Équilibrage de l'arbre de transmission : guide complet

Imaginez que vous conduisez un camion et que vous ressentez soudainement une forte vibration ou un bruit sourd lors de l'accélération ou du changement de vitesse. Plus qu'une simple nuisance, ce phénomène pourrait être le signe d'un arbre de transmission déséquilibré. Pour les ingénieurs et les techniciens, ces vibrations et bruits indiquent une perte d'efficacité, une usure accélérée des composants et des temps d'arrêt potentiellement coûteux s'ils ne sont pas corrigés.

Dans ce guide complet, nous proposons des solutions pratiques aux problèmes d'équilibrage des arbres de transmission. Vous apprendrez ce qu'est un arbre de transmission et pourquoi il doit être équilibré, vous reconnaîtrez les dysfonctionnements courants à l'origine de vibrations ou de bruits, et vous suivrez une procédure claire, étape par étape, pour l'équilibrage dynamique des arbres de transmission. En appliquant ces bonnes pratiques, vous économiserez sur les réparations, réduirez le temps de dépannage et garantirez le bon fonctionnement de votre machine ou de votre véhicule avec un minimum de vibrations.

Table des matières

• 1. Types d'arbres de transmission
• 2. Dysfonctionnements de l'entraînement du joint universel
• 3. Équilibrage de l'arbre de transmission
• 4. Machines modernes d'équilibrage des arbres de transmission
• 5. Préparation de l'équilibrage de l'arbre de transmission
• 6. Procédure d'équilibrage de l'arbre de transmission
• 7. Classes de précision d'équilibrage recommandées pour les rotors rigides

1. Types d'arbres de transmission

Un cardan (arbre de transmission) est un mécanisme qui transmet le couple entre des arbres dont les axes se croisent au centre du cardan et qui peuvent se déplacer l'un par rapport à l'autre selon un certain angle. Dans un véhicule, l'arbre de transmission transmet le couple de la boîte de vitesses (ou boîte de transfert) aux essieux entraînés dans le cas d'une configuration classique ou à transmission intégrale. Pour les véhicules à transmission intégrale, le joint universel relie généralement l'arbre de sortie de la boîte de vitesses à l'arbre d'entrée de la boîte de transfert, et les arbres de sortie de la boîte de transfert aux arbres d'entrée des transmissions principales des essieux entraînés.

Les organes montés sur le châssis (comme la boîte de vitesses et la boîte de transfert) peuvent se déplacer les uns par rapport aux autres en raison de la déformation de leurs supports et du châssis lui-même. Les essieux moteurs, quant à eux, sont fixés au châssis par la suspension et peuvent se déplacer par rapport au châssis et aux organes qui y sont montés en raison de la déformation des éléments élastiques de la suspension. Ce mouvement peut modifier non seulement les angles des arbres de transmission reliant les organes, mais aussi la distance entre eux.

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.

Les transmissions par cardan peuvent être constituées d'un ou de plusieurs cardans reliés par des arbres de transmission et des supports intermédiaires.

Figure 1. Schéma d'une transmission à cardan : 1, 4, 6 - arbres de transmission ; 2, 5 - joints universels ; 3 - liaison de compensation ; u1, u2 - angles entre les arbres

En général, une transmission par cardan se compose des cardans 2 et 5, des arbres de transmission 1, 4 et 6, et d'une liaison de compensation 3. Parfois, l'arbre de transmission est monté sur un support intermédiaire fixé à la traverse du châssis du véhicule. Les cardans assurent la transmission du couple entre les arbres dont les axes se croisent à un angle. On distingue les joints à vitesse non constante et les joints homocinétiques. Les joints à vitesse non constante sont ensuite classés en élastiques et rigides. Les joints homocinétiques peuvent être à rotule avec rainures de séparation, à rotule avec levier de séparation et à came. Ils sont généralement installés dans l'entraînement des roues directrices, où l'angle entre les arbres peut atteindre 45°, et le centre du cardan doit coïncider avec le point d'intersection des axes de rotation de la roue et de son axe de braquage.

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.

Figure 2. Schéma d'un joint universel rigide à vitesse non uniforme

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.

Si la rotation non uniforme de l'arbre 2 est transmise aux arbres des unités, des charges pulsatoires supplémentaires se produiront dans la transmission, augmentant avec l'angle γ. Pour empêcher la rotation non uniforme de l'arbre 2 d'être transmise aux arbres des unités, deux joints universels sont utilisés dans la transmission à cardan. Ils sont installés de manière à ce que les angles γ1 et γ2 soient égaux ; les fourches des joints universels, fixées sur l'arbre 4 à rotation non uniforme, doivent être positionnées dans le même plan.

