Балансиране на карданния вал: Пълно ръководство

Представете си, че шофирате камион и изведнъж усещате силна вибрация или чувате силно тракане при ускорение или смяна на предавки. Това е повече от просто неудобство - може да е признак за небалансиран карданен вал. За инженерите и техниците подобни вибрации и шумове показват загуба на ефективност, ускорено износване на компонентите и потенциално скъпоструващ престой, ако не се вземат мерки.

В това изчерпателно ръководство предлагаме практически решения за проблеми с балансирането на карданния вал. Ще научите какво представлява карданният вал и защо е необходимо балансиране, ще разпознаете често срещаните неизправности, които причиняват вибрации или шум, и ще следвате ясен стъпка по стъпка процес за динамично балансиране на карданния вал. Прилагайки тези най-добри практики, можете да спестите пари от ремонти, да намалите времето за отстраняване на неизправности и да гарантирате, че вашата машина или превозно средство работи надеждно с минимални вибрации.

Съдържание

• 1. Видове задвижващи валове
• 2. Неизправности на карданното задвижване
• 3. Балансиране на задвижващия вал
• 4. Съвременни балансиращи машини за задвижващи валове
• 5. Подготовка за балансиране на задвижващия вал
• 6. Процедура за балансиране на задвижващия вал
• 7. Препоръчителни класове на точност на балансиране за твърди ротори

1. Видове задвижващи валове

Карданното задвижване (карданният вал) е механизъм, който предава въртящ момент между валове, чиито оси се пресичат в центъра на карданния шарнир и могат да се движат един спрямо друг под ъгъл. В превозното средство карданният вал предава въртящия момент от скоростната кутия (или раздатъчната кутия) към задвижваните оси при класическа конфигурация или конфигурация със задвижване на всички колела. При превозните средства със задвижване на всички колела карданният шарнир обикновено свързва изходящия вал на скоростната кутия със задвижващия вал на раздатъчната кутия, а изходящите валове на раздатъчната кутия — със задвижващите валове на главните предавки на задвижваните оси.

Агрегатите, монтирани върху рамата (като скоростната кутия и разпределителната кутия), могат да се движат един спрямо друг поради деформацията на опорите им и самата рама. Междувременно, задвижващите оси са закрепени към рамата чрез окачването и могат да се движат спрямо рамата и монтираните върху нея агрегати поради деформацията на еластичните елементи на окачването. Това движение може да промени не само ъглите на карданните валове, свързващи агрегатите, но и разстоянието между тях.

The universal joint drive has a significant disadvantage: the non-uniform rotation of the shafts. If one shaft rotates uniformly, the other does not, and this non-uniformity increases with the angle between the shafts. This limitation prevents the use of a universal joint drive in many applications, such as in the transmission of front-wheel-drive vehicles, where the main issue is transmitting torque to the turning wheels. This disadvantage can be partially compensated by using two universal joints on one shaft, set to equal joint angles (γ1 = γ2) with the yokes at both ends of the intermediate shaft in the same plane (in phase). Yokes phased 90° apart do not cancel the fluctuation — they add to it. However, in applications requiring uniform rotation, constant velocity joints (CV joints) are typically used instead. CV joints are a more advanced but also more complex design serving the same purpose.

Задвижванията с универсални шарнири могат да се състоят от един или повече универсални шарнири, свързани с карданни валове и междинни опори.

Фигура 1. Схема на карданно задвижване: 1, 4, 6 — задвижващи валове; 2, 5 — карданни шарнири; 3 — компенсаторна връзка; u1, u2 — ъгли между валовете

Като цяло, задвижването на карданния шарнир се състои от карданови шарнири 2 и 5, карданни валове 1, 4 и 6 и компенсираща връзка 3. Понякога карданният вал е монтиран върху междинна опора, прикрепена към напречната греда на рамата на превозното средство. Карданните шарнири осигуряват предаването на въртящ момент между валове, чиито оси се пресичат под ъгъл. Карданните шарнири се разделят на шарнири с неравномерна и постоянна скорост. Шарнирите с неравномерна скорост се класифицират допълнително на еластични и твърди. Шарнирите с постоянна скорост могат да бъдат сферични с разделителни канали, сферични с разделителен лост и гърбични. Те обикновено се монтират в задвижването на водещите управлявани колела, където ъгълът между валовете може да достигне 45°, а центърът на карданния шарнир трябва да съвпада с точката на пресичане на осите на въртене на колелото и неговата ос на завъртане.

Elastic universal joints transmit torque between shafts with intersecting axes at an angle of 2...3° due to the elastic deformation of the connecting elements. A rigid non-uniform velocity joint transmits torque from one shaft to another through the movable connection of rigid parts. It consists of two yokes – 3 and 5, into the cylindrical holes of which the ends A, B, C, and D of the connecting element – the cross 4, are installed on bearings. The yokes are rigidly connected to shafts 1 and 2. Yoke 5 can rotate around axis B–D of the cross and at the same time, along with the cross, rotate around axis A–C, thereby enabling the transmission of rotation from one shaft to another with a changing angle between them.

Фигура 2. Схема на твърдо универсално съединение с неравномерна скорост

If shaft 1 rotates around its axis by an angle α, then shaft 2 will rotate by an angle β over the same period. The relationship between the rotation angles of shafts 1 and 2 is determined by the expression tanα = tanβ * cosγ, where γ is the angle at which the axes of the shafts are positioned. This expression indicates that the angle β is sometimes less than, equal to, or greater than angle α. Equality of these angles occurs every 90° of rotation of shaft 1. Therefore, with uniform rotation of shaft 1, the angular velocity of shaft 2 is non-uniform and varies according to a sinusoidal law. The non-uniformity of shaft 2's rotation becomes more significant as the angle γ between the shaft axes increases.

