Pavaros velenas: apibrėžimas, veikimo principas ir tipai

Pavaros velenas: išsamus apibrėžimas, veikimo principai, tipai ir konstrukcinės ypatybės — stiprumas, svoris, balansavimas bei praktiniai panaudojimo pavyzdžiai.

Pavaros velenas, varantysis velenas, varomasis velenas, sraigtinis velenas arba kardaninis velenas - tai mašinos dalis, kuri iš variklio ar variklio perduoda energiją į vietą, kurioje galima atlikti naudingą darbą. Pavaros velenai gali būti įvairaus ilgio, skersmens ir formos: viengubi arba daugiasičiai, kieti arba tuščiaviduriai, su sąjungomis (pvz., universaliniais arba homokinetiniais sujungimais). Pagrindinė jų užduotis – saugiai ir efektyviai pernešti sukimo momentą bei sukimąsi iš jėgos šaltinio iki apkrovos arba perduodamosios mechanikos (pvz., reduktoriaus, rato, turbinų ar įrankių velenų).

Dauguma variklių ar variklių sukuria galią kaip sukimo momentą, nes priverčia ką nors suktis. Tai gali būti vidaus degimo variklis (kaip automobilyje), vanduo, sukantis vandens ratą, arba dujos ar vanduo, tekantis per turbiną. Ši besisukanti galia vadinama sukimo momentu. Sukamas krovinys sukelia sukimo ir šlyties įtempius. Pavaros velenai turi būti pakankamai tvirti, kad atlaikytų šį įtempį. Lengvas pavaros velenas efektyviau perduos galią apkrovai, todėl reikia išlaikyti pusiausvyrą tarp stiprumo ir svorio.

Veikimo principas

Pavaros velenas perduoda sukimo momentą iš energijos šaltinio (variklio, turbinos, elektros variklio) iki darbiniės dalies. Svarbūs principai:

• Sukimo momentas ir galia: galia yra sukimo momento ir kampinio greičio sandauga (Galia = sukimo momentas × kampinis greitis). Velenas turi atlaikyti tiek pastovius, tiek impulsinius krūvius.
• Torsinė standumas: mažesnė elastingumo deformacija reiškia tiksliau perduotą judesį ir mažiau vėlinimo tarp ašių.
• Bendroji geometrija: ilgi, ploni velenai gali lenktis arba viršyti kritinį greitį (dykinimas), todėl projektavime atsižvelgiama į kritinį sukimosi dažnį ir balansavimą.
• Sujungimai: kai ašys nėra tiesios, naudojami universaliniai (kardaniniai) arba homokinetiniai (kompensuojantys kampą) sujungimai.

Tipai

• Tiesioginis (kietas) velenas: vienas tvirtas strypas – paprastas ir stiprus, bet sunkiau suderinti ilgų atstumų atveju, kai reikia išmontavimo ar kompensacijos.
• Tuščiaviduris velenas: lengvesnis ir dažnai naudojamas automobiliuose bei pramonėje, kad sumažintų inerciją ir masę, tuo pačiu išlaikant atsparumą.
• Kardaninis (prop) velenas: ilgi velenai su universaliniais mazgais, naudojami automobiliuose, laivuose ir pramoniniuose agregatuose perduoti sukimosi judesį išilgai atstumo bei kompensuoti kampinę ir ašies išlygiuotę.
• Sraigtinis (varžtinis) velenas: velenai su sraigtinėmis briaunomis arba naudojami su sraigtinėmis perdavimo pavara (pvz., sraigtinis krumpliaratis); dažnai reiškia veleną, perduodantį jėgą per sraigtinę sandarą.
• Daugiasegmentiniai / su slankiojančiu jungtimi: leidžia kompensuoti ilgio kitimus ir judesius (pvz., slystantys žiedai žemės ūkio PTO kardanuose).
• Specialūs velenai: pavarų dėžių išėjimo velenai, smulkūs velenai įrankių staklėse, jūrų propelerio velenai, elektros variklio velenai ir kt.