La conception des principaux composants des transmissions à cardan est illustrée à la figure 3. Un cardan à vitesse non constante est constitué de deux fourches (1) reliées par une croix (3). L'une des fourches est parfois munie d'une bride, tandis que l'autre est soudée au tube de l'arbre de transmission ou possède une extrémité cannelée (6) (ou manchon) pour la connexion à l'arbre de transmission. Les tourillons de la croix sont montés dans les œillets des deux fourches sur des roulements à aiguilles (7). Chaque roulement est logé dans un boîtier (2) et maintenu dans l'œillet de la fourche par un capuchon, fixé à la fourche par deux boulons verrouillés par les languettes de la rondelle. Dans certains cas, les roulements sont fixés dans les fourches par des anneaux élastiques. Pour conserver la lubrification du roulement et le protéger de l'eau et des saletés, un joint auto-serrant en caoutchouc est utilisé. La cavité intérieure de la croix est remplie de graisse par un graisseur, qui atteint les roulements. La croix est généralement équipée d'une soupape de sécurité pour protéger le joint des dommages causés par la pression de la graisse pompée dans la croix. La connexion cannelée (6) est lubrifiée à l'aide du graisseur (5).

Figure 3. Détails d'un joint universel rigide à vitesse non uniforme

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.

Dans les transmissions des véhicules à chenilles à grande vitesse, on utilise souvent des joints universels avec des types d'accouplement à engrenages, qui permettent la transmission du couple entre des arbres dont les axes se croisent à des angles allant jusqu'à 1,5...2°.

Les arbres de transmission sont généralement fabriqués de manière tubulaire, à l'aide de tubes en acier spécial soudés ou sans soudure. Les culasses des joints universels, des manchons cannelés ou des embouts sont soudés aux tubes. Pour réduire les charges transversales agissant sur l'arbre de transmission, l'équilibrage dynamique est effectué avec les joints universels assemblés. Le déséquilibre est corrigé en soudant des plaques d'équilibrage à l'arbre de transmission ou, parfois, en installant des plaques d'équilibrage sous les chapeaux de palier des joints universels. La position relative des pièces de raccordement cannelées après l'assemblage et l'équilibrage de la transmission à cardan en usine est généralement indiquée à l'aide d'étiquettes spéciales.

La liaison de compensation de la transmission à cardan est généralement réalisée sous la forme d'une liaison cannelée, permettant un mouvement axial des pièces de la transmission à cardan. Elle consiste en une pointe cannelée qui s'insère dans le manchon cannelé de la transmission à cardan. La lubrification est introduite dans le raccord cannelé par l'intermédiaire d'un raccord de graissage ou appliquée lors de l'assemblage et remplacée après une utilisation prolongée du véhicule. Un joint et un couvercle sont généralement installés pour éviter les fuites de graisse et la contamination.

Pour les arbres de transmission longs, des supports intermédiaires sont généralement utilisés dans les transmissions à cardan. Un support intermédiaire se compose généralement d'un support boulonné à la traverse du châssis du véhicule, dans lequel un roulement à billes est monté dans un anneau élastique en caoutchouc. Le roulement est scellé des deux côtés par des capuchons et comporte un dispositif de lubrification. L'anneau élastique en caoutchouc permet de compenser les imprécisions de montage et les défauts d'alignement des roulements qui peuvent se produire en raison des déformations du châssis.

Un joint universel avec roulements à aiguilles (figure 4a) se compose d'étriers, d'une croix, de roulements à aiguilles et de joints. Les coupelles avec les roulements à aiguilles sont montées sur les tourillons de la croix et étanchées avec des joints. Les coupelles sont fixées dans les étriers par des anneaux d'arrêt ou des capuchons fixés par des vis. Les joints universels sont lubrifiés à l'aide d'un raccord de graissage par l'intermédiaire de perçages internes dans la croix. Une soupape de sécurité est utilisée pour éliminer la pression excessive de l'huile dans le joint. Lors de la rotation uniforme de l'arcade motrice, l'arcade entraînée tourne de manière non uniforme : elle avance et recule par rapport à l'arcade motrice deux fois par tour. Pour éliminer la rotation non uniforme et réduire les charges d'inertie, deux joints universels sont utilisés.

