Vyvažování hnací hřídele: Komplexní průvodce

Představte si, že řídíte nákladní auto a při akceleraci nebo řazení najednou ucítíte silné vibrace nebo slyšíte hlasité klepání. To je víc než jen nepříjemnost – může to být známka nevyváženého hnací hřídele. Pro inženýry a techniky takové vibrace a zvuky naznačují ztrátu účinnosti, zrychlené opotřebení součástí a potenciálně nákladné prostoje, pokud se jim nevěnuje pozornost.

V této komplexní příručce nabízíme praktická řešení problémů s vyvážením hnací hřídele. Dozvíte se, co je hnací hřídel a proč je potřeba jej vyvažovat, rozpoznáte běžné poruchy, které způsobují vibrace nebo hluk, a budete se řídit jasným a podrobným postupem dynamického vyvažování hnací hřídele. Uplatňováním těchto osvědčených postupů můžete ušetřit peníze za opravy, zkrátit dobu řešení problémů a zajistit, aby váš stroj nebo vozidlo fungovalo spolehlivě s minimálními vibracemi.

Obsah

• 1. Typy hnacích hřídelí
• 2. Poruchy univerzálního hnacího kloubu
• 3. Vyvažování hnacího hřídele
• 4. Moderní vyvažovací stroje pro hnací hřídele
• 5. Příprava na vyvažování hnacího hřídele
• 6. Postup vyvažování hnacího hřídele
• 7. Doporučené třídy přesnosti vyvažování pro tuhé rotory

1. Typy hnacích hřídelí

Pohon univerzálního kloubu (hnací hřídel) je mechanismus, který přenáší točivý moment mezi hřídelemi, které se protínají ve středu univerzálního kloubu a mohou se vůči sobě pohybovat pod úhlem. Ve vozidle přenáší hnací hřídel točivý moment z převodovky (nebo převodové skříně) na hnané nápravy v případě klasické konfigurace nebo konfigurace s pohonem všech kol. U vozidel s pohonem všech kol univerzální kloub obvykle spojuje hnací hřídel převodovky s hnacím hřídelem převodové skříně a hnací hřídele převodové skříně s hnacími hřídeli hlavních pohonů poháněných náprav.

Jednotky namontované na rámu (například převodovka a rozdělovací převodovka) se mohou vůči sobě navzájem pohybovat v důsledku deformace svých podpěr a samotného rámu. Hnací nápravy jsou k rámu připevněny prostřednictvím zavěšení a mohou se pohybovat vzhledem k rámu a jednotkám na něm namontovaným v důsledku deformace pružných prvků zavěšení. Tento pohyb může měnit nejen úhly hnacích hřídelí spojujících jednotky, ale také vzdálenost mezi jednotkami.

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.

Univerzální kloubové pohony se mohou skládat z jednoho nebo více univerzálních kloubů spojených hnacími hřídeli a mezikusy.

Obrázek 1. Schéma pohonu univerzálního kloubu: 1, 4, 6 - hnací hřídele; 2, 5 - univerzální klouby; 3 - kompenzační spojení; u1, u2 - úhly mezi hřídeli.

Pohon univerzálním kloubem se obecně skládá z univerzálních kloubů 2 a 5, hnacích hřídelí 1, 4 a 6 a kompenzačního spojení 3. Někdy je hnací hřídel instalován na mezilehlé podpěře připevněné k příčníku rámu vozidla. Univerzální klouby zajišťují přenos točivého momentu mezi hřídeli, jejichž osy se protínají pod úhlem. Univerzální klouby se dělí na klouby s nerovnoměrnou a konstantní rychlostí. Klouby s nerovnoměrnou rychlostí se dále dělí na elastické a tuhé. Klouby s konstantní rychlostí mohou být kulové s dělicími drážkami, kulové s dělicí pákou a vačkové. Obvykle se instalují v pohonu předních řízených kol, kde úhel mezi hřídeli může dosáhnout 45° a střed univerzálního kloubu se musí shodovat s průsečíkem os otáčení kola a jeho osy otáčení.

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.

Obrázek 2. Schéma tuhého univerzálního kloubu s nerovnoměrnou rychlostí

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.