Ако неравномерното въртене на вала 2 се предаде на валовете на агрегатите, при предаването ще възникнат допълнителни пулсиращи натоварвания, които се увеличават с ъгъла γ. За да се предотврати предаването на неравномерното въртене на вала 2 на валовете на агрегатите, в задвижването с универсален шарнир се използват два универсални шарнира. Те се монтират така, че ъглите γ1 и γ2 да са равни; вилките на универсалните шарнири, закрепени върху неравномерно въртящия се вал 4, трябва да са разположени в една и съща равнина.

Конструкцията на основните части на задвижванията на карданните шарнири е показана на Фигура 3. Карданният шарнир с неравномерна скорост се състои от две вилки (1), свързани с кръст (3). Едната от вилките понякога има фланец, докато другата е заварена към тръбата на карданния вал или има шлицов край (6) (или втулка) за свързване към карданния вал. Цапфите на кръста са монтирани в ушите на двете вилки върху иглени лагери (7). Всеки лагер е поместен в корпус (2) и е закрепен в ухото на вилка с капачка, която е закрепена към вилка с два болта, заключени с езичета на шайбата. В някои случаи лагерите са закрепени в вилките с пружинни пръстени. За да се запази смазката в лагера и да се предпази от вода и замърсявания, има гумено самозатягащо се уплътнение. Вътрешната кухина на кръста е запълнена с грес през гресьорка, която достига до лагерите. Кръстът обикновено има предпазен клапан, който предпазва уплътнението от повреда поради налягането на греста, изпомпвана в кръста. Шлицовата връзка (6) се смазва с помощта на гресьорката (5).

Фигура 3. Детайли на твърдо универсално съединение с неравномерна скорост

The maximum angle between the axes of shafts connected by rigid non-uniform velocity universal joints usually does not exceed 20°, as efficiency significantly decreases at larger angles. If the angle between the shaft axes varies within 0...2°, the trunnions of the cross are deformed by the needle bearings, causing the universal joint to fail quickly.

В трансмисиите на високоскоростни верижни машини често се използват универсални шарнири с типове зъбни съединители, които позволяват предаването на въртящ момент между валове с оси, пресичащи се под ъгли до 1,5...2°.

Задвижващите валове обикновено се изработват от тръби, като се използват специални стоманени безшевни или заварени тръби. Към тръбите се заваряват яките на универсалните шарнири, шлицовите втулки или накрайниците. За да се намалят напречните натоварвания, действащи върху задвижващия вал, динамичното балансиране се извършва при сглобени универсални шарнири. Дисбалансът се коригира чрез заваряване на балансиращи плочи към задвижващия вал или понякога чрез монтиране на балансиращи плочи под капачките на лагерите на универсалните шарнири. Относителното положение на частите на шлицовото съединение след сглобяването и балансирането на задвижването на универсалния шарнир в завода обикновено се отбелязва със специални етикети.

Компенсаторното съединение на задвижването на универсалния шарнир обикновено е под формата на шлицово съединение, което позволява аксиално движение на частите на задвижването на универсалния шарнир. Тя се състои от шлицовиден накрайник, който се поставя в шлицовата втулка на задвижването на универсалния шарнир. Смазката се въвежда в шлицовото съединение чрез смазочен фитинг или се нанася по време на монтажа и се сменя след продължителна експлоатация на превозното средство. Обикновено се монтират уплътнение и капак, за да се предотврати изтичане на смазка и замърсяване.

При дълги задвижващи валове обикновено се използват междинни опори при задвижвания с универсални шарнири. Междинната опора обикновено се състои от конзола, закрепена с болтове към напречния елемент на рамата на автомобила, в която е монтиран сачмен лагер в гумен еластичен пръстен. Лагерът е уплътнен от двете страни с капачки и има смазочно устройство. Еластичният гумен пръстен помага да се компенсират неточностите при монтажа и несъосността на лагера, които могат да възникнат поради деформации на рамата.

Универсалният шарнир с иглени лагери (фигура 4а) се състои от съединители, кръст, иглени лагери и уплътнения. Чашките с иглени лагери се монтират върху триъгълниците на кръста и се уплътняват с уплътнения. Чашките се закрепват в хомовете със скрепителни пръстени или капачки, закрепени с винтове. Универсалните шарнири се смазват чрез грес-фитинги през вътрешни отвори в кръста. Използва се предпазен клапан за премахване на излишното налягане на маслото в шарнира. По време на равномерното въртене на задвижващия хомот, задвижваният хомот се върти неравномерно: той напредва и изостава от задвижващия хомот два пъти на оборот. За да се елиминира неравномерното въртене и да се намалят инерционните натоварвания, се използват два универсални шарнира.

В задвижването на предните задвижващи колела са монтирани универсални шарнири с постоянна скорост. Задвижването с постоянни скоростни шарнири на автомобилите ГАЗ-66 и ЗИЛ-131 се състои от шарнири 2, 5 (фигура 4б), четири топки 7 и централна топка 8. Задвижващата шарнирна връзка 2 е неразделна част от вътрешния вал на моста, докато задвижващата шарнирна връзка е изкована заедно с външния вал на моста, в края на който е закрепена главината на колелото. Задвижващият момент от ходовата част 2 към ходовата част 5 се предава чрез топките 7, които се движат по кръгли канали в ходовете. Централната сачма 8 служи за центриране на хомовете и се държи на място чрез шпилки 3, 4. Честотата на въртене на хомовете 2 и 5 е една и съща поради симетрията на механизма спрямо хомовете. Промяната на дължината на вала се осигурява от свободните шлицови връзки на яките с вала.