Jungtys ir transmisijos elementai

Dažniausiai pavaros velenai nėra visiškai tiesiogiai sujungti; naudojamos papildomos dalys:

• Universaliniai sankabos (kardaniniai sąnariai): leidžia perduoti sukimosi judesį tarp nelygių ašių kampų, bet gali sukelti greičio kintamumą, jei naudojami vieni.
• Homokinetiniai sujungimai (CV-joints): užtikrina tolygų variklio greitį kampiniame posvyrio kampu, dažnai naudojami automobilių priešrato ir pavarų velenų priekinėse ašyse.
• Splainai, raktai, apkabos: mechaniniai elementai, kuriais velenai prisitvirtina prie krumpliaračių, sankabų ar reduktorių.

Medžiagos ir gamyba

Paparastai velenai gaminami iš plieno (legiruoto arba nelegiruoto), kartais iš aliuminio arba kompozitų (tuščiaviduriuose ar aukštų reikalavimų taikymuose) siekiant sumažinti masę ir inerciškumą. Dažnai taikomos terminės ir paviršiaus apdirbimo procedūros (karštasis ar šalutinis grūdinimas, nitridinimas, šlifavimas) siekiant pagerinti atsparumą dilimui ir nuovargiui. Balansavimas gamybos etape yra būtinas, kad būtų išvengta vibracijų eksploatacijos metu.

Priežiūra ir dažniausios gedimų priežastys

• Gedimų priežastys: nuovargis, per didelė apkrova, netinkamas balansavimas, alyvos trūkumas sujungimuose, korozija arba mechaninis smūgis.
• Simptomai: vibracija, triukšmas, perteklinis šilumos kaupimasis prie jungčių, tepimo patekimo ženklai arba netyčinis veleno paviršiaus pažeidimas.
• Priežiūra: reguliarus vizualinis patikrinimas, tepimas (kur taikoma), sujungimų stebėjimas, balansavimo tikrinimas po remonto ir išvengti per didelių kampinių išlygiavimų.

Parinkimo kriterijai

Renkantis pavaros veleną, svarbu įvertinti: perdavimo sukimo momentą, darbinius greičius, veleno ilgį, kampinius poslinkius, temperatūros ir aplinkos sąlygas, medžiagų atsparumą bei galimybę atlikti techninę priežiūrą. Gerai parinktas velenas užtikrina ilgą eksploatacijos laiką, mažesnes vibracijas ir didesnį perdavimo efektyvumą.

Apibendrinant: pavaros velenas yra esminė mechaninė grandis, leidžianti saugiai bei patikimai perduoti sukimo momentą tarp sistemų. Tinkamas projektavimas, medžiagų pasirinkimas ir priežiūra yra būtini, kad velenas ilgai tarnautų be gedimų.

Automobiliai

Daugumoje dabartinių automobilių variklis energiją iš variklio į ratus perduoda varomaisiais velenais. Dauguma šiandien gaminamų automobilių varomi priekiniais ratais (priekiniai ratai turi galią automobiliui judėti). Šiuo atveju varantieji velenai yra tarp tarpinio veleno ir kiekvieno priekinio rato.

Galiniais ratais varomuose automobiliuose tarp diferencialo ir kiekvieno galinio rato yra pavaros velenai. Be to, nuo transmisijos priekyje iki diferencialo gale per visą automobilio ilgį eina varantysis velenas - britų anglų kalboje jis vadinamas ne varančiuoju velenu, o sraigtiniu velenu, arba propeleriniu velenu, o varantieji velenai gali būti vadinami pusiniais velenais (nes vieną ašį sudaro du velenai).

Automobiliuose naudojami įvairių tipų varantieji velenai:

• 1 vnt. pavaros velenas
• 2 dalių varantysis velenas
• Slydimo vamzdžio pavaros velenas

Slydimo vamzdžio pavaros velenas yra naujo tipo, kuris padeda absorbuoti energiją avarijos metu ir apsaugo automobilyje ar sunkvežimyje esančius žmones. Jis taip pat vadinamas sulankstomuoju varančiuoju velenu.