Des joints universels homocinétiques sont installés dans l'entraînement des roues motrices avant. L'entraînement des véhicules GAZ-66 et ZIL-131 par cardan homocinétique se compose d'étriers 2, 5 (figure 4b), de quatre billes 7 et d'une bille centrale 8. L'étrier menant 2 est solidaire de l'arbre d'essieu intérieur, tandis que l'étrier mené est forgé avec l'arbre d'essieu extérieur, à l'extrémité duquel est fixé le moyeu de la roue. Le couple moteur de l'étrier 2 à l'étrier 5 est transmis par les billes 7, qui se déplacent le long de rainures circulaires dans les étriers. La bille centrale 8 sert à centrer les étriers et est maintenue en place par les goujons 3, 4. La fréquence de rotation des étriers 2 et 5 est la même en raison de la symétrie du mécanisme par rapport aux étriers. La modification de la longueur de l'arbre est assurée par les connexions cannelées libres des étriers avec l'arbre.

Figure 4. Joints universels : a - joint universel : 1 - capuchon ; 2 - coupelle ; 3 - roulement à aiguilles ; 4 - joint ; 5, 9 - fourches ; 6 - soupape de sécurité ; 7 - croix ; 8 - raccord de graissage ; 10 - vis ; b - joint universel à vitesse constante : 1 - arbre d'essieu intérieur ; 2 - fourche motrice ; 3, 4 - goujons ; 5 - fourche menée ; 6 - arbre d'essieu extérieur ; 7 - billes ; 8 - bille centrale

2. Dysfonctionnements de l'entraînement du joint universel

Les dysfonctionnements de la transmission par cardan se manifestent généralement par des chocs violents dans les joints universels qui se produisent lorsque le véhicule est en mouvement, en particulier lors des changements de vitesse et des augmentations soudaines de la vitesse du vilebrequin (par exemple, lors de la transition entre le freinage et l'accélération). Un signe de dysfonctionnement du joint universel peut être son échauffement à une température élevée (plus de 100°C). Ce phénomène est dû à une usure importante des bagues et des tourillons du joint universel, des roulements à aiguilles, des croix et des raccords cannelés, ce qui entraîne un désalignement du joint universel et des charges axiales d'impact importantes sur les roulements à aiguilles. L'endommagement des joints en liège de la croix du joint universel entraîne une usure rapide du tourillon et de son roulement.

Lors de l'entretien, l'entraînement du joint universel est vérifié en faisant tourner l'arbre de transmission à la main dans les deux sens. Le degré de rotation libre de l'arbre détermine l'usure des joints universels et des raccords cannelés. Tous les 8 à 10 000 kilomètres, l'état des raccords boulonnés des brides de l'arbre entraîné de la boîte de vitesses et de l'arbre d'entraînement de la transmission principale avec les brides des joints universels d'extrémité et la fixation du support intermédiaire de l'arbre de transmission sont vérifiés. L'état des bottes en caoutchouc des raccords cannelés et des joints en liège de la croix du joint universel est également vérifié. Tous les boulons de fixation doivent être serrés à fond (couple de serrage 8-10 kgf-m).

Les roulements à aiguilles des joints universels sont lubrifiés avec l'huile liquide utilisée pour les unités de transmission ; les raccords cannelés de la plupart des véhicules sont lubrifiés avec des graisses (US-1, US-2, 1-13, etc.) ; l'utilisation de graisse pour lubrifier les roulements à aiguilles est strictement interdite. Dans certains véhicules, les raccords cannelés sont lubrifiés avec de l'huile de transmission. Le roulement de support intermédiaire, monté dans un manchon en caoutchouc, n'a pratiquement pas besoin d'être lubrifié, car il est lubrifié lors du montage en usine. Le roulement de support du véhicule ZIL-130 est lubrifié avec de la graisse à travers un raccord à pression lors de l'entretien régulier (tous les 1100-1700 km).

Figure 5. Entraînement par cardan : 1 - bride de fixation de l'arbre de transmission ; 2 - croix du joint universel ; 3 - étrier du joint universel ; 4 - étrier coulissant ; 5 - tube de l'arbre de transmission ; 6 - roulement à aiguilles avec extrémité fermée

La transmission par cardan se compose de deux cardans avec roulements à aiguilles, reliés par un arbre creux, et d'un étrier coulissant avec cannelures en développante. Pour assurer une protection fiable contre la saleté et une bonne lubrification de la connexion cannelée, l'étrier coulissant (6), relié à l'arbre secondaire (2) de la boîte de vitesses, est placé dans une extension (1) fixée au carter de la boîte de vitesses. En outre, cet emplacement de la connexion cannelée (en dehors de la zone entre les joints) augmente considérablement la rigidité de la transmission à cardan et réduit la probabilité de vibrations de l'arbre lorsque la connexion cannelée coulissante s'use.

