjši, kar posledično pomeni, da

je na tem mestu odpornostni moment prereza najmanjši in torzijska napetost največja.

Za primerjavo pa se tudi preveri vrednost torzijske napetosti na srednjem premeru

stožčastega naseda v prerezu B – B.


23

Slika 6.1: Poenostavitev prereza za izračun odpornostnega momenta

Slika 6.2: Prikaz prereza stožčastega naseda – puša

𝑊𝑡 = 0,1 ∙

𝐷4 − 𝑑4

𝐷= 0,1 ∙

374𝑚𝑚 − 344𝑚𝑚

37 𝑚𝑚= 1453,58 𝑚𝑚3

(6.15)

𝑊𝑡 [𝑚𝑚3] odpornostni moment krožnega kolobarja

𝐷 [𝑚𝑚] zunanji premer

𝑑 [𝑚𝑚] notranji premer

Ko je izračunan odpornostni moment prereza, se lahko izračuna vzvojno napetost, ki

se pojavi. To se naredi v enačbi (6.16).


24

𝜏𝑡 =

𝑇

𝑊𝑡=

14600 𝑁𝑚𝑚

1453,58 𝑚𝑚3= 10,04 𝑁 𝑚𝑚2⁄

(6.16)

𝜏𝑡 [𝑁 𝑚𝑚2]⁄ torzijska napetost


𝑊𝑡 [𝑚𝑚3] odpornostni moment krožnega kolobarja

Tako je:

𝜏𝑡 ≤ 𝜏𝑡 𝑑𝑜𝑝; 10,04 𝑁 𝑚𝑚2 ≤ 30 𝑁 𝑚𝑚2⁄⁄ (6.17)

Iz rezultata v enačbi (6.17) je razvidno, da je vzvojna napetost v prerezu precej manjša,

kot pa je dopustna napetost materiala. S tem je stožčasti nased – puša ustrezen.

Sedaj pa se še preveri vrednost vzvojne napetosti v prerezu B – B. Ponovno se z

enačbo (6.18) izračuna odpornostni moment prereza.

𝑊𝑡 = 0,1 ∙

𝐷4 − 𝑑4

𝐷= 0,1 ∙

38,54𝑚𝑚 − 344𝑚𝑚

38,5 𝑚𝑚= 2235,66 𝑚𝑚3

(6.18)

Z enačbo (6.19) se ponovno izračuna vrednost vzvojne napetosti v prerezu B – B.

𝜏𝑡 =

𝑇

𝑊𝑡=

14600 𝑁𝑚𝑚

2235,66 𝑚𝑚3= 6,53 𝑁 𝑚𝑚2⁄

(6.19)

Kot pričakovano je napetost v prerezu B – B manjša kakor v prerezu A – A. To pa je

zaradi večjega zunanjega premera, ki posledično poveča odpornostni moment prereza

in s tem zmanjša napetost. Kot je že zapisano, s tem stožčasti nased – puša ustreza.

Sledi kontrola vzvojne napetosti v stožčastemu nasedu – pestu. Tudi tukaj se najprej

z enačbo (6.20) izračuna odpornostni moment prereza, kar je prikazano na spodnji sliki

v prerezu A - A.


25

Slika 6.3: Primer prerezov stožčastega naseda - pesta

𝑊𝑡 = 0,1 ∙

𝐷4 − 𝑑4

𝐷= 0,1 ∙

644𝑚𝑚 − 404𝑚𝑚

64 𝑚𝑚= 23286,02 𝑚𝑚3

(6.20)

Ponovno se z enačbo (6.21) izračuna napetost, ki se pojavi v tem prerezu.

𝜏𝑡 =

𝑇

𝑊𝑡=

14600 𝑁𝑚𝑚

23286,02 𝑚𝑚3= 0,63 𝑁 𝑚𝑚2⁄

(6.21)

Primerjava:

𝜏𝑡 ≤ 𝜏𝑡 𝑑𝑜𝑝; 0,63 𝑁 𝑚𝑚2 ≤ 30 𝑁 𝑚𝑚2⁄⁄ (6.22)

Vzvojna napetost v tem prerezu je zelo majhna, to pa zaradi tega, ker je odpornostni

moment prereza zelo velik, vrtilni moment, ki ga ustvari elektromotor pa zelo majhen.

Seveda, bi lahko bil stožčasti nased - pesto z vidika napetosti veliko manjši, vendar to

ni možno, ker mora zunanji premer bit dovolj velik, kajti na zadnjo ploskev stožčastega

naseda – pesta nalega membranska vzmet, ki ima premer 63mm.

Preverjene napetosti v stožčastem nasedu ne presegajo dopustnih vrednosti in s tem

je preverjeno, da stožčasti nased ustreza. Kot zadnje, pa je potrebno preveriti vzvojno

napetost, ki se pojavi v gredi na stožčastem nasedu – pestu, kar je prikazano na sliki

v prerezu B – B.


26

Tako kot prej, se mora tudi tukaj najprej izračunati odpornostni moment prereza z

enačbo (6.23) za odpornostni moment okroglega prereza.

𝑊𝑡 = 0,1 ∙ 𝑑3 = 0,1 ∙ 283𝑚𝑚 = 2195,20 𝑚𝑚3 (6.23)

𝑊𝑡 [𝑚𝑚3] odpornostni moment okroglega prereza

𝑑 [𝑚𝑚] premer gredi

Zdaj se ponovno z enačbo (6.24) izračuna vzvojno napetost, ki se pojavi v tem prerezu.

𝜏𝑡 =

𝑇

𝑊𝑡=

14600 𝑁𝑚𝑚

2195,20 𝑚𝑚3= 6,65 𝑁 𝑚𝑚2⁄

(6.24)

Tako velja:

𝜏𝑡 ≤ 𝜏𝑡 𝑑𝑜𝑝; 6,65 𝑁 𝑚𝑚2 ≤ 30 𝑁 𝑚𝑚2⁄⁄ (6.25)

Tudi v tem prerezu je vzvojna napetost majhna in ne presega dopustne vzvojne

napetosti materiala.