Pokud se nerovnoměrné otáčení hřídele 2 přenáší na hřídele jednotek, dochází v převodu k dodatečnému pulzujícímu zatížení, které se zvětšuje s úhlem γ. Aby se zabránilo přenosu nerovnoměrného otáčení hřídele 2 na hřídele jednotek, jsou v pohonu s univerzálním kloubem použity dva univerzální klouby. Instalují se tak, aby úhly γ1 a γ2 byly stejné; vidlice univerzálních kloubů, upevněné na nestejnoměrně se otáčejícím hřídeli 4, by měly být umístěny ve stejné rovině.

Konstrukce hlavních částí pohonů univerzálních kloubů je znázorněna na obrázku 3. Univerzální kloub s nerovnoměrnou rychlostí se skládá ze dvou třmenů (1) spojených křížem (3). Jeden z třmenů má někdy přírubu, zatímco druhý je přivařen k trubce hnací hřídele nebo má drážkovaný konec (6) (nebo pouzdro) pro spojení s hnací hřídelí. Čepy kříže jsou instalovány v okech obou třmenů na jehlových ložiscích (7). Každé ložisko je uloženo v pouzdře (2) a drženo v oku třmenu pomocí víčka, které je k třmenu připevněno dvěma šrouby zajištěnými jazýčky na podložce. V některých případech jsou ložiska v třmech zajištěna pojistnými kroužky. Pro udržení maziva v ložisku a jeho ochranu před vodou a nečistotami je zde pryžové samoutahovací těsnění. Vnitřní dutina kříže je naplněna mazivem přes maznici, která dosahuje k ložiskům. Kříž má obvykle pojistný ventil, který chrání těsnění před poškozením v důsledku tlaku maziva čerpaného do kříže. Drážkovaný spoj (6) se maže mazací hlavicí (5).

Obrázek 3. Detaily tuhého univerzálního kloubu s nerovnoměrnou rychlostí

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.

V převodovkách vysokorychlostních pásových vozidel se často používají univerzální klouby s ozubenými spojkami, které umožňují přenos točivého momentu mezi hřídeli s osami protínajícími se v úhlech až 1,5...2°.

Hnací hřídele se obvykle vyrábějí jako trubkové, ze speciálních ocelových bezešvých nebo svařovaných trubek. K trubkám jsou přivařeny třmeny univerzálních kloubů, drážkovaná pouzdra nebo hroty. Pro snížení příčných zatížení působících na hnací hřídel se provádí dynamické vyvažování se smontovanými univerzálními klouby. Nevyváženost se koriguje přivařením vyvažovacích desek k hnacímu hřídeli nebo někdy instalací vyvažovacích desek pod ložiskové čepičky univerzálních kloubů. Vzájemná poloha dílů drážkového spojení po montáži a vyvážení pohonu univerzálního kloubu ve výrobním závodě je obvykle označena speciálními štítky.

Kompenzační spojení pohonu univerzálního kloubu je obvykle provedeno ve formě drážkového spojení, které umožňuje axiální pohyb částí pohonu univerzálního kloubu. Skládá se z drážkovaného hrotu, který zapadá do drážkovaného pouzdra pohonu univerzálního kloubu. Mazivo se do drážkového spoje zavádí přes mazací šroubení nebo se aplikuje při montáži a po delším používání vozidla se vymění. Obvykle se instaluje těsnění a kryt, aby se zabránilo úniku maziva a jeho znečištění.

U dlouhých hnacích hřídelí se u kloubových pohonů obvykle používají mezikusy. Mezipodpěra se obvykle skládá z držáku přišroubovaného k příčníku rámu vozidla, v němž je v pryžovém pružném kroužku uloženo kuličkové ložisko. Ložisko je na obou stranách utěsněno krytkami a má mazací zařízení. Pružný pryžový kroužek pomáhá vyrovnávat nepřesnosti montáže a nesouosost ložisek, k nimž může dojít v důsledku deformací rámu.

Univerzální kloub s jehlovými ložisky (obrázek 4a) se skládá z třmenů, kříže, jehlových ložisek a těsnění. Na čepy kříže se nasadí misky s jehlovými ložisky a utěsní se těsněním. Kelímky jsou v třmenech zajištěny pojistnými kroužky nebo krytkami upevněnými šrouby. Univerzální klouby jsou mazány přes mazací šroubení prostřednictvím vnitřních vrtů v kříži. K eliminaci nadměrného tlaku oleje v kloubu se používá pojistný ventil. Při rovnoměrném otáčení hnacího třmenu se hnaný třmen otáčí nerovnoměrně: dvakrát za otáčku postupuje a dvakrát zaostává za hnacím třmenem. K odstranění nerovnoměrného otáčení a snížení setrvačných zatížení se používají dva univerzální klouby.