Фигура 4. Универсални шарнири: а - универсален шарнир: 1 - капачка; 2 - чашка; 3 - иглен лагер; 4 - уплътнение; 5, 9 - хомот; 6 - предпазен клапан; 7 - кръст; 8 - смазка; 10 - винт; б - универсален шарнир с постоянна скорост: 1 - вътрешен ос; 2 - задвижващ хомот; 3, 4 - шпилки; 5 - задвижван хомот; 6 - външен ос; 7 - сачми; 8 - централна сачма

2. Неизправности на карданното задвижване

Неизправностите в задвижването на универсалните шарнири обикновено се проявяват като резки удари в универсалните шарнири, които се появяват по време на движение на автомобила, особено при превключване между предавките и внезапно увеличаване на скоростта на коляновия вал на двигателя (например при преминаване от спиране към ускоряване). Признак за неизправност на универсалния шарнир може да бъде нагряването му до висока температура (над 100°C). Това се случва поради значителното износване на втулките и куплунзите на универсалната шарнирна връзка, иглените лагери, кръстовищата и шлицовите връзки, което води до разминаване на универсалната шарнирна връзка и значителни ударни осови натоварвания върху иглените лагери. Повредите на корковите уплътнения на кръста на универсалния шарнир водят до бързо износване на цапфата и нейния лагер.

По време на техническото обслужване задвижването на кардана се проверява чрез рязко завъртане на задвижващия вал с ръка в двете посоки. Степента на свободно въртене на вала определя износването на универсалните шарнири и шлицовите връзки. На всеки 8-10 хил. км се проверява състоянието на болтовите връзки на фланците на задвижващия вал на скоростната кутия и задвижващия вал на главното предаване с фланците на крайните универсални шарнири и закрепването на междинната опора на задвижващия вал. Проверява се също така състоянието на гумените ботуши на шлицовите връзки и на корковите уплътнения на кръстосаните универсални шарнири. Всички закрепващи болтове трябва да бъдат напълно затегнати (момент на затягане 8-10 kgf-m).

Игловите лагери на универсалните шарнири се смазват с течно масло, използвано за трансмисиите; шлицовите съединения в повечето превозни средства се смазват с грес (US-1, US-2, 1-13 и др.); използването на грес за смазване на игловите лагери е строго забранено. В някои превозни средства шлицовите връзки се смазват с трансмисионно масло. Междинният опорен лагер, монтиран в гумена втулка, на практика не се нуждае от смазване, тъй като е смазан по време на монтажа в завода. При превозното средство ZIL-130 опорният лагер се смазва с грес през напорен фитинг по време на редовната поддръжка (на всеки 1100-1700 км).

Фигура 5. Задвижване на универсалния шарнир: 1 - фланец за закрепване на задвижващия вал; 2 - кръст на универсалния шарнир; 3 - ярем на универсалния шарнир; 4 - плъзгащ се ярем; 5 - тръба на задвижващия вал; 6 - иглен ролкови лагер със затворен край

Задвижването с универсален шарнир се състои от два универсални шарнира с иглени лагери, свързани с кух вал, и плъзгащ се ярем с еволвентни шлици. За да се осигури надеждна защита от замърсяване и да се осигури добро смазване на шлицовото съединение, плъзгащият се ярем (6), свързан с вторичния вал (2) на скоростната кутия, е поставен в удължител (1), прикрепен към корпуса на скоростната кутия. Освен това това разположение на шлицовото съединение (извън зоната между шарнирите) значително увеличава твърдостта на универсалното шарнирно задвижване и намалява вероятността от вибрации на вала при износване на плъзгащото се шлицово съединение.

Задвижващият вал е изработен от тънкостенна електрозаварена тръба (8), в която два еднакви вилка (9) са пресовани от всеки край и след това са заварени чрез дъгово заваряване. Корпусите на иглените лагери (18) на кръстовището (25) са пресовани в ушите на вилките (9) и са закрепени с пружинни задържащи пръстени (20). Всеки лагер на карданния шарнир съдържа 22 игли (21). Щамповани капачки (24) са пресовани върху изпъкналите цапфи на кръстовището, в които са монтирани коркови пръстени (23). Лагерите се смазват с помощта на ъглова гресьорка (17), завинтена в резбован отвор в центъра на кръстовището, свързана с проходни канали в цапфите на кръстовището. От противоположната страна на кръстовището на карданния шарнир в центъра му е разположен предпазен клапан (16), предназначен да освобождава излишната грес при пълнене на кръстовището и лагерите и да предотвратява натрупването на налягане вътре в кръстовището по време на работа (клапанът се активира при налягане от около 3,5 kg/cm²). Необходимостта от включване на предпазен клапан се дължи на факта, че прекомерното повишаване на налягането вътре в кръста може да доведе до повреда (екструзия) на корковите уплътнения.