L'arbre de transmission est constitué d'un tube électrosoudé à paroi mince (8), dans lequel deux chapes identiques (9) sont emmanchées à chaque extrémité, puis soudées à l'arc. Les logements de roulements à aiguilles (18) de la croix (25) sont emmanchés à la presse dans les œillets des chapes (9) et fixés par des bagues de retenue à ressort (20). Chaque roulement de cardan contient 22 aiguilles (21). Des capuchons emboutis (24) sont emmanchés à la presse sur les tourillons saillants des croix, dans lesquels sont installées des bagues en liège (23). Les roulements sont lubrifiés à l'aide d'un graisseur angulaire (17) vissé dans un trou fileté au centre de la croix, relié à des canaux traversants dans les tourillons de la croix. De l'autre côté de la croix du joint universel se trouve une soupape de sécurité (16) située en son centre. Elle est conçue pour évacuer l'excès de graisse lors du remplissage de la croix et des roulements, et pour empêcher toute accumulation de pression à l'intérieur de la croix pendant le fonctionnement (la soupape s'active à une pression d'environ 3,5 kg/cm²). La présence d'une soupape de sécurité est nécessaire car une augmentation excessive de la pression à l'intérieur de la croix peut endommager (extrusion) les joints en liège.

Figure 6. Assemblage de l'arbre de transmission : 1 - extension de la boîte de vitesses ; 2 - arbre secondaire de la boîte de vitesses ; 3 et 5 - déflecteurs de saleté ; 4 - joints en caoutchouc ; 6 - étrier coulissant ; 7 - plaque d'équilibrage ; 8 - tube de l'arbre de transmission ; 9 - étrier ; 10 - étrier à bride ; 11 - boulon ; 12 - bride du pignon d'entraînement de l'essieu arrière ; 13 - rondelle élastique ; 14 - écrou ; 15 - essieu arrière ; 16 - soupape de sécurité ; 17 - raccord de graissage angulaire ; 18 - roulement à aiguilles ; 19 - œillet de l'étrier ; 20 - anneau de retenue du ressort ; 21 - aiguille ; 22 - rondelle avec extrémité torique ; 23 - anneau de liège ; 24 - capuchon estampé ; 25 - croix

L'arbre de transmission, assemblé avec les deux cardans, est soigneusement équilibré dynamiquement à ses deux extrémités par soudage de plaques d'équilibrage (7) sur le tube. Par conséquent, lors du démontage de l'arbre, toutes ses pièces doivent être soigneusement marquées afin de pouvoir les remonter à leur position d'origine. Le non-respect de cette consigne perturbe l'équilibre de l'arbre et provoque des vibrations susceptibles d'endommager la transmission et la carrosserie du véhicule. Si des pièces individuelles s'usent, notamment si le tube se plie sous l'effet d'un choc, rendant impossible l'équilibrage dynamique de l'arbre après le montage, il est nécessaire de remplacer l'arbre complet.

Dysfonctionnements possibles de l'arbre de transmission, leurs causes et leurs solutions

Cause du dysfonctionnement	Solution
Vibrations de l'arbre de transmission
1. Flexion de l'arbre due à un obstacle	1. Redresser et équilibrer dynamiquement l'arbre assemblé ou remplacer l'arbre assemblé
2. Usure des roulements et des croisillons	2. Remplacer les roulements et les croisillons et équilibrer dynamiquement l'arbre assemblé.
3. Usure des bagues d'extension et de l'étrier coulissant	3. Remplacer l'extension et l'étrier coulissant et équilibrer dynamiquement l'arbre assemblé.
Cliquetis au démarrage et en roue libre
1. Usure des cannelures de l'étrier coulissant ou de l'arbre du réducteur secondaire	1. Remplacer les pièces usées. Lors du remplacement de l'étrier coulissant, équilibrer dynamiquement l'arbre assemblé.
2. Boulons desserrés qui fixent l'étrier à la bride du pignon d'entraînement de l'essieu arrière	2. Serrer les boulons
Projection d'huile des joints de cardan
Usure des anneaux de liège dans les joints de cardan	Remplacer les anneaux de liège en maintenant la position relative de toutes les pièces de l'arbre de transmission pendant le remontage. En cas d'usure des croisillons et des paliers, remplacer les paliers et les croisillons et équilibrer dynamiquement l'arbre assemblé.