V pohonu předních hnacích kol jsou instalovány klouby s konstantní rychlostí. Pohon kloubů s konstantní rychlostí u vozidel GAZ-66 a ZIL-131 se skládá z třmenů 2, 5 (obrázek 4b), čtyř koulí 7 a centrální koule 8. Hnací třmen 2 je integrálně spojen s vnitřním hřídelem nápravy, zatímco hnací třmen je kován společně s vnějším hřídelem nápravy, na jehož konci je upevněn náboj kola. Hnací moment se z třmenu 2 na třmen 5 přenáší prostřednictvím kuliček 7, které se pohybují po kruhových drážkách v třmenech. Středová kulička 8 slouží k vystředění třmenů a je držena na místě čepy 3, 4. Frekvence otáčení třmenů 2, 5 je díky symetrii mechanismu vůči třmenům stejná. Změna délky hřídele je zajištěna volnými drážkovými spoji třmenů s hřídelí.

Obrázek 4. Univerzální klouby: a - univerzální kloub: 1 - víčko; 2 - kalíšek; 3 - jehlové ložisko; 4 - těsnění; 5, 9 - třmeny; 6 - pojistný ventil; 7 - kříž; 8 - maznice; 10 - šroub; b - univerzální kloub s konstantní rychlostí: 1 - vnitřní hřídel nápravy; 2 - hnací třmen; 3, 4 - čepy; 5 - hnaný třmen; 6 - vnější hřídel nápravy; 7 - kuličky; 8 - centrální kulička.

2. Poruchy univerzálního hnacího kloubu

Poruchy univerzálních kloubů se obvykle projevují jako prudké rázy v univerzálních kloubech, které se objevují za jízdy, zejména při řazení mezi rychlostními stupni a při náhlém zvýšení otáček klikového hřídele motoru (například při přechodu z brzdění motorem na zrychlování). Příznakem poruchy univerzálního kloubu může být jeho zahřátí na vysokou teplotu (nad 100 °C). K tomu dochází v důsledku značného opotřebení pouzder a čepů univerzálního kloubu, jehlových ložisek, křížů a drážkových spojů, což má za následek nesouosost univerzálního kloubu a značné rázové axiální zatížení jehlových ložisek. Poškození korkových těsnění kříže univerzálního kloubu vede k rychlému opotřebení čepu a jeho ložiska.

Při údržbě se pohon kloubu kontroluje prudkým ručním otáčením hnacího hřídele v obou směrech. Stupeň volného otáčení hřídele určuje opotřebení univerzálních kloubů a drážkových spojů. Každých 8-10 tisíc kilometrů se kontroluje stav šroubových spojů přírub hnacího hřídele převodovky a hnacího hřídele hlavního převodového ústrojí s přírubami koncových kloubů a upevnění mezikusu hnacího hřídele. Kontroluje se také stav pryžových botek na drážkových spojích a korkových těsnění křížového kloubu. Všechny upevňovací šrouby musí být plně dotaženy (utahovací moment 8-10 kgf-m).

Jehlová ložiska univerzálních kloubů se mažou tekutým olejem používaným pro převodovky; drážkové spoje ve většině vozidel se mažou plastickými mazivy (US-1, US-2, 1-13 atd.); použití plastického maziva k mazání jehlových ložisek je přísně zakázáno. V některých vozidlech jsou drážkové spoje mazány převodovým olejem. Mezilehlé opěrné ložisko, uložené v pryžovém pouzdře, prakticky nevyžaduje mazání, protože je mazáno při montáži ve výrobě. U vozidla ZIL-130 se nosné ložisko maže tukem přes tlakovou armaturu při pravidelné údržbě (každých 1100-1700 km).

Obrázek 5. Pohon univerzálního kloubu: 1 - příruba pro upevnění hnacího hřídele; 2 - kříž univerzálního kloubu; 3 - třmen univerzálního kloubu; 4 - posuvný třmen; 5 - trubka hnacího hřídele; 6 - jehlové ložisko s uzavřeným koncem.