Фигура 6. Сглобяване на задвижващия вал: 1 - удължител на скоростната кутия; 2 - вторичен вал на скоростната кутия; 3 и 5 - дефлектори за мръсотия; 4 - гумени уплътнения; 6 - плъзгащо се яремно съединение; 7 - балансираща плоча; 8 - тръба на задвижващия вал; 9 - яремно съединение; 10 - фланцово яремно съединение; 11 - болт; 12 - фланец на задвижващия механизъм на задния мост; 13 - пружинна шайба; 14 - гайка; 15 - заден мост; 16 - предпазен клапан; 17 - ъглова гарнитура за смазване; 18 - иглен лагер; 19 - ухо на ярема; 20 - пружинен задържащ пръстен; 21 - игла; 22 - шайба с тороидален край; 23 - корков пръстен; 24 - щампована капачка; 25 - кръст

Задвижващият вал, сглобен с двата карданни шарнира, е внимателно динамично балансиран в двата края чрез заваряване на балансиращи пластини (7) към тръбата. Следователно, при разглобяване на вала, всички негови части трябва да бъдат внимателно маркирани, така че да могат да бъдат сглобени отново в първоначалните си позиции. Неспазването на тази инструкция нарушава баланса на вала, причинявайки вибрации, които могат да повредят трансмисията и каросерията на превозното средство. Ако отделни части се износят, особено ако тръбата се огъне поради удар и стане невъзможно динамичното балансиране на вала след сглобяването, целият вал трябва да се смени.

Възможни неизправности на задвижващия вал, причини за тях и решения

Причина за неизправността	Решение
Вибрации на задвижващия вал
1. Огъване на вала поради препятствие	1. Изправете и динамично балансирайте сглобения вал или сменете сглобения вал
2. Износване на лагерите и кръста	2. Сменете лагерите и кръстовете и динамично балансирайте сглобения вал.
3. Износване на удължителните втулки и плъзгащия се хомот	3. Заменете удължителя и плъзгащия се ярем и динамично балансирайте сглобения вал.
Чукане при стартиране и потегляне
1. Износване на шлицовете на плъзгащите се яки или на вала на вторичната скоростна кутия	1. Заменете износените части. При подмяна на плъзгащия се хомот динамично балансирайте сглобения вал.
2. Разхлабете болтовете, които закрепват яката на фланеца към фланеца на задвижващия механизъм на задния мост.	2. Затегнете болтовете
Изхвърляне на масло от уплътненията на универсалните шарнири
Износване на коркови пръстени в уплътнения на универсални шарнири	Заменете корковите пръстени, като запазвате относителното положение на всички части на задвижващия вал по време на повторното сглобяване. Ако има износване на кръстачките и лагерите, сменете лагерите и кръстачките и динамично балансирайте сглобения вал.

3. Балансиране на задвижващия вал

След ремонта и сглобяването на задвижващия вал той се балансира динамично на машина. Една конструкция на балансираща машина е показана на фигура 7. Машината се състои от плоча (18), рамка на махало (8), монтирана на четири вертикални еластични пръта (3), осигуряващи колебанието му в хоризонтална равнина. Върху надлъжните тръби на рамката на махалото (8) са монтирани конзола и предна стойка (9), закрепени върху конзола (4). Задната стойка (6) е разположена върху подвижна траверса (5), която позволява динамично балансиране на задвижващи валове с различна дължина. Шпинделите на главината са монтирани на прецизни сачмени лагери. Шпинделът на предния челник (9) се задвижва от електродвигател, монтиран в основата на машината, чрез задвижване с клиновиден ремък и междинен вал, на който е монтиран крайник (10) (градуиран диск). Освен това върху плочата на машината (18) са монтирани две стойки (15) с прибиращи се фиксиращи щифтове (17), които осигуряват фиксирането на предния и задния край на рамката на махалото в зависимост от балансирането на предния или задния край на задвижващия вал.

Фигура 7. Машина за динамично балансиране на задвижващи валове

1 - скоба; 2 - демпфери; 3 - еластичен прът; 4 - скоба; 5 - подвижна траверса; 6 - задна стойка; 7 - напречна греда; 8 - рамка на махалото; 9 - предна задвижваща стойка; 10 - диск; 11 - миливолтметър; 12 - вал на комутатора-изправител; 13 - магнитоелектрически сензор; 14 - фиксирана стойка; 15 - стойка на фиксатора; 16 - опора; 17 - фиксатор; 18 - опорна плоча

Неподвижните стойки (14) са монтирани в задната част на плочата на машината и върху тях са монтирани магнитоелектрически сензори (13), чиито пръти са свързани с краищата на рамката на махалото. За да се предотвратят резонансните вибрации на рамката, под конзолите (4) се монтират демпфери (2), напълнени с масло.

During dynamic balancing, the driveshaft assembly with the sliding yoke is installed and secured on the machine. One end of the driveshaft is connected by a flange-yoke to the flange of the front driving headstock, and the other end by the support neck of the sliding yoke to the splined sleeve of the rear headstock. Then the ease of rotation of the driveshaft is checked, and one end of the machine's pendulum frame is fixed using the fixator. After starting the machine, the limb of the rectifier is rotated counterclockwise, bringing the millivoltmeter needle to its maximum reading. The millivoltmeter reading corresponds to the magnitude of the imbalance. The millivoltmeter scale is graduated in gram-centimeters or grams of counterweight. Continuing to rotate the rectifier limb counterclockwise, the millivoltmeter reading is brought to zero, and the machine is stopped. Based on the rectifier limb reading, the angular displacement (angle of imbalance displacement) is determined, and by manually rotating the driveshaft, this value is set on the intermediate shaft limb. The welding place of the balancing plate will be on the top of the driveshaft, and the weighted part at the bottom in the correction plane. Then the balancing plate is attached and tied with thin wire at a distance of 10 mm from the weld, the machine is started, and the balance of the driveshaft end with the plate is checked. The imbalance should be no more than 70 g·cm (700 g·mm). Then, releasing one end and securing the other end of the pendulum frame with the fixator stand, dynamic balancing of the other end of the driveshaft is performed according to the technological sequence described above.