3. Équilibrage de l'arbre de transmission

Après avoir été réparé et assemblé, l'arbre de transmission est équilibré dynamiquement sur une machine. Un modèle de machine d'équilibrage est illustré à la figure 7. La machine se compose d'une plaque (18), d'un cadre pendulaire (8) monté sur quatre tiges élastiques verticales (3), assurant son oscillation dans le plan horizontal. Un support et une poupée avant (9), fixés sur un support (4), sont montés sur les tubes longitudinaux du cadre pendulaire (8). La poupée arrière (6) est montée sur une traverse mobile (5), permettant l'équilibrage dynamique d'arbres de transmission de différentes longueurs. Les broches des poupées sont montées sur des roulements à billes de précision. La broche de la poupée avant (9) est entraînée par un moteur électrique installé dans la base de la machine, par l'intermédiaire d'une courroie trapézoïdale et d'un arbre intermédiaire, sur lequel est montée une branche (10) (disque gradué). En outre, deux béquilles (15) avec des goupilles de verrouillage rétractables (17) sont installées sur le plateau de la machine (18), assurant la fixation des extrémités avant et arrière du cadre du pendule en fonction de l'équilibrage de l'extrémité avant ou arrière de l'arbre d'entraînement.

Figure 7. Machine d'équilibrage dynamique pour arbres de transmission

1-pince ; 2-amortisseurs ; 3-tige élastique ; 4-étrier ; 5-traverse mobile ; 6-pointe arrière ; 7-barre transversale ; 8-bâti pendulaire ; 9-pointe motrice avant ; 10-disque de bras ; 11-millivoltmètre ; 12-bras de l'arbre collecteur-rectificateur ; 13-capteur magnéto-électrique ; 14-support fixe ; 15-support fixateur ; 16-support ; 17-fixateur ; 18-plaque d'appui

Les supports fixes (14) sont montés à l'arrière de la plaque de la machine et des capteurs magnétoélectriques (13) y sont installés, avec des tiges reliées aux extrémités du cadre du pendule. Pour éviter les vibrations de résonance du cadre, des amortisseurs (2) remplis d'huile sont installés sous les supports (4).

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.

Les arbres de transmission présentent certaines caractéristiques d'équilibrage. Pour la plupart des pièces, la base de l'équilibrage dynamique est constituée par les cols de support (par exemple, les rotors des moteurs électriques, les turbines, les broches, les vilebrequins, etc. ), mais pour les arbres de transmission, ce sont les brides. Lors de l'assemblage, il y a inévitablement des écarts entre les différentes connexions, ce qui entraîne un déséquilibre. Si le déséquilibre minimal ne peut être atteint lors de l'équilibrage, l'arbre est rejeté. La précision de l'équilibrage est influencée par les facteurs suivants :

• Jeu dans la connexion entre la bande de portée de la bride de l'arbre de transmission et l'alésage intérieur de la bride de serrage des poupées de support gauche et droite ;
• Faux-rond radial et d'extrémité des surfaces de base de la bride ;
• Espaces dans les articulations et les assemblages cannelés. La présence de graisse dans la cavité de l'assemblage cannelé peut entraîner un déséquilibre « flottant ». Si cela empêche d'atteindre la précision d'équilibrage requise, l'arbre de transmission est équilibré sans graisse.

Certains déséquilibres peuvent être totalement impossibles à corriger. Si l'on observe un frottement accru dans les joints universels de l'arbre de transmission, l'influence mutuelle des plans de correction augmente. Cela entraîne une diminution des performances et de la précision de l'équilibrage.

Selon OST 37.001.053-74, les normes de déséquilibre suivantes sont établies : les arbres de transmission à deux articulations (deux supports) sont équilibrés dynamiquement, et à trois (trois supports) - assemblés avec le support intermédiaire ; les brides (étriers) des arbres de transmission et des accouplements pesant plus de 5 kg sont équilibrées statiquement avant l'assemblage de l'arbre ou de l'accouplement ; les normes de déséquilibre résiduel pour les arbres de transmission à chaque extrémité ou au support intermédiaire des arbres de transmission à trois articulations sont évaluées par déséquilibre spécifique ;

Le déséquilibre résiduel spécifique maximal admissible à chaque extrémité de l'arbre ou au niveau du support intermédiaire, ainsi que pour les arbres de transmission à trois articulations, quelle que soit leur position sur le banc d'équilibrage, ne doit pas dépasser : 6 g·cm/kg pour les transmissions de voitures particulières, de camions légers (jusqu'à 1 t) et de très petits autobus ; 10 g·cm/kg pour les autres. Le déséquilibre résiduel maximal admissible de l'arbre de transmission ou de l'arbre de transmission à trois articulations doit être assuré sur le banc d'équilibrage à une fréquence de rotation correspondant à leurs fréquences dans la transmission à la vitesse maximale du véhicule.