Sunkvežimio dvigubo sraigto velenas

Motociklų varomieji velenai

Varantieji velenai motocikluose naudojami beveik nuo tada, kai atsirado motociklai. Daugelyje motociklų vietoj jų naudojama paprastesnė grandininė arba diržinė pavara, tačiau varančiuosius velenus reikia mažiau prižiūrėti ir jie ilgai tarnauja. Problema naudojant varančiuosius velenus motocikluose yra ta, kad norint pasukti galią 90° kampu nuo veleno į galinį ratą, reikia krumpliaračio, todėl prarandama dalis galios.

1913 m. FN (Fabrique Nationale), Belgija, keturi cilindrai ir veleno pavara

Traktoriai

Žemės ūkio traktoriuose naudojamas tam tikro tipo varantysis velenas, vadinamas galios perdavimo velenu arba kardaniniu velenu. Tai velenas, išeinantis iš traktoriaus galinės dalies. Jį galima prijungti prie bet kokios žemės ūkio įrangos, kuriai reikia traktoriaus variklio galios, pavyzdžiui, šieno preso ar kukurūzų smulkintuvo. Tai leidžia traktorių naudoti įvairiais tikslais, o žemės ūkio įrangai nereikia atskiro variklio - taip sutaupoma pinigų.

Senas John Deere traktorius su kardaniniu velenu po apsauginiu dangteliu

Dviračių varantieji velenai

Varantysis velenas taip pat gali būti naudojamas dviračiuose vietoj grandininės pavaros. Jie buvo naudojami praėjusį šimtmetį, nors niekada netapo labai populiarūs. Naudojant dviračiuose, varantysis velenas turi keletą privalumų ir trūkumų:

Privalumai

• Mažesnė tikimybė, kad pavaros sistema užstrigs ar nutrūks - dažna grandine varomų dviračių problema.
• Ant važiuojančiojo nėra tepalo, o grandinė nespaudžia drabužių.
• Reikia mažiau atsargumo nei grandininės sistemos atveju, kai varantysis velenas yra uždarytas vamzdyje, o tai yra įprastas būdas.
• Nuoseklesnis veikimas. "Dynamic Bicycles" teigia, kad dviračio su varančiuoju velenu efektyvumas nuolat siekia 94 %, o grandine varomo dviračio efektyvumas, priklausomai nuo būklės, gali siekti 75-97 %.
• Daugiau vietos virš žemės (prošvaisa), kad būtų galima įveikti nelygumus ar kliūtis.
• Dviračių nuomos bendrovėms mažiau tikėtina, kad dviratis su varančiuoju velenu bus pavogtas, nes jis akivaizdžiai atrodo kitaip. Šio tipo dviračiai naudojami keliuose didžiuosiuose Europos miestuose, kuriuose buvo vykdomi dideli miestų dviračių nuomos ar dalijimosi jais projektai.

Trūkumai

• Pavaros veleno sistema sveria daugiau nei grandininė sistema, paprastai 1-2 svarais sunkesnė.
• Geriausios būklės grandinė užtikrina didesnį efektyvumą
• Kai kurias su grandinėmis susijusias problemas išsprendžia grandinės ir krumpliaračių uždengimas metaliniu arba plastikiniu dangteliu.
• Neįmanoma naudoti lengvų pavarų su dideliu perdavimų skaičiumi, nors galima naudoti stebulines pavaras.
• Nuimti ratą gali būti sunku

 

Veleno varomas dviratis.

Klausimai ir atsakymai

K: Kas yra varomasis velenas?

K: Kaip varikliuose ar varikliuose sukuriama galia?

K: Kokie yra sukimosi galios šaltinių pavyzdžiai?

K: Kas yra sukimo ir šlyties įtempiai?

K: Kodėl varantieji velenai turi būti stiprūs?

K: Kokią pusiausvyrą reikia pasiekti projektuojant varančiuosius velenus?

K: Kaip lengvas varantysis velenas veikia galios perdavimo efektyvumą?

Paieška pagal raidę