Kloubový pohon se skládá ze dvou kloubů s jehlovými ložisky, spojených dutým hřídelem, a posuvného třmenu s evolventním drážkováním. Aby byla zajištěna spolehlivá ochrana před znečištěním a dobré mazání drážkového spoje, je kluzný třmen (6), připojený k sekundárnímu hřídeli (2) převodovky, umístěn v nástavci (1) připevněném ke skříni převodovky. Toto umístění drážkového spoje (mimo zónu mezi klouby) navíc výrazně zvyšuje tuhost pohonu univerzálního kloubu a snižuje pravděpodobnost vibrací hřídele při opotřebení kluzného drážkového spoje.

Hnací hřídel je vyrobena z tenkostěnné elektricky svařované trubky (8), do které jsou na obou koncích nalisovány dva identické třmeny (9) a následně svařeny obloukovým svařováním. Pouzdra jehlových ložisek (18) kříže (25) jsou nalisována do ok třmenů (9) a jsou zajištěna pružnými pojistnými kroužky (20). Každé ložisko univerzálního kloubu obsahuje 22 jehel (21). Na vyčnívající čepy křížů jsou nalisovány lisované krytky (24), do kterých jsou instalovány korkové kroužky (23). Ložiska se mažou pomocí úhlové maznice (17) zašroubované do závitového otvoru ve středu kříže, který je připojen k průchozím kanálům v čepech kříže. Na opačné straně kříže univerzálního kloubu je v jeho středu umístěn pojistný ventil (16), který je určen k uvolnění přebytečného maziva při plnění kříže a ložisek a k zabránění hromadění tlaku uvnitř kříže během provozu (ventil se aktivuje při tlaku asi 3,5 kg/cm²). Nutnost použití pojistného ventilu je dána skutečností, že nadměrný nárůst tlaku uvnitř kříže může vést k poškození (vytlačení) korkových těsnění.

Obrázek 6. Montáž hnacího hřídele: 1 - nástavec převodovky; 2 - sekundární hřídel převodovky; 3 a 5 - deflektory nečistot; 4 - pryžová těsnění; 6 - posuvný třmen; 7 - vyvažovací deska; 8 - trubka hnacího hřídele; 9 - třmen; 10 - přírubový třmen; 11 - šroub; 12 - příruba hnacího kola zadní nápravy; 13 - pružná podložka; 14 - matice; 15 - zadní náprava; 16 - pojistný ventil; 17 - úhlové mazací šroubení; 18 - jehlové ložisko; 19 - oko třmenu; 20 - pojistný kroužek pružiny; 21 - jehla; 22 - podložka s toroidním koncem; 23 - korkový kroužek; 24 - vyražená čepička; 25 - kříž.

Hnací hřídel, smontovaný s oběma univerzálními klouby, je na obou koncích pečlivě dynamicky vyvážen přivařením vyvažovacích desek (7) k trubce. Proto je nutné při demontáži hřídele všechny její části pečlivě označit, aby je bylo možné znovu smontovat do původní polohy. Nedodržení tohoto pokynu naruší vyvážení hřídele a způsobí vibrace, které mohou poškodit převodovku a karoserii vozidla. Pokud se jednotlivé části opotřebují, zejména pokud se trubka ohne v důsledku nárazu a po montáži není možné hřídel dynamicky vyvážit, je nutné vyměnit celou hřídel.

Možné poruchy hnacího hřídele, jejich příčiny a řešení

Příčina poruchy	Řešení
Vibrace hnacího hřídele
1. Ohyb hřídele v důsledku překážky	1. Vyrovnejte a dynamicky vyvažte sestavený hřídel nebo vyměňte sestavený hřídel.
2. Opotřebení ložisek a křížů	2. Vyměňte ložiska a kříže a dynamicky vyvažte smontovaný hřídel.
3. Opotřebení výsuvných pouzder a kluzného třmenu	3. Vyměňte nástavec a posuvný třmen a dynamicky vyvažte smontovaný hřídel.
Klepání při rozjezdu a jízdě na volnoběh
1. Opotřebení drážek kluzného třmenu nebo hřídele sekundární převodovky	1. Vyměňte opotřebované díly. Při výměně posuvného třmenu dynamicky vyvážit smontovaný hřídel.
2. Uvolněné šrouby upevňující přírubový třmen k přírubě hnacího ozubeného kola zadní nápravy.	2. Utáhněte šrouby
Vyhazování oleje z těsnění univerzálního kloubu
Opotřebení korkových kroužků v těsnění univerzálního kloubu	Vyměňte korkové kroužky a při zpětné montáži zachovejte vzájemnou polohu všech částí hnacího hřídele. Pokud dojde k opotřebení křížů a ložisek, vyměňte ložiska a kříže a sestavený hřídel dynamicky vyvážit.