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.

Pour les arbres de transmission et les arbres de transmission à trois articulations des camions d'une capacité de charge de 4 t et plus, des petits et grands autobus, une réduction de la fréquence de rotation sur le banc d'équilibrage à 70 % de la fréquence de rotation des arbres de transmission à la vitesse maximale du véhicule est autorisée. Conformément à la norme OST 37.001.053-74, la fréquence de rotation des arbres de transmission pour l'équilibrage doit être égale à :

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

où n_b – fréquence de rotation d'équilibrage (doit correspondre aux principales données techniques du support, n=3000 min^-1); n_r – fréquence de rotation de travail maximale, min^-1.

Dans la pratique, en raison de l'écart entre les joints et les raccords cannelés, l'arbre de transmission ne peut pas être équilibré à la fréquence de rotation recommandée. Dans ce cas, une autre fréquence de rotation est choisie, à laquelle il s'équilibre.

4. Machines modernes d'équilibrage des arbres de transmission

Figure 8. Machine à équilibrer pour arbres de transmission d'une longueur maximale de 2 mètres et d'un poids maximal de 500 kg

Le modèle a 2 supports et permet l'équilibrage dans 2 plans de correction.

Figure 9. Machine à équilibrer pour arbres de transmission d'une longueur maximale de 4 200 mm et d'un poids maximal de 400 kg

Le modèle dispose de 4 supports et permet l'équilibrage dans 4 plans de correction simultanément.

Figure 10. Machine d'équilibrage horizontale à paliers durs pour l'équilibrage dynamique des arbres de transmission

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.

Figure 11. Éléments de support de la machine pour l'équilibrage dynamique des arbres de transmission

1 - Support gauche non réglable ; 2 - Support intermédiaire réglable (2 pièces) ; 3 - Support droit fixe non réglable ; 4 - Poignée de verrouillage du cadre de support ; 5 - Plate-forme de support mobile ; 6 - Écrou de réglage vertical du support ; 7 - Poignées de verrouillage de la position verticale ; 8 - Support de serrage du support ; 9 - Pince mobile à palier intermédiaire ; 10 - Poignée de verrouillage de la pince ; 11 - Verrouillage du support de serrage ; 12 - Broche d'entraînement pour l'installation de l'article ; 13 - Broche menée

5. Préparation de l'équilibrage de l'arbre de transmission

Nous examinerons ci-dessous la mise en place des supports de la machine et l'installation de l'élément d'équilibrage (arbre de transmission à quatre supports) sur les supports de la machine.

Figure 12. Installation des brides de transition sur les broches de la machine à équilibrer

Figure 13. Installation de l'arbre de transmission sur les supports de la machine à équilibrer

Figure 14. Mise à niveau horizontale de l'arbre de transmission sur les supports de l'équilibreuse à l'aide d'un niveau à bulle

Figure 15. Fixation des supports intermédiaires de la machine à équilibrer pour empêcher le déplacement vertical de l'arbre de transmission

Faites tourner l'article manuellement d'un tour complet. Assurez-vous qu'il tourne librement et qu'il ne se bloque pas sur les supports. Ensuite, la partie mécanique de la machine est mise en place et l'installation de l'article est terminée.

6. Procédure d'équilibrage de l'arbre de transmission

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.

En outre, l'appareil permet d'afficher des graphiques de la fonction temporelle et du spectre de vibration par vitesse de vibration, ce qui peut être utile pour évaluer l'état technique de la machine équilibrée.

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. Installer les capteurs de vibrations 1, 2, 3, 4 sur les supports de la machine à équilibrer.
2. Connecter les capteurs de vibrations aux connecteurs X1, X2, X3, X4.
3. Installer le capteur d'angle de phase (tachymètre laser) 5 de manière à ce que l'écart nominal entre la surface radiale (ou d'extrémité) du rotor équilibré et le boîtier du capteur soit compris entre 10 et 300 mm.
4. Fixez une marque de ruban réfléchissant d'une largeur d'au moins 10 à 15 mm sur la surface du rotor.
5. Connecter le capteur d'angle de phase au connecteur X5.
6. Connectez l'appareil de mesure au port USB de l'ordinateur.
7. Lorsque vous utilisez l'alimentation secteur, connectez l'ordinateur au bloc d'alimentation.
8. Branchez le bloc d'alimentation sur un réseau 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.