Primer prvega vmesnika – enojnega stožčastega naseda je preračunan. Glede na

rezultate dobljene iz analitičnega preračuna je razvidno, da vmesnik vzdrži

obremenitve s katerimi je obremenjen in je zato primeren za varno obratovanje kot

povezava zobniškega gonila s standardnim IEC elektromotorjem.

6.3 Primer drugega vmesnika – dvojni stožčasti nased

Osnovni element drugega vmesnika je tako kot pri prvem stožčasti nased. Zaradi tega

je tudi preračun stožčastega naseda popolnoma enak prejšnjemu (glej podpoglavje

6.2 primer prvega vmesnika – enojni stožčasti nased) in iz tega razloga ni ponovno

napisan v tem podpoglavju. Kljub temu pa se v tem drugem vmesniku pojavijo določeni


27

dodatni elementi, ali elementi, ki so nekoliko spremenjeni napram prejšnjim. Te

elemente pa je bilo potrebno preveriti ali ustrezajo, to pa je narejeno v tem podpoglavju.

Kot prvo je preverjena komponenta, ki je poimenovana cev z dvojnim stožčastim

nasedom. Te komponente zaradi malenkost drugačne zasnove v prejšnjem primeru

ni. Cev je obremenjena z vzvojno izmenično obremenitvijo, zato je preverjeno kakšna

vrednost vzvojne napetosti se pojavi v njen.

Tako kot v prejšnjem podpoglavju, je bilo tudi tukaj za izračun vzvojne napetosti najprej

potrebno izračunati odpornostni moment prereza. Ker ima prerez cevi (prerez A – A)

obliko krožnega kolobarja, je za izračun odpornostnega momenta uporabljena že prej

navedena enačbo za krožni kolobar.

Slika 6.4: Primer prereza stožčastega naseda - cev

𝑊𝑡 = 0,1 ∙

𝐷4 − 𝑑4

𝐷= 0,1 ∙

504𝑚𝑚 − 404𝑚𝑚

50 𝑚𝑚= 7380 𝑚𝑚3

(6.26)

Sedaj, ko je odpornostni moment prereza cevi izračunan, pa se lahko izračuna vzvojna

napetost, ki se pojavi v cevi. Vzvojno napetost se izračuna z enačbo (6.27).

𝜏𝑡 =

𝑇

𝑊𝑡=

14600 𝑁𝑚𝑚

7380 𝑚𝑚3= 2,98 𝑁 𝑚𝑚2⁄

(6.27)

Velja:

𝜏𝑡 ≤ 𝜏𝑡 𝑑𝑜𝑝; 2,98 𝑁 𝑚𝑚2 ≤ 30 𝑁 𝑚𝑚2⁄⁄ (6.28)


28

Kot je razvidno iz rezultata je vzvojna napetost, ki se pojavi veliko manjša kot je

dopustna napetost materiala. To pa je posledica velikega razmerja med odpornostnim

momentom cevi in vrtilnim momentom, ki ga ustvari elektromotor.

Naslednja komponenta, ki je v drugem vmesniku nekoliko drugačna od tiste v prvem

je stožčasti nased – štrcelj. Tako kot prejšnje, se mora tudi to komponento preveriti ali

vzdrži vzvojno napetost katera jo obremenjuje. Zaradi poenostavitve preračuna, v

katerem se predpostavi, da vse sile delujejo v srednjem premeru stožčastega naseda,

se tako odpornostni moment prereza izračuna prav na tem mestu (srednjem premeru

stožčastega naseda). Prerez A - A je okrogle oblike, zato se odpornostni moment

prereza izračuna s pomočjo enačbe (6.29).

Slika 6.5; Primer prereza stožčastega naseda – štrcelj

𝑊𝑡 = 0,1 ∙ 𝑑3 = 0,1 ∙ 38,53𝑚𝑚 = 5706,66 𝑚𝑚3 (6.29)

Ker je srednji premer stožčastega naseda relativno velik, je posledično velik tudi njegov

prerez in zaradi tega tudi vrednost odpornostnega momenta.

Sedaj, ko je odpornostni moment prereza A - A izračunan, pa se lahko z enačbo (6.30)

ponovno izračuna vzvojna napetost, ki se pojavi v prerezu.

𝜏𝑡 =

𝑇

𝑊𝑡=

14600 𝑁𝑚𝑚

5706,66 𝑚𝑚3= 2,56 𝑁 𝑚𝑚2⁄

(6.30)

Primerjava:

𝜏𝑡 ≤ 𝜏𝑡 𝑑𝑜𝑝; 2,56 𝑁 𝑚𝑚2 ≤ 30 𝑁 𝑚𝑚2⁄⁄ (6.31)


29

Vrednost vzvojne napetosti v prerezu A –A je izračunana. Sedaj pa jo je potrebno

izračunati tudi v prerezu B – B. Enako kot prej se najprej izračuna odpornostni moment

prereza z enačbo (6.32).

𝑊𝑡 = 0,1 ∙ 𝑑3 = 0,1 ∙ 303𝑚𝑚 = 2700 𝑚𝑚3 (6.32)

Sledi izračun vzvojne napetosti v tem prerezu.

𝜏𝑡 =

𝑇

𝑊𝑡=

14600 𝑁𝑚𝑚

2700 𝑚𝑚3= 5,41 𝑁 𝑚𝑚2⁄

(6.33)

Velja:

𝜏𝑡 ≤ 𝜏𝑡 𝑑𝑜𝑝; 5,41 𝑁 𝑚𝑚2 ≤ 30 𝑁 𝑚𝑚2⁄⁄ (6.34)

Tako kot iz prejšnjih rezultatov, je tudi tukaj razvidno, da ja vzvojna napetost v prerezih

zelo majhna, kar je spet posledica, velikega odpornostnega momenta prereza napram

relativno majhnemu vrtilnemu momentu, ki ga ustvari elektromotor.

S tema dvema kontrolama napetosti, je tudi preračun drugega vmesnika (dvojni

stožčasti nased) zaključen. Če združimo rezultate iz tega in prejšnjega podpoglavja,

vidimo, da tudi ta drugi vmesnik varno prenaša vse obremenitve. S tem je potrjeno, da

bi tudi ta vmesnik ustrezal kot povezava standardnega IEC elektromotorja in

zobniškega gonila.