3. Vyvažování hnacího hřídele

Po opravě a montáži hnacího hřídele se hřídel dynamicky vyvažuje na stroji. Jedna konstrukce vyvažovacího stroje je znázorněna na obrázku 7. Stroj se skládá z desky (18), kyvadlového rámu (8) upevněného na čtyřech svislých pružných tyčích (3), které zajišťují jeho kmitání ve vodorovné rovině. Na podélných trubkách kyvadlového rámu (8) je namontována konzola a přední hlavice (9), upevněná na konzole (4). Zadní vřeteník (6) je na pohyblivé traverze (5), která umožňuje dynamické vyvažování hnacích hřídelí různých délek. Vřetena vřeteníku jsou uložena na přesných kuličkových ložiskách. Vřeteno předního vřeteníku (9) je poháněno elektromotorem instalovaným v základně stroje prostřednictvím pohonu klínovým řemenem a mezilehlého hřídele, na němž je namontován ukazatel (10) (odstupňovaný disk). Kromě toho jsou na desce stroje (18) instalovány dva stojany (15) s výsuvnými zajišťovacími čepy (17), které zajišťují fixaci předního a zadního konce rámu kyvadla v závislosti na vyvážení předního nebo zadního konce hnacího hřídele.

Obrázek 7. Stroj na dynamické vyvažování hnacích hřídelů

1-svorka; 2-tlumiče; 3-pružná tyč; 4-konzola; 5-pohyblivá traverza; 6-zadní vřeteník; 7-příčník; 8-rám kyvadla; 9-přední hnací vřeteník; 10-ukazatel se stupnicí; 11-milivoltmetr; 12-rameno komutátorového hřídele; 13-magnetoelektrický snímač; 14-pevný stojan; 15-fixační stojan; 16-držák; 17-fixátor; 18-deska podpěry

V zadní části desky stroje jsou namontovány pevné stojany (14) a na nich jsou instalovány magnetoelektrické snímače (13) s táhly připojenými ke koncům rámu kyvadla. Aby se zabránilo rezonančním vibracím rámu, jsou pod držáky (4) instalovány tlumiče (2) naplněné olejem.

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.

Hnací hřídele mají některé vyvažovací funkce. U většiny dílů jsou základem pro dynamické vyvažování nosná hrdla (např. rotory elektromotorů, turbíny, vřetena, klikové hřídele atd.), ale u hnacích hřídelí jsou to příruby. Při montáži vznikají v různých spojích nevyhnutelné mezery, které vedou k nevyváženosti. Pokud při vyvažování nelze dosáhnout minimální nevyváženosti, hřídel se vyřadí. Přesnost vyvažování je ovlivněna následujícími faktory:

• Mezera ve spojení mezi dosedacím pásem příruby hnacího hřídele a vnitřním otvorem upínací příruby levého a pravého podpěrného čela;
• Radiální a čelní házení základních ploch příruby;
• Mezery v kloubovém a drážkovaném spojení. Přítomnost maziva v dutině drážkovaného spojení může vést k „plovoucí“ nevyváženosti. Pokud brání dosažení požadované přesnosti vyvážení, hnací hřídel se vyvažuje bez maziva.

Některé nerovnováhy mohou být zcela neopravitelné. Pokud je v univerzálních kloubech hnacího hřídele pozorováno zvýšené tření, zvyšuje se vzájemný vliv korekčních rovin. To vede ke snížení výkonu a přesnosti vyvažování.