Задвижващите валове имат някои балансиращи функции. При повечето части основата за динамично балансиране са опорните шийки (например ротори на електродвигатели, турбини, шпиндели, колянови валове и т.н.), но при задвижващите валове това са фланците. По време на сглобяването неизбежно се появяват пропуски в различните връзки, които водят до дисбаланс. Ако по време на балансирането не може да се постигне минимален дисбаланс, валът се отхвърля. Точността на балансирането се влияе от следните фактори:

• Пропуск във връзката между лентата за приземяване на фланеца на задвижващия вал и вътрешния отвор на притискащия фланец на лявата и дясната опорни главини;
• Радиално и крайно биене на базовите повърхности на фланеца;
• Пролуки в шарнирните и шлицовите съединения. Наличието на грес в кухината на шлицовото съединение може да доведе до „плаващ“ дисбаланс. Ако това пречи на постигането на необходимата точност на балансиране, карданният вал се балансира без грес.

Някои дисбаланси могат да бъдат напълно непоправими. Ако се наблюдава повишено триене в универсалните шарнири на задвижващия вал, взаимното влияние на равнините за корекция се увеличава. Това води до намаляване на ефективността и точността на балансирането.

Съгласно OST 37.001.053-74 са установени следните стандарти за дисбаланс: карданните валове с две съединения (двуопорни) се балансират динамично, а с три (триопорни) - сглобени с междинната опора; фланците (вилките) на карданните валове и съединителите с тегло над 5 кг се балансират статично преди сглобяването на вала или съединителя; нормите за остатъчен дисбаланс за карданните валове на всеки край или на междинната опора на трисъчленени карданни валове се оценяват чрез специфичен дисбаланс;

Максимално допустимата специфична норма на остатъчен дисбаланс във всеки край на вала или на междинната опора, както и за тришарнирни карданови валове във всяко положение на балансиращия стенд, не трябва да надвишава: за трансмисии на леки автомобили и камиони с малка товароносимост (до 1 т) и много малки автобуси – 6 г-см/кг, за останалите – 10 г-см/кг. Максимално допустимата норма на остатъчен дисбаланс на карданния вал или тришарнирния карданов вал трябва да се осигури на балансиращия стенд при честота на въртене, съответстваща на честотите им в трансмисията при максималната скорост на превозното средство.

Note: OST 37.001.053-74 is a Soviet automotive-industry standard from 1974 and is quoted here as a historical reference. In modern terms, 6 g·cm/kg at 3,000 rpm corresponds to about G 19 and 10 g·cm/kg to about G 31 — the OST requirement sits between G 16 and G 40, consistent with the ISO 21940-11 (formerly ISO 1940-1) grades for drive shafts. Specify new work in ISO 21940-11 grades.

За карданови валове и тришарнирни карданови валове на камиони с товароносимост 4 т и повече, малки и големи автобуси, е разрешено намаляване на честотата на въртене на балансиращия стенд до 70% от честотата на въртене на трансмисионните валове при максималната скорост на превозното средство. Съгласно OST 37.001.053-74, честотата на въртене на балансиращите карданови валове трябва да бъде равна на:

n_b = (0,7 ... 1,0) n_r,

където n_b – честота на балансиране на въртене (трябва да съответства на основните технически данни на стенда, n=3000 min-1^-1); n_r – максимална работна честота на въртене, мин^-1.

На практика, поради разстоянието между съединенията и шлицовите връзки, задвижващият вал не може да бъде балансиран при препоръчаната честота на въртене. В този случай се избира друга честота на въртене, при която той се балансира.

4. Съвременни балансиращи машини за задвижващи валове

Фигура 8. Балансираща машина за задвижващи валове с дължина до 2 метра и тегло до 500 кг

Моделът има 2 стойки и позволява балансиране в 2 равнини на корекция.

Фигура 9. Балансираща машина за задвижващи валове с дължина до 4200 mm и тегло до 400 kg

Моделът има 4 стойки и позволява балансиране в 4 равнини на корекция едновременно.

Фигура 10. Хоризонтална машина за балансиране на твърди лагери за динамично балансиране на задвижващи валове

1 – Balancing item (driveshaft); 2 – Machine base; 3 – Machine supports; 4 – Machine drive; The structural elements of the machine supports are shown in Figure 11.

Фигура 11. Опорни елементи на машината за динамично балансиране на задвижващи валове

1 - Лява нерегулируема опора; 2 - Междинна регулируема опора (2 бр.); 3 - Дясна нерегулируема неподвижна опора; 4 - Дръжка за заключване на рамката на опората; 5 - Подвижна платформа на опората; 6 - Гайка за вертикално регулиране на опората; 7 - Дръжки за заключване на вертикалното положение; 8 - Скоба за притискане на опората; 9 - Подвижна скоба за междинния лагер; 10 - Дръжка за заключване на скобата; 11 - Заключване на скобата за притискане; 12 - Задвижващ (водещ) шпиндел за монтаж на елемента; 13 - Задвижващ шпиндел

5. Подготовка за балансиране на задвижващия вал

По-долу ще разгледаме настройката на опорите на машината и монтирането на балансиращия елемент (задвижващ вал с четири опори) върху опорите на машината.

Фигура 12. Монтиране на преходни фланци върху шпинделите на балансиращата машина

Фигура 13. Монтаж на задвижващия вал върху опорите на балансиращата машина

Фигура 14. Хоризонтално нивелиране на задвижващия вал върху опорите на балансиращата машина с помощта на балонния нивелир

Фигура 15. Закрепване на междинните опори на балансиращата машина за предотвратяване на вертикалното изместване на задвижващия вал

Завъртете изделието ръчно за един пълен оборот. Уверете се, че той се върти свободно и не се заклещва в опорите. След това механичната част на машината е настроена и монтажът на елемента е завършен.