6.4 Primer tretjega vmesnika – votla gred

Dimenzije gredi:

- zunanji premer gredi D= 44 mm

- notranji premer gredi d= 28 mm

- debelina stene gredi s= 8 mm

- utor za moznik b= 8P9

Pri določanju dimenzij votle gredi, je prav tako kot pri stožčastemu nasedu potrebno

upoštevati dimenzije izstopne gredi elektromotorja in višino moznika, ki štrli iz nje in

znaša 𝑡2 = 3 mm. Ravno zaradi te višine je debelina stene votle gredi nekoliko

debelejša in znaša s = 8 mm. Debelina stene, ki se nahaja med vrhom utora za moznik

in zunanjim premerom znaša 5 mm. Iz analitičnega preračuna je razvidno, da gred


30

vzdrži obremenitve s katerimi je obremenjena in bi zaradi tega skupna debelina stene

lahko bila nekoliko manjša (vendar ne preveč). S tem, ko je debelina stene s = 8 mm,

je gred nekoliko predimenzionirana, vendar je zaradi tega varnostni faktor večji in s

tem gred bolj varna. Tanjša debelina stene ne bi prinesla nobenih izboljšav, masa

same gredi se ne bi veliko spremenila, tudi način obdelave se ne bi popolnoma nič

spremenil, pa tudi velikost vmesnika, se ne bi spremenila. Debelina stene votle gredi

je upravičena in s tem tudi sama gred, ki več kot ustreza za povezavo v tem tretjem

primeru vmesnika.

Ker je gred iz enakega materiala (konstrukcijsko jeklo S355) kot stožčasti nased,

veljajo zanjo enake materialne lastnosti, ki so bile podane v prejšnjih dveh

podpoglavjih.

Gred je prav tako obremenjena z izmenično vzvojno obremenitvijo in prav tako se med

moznikom in gredjo pojavi površinski tlak, tako kot v prejšnjih dveh primerih.

Dopustne napetosti za material (konstrukcijsko jeklo S355) so že izračunane v

prejšnjih dveh podpoglavjih in sicer v enačbah (6.8) in (6.9), zato tukaj niso še enkrat

navedene.

S tem, ko so dimenzije in obremenitve razložene, pa se lahko preveri napetosti, ki se

pojavijo v gredi.

Kot prvo je ponovno izračunan odpornostni moment prereza A – A votle gredi, ki ima

obliko krožnega kolobarja z izrezom na mestu kjer se nahaja utor za moznik. Tudi tukaj

je tako kot v primeru stožčastega naseda – puše prerez zaradi lažjega preračuna

poenostavljen in izračunan z enačbo (6.35) za odpornostni moment prereza za krožni

kolobar.

Slika 6.6: Primer prereza votle gredi


31

𝑊𝑡 = 0,1 ∙

𝐷4 − 𝑑4

𝐷= 0,1 ∙

444𝑚𝑚 − 344𝑚𝑚

44 𝑚𝑚= 5481,27𝑚𝑚3

(6.35)

Po izračunu odpornostnega moment prereza, je bilo možno preveriti vrednost vzvojne

napetosti, ki se pojavi v gredi. To je tako kot v prejšnjih primerih narejeno z enačbo

(6.36).

𝜏𝑡 =

𝑇

𝑊𝑡=

14600 𝑁𝑚𝑚

5481,27 𝑚𝑚3= 2,66 𝑁 𝑚𝑚2⁄

(6.36)

Primerjava:

𝜏𝑡 ≤ 𝜏𝑜 𝑑𝑜𝑝; 2,66 𝑁 𝑚𝑚2 ≤ 44 𝑁 𝑚𝑚2⁄⁄ (6.37)

Sledi izračun vzvojne napetosti v prerezu B – B. Tako kot v prejšnjih primerih se z

enačbo (6.38) izračuna odpornostni moment.

𝑊𝑡 = 0,1 ∙ 𝑑3 = 0,1 ∙ 303𝑚𝑚 = 2700 𝑚𝑚3 (6.38)

Ko je odpornostni moment izračunan pa se lahko izračuna vzvojna napetost, ki se

pojavi v prerezu.

𝜏𝑡 =

𝑇

𝑊𝑡=

14600 𝑁𝑚𝑚

2700 𝑚𝑚3= 5,41 𝑁 𝑚𝑚2⁄

(6.39)

Tako velja:

𝜏𝑡 ≤ 𝜏𝑡 𝑑𝑜𝑝; 5,41 𝑁 𝑚𝑚2 ≤ 30 𝑁 𝑚𝑚2⁄⁄ (6.40)

Razvidno je, da bi votla gred brez kakršnih koli težav prenesla obremenitve s katerimi

je obremenjena, kar je dobro razvidno iz rezultata. Napetost, ki se pojavi v gredi je zelo

majhna, kar pomeni, da gred ustreza in je primerna za obratovanje.

Vzvojna obremenitev v gredi je preverjena, potrebno pa še je preveriti površinski tlak,

ki se pojavi v utoru med moznikom in votlo gredjo. Tudi to se preveri z že prej

uporabljeno enačbo za površinski tlak.

𝑝 = 𝑘 ∙

2 ∙ 𝑇

𝑑 ∙ (ℎ − 𝑡1) ∙ 𝑙𝑡 ∙ 𝑖

(6.41)


32

𝑝 = 1 ∙

2 ∙ 14600 𝑁𝑚𝑚

28𝑚𝑚 ∙ (7 𝑚𝑚 − 4 𝑚𝑚) ∙ 40 𝑚𝑚 ∙ 1= 8,69 𝑁 𝑚𝑚2⁄

Tako velja:

𝑝 ≤ 𝑝𝑑𝑜𝑝; 8,69 𝑁 𝑚𝑚2 ≤ 115 𝑁 𝑚𝑚2⁄⁄ (6.42)

Iz rezultata je razvidno, da je površinski tlak, ki se pojavi v utoru med moznikom in

votlo gredjo zelo majhen. To je posledica majhnega vrtilnega momenta, ki ga ustvari

elektromotor, dobrih lastnosti materiala in pa relativno velike nosilne dolžine moznika.