Avant de procéder à l'équilibrage, il est recommandé de prendre des mesures en mode vibromètre (touche 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

Si l'amplitude totale des vibrations V1s (V2s) correspond approximativement à l'amplitude de la composante rotationnelle V1o (V2o), on peut supposer que la principale contribution aux vibrations du mécanisme est due au déséquilibre du rotor. Si l'amplitude totale des vibrations V1s (V2s) dépasse largement l'amplitude de la composante rotationnelle V1o (V2o), il est recommandé d'inspecter le mécanisme : vérifier l'état des roulements, assurer une fixation solide sur les fondations, vérifier que le rotor n'entre pas en contact avec des pièces fixes pendant la rotation et prendre en compte l'influence des vibrations d'autres mécanismes, etc.

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

Figure 21. Graphiques de la fonction temporelle et du spectre des vibrations

Le graphique indique les fréquences auxquelles les niveaux de vibration sont les plus élevés. Si ces fréquences diffèrent de la fréquence de rotation du rotor du mécanisme équilibré, il est nécessaire d'identifier les sources de ces composantes de vibration et de prendre des mesures pour les éliminer avant l'équilibrage.

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 désalignement: 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.

Il est également important de veiller à la stabilité des relevés en mode vibromètre - l'amplitude et la phase de la vibration ne doivent pas varier de plus de 10-15% pendant la mesure. Dans le cas contraire, le mécanisme pourrait fonctionner à proximité d'une zone de résonance. Dans ce cas, la vitesse du rotor doit être ajustée.

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).

Avant chaque exécution ultérieure, les mesures suivantes doivent être prises :

• Arrêter la rotation du rotor de la machine équilibrée.
• Retirer le poids d'essai précédemment installé.
• Installer le poids d'essai dans le plan suivant.

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

Après avoir terminé chaque mesure, les résultats de la fréquence de rotation du rotor (N_ob), ainsi que les valeurs efficaces (V_o1, V_o2, V_o3, V_o4) et les phases (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) et les angles d'installation (f₁, f₂, f₃, f₄) des poids correcteurs qui doivent être installés sur le rotor dans quatre plans pour compenser son déséquilibre.

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

Attention ! Après avoir terminé la mesure lors du cinquième passage de la machine équilibrée, il est nécessaire d'arrêter la rotation du rotor et de retirer la masse d'essai précédemment installée. Ce n'est qu'après cela que l'on peut procéder à l'installation (ou au retrait) des masses correctives sur le rotor.

La position angulaire d'ajout (ou de retrait) de la masse corrective sur le rotor, dans le système de coordonnées polaires, est mesurée à partir de l'emplacement de la masse d'essai. Le sens de mesure de l'angle coïncide avec le sens de rotation du rotor. En cas d'équilibrage par pales, la pale du rotor équilibré, considérée conditionnellement comme la première pale, coïncide avec l'emplacement de la masse d'essai. Le sens de numérotation des pales indiqué sur l'écran de l'ordinateur suit le sens de rotation du rotor.

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) et les valeurs efficaces (V_o1, V_o2, V_o3, V_o4) et les phases (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. Classes de précision d'équilibrage recommandées pour les rotors rigides

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_par·Ω, where e_par 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_par = 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.

Tableau 2. Classes de précision d'équilibrage recommandées pour les rotors rigides.