6. Процедура за балансиране на задвижващия вал

Which kit do I need? A two-support machine correcting in two planes (Figure 8) needs the two-channel Balanset-1A. A four-support machine correcting in four planes simultaneously (Figure 9, and the procedure below) needs the four-channel Balanset-4A. The measurement and calculation workflow is identical; only the channel count differs. The procedure below is described for a four-plane setup, while the software screenshots show the same workflow on the two-plane Balanset-1A — on the Balanset-4A the same screens simply add planes 3 and 4.

The process of driveshaft balancing on the balancing machine will be considered using the Balanset-4A measuring system as an example. The Balanset-4A is a portable balancing kit designed for balancing in one, two, three, and four correction planes of rotors, either rotating in their own bearings or mounted on a balancing machine. The device includes up to four vibration sensors, a phase angle sensor, a four-channel measuring unit, and a portable computer.

The entire balancing process, including measurement, processing, and display of information on the magnitude and location of corrective weights, is performed automatically and does not require the user to have additional skills and knowledge beyond the provided instructions. The results of all balancing operations are saved in the Balancing Archive and can be printed as reports if necessary. In addition to balancing, the Balanset-4A can also be used as a regular vibro-tachometer, allowing measurement on four channels of the root mean square (RMS) value of total vibration, RMS of the rotational component of vibration, and control of rotor rotation frequency.

Освен това устройството позволява да се показват графики на функцията на времето и спектъра на вибрациите по скорост на вибрациите, които могат да бъдат полезни за оценка на техническото състояние на балансираната машина.

Figure 16. External View of the Balanset-4A Device for Use as a Measuring and Computing System of the Driveshaft Balancing Machine

Figure 17. Example of Using the Balanset-4A Device as a Measuring and Computing System of the Driveshaft Balancing Machine

Figure 18. Main window of the Balanset software: F1 - About, F5 - Vibration Meter, F7 - Balancing, F8 - Charts, F6 - Reports

The Balanset-4A device is supplied with vibration sensors. The sensors are accelerometer-based; the software integrates their signal and displays vibration velocity in mm/s RMS.

Figure 19. Installation of Balanset-4A Vibration Sensors on the Supports of the Balancing Machine

The direction of the sensors' sensitivity axis should match the direction of the support's vibration displacement, in this case – horizontal. For additional information on sensor installation, see BALANCING ROTORS IN OPERATING CONDITIONS.

1. Монтирайте сензорите за вибрации 1, 2, 3 и 4 върху опорите на балансиращата машина.
2. Свържете сензорите за вибрации към съединителите X1, X2, X3, X4.
3. Монтирайте сензора за фазов ъгъл (лазерен тахометър) 5 така, че номиналната междина между радиалната (или крайната) повърхност на балансирания ротор и корпуса на сензора да е в диапазона от 10 до 300 mm.
4. Залепете върху повърхността на ротора знак от светлоотразителна лента с ширина най-малко 10-15 mm.
5. Свържете сензора за фазов ъгъл към съединителя X5.
6. Свържете измервателния модул към USB порта на компютъра.
7. Когато използвате мрежово захранване, свържете компютъра към захранващия блок.
8. Свържете захранващия блок към мрежа с напрежение 220 V, 50 Hz.
9. Turn on the computer and start the Balanset software.
10. Open the balancing workspace with the “F7 - Balancing” button and set the required number of correction planes in the “Plane count” field, so that vibration is measured simultaneously by the vibration sensors connected to the inputs of the measuring unit.
11. A mnemonic diagram illustrating the connection of the sensors and the measuring unit appears on the computer display, as shown in Figure 18.

Преди да извършите балансиране, се препоръчва да направите измервания в режим на виброметър (бутон F5).

Figure 20. Vibration Meter mode (F5): total vibration V1s, V2s and rotational components V1o, V2o with phases F1, F2, displayed as vibration velocity in mm/s RMS

Ако общата величина на вибрациите V1s (V2s) приблизително съвпада с величината на ротационния компонент V1o (V2o), може да се предположи, че основният принос към вибрациите на механизма се дължи на дисбаланса на ротора. Ако общата величина на вибрациите V1s (V2s) значително надвишава ротационния компонент V1o (V2o), се препоръчва да се инспектира механизмът – да се провери състоянието на лагерите, да се осигури сигурно закрепване към основата, да се провери дали роторът не докосва неподвижни части по време на въртене и да се вземе предвид влиянието на вибрациите от други механизми и др.

Studying the time function graphs and vibration spectra in the charts mode (“F8 - Charts”, the “F5-Spectrum (Hz)” tab) can be useful here.

Фигура 21. Графики на функцията на времето и спектъра на вибрациите

Графиката показва при кои честоти нивата на вибрации са най-високи. Ако тези честоти се различават от честотата на въртене на ротора на балансирания механизъм, е необходимо да се идентифицират източниците на тези вибрационни компоненти и да се вземат мерки за тяхното отстраняване преди балансиране.