Podle OST 37.001.053-74 jsou stanoveny následující normy nevyváženosti: hnací hřídele se dvěma klouby (dvouopěrné) se vyvažují dynamicky a se třemi (tříopěrné) se montují s mezilehlou oporou; příruby (třmeny) hnací hřídele a spojky o hmotnosti nad 5 kg se před montáží hřídele nebo spojky staticky vyvažují; normy zbytkové nevyváženosti hnací hřídele na každém konci nebo na mezilehlé oporě tříkloubových hnací hřídelí se hodnotí specifickou nevyvážeností;

Maximální přípustná specifická norma zbytkové nevyváženosti na každém konci hřídele nebo na mezilehlé podpěře, jakož i u tříkloubových hnací hřídele v jakékoli poloze na vyvažovacím stolici, by neměla překročit: u převodovek osobních automobilů a malých nákladních vozidel (do 1 t) a velmi malých autobusů – 6 g-cm/kg, u ostatních – 10 g-cm/kg. Maximální přípustná norma zbytkové nevyváženosti hnací hřídele nebo tříkloubového hnací hřídele by měla být na vyvažovacím stolici zajištěna při frekvenci otáčení odpovídající jejich frekvencím v převodovce při maximální rychlosti vozidla.

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.

U hnacích hřídelí a tříkloubových hnacích hřídelí nákladních vozidel s nosností 4 t a více, malých i velkých autobusů je povoleno snížení frekvence otáčení na vyvažovacím stole na 70% frekvence otáčení převodových hřídelí při maximální rychlosti vozidla. Podle OST 37.001.053-74 by vyvažovací frekvence otáčení hnacích hřídelí měla být rovna:

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

kde n_b – vyvažovací frekvence otáčení (měla by odpovídat hlavním technickým údajům stolice, n=3000 min-1^-1); n_r – maximální pracovní frekvence otáčení, min^-1.

V praxi nelze hnací hřídel kvůli mezeře v kloubech a drážkovaným spojům vyvážit při doporučené frekvenci otáčení. V takovém případě se zvolí jiná frekvence otáčení, při které se vyvažuje.

4. Moderní vyvažovací stroje pro hnací hřídele

Obrázek 8. Vyvažovací stroj pro hnací hřídele o délce až 2 metry a hmotnosti až 500 kg

Model má 2 stojany a umožňuje vyvažování ve 2 korekčních rovinách.

Obrázek 9. Vyvažovací stroj pro hnací hřídele o délce až 4200 mm a hmotnosti až 400 kg

Model má 4 stojany a umožňuje vyvažování ve 4 korekčních rovinách současně.

Obrázek 10. Horizontální vyvažovací stroj s tvrdými ložisky pro dynamické vyvažování hnacích hřídelí

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.

Obrázek 11. Podpěrné prvky stroje pro dynamické vyvažování hnacích hřídelí

1 - Levá nenastavitelná podpěra; 2 - Střední nastavitelná podpěra (2 ks); 3 - Pravá nenastavitelná pevná podpěra; 4 - Rukojeť zámku rámu podpěry; 5 - Pohyblivá podpěrná plošina; 6 - Matice vertikálního nastavení podpěry; 7 - Rukojeti zámku vertikální polohy; 8 - Upínací konzola podpěry; 9 - Pohyblivá upínací konzola střední podpěry; 10 - Rukojeť zámku upínací konzoly; 11 - Zámek upínací konzoly; 12 - Hnací (vodicí) vřeteno pro instalaci položky; 13 - Poháněné vřeteno.

5. Příprava na vyvažování hnacího hřídele

Níže se budeme zabývat nastavením podpěr stroje a instalací vyvažovacího prvku (čtyřpodpěrný hnací hřídel) na podpěry stroje.

Obrázek 12. Instalace přechodových přírub na vřetena vyvažovacího stroje

Obrázek 13. Instalace hnacího hřídele na podpěry vyvažovacího stroje

Obrázek 14. Vodorovné vyrovnání hnacího hřídele na podpěrách vyvažovacího stroje pomocí bublinkové vodováhy

Obrázek 15. Upevnění mezilehlých podpěr vyvažovacího stroje, aby se zabránilo svislému posunu hnacího hřídele

Otáčejte položkou ručně o celou otáčku. Ujistěte se, že se otáčí volně a nezasekává se o podpěry. Poté je mechanická část stroje nastavena a instalace položky je dokončena.

6. Postup vyvažování hnacího hřídele

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.

Zařízení dále umožňuje zobrazovat grafy časové funkce a vibrační spektrum, které mohou být užitečné při posuzování technického stavu vyváženého stroje.