Preračun votle gredi je s tem zaključen. Dokazano je, da gred prenese vse

obremenitve, ki jo obremenjujejo. Iz rezultatov izračunanih v analitičnem preračunu, je

razvidno, da gred ustreza vsem zastavljenim nalogam in je primerna za povezavo

zobniškega gonila s standardnega IEC elektromotorja.

7 GEOMETRIJA VMESNIKA

Pred začetkom modeliranja vmesnika je bilo potrebno določiti njegovo geometrijo. S

smiselno geometrijo se doseže predvsem enostavnejšo izdelavo, večjo

funkcionalnost, lažjo pri gradnjo, večjo togost in stabilnost vmesnika in ne nazadnje

zmanjša stroške izdelave vmesnika.

Pri določanju geometrije ohišja vmesnika je bilo potrebno upoštevati nekatere

elemente, ki so določali posamezne detajle in obliko ohišja. Upoštevati se mora

dimenzije standardne prirobnice elektromotorja. Tukaj sta bili na izbiro dve vrsti

prirobnice. Velika prirobnica z oznako B5 in nekoliko manjša prirobnica z oznako B14.

Potrebno je povedati, da sta obe prirobnici standardni in ju ponujajo vsi proizvajalci

standardnih IEC elektromotorjev. V grobem sta si zelo podobni, edina večja razlika, ki

je med njima, je njuna velikost. Kot je bilo že omenjeno v prejšnjih poglavjih tega

diplomskega dela, je za primer te naloge izbrana standardna prirobnica B5. Z izbiro

elektromotorja (2SIE 100 L4A) in vrsto prirobnice (B5), so avtomatsko določene


33

dimenzije prirobnice (premer le te, porazdelitev, velikost in razmak lukenj, ki se

nahajajo na njej), ki posledično določajo dimenzije ohišja vmesnika.

Slika 7.1: Primera standardnih prirobnic a) prirobnica B5 b) prirobnica B14

Naslednji element, ki je določal dimenzije ohišja vmesnika je bilo zobniško gonilo.

Zobniško gonilo ima na hrbtni strani pokrov na katerega se pritrdi elektromotor. Pokrov

ima eno veliko izvrtino premera 180 mm skozi katero se vtakne izstopna gred

elektromotorja (ki v gonilu služi kot vstopna gred) in štiri navojne izvrtine M12 v katere

privijemo elektromotor.

Eden izmed ključnih elementov, ki je določal dimenzije ohišja je bil tudi ležaj. Ležaj, ki

je uporabljen v vseh treh izvedbah vmesnika in je izbran na podlagi premera gredi

(stožčasti nased – pesto / štrcelj) na katero je nameščen. Izbran je standardni zaprti

enoredni kroglični ležaj proizvajalca SKF z oznako: E2.6306-2Z. Ta ležaj je splošno

dostopen in ne predstavlja nikakršnih težav glede nakupa. Kroglični ležaj je izbran z

namenom, ker je primeren za prenašanje tako radialnih kot aksialnih obremenitev

(imajo približno enako radialno in aksialno nosilnost). To je v tem primeru še posebej

pomembno, kajti pri vmesniku, kjer kot povezava gredi nastopa stožčasti nased, je za

prenos vrtilnega momenta potrebna velika osna sila, ki jo mora ležaj prenesti. Zaprti

ležaj je izbran iz razloga, ker ne potrebuje dodatnega mazanja in je vmesnik zaradi

tega preprostejši. Posledično je z izbira standardnega ležaja omejevala premer

osrednje cevi, ki predstavlja osnovo ohišja vmesnika v katero je vstavljen ležaj.


34

Na podlagi vseh dejavnikov je nastala osnovna geometrija ohišja prikazana na sliki

(7.2).

Slika 7.2: Skica konceptne geometrije vmesnika

Kot je razvidno že iz skice, je velika razlika med premerom prirobnice ohišja in

premerom srednje cevi. To je zaradi tega, ker je premer prirobnic ohišja določen s

premerom standardne prirobnice elektromotorja B5 premer srednje cevi ohišja pa

določa ležaj.

Ob razmišljanju in skiciranju ohišja vmesnika, se predpostavi, da bo narejeno iz enega

kosa s postopkom struženja. Seveda je to popolnoma izvedljivo, ampak ni preveč

racionalno. Če bi se ohišje izdelalo iz enega samega kosa, bi zaradi dimenzij in količine

materiala, ki bi ga bilo potrebno odstraniti postopek trajal zelo dolgo.


35

Slika 7.3: Primer ohišja izdelanega iz enega kosa

Tako je skonstruirano ohišje, ki ga sestavljajo trije ločeni deli, katere se sestavi v

skupno celoto. Ohišje tako sestavljajo sprednja in zadnja prirobnica ter valjasto ohišje.

Vse tri elemente se lahko izdela s postopkom struženja in pri tem ne nastane veliko

odpadnega materiala. Glavni element tega sestavljivega ohišja je sredinska cev na

katero se namestita prirobnici. Najpomembnejši element je zaradi tega, ker je h krati

vodilni in nosilni element povezave izstopne gredi elektromotorja in dela vmesnika, ki

je h krati vstopna gred zobniškega gonila. V njej je vgrajen ležaj, ki omogoča vrtenje

gredi in hkrati podpira povezavo (stožčasti nased ali votlo gred). Zraven ležaja, še je

iz sprednje strani cevi vgrajeno radialno tesnilo, ki preprečuje (tesni) vdor olja iz

zobniškega gonila v vmesnik. Srednji del je skonstruiran tako, da se ga izdela iz enega

kosa materiala (konstrukcijsko jeklo S355) s postopkom struženja in vrtanja.

Cev ima iz sprednje in zadnje strani dva naseda, na katera prideta nameščeni sprednja

in zadnja prirobnica. Naseda služita centriranju in pravilnemu naleganju prirobnic, zato

so tudi njune dimenzije premera določene s toleranco j6, izvrtini prirobnic, ki nalegata


36

na nased pa določa toleranca H7. S kombinacijo teh dveh toleranc dosežemo prehodni

ujem, ki je sestavljiv z lahkimi udarci kladiva.