Types de machines (rotors)	Classe de précision de l'équilibrage	Balance quality grade G = epar·Ω, mm/s
Vilebrequins d'entraînement (structurellement déséquilibrés) pour grands moteurs diesel marins à faible vitesse (vitesse du piston inférieure à 9 m/s)	G 4000	4000
Vilebrequins d'entraînement (structurellement équilibrés) pour grands moteurs diesel marins à faible vitesse (vitesse du piston inférieure à 9 m/s)	G 1600	1600
Vilebrequins d'entraînement (présentant un balourd structurel) sur isolateurs de vibrations	G 630	630
Vilebrequins d'entraînement (présentant un balourd structurel) sur des supports rigides	G 250	250
Moteurs à piston assemblés pour voitures particulières, camions et locomotives	G 100	100
Vilebrequins d'entraînement (structurellement équilibrés) sur isolateurs de vibrations	G 40	40
Car wheels, wheel rims, wheel sets, drive shafts (cardan shafts)	G 40	40
Machines agricoles	G 16	16
Vilebrequins d'entraînement (équilibrés) sur supports rigides	G 16	16
Concasseurs	G 16	16
Drive shafts (propeller / cardan shafts) with special requirements	G 16	16
Turbines à gaz pour avions	G 6.3	6.3
Centrifugeuses (séparateurs, décanteurs)	G 6.3	6.3
Moteurs électriques et générateurs (avec une hauteur d'arbre d'au moins 80 mm) avec une vitesse de rotation nominale maximale de 950 min-1	G 6.3	6.3
Moteurs électriques dont la hauteur d'arbre est inférieure à 80 mm	G 6.3	6.3
Ventilateurs	G 6.3	6.3
Entraînements par engrenages	G 6.3	6.3
Machines à usage général	G 6.3	6.3
Machines de découpe des métaux	G 6.3	6.3
Machines à papier	G 6.3	6.3
Pompes	G 6.3	6.3
Turbocompresseurs	G 6.3	6.3
Turbines hydrauliques	G 6.3	6.3
Compresseurs	G 6.3	6.3
Entraînements commandés par ordinateur	G 2,5	2.5
Moteurs électriques et générateurs (avec une hauteur d'arbre d'au moins 80 mm) avec une vitesse de rotation nominale maximale supérieure à 950 min-1	G 2,5	2.5
Turbines à gaz et à vapeur	G 2,5	2.5
Entraînements de machines à découper le métal	G 2,5	2.5
Machines textiles	G 2,5	2.5
Entraînements d'équipements audio et vidéo	G 1	1
Entraînements de machines à rectifier	G 1	1
Broches et entraînements d'équipements de haute précision	G 0,4	0.4

Questions fréquemment posées sur l'équilibrage des arbres de transmission

Qu'est-ce que l'équilibrage de l'arbre de transmission ?

L'équilibrage de l'arbre de transmission consiste à corriger tout déséquilibre de masse afin qu'il tourne en douceur et sans vibrations. Cela consiste à mesurer les points les plus lourds de l'arbre, puis à ajouter ou retirer de petites masses (par exemple, en soudant des masses d'équilibrage) pour compenser ce déséquilibre. Un arbre de transmission équilibré fonctionne de manière uniforme, ce qui évite les vibrations excessives et l'usure des composants du véhicule.

Pourquoi l’équilibrage de l’arbre de transmission est-il important ?

Un arbre de transmission déséquilibré peut entraîner de fortes vibrations, notamment à certaines vitesses, et provoquer des bruits sourds lors des accélérations ou des changements de vitesse. À terme, ces vibrations peuvent endommager les roulements, les joints universels et d'autres composants de la transmission. L'équilibrage de l'arbre de transmission élimine ces vibrations, garantissant une conduite plus souple, réduisant les contraintes sur les pièces et évitant des dommages ou des temps d'immobilisation coûteux.

Quels sont les symptômes courants d’un arbre de transmission déséquilibré ?

Les symptômes typiques d'un arbre de transmission déséquilibré ou défectueux comprennent des vibrations ou des secousses perceptibles au niveau du plancher ou du siège du véhicule, notamment à vitesse accrue. Vous pouvez également entendre des cognements ou des cliquetis lors des changements de vitesse ou des accélérations et décélérations. Dans certains cas, le joint universel peut surchauffer en raison d'un déséquilibre. Si vous observez ces signes, il est probable que l'arbre de transmission ait besoin d'être équilibré ou réparé.

Comment équilibrer un arbre de transmission ?

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.

Conclusion

En conclusion, un équilibrage correct de l'arbre de transmission est essentiel pour la sécurité, les performances et la réduction des coûts. 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.

Si vous rencontrez des vibrations persistantes au niveau de votre arbre de transmission ou avez besoin d'une solution d'équilibrage fiable, n'hésitez pas à agir. Suivez les étapes décrites dans ce guide ou consultez nos experts pour obtenir de l'aide. Avec la bonne approche et le bon équipement, vous pouvez garantir le bon fonctionnement et la fiabilité de votre arbre de transmission pendant de nombreuses années. Contactez nous pour en savoir plus ou pour explorer le meilleur équipement d'équilibrage d'arbre de transmission pour vos besoins.