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. Na podpěry vyvažovacího stroje nainstalujte snímače vibrací 1, 2, 3, 4.
2. Připojte snímače vibrací ke konektorům X1, X2, X3, X4.
3. Snímač fázového úhlu (laserový otáčkoměr) 5 nainstalujte tak, aby jmenovitá mezera mezi radiálním (nebo koncovým) povrchem vyváženého rotoru a krytem snímače byla v rozmezí 10 až 300 mm.
4. Na povrch rotoru připevněte reflexní pásku o šířce nejméně 10-15 mm.
5. Připojte snímač fázového úhlu ke konektoru X5.
6. Připojte měřicí jednotku k portu USB počítače.
7. Při použití síťového napájení připojte počítač k napájecí jednotce.
8. Napájecí jednotku připojte k síti 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.

Před vyvážením se doporučuje provést měření v režimu vibrometru (tlačítko 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

Pokud celková velikost vibrací V1s (V2s) přibližně odpovídá velikosti rotační složky V1o (V2o), lze předpokládat, že hlavní příspěvek k vibracím mechanismu je způsoben nevyvážeností rotoru. Pokud celková velikost vibrací V1s (V2s) výrazně převyšuje rotační složku V1o (V2o), doporučuje se provést kontrolu mechanismu – zkontrolovat stav ložisek, zajistit bezpečné upevnění na základu, ověřit, zda se rotor během otáčení nedotýká pevných částí, a zvážit vliv vibrací z jiných mechanismů atd.

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

Obrázek 21. Grafy časové funkce a spektra vibrací

Graf ukazuje, na kterých frekvencích jsou úrovně vibrací nejvyšší. Pokud se tyto frekvence liší od rotační frekvence rotoru vyváženého mechanismu, je nutné před vyvážením identifikovat zdroje těchto vibračních složek a přijmout opatření k jejich odstranění.

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 nesouosost: 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.

Důležité je také věnovat pozornost stabilitě údajů v režimu vibrometru - amplituda a fáze vibrací by se během měření neměla změnit o více než 10-15%. V opačném případě by mechanismus mohl pracovat v blízkosti rezonanční oblasti. V takovém případě je třeba upravit otáčky rotoru.

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).

Před každým dalším spuštěním je třeba provést následující kroky:

• Zastavte otáčení rotoru vyváženého stroje.
• Odstraňte dříve nainstalované zkušební závaží.
• Zkušební závaží nainstalujte do další roviny.

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

Po dokončení každého měření se výsledky frekvence otáčení rotoru (N_ob), stejně jako efektivní hodnoty (V_o1, V_o2, V_o3, V_o4) a fáze (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) a montážní úhly (f₁, f₂, f₃, f₄) korekčních závaží, která je třeba instalovat na rotor ve čtyřech rovinách, aby se vyrovnala jeho nevyváženost.

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

Pozor! Po dokončení procesu měření během pátého běhu vyváženého stroje je nutné zastavit otáčení rotoru a odstranit dříve nainstalované zkušební závaží. Teprve poté můžete pokračovat s instalací (nebo demontáží) korekčních závaží na rotor.

Úhlová poloha pro přidání (nebo odebrání) korekčního závaží na rotoru v polárním souřadnicovém systému se měří od místa instalace zkušebního závaží. Směr měření úhlu se shoduje se směrem otáčení rotoru. V případě vyvažování lopatkami se lopatka vyváženého rotoru, podmíněně považovaná za 1. lopatku, shoduje s místem instalace zkušebního závaží. Směr číslování lopatek zobrazený na displeji počítače sleduje směr otáčení rotoru.

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) a efektivní hodnoty (V_o1, V_o2, V_o3, V_o4) a fáze (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. Doporučené třídy přesnosti vyvažování pro tuhé rotory

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_za·Ω, where e_za 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_za = 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.

Tabulka 2. Doporučené třídy přesnosti vyvažování pro tuhé rotory.