Takoj za nasedoma, sta venca s šestimi izvrtinami v katere se z imbus vijaki privije

prirobnici. Sprednji venec ima v izvrtinah navoj M8, v katerega se privije sprednja

prirobnica. Zadnji venec pa v izvrtinah nima navojev, ker se ti nahajajo v zadnji

prirobnici, kamor se tudi privijejo vijaki.

Slika 7.4: Primer srednje cevi ohišja na katero prideta pritrjeni prirobnici

Sprednja prirobnica je narejena iz enakega materiala kot cev (v tem primeru

konstrukcijsko jeklo S355) in prav tako se jo izdela s postopkom struženja in vrtanja.

Kot je bilo že prej povedano, ima prirobnica dve izvrtini, katerih premer je določen s

toleranco H7, s katerimi naseda na nased, ki je narejen na cevi. Prirobnica ima šest

poglobljenih lukenj za imbusne vijake s katerimi se privije na cev ter štiri luknje premera

12 mm, skozi katere se vstavijo vijaki, s katerimi se vmesnik, ko je sestavljen privije na

zobniško gonilo.

Pomembno vlogo na prirobnici ima tudi sedež (rob), ki se nahaja na sprednji strani le

te. Premer tega sedeža je prav tako določen s toleranco j6, kajti ta rob nalega v izvrtino,

ki je na hrbtni strani zobniškega gonila in z njim se centrira ter prilagodi celotni vmesnik,

kadar se montira na zobniško gonilo.


37

Slika 7.5: Sprednja prirobnica

Zadnjo prirobnico se prav tako izdela s postopki struženja ter vrtanja. Seveda je tudi

material enak kot pri sprednji prirobnici in cevi. Zadnja prirobnica ima enako kot

sprednja dve izvrtini katerih premer je določen s toleranco H7, s katerima nalega na

nased, ki je na cevi. Enako kot sprednja prirobnica, ima šest izvrtin s katerimi se privije

na zadnji del cevi, vendar s to razliko, da so tukaj luknje z M8 navoji, ker gredo vijaki

skozi zadnji venec na cevi in se privijejo v zadnjo prirobnico. Seveda pa ima tudi štiri

izvrtine premera 12 mm, skozi katere se namesti pritrdilne vijake.

Na zadnji strani zadnje prirobnice se nahaja izvrtina katere premer je določen s

toleranco H7, kajti vanjo naseda rob standardne prirobnice elektromotorja, katerega

premer je toleriran s toleranco j6. Ta rob in izvrtina imata enako vlogo, kot jo imata rob

sprednje prirobnice in izvrtina na zobniškem gonilu. In sicer, da centrirata ter

prilagajata elektromotor pri montaži.


38

Slika 7.6: Zadnja prirobnica

Prednost, da je ohišje, ki ga sestavljajo posamezni deli privijačeno skupaj v eno celoto,

je ta, da ga je možno hitro in enostavno poljubno krat sestaviti in razstaviti. To je še

posebej koristno v primeru poškodbe ene izmed komponent. Takrat se komponenta

enostavno odvije in zamenja z novo, brez, da bi se pri tem zavrglo ostale komponente.

Uporabno je tudi v primeru, kadar je zaželeno katero izmed komponent zamenjati z

drugo, ki je bolj izpopolnjena ali pa primerna za kateri drugi tip gonila. Prednost je

seveda tudi v tem, da se lahko ohišje in s tem celotni vmesnik enostavno prilagodi

poljubnim tipom zobniških gonil in elektromotorjev.


39

Slika 7.7: Sestavljeno ohišje

Za vmesnik je uporabljena ta vrsto ohišja, ker je najbolj racionalna in vsestranska.

Seveda pa obstaja še tretja možnost. V tem primeru je ohišje prav tako sestavljivo,

vendar namesto, da se prirobnici privijeta na cev se nanjo zavarita. Tudi ta način je

veliko bolj ekonomičen, kot pa prvi, saj se vsako komponento izdela posebej in pri tem

ne nastane veliko odpadnega materiala. Žal pa pri tem primeru odpadejo vse možnosti


40

razstavljanja in prilagajanja vmesnika. Je pa vsekakor boljša izvedba kot, če bi ohišje

izdelali iz enega kosa.

Slika 7.8: Primer zavarjenega ohišja


41

7.1 Kontrola upogibne napetosti v ohišju

Ohišje je skonstruirano, potrebno pa še je preveriti napetosti, ki se v njem pojavijo.

Vemo da ohišje miruje in da je na začetku pritrjeno na zobniško gonilo, na koncu pa je

nanj pritrjen elektromotor.

Iz načina vpetja in obremenitev je razvidno, da je ohišje tega vmesnika precej podobno

primeru konzolno vpetega nosilca. Konzolno vpet nosilec je prav tako kot to ohišje na

začetku vpet v steno, na njegovem koncu pa deluje obremenitev, kar je v primeru tega

ohišja elektromotor.

Ker ohišje miruje in elektromotor ne spreminja svoje mase ter položaja, se lahko

predpostavi, da je obremenitev statična in konstantna. Glede na način, kako je ohišje

obremenjeno se v njem pojavi upogibna napetost. Največja upogibna napetost pa se

pojavi na mestu, kjer je najmanjši prerez ohišja (ker je tam najmanjši odpornostni

moment prereza). To je v primeru ohišja na mestu, kjer se nahaja utor za vskočnik. Iz

tega razloga je tudi tukaj izračunana vrednost za upogibno napetost.

Najprej je bilo potrebno izračunati dopustno napetost materiala (konstrukcijskega jekla

S 355).

𝜎𝑑𝑜𝑝 =

𝑅𝑒

𝜈=

345 𝑁 𝑚𝑚2⁄

5= 69 𝑁 𝑚𝑚2⁄

(7.1)

𝜎𝑑𝑜𝑝 [𝑁 𝑚𝑚2]⁄ dopustna napetost materiala

𝑅𝑒 meja plastičnosti gradiva

𝜈 varnostni koeficient

Dopustna napetost je izračunana, potrebno pa je še izračunati upogibno dopustno

napetost materiala.