Reading the spectrum of a driveshaft: 1x is unbalance, 2x may be the joint itself. A dominant peak at the rotational frequency (1x) points to unbalance — this is what balancing removes. A dominant peak at twice the rotational frequency (2x), especially together with strong axial vibration, points to the joint angles, worn crosses or splines, or несъосност: a universal (cardan) joint working at an angle γ makes the driven yoke lead and lag twice per revolution, so it produces a 2x component even when the shaft is perfectly balanced. Balancing will not remove it — equalise the joint angles (γ1 = γ2) and check the joints first. In the charts mode (“F8 - Charts”) the “F5-Spectrum (Hz)” tab shows the spectrum and the “F3-1x vibration” tab the rotational component; at 3000 min^-1 1x = 50 Hz and 2x = 100 Hz.

Важно е също така да се обърне внимание на стабилността на показанията в режим на виброметър - амплитудата и фазата на вибрациите не трябва да се променят с повече от 10-15% по време на измерването. В противен случай механизмът може да работи в близост до резонансна област. В този случай трябва да се регулира скоростта на ротора.

When performing four-plane balancing of a new rotor, five calibration runs and at least one trim run (Run T) of the balanced machine are required. Vibration measurement during the first machine run without a trial weight is performed as Run 0 in the balancing workspace. Subsequent runs are performed with a trial weight, sequentially installed on the driveshaft in each correction plane (in the area of each balancing machine support).

Преди всяко следващо пускане трябва да се предприемат следните стъпки:

• Спрете въртенето на ротора на балансираната машина.
• Отстранете предварително монтираната пробна тежест.
• Монтирайте пробното тегло в следващата равнина.

Figure 22. Balancing workspace (“F7 - Balancing”) during a measurement run: Run 0 - Initial, trial-mass runs Run 1 and Run 2, and the trim run Run T

След завършване на всяко измерване, резултатите от честотата на въртене на ротора (N_ob), както и ефективните стойности (V_o1, V_o2, V_o3, V_o4) и фазите (F₁, F₂, F₃, F₄) of the vibration at the rotational frequency of the balanced rotor are saved in the corresponding fields in the program window. After the fifth run (Weight in Plane 4), the balancing results with the polar plot (see Figure 23) appear, displaying the calculated values of the masses (M₁, M₂, M₃, M₄) и ъглите на монтаж (f₁, f₂, f₃, f₄) на коригиращите тежести, които трябва да се монтират на ротора в четири равнини, за да се компенсира дисбалансът му.

Figure 23. Polar plot of the balancing result: calculated correction masses and angles for each plane, measured from the trial weight position in the direction of rotation

Внимание! След завършване на процеса на измерване по време на петия цикъл на балансираната машина е необходимо да спрете въртенето на ротора и да премахнете предварително монтираната пробна тежест. Едва след това можете да продължите с монтирането (или премахването) на коригиращите тежести върху ротора.

Ъгловото положение за добавяне (или премахване) на коригиращата тежест върху ротора в полярната координатна система се измерва от мястото на инсталиране на пробната тежест. Посоката на измерване на ъгъла съвпада с посоката на въртене на ротора. В случай на балансиране с лопатки, лопатката на балансирания ротор, условно считана за първа лопатка, съвпада с мястото на инсталиране на пробната тежест. Посоката на номериране на лопатките, показана на дисплея на компютъра, следва посоката на въртене на ротора.

In this version of the program, it is assumed by default that the corrective weight will be added to the rotor. This is indicated by the mark set in the “Add mass” field. If correcting the imbalance by removing the weight (e.g., by drilling) is necessary, set the mark in the “Remove mass” field using the mouse, after which the angular position of the corrective weight will automatically change by 180 degrees.

After installing the corrective weights on the balanced rotor, carry out the trim run (Run T) to check the effectiveness of the balancing operation. After completing the trim run, the results of the rotor's rotation frequency (N_ob) и ефективните стойности (V_o1, V_o2, V_o3, V_o4) и фази (F₁, F₂, F₃, F₄) of the vibration at the rotational frequency of the balanced rotor are saved. Simultaneously, the balancing results (see Figure 23) are updated, displaying the calculated parameters of additional corrective weights that need to be installed (or removed) on the rotor to compensate for its residual imbalance. Additionally, this workspace shows the values of the residual imbalance achieved after balancing. If the values of residual vibration and/or residual imbalance of the balanced rotor meet the tolerance requirements specified in the technical documentation, the balancing process can be completed. Otherwise, the balancing process can be continued. This method allows for correcting possible errors through successive approximations that may occur when installing (removing) the corrective weight on the balanced rotor.

If the balancing process continues, additional corrective weights must be installed (or removed) on the balanced rotor according to the calculated parameters shown in the balancing results.

The rotor balancing coefficients (dynamic influence coefficients) calculated from the results of the five calibration runs are saved in the computer's memory and can be reused with the “Load Coefficients” function when balancing rotors of the same type.

7. Препоръчителни класове на точност на балансиране за твърди ротори

The grades below are the balance quality grades G of ISO 1940-1, superseded without change of values by ISO 21940-11:2016. The grade is defined as G = e_на·Ω, where e_на is the permissible specific residual unbalance (g·mm/kg = µm) and Ω = 2πn/60 is the service angular velocity (rad/s). The permissible residual unbalance follows as U_на = 9549·G·M/n [g·mm], split between the correction planes. See our ISO 1940-1 glossary entry.

The default grade for a road-vehicle driveshaft is G 40; G 16 applies when the drawing or the OEM specification calls for special requirements. Note that residual unbalance and vibration are separate acceptance criteria: the vibration of the assembled machine is assessed to ISO 20816 (formerly ISO 10816) — see our ISO 10816-1 glossary entry.

The G-grade table applies to rigid rotors only — rotors whose service speed stays below roughly 0.5…0.7 of the first bending critical speed. Long driveshafts (2 m and above, and any shaft with an intermediate support) can approach that limit: check the shaft's first critical speed against both the service speed and the balancing speed. If the shaft is flexible at speed, use a modal / multi-speed procedure (ISO 21940-12) — a two-plane rigid-rotor correction will not hold.