Typy strojů (rotory)	Třída přesnosti vyvažování	Balance quality grade G = eza·Ω, mm/s
Hnací klikové hřídele (konstrukčně nevyvážené) pro velké nízkootáčkové lodní vznětové motory (rychlost pístu menší než 9 m/s)	G 4000	4000
Hnací klikové hřídele (konstrukčně vyvážené) pro velké nízkootáčkové lodní vznětové motory (rychlost pístu menší než 9 m/s)	G 1600	1600
Hnací klikové hřídele (konstrukčně nevyvážené) na izolátorech vibrací	G 630	630
Hnací klikové hřídele (konstrukčně nevyvážené) na tuhých podpěrách	G 250	250
Pístové motory montované do osobních a nákladních automobilů a lokomotiv	G 100	100
Hnací klikové hřídele (konstrukčně vyvážené) na izolátorech vibrací	G 40	40
Car wheels, wheel rims, wheel sets, drive shafts (cardan shafts)	G 40	40
Zemědělské stroje	G 16	16
Hnací klikové hřídele (vyvážené) na pevných podpěrách	G 16	16
Drtiče	G 16	16
Drive shafts (propeller / cardan shafts) with special requirements	G 16	16
Plynové turbíny pro letadla	G 6,3	6.3
Odstředivky (separátory, usazovače)	G 6,3	6.3
Elektromotory a generátory (s výškou hřídele nejméně 80 mm) s maximální jmenovitou rychlostí otáčení až 950 min.-1	G 6,3	6.3
Elektromotory s výškou hřídele menší než 80 mm	G 6,3	6.3
Ventilátory	G 6,3	6.3
Převodové pohony	G 6,3	6.3
Stroje pro všeobecné použití	G 6,3	6.3
Stroje na řezání kovů	G 6,3	6.3
Stroje na výrobu papíru	G 6,3	6.3
Čerpadla	G 6,3	6.3
Turbodmychadla	G 6,3	6.3
Vodní turbíny	G 6,3	6.3
Kompresory	G 6,3	6.3
Počítačem řízené pohony	G 2,5	2.5
Elektromotory a generátory (s výškou hřídele nejméně 80 mm) s maximálními jmenovitými otáčkami nad 950 min.-1	G 2,5	2.5
Plynové a parní turbíny	G 2,5	2.5
Pohony řezacích strojů na kovy	G 2,5	2.5
Textilní stroje	G 2,5	2.5
Pohony audio a video zařízení	G 1	1
Pohony brusek	G 1	1
Vřetena a pohony vysoce přesných zařízení	G 0,4	0.4

Často kladené otázky o vyvažování hnací hřídele

Co je vyvážení hnací hřídele?

Vyvažování hnací hřídele je proces korekce jakékoli hmotnostní nerovnováhy v hnací hřídeli tak, aby se plynule otáčel bez vibrací. To zahrnuje měření, kde je hřídel na jedné straně těžší, a následné přidání nebo odebrání malého množství závaží (například přivařením vyvažovacích závaží), aby se tato nerovnováha vyrovnala. Vyvážená hnací hřídel má rovnoměrný chod, což zabraňuje nadměrným vibracím a opotřebení součástí vozidla.

Proč je důležité vyvažování hnací hřídele?

Nevyvážený hnací hřídel může vést k silným vibracím, zejména při určitých rychlostech, a může způsobovat klepavé zvuky při akceleraci nebo řazení. Postupem času mohou tyto vibrace poškodit ložiska, univerzální klouby a další součásti hnacího ústrojí. Vyvážení hnací hřídele tyto vibrace eliminuje, zajišťuje plynulejší jízdu, snižuje namáhání součástí a zabraňuje nákladným poškozením nebo prostojům.

Jaké jsou běžné příznaky nevyvážené hnací hřídele?

Mezi typické příznaky nevyváženého nebo vadného hnací hřídele patří znatelné vibrace nebo chvění v podlaze vozidla nebo na sedadle, zejména s rostoucí rychlostí. Při řazení nebo během zrychlování a zpomalování můžete také slyšet klepání nebo drnčení. V některých případech se může univerzální kloub přehřát v důsledku nevyváženosti. Pokud si těchto příznaků všimnete, je pravděpodobné, že hnací hřídel potřebuje vyvážení nebo opravu.

Jak se vyvažuje hnací hřídel?

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.

Závěr

Závěrem lze říci, že správné vyvážení hnací hřídele je nezbytné pro bezpečnost, výkon a úsporu nákladů. 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.

Pokud se potýkáte s přetrvávajícími vibracemi hnací hřídele nebo potřebujete spolehlivé řešení pro vyvážení, neváhejte jednat. Použijte kroky uvedené v této příručce nebo se poraďte s našimi odborníky. Se správným přístupem a vybavením si můžete zajistit, že vaše hnací hřídel bude fungovat hladce a spolehlivě po mnoho let. Kontaktujte nás dozvědět se více nebo prozkoumat nejlepší zařízení pro vyvažování hnací hřídele pro vaše potřeby.