𝜎𝑢𝑑𝑜𝑝 = (

1

1,2) ∙ 𝜎𝑑𝑜𝑝 = (

1

1,2) ∙ 69 𝑁 𝑚𝑚2⁄ = 57 𝑁 𝑚𝑚2⁄

(7.2)

𝜎 𝑢𝑑𝑜𝑝 [𝑁 𝑚𝑚2]⁄ upogibna dopustna napetost materiala

𝜎𝑑𝑜𝑝 [𝑁 𝑚𝑚2]⁄ dopustna napetost materiala

V enačbi (7.2) je razvidno, da upogibna dopustna napetost znaša 57 𝑁 𝑚𝑚2⁄ .


42

Sedaj se izračuna upogibni moment, ki se pojavi zaradi obremenitve (v tem primeru

elektromotorja).

𝑀𝑢 = 𝐹 ∙ 𝑥 = 250 𝑁 ∙ 112 𝑚𝑚 = 28000 𝑁𝑚𝑚 (7.3)

𝑀𝑢 [𝑁𝑚𝑚] upogibni moment v opazovanem prerezu

𝐹 [𝑁] sila (v tem primeru masa elektromotorja)

𝑥 [𝑚𝑚] razdalja od opazovanega prereza do obremenitve

Iz rezultata v enačbi (7.3) sledi, da masa elektromotorja na tej razdalji ustvarja moment

velikost 28000 Nmm, ki deluje na ohišje.

Izračunati še je bilo potrebno odpornostni moment opazovanega prereza.

𝑊𝑢 = 0,1 ∙

𝐷4 − 𝑑4

𝐷= 0,1 ∙

824𝑚𝑚 − 754𝑚𝑚

82 𝑚𝑚= 16550,67 𝑚𝑚3

(7.4)

𝑊𝑢 [𝑚𝑚3] upogibni odpornostni moment

𝐷 [𝑚𝑚] zunanji premer

𝑑 [𝑚𝑚] notranji premer

Kadar so izračunani vsi potrebni podatki, pa se lahko izračuna upogibna napetost.

𝜎𝑢𝑚𝑎𝑥 =

𝑀𝑢

𝑊𝑢=

28000 𝑁𝑚𝑚

16550,67 𝑚𝑚3= 1,7 𝑁 𝑚𝑚2⁄

(7.5)

𝜎𝑢𝑚𝑎𝑥 [𝑁 𝑚𝑚2⁄ ] največja upogibna napetost v opazovanem prerezu

𝑀𝑢 [𝑁𝑚𝑚] upogibni moment v opazovanem prerezu

𝑊𝑢 [𝑚𝑚3] upogibni odpornostni moment

Tako velja:

𝜎𝑢𝑚𝑎𝑥 ≤ 𝜎 𝑢𝑑𝑜𝑝; 1,7 𝑁 𝑚𝑚2 ≤ 57 𝑁 𝑚𝑚2⁄⁄ (7.6)

Razvidno je, da je maksimalna upogibna napetost, ki se pojavi v opazovanem prerezu

ohišja veliko pod največjo dovoljeno vrednostjo. To pa je zaradi majhne mase

elektromotorja. S tem preračunom je dokazana ustreznost ohišja.


43

8 MODELIRANJE VMESNIKA

Vmesnik je v celoti zmodeliral s programskim paketom CATIA V5R20. Modeliranje je

potekalo na podlagi geometrije, ki je določena v prejšnjem poglavju in s pomočjo

rezultatov dobljenih iz analitičnih preračunov (poglavje 6).

Vsi elementi v vmesniku, so v osnovi valjaste oblike oz. so vrtenine. Zaradi tega je

njihovo modeliranje med seboj precej podobno. V osnovi je modeliranje potekalo tako,

da se je najprej narisala skica komponente v polovičnem prerezu, katero se je nato

zavrtelo okoli središčne osi in tako je nastala osnovna oblika elementa – komponente.

Sledilo je nadaljnje modeliranje detajlov, kot recimo dodajanje lukenj, posnemanje

robov ali izdelava zaokrožitev na prehodih iz večjega na manjši premer, ki pa je bilo

odvisno od posamezne komponente. Ko je bilo modeliranje zaključeno, se je še

predpisal material iz katerega je komponenta narejena.

Sledi primer modeliranja ene izmed komponent, to pa iz tega razloga, ker bi prikaz

modeliranja vseh komponent bil povsem nepotreben, ravno zaradi tega ker je njihovo

modeliranje med seboj zelo podobno.

Prikazan bo način, kako se zmodelira srednjo cev ohišja, na katero prideta pritrjeni

sprednja in zadnja prirobnica.

Po zagonu programa, se odpre začetno okno. Tukaj v tem oknu kliknemo tipko start s

katero odpremo meni. V tem meniju se postavimo na napis Mechanical Design, ki nam

odpre podmeni, v katerem izberemo Part Design. Nato poimenujemo naš element, ki

ga želimo zmodelirati. Ko smo poimenovali komponento pridemo v delovno okolje kjer

lahko začnemo modelirat.


44

Slika 8.1: Delovno okolje Part Design v programu CATIA

Sedaj izberemo ravnino na kateri bomo narisali skico ter pritisnemo gumb sketch.

Pogled se nam preusmeri na izbrano ravnino in lahko začnemo risati našo skico, z

orodji, ki jih imamo na voljo na desni strani okna.

Slika 8.2: Primer skiciranja in kotiranja

Ko imamo skico narisano in kotirano s pravimi dimenzijami, zapustimo skicirko in z

ukazom Shaft zavrtimo skico za 360° okoli središčne osi. Tako dobimo osnovno obliko

elementa.


45

Slika 8.3: Primer CAD modela srednje cevi ohišja

S tem, ko dobimo osnovno obliko geometrije, pa lahko nadaljujemo z modeliranjem

detajlov kot so v tem primeru: luknje za vijake, zaokrožitve in posnetje ostrih robov.