Таблица 2. Препоръчителни класове на точност на балансиране за твърди ротори.

Видове машини (ротори)	Клас на точност на балансиране	Balance quality grade G = eна·Ω, mm/s
Задвижващи колянови валове (конструктивно небалансирани) за големи нискооборотни корабни дизелови двигатели (скорост на буталото по-малка от 9 m/s)	G 4000	4000
Задвижващи колянови валове (структурно балансирани) за големи нискооборотни корабни дизелови двигатели (скорост на буталото по-малка от 9 m/s)	G 1600	1600
Задвижващи колянови валове (конструктивно небалансирани) върху виброизолатори	G 630	630
Задвижващи колянови валове (конструктивно небалансирани) върху твърди опори	G 250	250
Бутални двигатели, сглобени за пътнически автомобили, камиони и локомотиви	G 100	100
Задвижващи колянови валове (структурно балансирани) върху виброизолатори	G 40	40
Car wheels, wheel rims, wheel sets, drive shafts (cardan shafts)	G 40	40
Селскостопански машини	G 16	16
Задвижващи колянови валове (балансирани) върху твърди опори	G 16	16
Дробилки	G 16	16
Drive shafts (propeller / cardan shafts) with special requirements	G 16	16
Газови турбини за самолети	G 6.3	6.3
Центрофуги (сепаратори, утаители)	G 6.3	6.3
Електрически двигатели и генератори (с височина на вала най-малко 80 mm) с максимална номинална скорост на въртене до 950 min-1	G 6.3	6.3
Електрически двигатели с височина на вала по-малка от 80 mm	G 6.3	6.3
Вентилатори	G 6.3	6.3
Зъбни задвижвания	G 6.3	6.3
Машини с общо предназначение	G 6.3	6.3
Машини за рязане на метал	G 6.3	6.3
Машини за производство на хартия	G 6.3	6.3
Помпи	G 6.3	6.3
Турбокомпресори	G 6.3	6.3
Водни турбини	G 6.3	6.3
Компресори	G 6.3	6.3
Компютърно управлявани задвижвания	G 2.5	2.5
Електрически двигатели и генератори (с височина на вала най-малко 80 mm) с максимална номинална скорост на въртене над 950 min-1	G 2.5	2.5
Газови и парни турбини	G 2.5	2.5
Задвижвания на машини за рязане на метал	G 2.5	2.5
Текстилни машини	G 2.5	2.5
Задвижвания на аудио и видео оборудване	G 1	1
Задвижвания на шлифовъчни машини	G 1	1
Шпиндели и задвижвания на високопрецизно оборудване	G 0,4	0.4

Често задавани въпроси относно балансирането на карданния вал

Какво е балансиране на карданния вал?

Балансирането на карданния вал е процес на коригиране на дисбаланс на масата в него, така че той да се върти плавно, без да причинява вибрации. Това включва измерване на мястото, където валът е по-тежък от едната страна, и след това добавяне или премахване на малки количества тежест (например, заваряване на балансиращи тежести), за да се противодейства на този дисбаланс. Балансираният карданен вал работи равномерно, което предотвратява прекомерните вибрации и износването на компонентите на превозното средство.

Защо балансирането на карданния вал е важно?

Небалансираният карданен вал може да доведе до силни вибрации, особено при определени скорости, и може да причини тракащи шумове по време на ускорение или превключване на предавките. С течение на времето тези вибрации могат да повредят лагерите, карданните шарнири и други компоненти на задвижването. Балансирането на карданния вал елиминира тези вибрации, осигурявайки по-плавно возене, намалявайки натоварването на частите и предотвратявайки скъпоструващи повреди или престой.

Какви са често срещаните симптоми на небалансиран карданен вал?

Типичните симптоми на небалансиран или дефектен карданен вал включват забележими вибрации или трептене в пода или седалката на автомобила, особено с увеличаване на скоростта. Може също да чуете чукащи или тракащи звуци при превключване на предавки или по време на ускорение и забавяне. В някои случаи карданният шарнир може да прегрее поради дисбаланс. Ако наблюдавате тези признаци, вероятно карданният вал се нуждае от балансиране или ремонт.

Как се балансира карданен вал?

Drive shaft balancing is usually done using a specialized balancing machine. The drive shaft is mounted and spun at high speed while sensors detect any imbalance. A technician then attaches small weights to the drive shaft (or removes material) at specific positions based on the machine's readings. This process is repeated until the drive shaft rotates without significant vibration. Modern systems like the Balanset-4A can guide this process and calculate exactly where and how much weight to add for precise balancing.

Заключение

В заключение, правилното балансиране на карданния вал е от съществено значение за безопасността, производителността и спестяването на разходи. By detecting and correcting imbalance, you prevent unnecessary wear on parts, avoid damaging breakdowns, and maintain optimal machine performance. Modern balancing systems like our Balanset-1A and Balanset-4A devices make the process efficient, helping even small workshops achieve professional results.

Ако се сблъсквате с постоянни вибрации на карданния вал или се нуждаете от надеждно решение за балансиране, не се колебайте да действате. Приложете стъпките, описани в това ръководство, или се консултирайте с нашите експерти за помощ. С правилния подход и оборудване можете да си осигурите безпроблемна и надеждна работа на вашия карданов вал в продължение на години. Свържете се с нас за да научите повече или да разгледате най-доброто оборудване за балансиране на карданния вал за вашите нужди.