Slika 8.4: Primer končanega CAD modela srednje cevi ohišja

Tako, s tem, ko se zmodelira še detajle in predpiše material cevi, se modeliranjem te

komponente konča. Seveda, kot že rečeno, je to primer modeliranja le ene izmed


46

komponent vmesnika. Vse ostale komponente se modelirajo na zelo podoben-skoraj

identičen način.

Ko smo zaključili z modeliranjem vseh komponent, lahko te sestavimo v skupno celoto,

ki ponazarja realno stanje vmesnika, kadar bi bil izdelan. To naredimo v oknu

Assembley, ki ga tako kot prej odpremo v začetnem meniju, kjer se postavimo na napis

Mechanical Desig in nato v podmeniju izberemo Assembly Design.

Realni izgled vmesnika (v tem primeru primer prvega vmesnika – enojni stožčasti

nased) je prikazan na spodnjih slikah. Prvi dve sliki prikazujeta vmesnik, kot bi ga videli,

če bi bil izdelan in sestavljen, tretja slika pa je tako imenovana eksplozijska slika, ki

prikazuje vse elemente, ki sestavljajo vmesnik.



47


Slika 8.7: Eksplozijska slika vmesnika z enojnim stožčastim nasedom

9 PRIMERJAVA VMESNIKOV

V tem poglavju so opisani vmesniki ter med seboj primerjani glede na njihove lastnosti.

Vsi vmesniki so skonstruirani tako, da jih je čim lažje izdelati in vgraditi. V osnovi so si


48

zelo podobni saj, temeljijo na skupni geometriji ohišja, vsebujejo identične standardne

strojne elemente in služijo enakemu namenu. Vse z namenom, da ne predstavljajo

visokega stroška, so učinkoviti, ustrezno opravljajo svojo nalogo in ne potrebujejo

dodatnega vzdrževanja.

Vmesniki so zasnovani modularno, kar pomeni, da se lahko njihove komponente

(moduli) zamenjujejo. To predstavlja možnost, da jih je teoretično in tudi v praksi

možno med seboj zamenjati.

Vmesnik s stožčastim nasedom spada med povezave gredi in pesta, kjer se vrtilni

moment prenaša s trenjem. Po presegu določenega vrtilnega momenta, stožčasti

nased spusti (zdrsne) in s tem varuje gonilo in elektromotor pred preobremenitvijo.

Zaradi svoje oblike zelo dobro centrira obe gredi in s tem izničuje zamike, ki se lahko

pojavijo pri montaži. S tem preprečuje nastanek dodatnih nezaželenih obremenitev.

Prednosti stožčastega naseda so tudi, da je zmožen prenašati sunkovite obremenitve

ter aksialne sile. Izdelovalni stroški niso visoki in tudi montaža ter demontaža nista

zahtevni.

Slabost zveze s stožčastim nasedom je zagotovitev potrebne osne sile, ki poveže oba

konusa skupaj in posledično ustvarja silo trenja, katera skrbi da konus ne zdrsne. To

težavo sem v svojem vmesniku odpravil z membransko vzmetjo.

Iz primerjave vmesnikov, v katerih kot povezava gredi služi stožčasti nased, je

razvidno, da med njima ni velikih razlik. Seveda pa obstajajo nekatere stvari, zaradi

katerih je lahko eden izmed njiju v določenem primeru bolj uporaben.

Enojni stožčasti nased je napram dvojnemu zaradi svoje izvedbe krajši, kar pomeni,

da je s tem bolj primeren za primere, kadar ni veliko vgradnega prostora ali kadar je

zaželeno, da je elektromotor čim bliže zobniškemu gonilu.

Prednost dvojnega stožčastega naseda napram enojnemu pa je ta, da je zahvaljujoč

cevi z dvema stožčastima nasedoma dolžina vmesnika prilagodljiva, kar je zelo

uporabno v primerih kadar je željeno elektromotor odmakniti dlje od zobniškega gonila.

Zaradi konstrukcijske zasnove ga je lažje razstaviti.

Tretji vmesnik (votla gred) je na prvi pogled videti zelo enostaven, vendar je posebnost

pri izdelavi gredi. Težava se pojavi pri utoru za moznik. Utor je možno izdelati samo s

postopkom pehanja, vendar je tudi tukaj ovira v tem, da se utor nahaja v slepi luknji in


49

s tem otežuje pehanje. Kot drugo, omejeni smo tudi z globino pehanja, tako, da v

določenih primerih tudi ta postopek odpade. Zaradi teh težav se izdelava votle gredi

podraži s tem pa celotni vmesnik, kar pa za naročnika pomeni dodaten strošek.

Ker se vrtilni moment prenaša z obliko, natančneje z moznikom, zveza žal ne prenaša

sunkovitih obremenite, kakor tudi ne aksialne sile. Zraven tega pa je pod velikim

vplivom zareznega učinka. Je pa zaradi tega vmesnik najlažje zmontirati, saj gred

Če se primerja osnovne lastnosti in sposobnosti povezav votle gredi in stožčastega

naseda, je razvidino, da je stožčasti nased primernejši za povezavo zobniškega gonila

in elektromotorja.

Tabela 9.1: Primerjava osnovnih lastnosti in sposobnosti vmesnikov

Osnovne lastnosti in sposobnosti

1. primer

enojni stožčasti nased

2. primer

dvojni stožčasti nased

3. primer

votla gred

Zahtevnost izdelave

srednja srednja visoka

Zahtevnost montaže

srednja srednja majhna

Prilagodljivost zveze

ne da ne

Poljubna lega montaže

da da ne

Sunkovite obremenitve

da da ne

Varnost pred preobremenitvijo

da da ne

Obremenitev ostalih komponent

da da ne

Izdelovalni stroški

srednji srednji visoki

Stroški dodatnih elementov

srednji srednji srednji

Prilagodljivost vmesnika

da da da


50

10 ZAKLJUČEK

V diplomskem delu je prikazan celotni postopek zasnove vmesnika, ki zajema vse

dejavnike od predstavitve ideje, končnih preračunov in geometrije komponent.

Vmesniki so skonstruirani tako, da v celoti predstavljajo rešitev potreb in nudijo dobro

alternativo za podjetja, ki proizvajajo zobniška gonila brez vstopnih gredi. Skonstruirani

so za varno obratovanje, ter ne potrebujejo nobenega dodatnega vzdrževanja.

S predstavitvijo vseh vmesnikov, ki predstavljajo rešitev zastavljenega problema, je

namen te diplomske naloge uspešno izpolnjen. Podane so tri rešitve, ki bi lahko v

prihodnje pripomogle k večjemu uspehu in prepoznavnosti posameznega podjetja. S

tem, bi svojim strankam ponujale večji spekter možnosti sestavov zobniškega gonila z

elektromotorjem. Tako bi se proizvajalci in predvsem naročniki izognili nevšečnostim,

ki se pojavijo pri uporabi namenskih elektromotorjev.

Začetni znesek bi bil nekoliko večji zaradi dodanega vmesnika, gledano dolgoročno,

pa se ti stroški obrestujejo, takrat kadar je potrebno zaradi katerega koli razloga

zamenjati elektromotor. Standardni elektromotor je veliko cenejši od namenskega,

dobavljiv je takoj ter širom sveta. Vmesnik ne potrebuje nobenega dodatnega

vzdrževanja ali servisiranja, kar pomeni da ne predstavlja dodatnega stroška in se

njegova investicija zelo hitro povrne.

Katera izvedba vmesnika bi bila najprimernejša za določeno podjetje, pa je odvisno od

njihove presoje.


51

11 LITERATURA

[1] Z. Ren, S. Glodež. Strojni elementi – 1.del: univerzitetni učbenik. Maribor:

Fakulteta za strojništvo, 2011

[2] Z. Ren, S. Glodež. Strojni elementi – Uvod v gonila, jermenska in verižna:

univerzitetni učbenik. Maribor: Fakulteta za strojništvo, 2011

[3] J. Flašker, S. Glodež, Z. Ren. Zobniška gonila. Ljubljana: Pasadena, 2010

[4] Z. Ren, A. Belšak. Zbirka nalog iz strojnih elementov – 1. del. Maribor: Univerza

v Mariboru, 2012

[5] Kraut Bojan. Krautov strojniški priročnik: 14. slovenska izd., predelana/izdajo

pripravil Jože Puhar, Jože Stropnik. Ljubljana: Littera picta, 2007

[6] International Electrotechnical Commision, Dosegljivo:

http://www.iec.ch/perspectives/government/sectors/electric_motors.htm

[Datum dostopa: 07.05.2016]

[7] Wikipedia, elektromotor, Dosegljivo: https://sl.wikipedia.org/wiki/Elektromotor


[8] Strojna Maribor, Dosegljivo:

http://www.strojna.si/Portals/0/Content/eKatalog/Catalog%202016%20EN/HT

ML/index2016.html [Datum dostopa: 10.05.2016]

[9] Frank & Dvorak, Dosegljivo: http://www.frank-dvorak.at/ie2.pdf


[10] SKF, Dosegljivo: http://www.skf.com/group/products/bearings-units-

housings/ball-bearings/deep-groove-ball-bearings/single-row-deep-groove-

ball-bearings/single-row/index.html?designation=E2.6306-2Z


[11] SKF, Dosegljivo: http://www.skf.com/group/products/seals/industrial-

seals/power-transmission-seals/radial-shaft-seals-

pt/index.html?designation=28x52x7%20HMSA10%20V [Datum dostopa:

16.05.2016]

http://www.iec.ch/perspectives/government/sectors/electric_motors.htm

https://sl.wikipedia.org/wiki/Elektromotor

http://www.strojna.si/Portals/0/Content/eKatalog/Catalog%202016%20EN/HTML/index2016.html

http://www.strojna.si/Portals/0/Content/eKatalog/Catalog%202016%20EN/HTML/index2016.html

http://www.frank-dvorak.at/ie2.pdf

http://www.skf.com/group/products/bearings-units-housings/ball-bearings/deep-groove-ball-bearings/single-row-deep-groove-ball-bearings/single-row/index.html?designation=E2.6306-2Z



http://www.skf.com/group/products/seals/industrial-seals/power-transmission-seals/radial-shaft-seals-pt/index.html?designation=28x52x7%20HMSA10%20V




52

[12] Haberkorn, Dosegljivo: https://shop.haberkorn.si/sl/izbor/vijacne-

zveze/podlozke-varnostni-elementi/varovalni-obroci-in-plocevine/17059


[13] Haberkorn, Dosegljivo: https://shop.haberkorn.si/?s=E16945


[14] J. Flašker, S. Pehan. Prenosniki moči. Maribor: Fakulteta za strojništvo, 2005

12 PRILOGE

Priloga 1: Delavniška risba srednje cevi (enojni stožčasti nased)

Priloga 2: Delavniška risba sprednje prirobnice

Priloga 3: Delavniška risba zadnje prirobnice

Priloga 4: Delavniška risba stožčasti nased – pesto

Priloga 5: Delavniška risba stožčasti nased – puša

Priloga 6: Delavniška risba srednje cevi (dvojni stožčasti nased)

Priloga 7: Delavniška risba stožčasti nased – štrcelj

Priloga 8: Delavniška risba stožčasti nased cev

Priloga 9: Delavniška risba podložke

Priloga 10: Delavniška risba srednje cevi (votla gred)

Priloga 11: Delavniška risba votle gredi

https://shop.haberkorn.si/sl/izbor/vijacne-zveze/podlozke-varnostni-elementi/varovalni-obroci-in-plocevine/17059

https://shop.haberkorn.si/sl/izbor/vijacne-zveze/podlozke-varnostni-elementi/varovalni-obroci-in-plocevine/17059

https://shop.haberkorn.si/?s=E16945

Documents

MODULARNA VGRADNJA STANDARDNEGA ELEKTROMOTORJA …core.ac.uk/download/pdf/67608351.pdf · MODULARITY DESIGN OF STANDARD ELEKTROMOTORS FOR GEAR UNITS Key words: gear unit, electric