Balansiranje pogonskog vratila: Sveobuhvatni vodič

Zamislite da vozite kamion i odjednom osjetite oštru vibraciju ili čujete glasan zvuk lupanja prilikom ubrzavanja ili promjene brzina. To je više od obične smetnje - to bi mogao biti znak neuravnoteženog pogonskog vratila. Za inženjere i tehničare, takve vibracije i buka ukazuju na gubitak učinkovitosti, ubrzano trošenje komponenti i potencijalno skupe zastoje ako se ne riješe.

U ovom sveobuhvatnom vodiču nudimo praktična rješenja za probleme s balansiranjem pogonskog vratila. Naučit ćete što je pogonsko vratilo i zašto ga je potrebno balansirati, prepoznati uobičajene kvarove koji uzrokuju vibracije ili buku te slijediti jasan postupak korak po korak za dinamičko balansiranje pogonskog vratila. Primjenom ovih najboljih praksi možete uštedjeti novac na popravcima, smanjiti vrijeme rješavanja problema i osigurati da vaš stroj ili vozilo radi pouzdano s minimalnim vibracijama.

Sadržaj

• 1. Vrste kardanskih vratila
• 2. Kvarovi pogona kardana
• 3. Uravnoteženje kardana
• 4. Moderne mašine za balansiranje kardanskih vratila
• 5. Priprema za balansiranje kardana
• 6. Postupak uravnoteženja kardana
• 7. Preporučene klase točnosti uravnoteženja za krute rotore

1. Vrste kardanskih vratila

Pogon s kardanskim zglobom (kardansko vratilo) je mehanizam koji prenosi okretni moment između vratila koja se sijeku u središtu kardanskog zgloba i mogu se međusobno pomicati pod kutom. U vozilu, pogonsko vratilo prenosi okretni moment iz mjenjača (ili razdjelnog kućišta) na pogonjene osovine u slučaju klasične ili konfiguracije pogona na sva četiri kotača. Kod vozila s pogonom na sva četiri kotača, kardansko zglob obično povezuje pogonsko vratilo mjenjača s pogonskim vratilom razdjeljnog kućišta, a pogonska vratila razdjeljnog kućišta s pogonskim vratilima glavnih pogona pogonjenih osovina.

Jedinice montirane na okvir (poput mjenjača i razvodne kutije) mogu se pomicati jedna u odnosu na drugu zbog deformacije svojih nosača i samog okvira. U međuvremenu, pogonske osovine su pričvršćene na okvir putem ovjesa i mogu se pomicati u odnosu na okvir i jedinice montirane na njega zbog deformacije elastičnih elemenata ovjesa. Ovo kretanje može promijeniti ne samo kutove pogonskih vratila koja spajaju jedinice, već i udaljenost između jedinica.

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.

Pogoni s kardanskim zglobovima mogu se sastojati od jednog ili više kardanskih zglobova povezanih kardanskim vratilima i međupodupirama.

Slika 1. Dijagram pogona s kardanskim zglobom: 1, 4, 6 — pogonske osovine; 2, 5 — kardanski zglobovi; 3 — kompenzacijski spoj; u1, u2 — kutovi između osovina

Općenito, pogon univerzalnog zgloba sastoji se od univerzalnih zglobova 2 i 5, pogonskih vratila 1, 4 i 6 te kompenzacijskog spoja 3. Ponekad je pogonsko vratilo ugrađeno na međunosač pričvršćen na poprečni nosač okvira vozila. Univerzalni zglobovi osiguravaju prijenos momenta između vratila čije se osi sijeku pod kutom. Univerzalni zglobovi dijele se na nejednolike i zglobove konstantne brzine. Zglobovi nejednolike brzine dalje se klasificiraju na elastične i krute. Zglobovi konstantne brzine mogu biti kuglasti s razdjelnim žljebovima, kuglasti s razdjelnom polugom i bregasti. Obično se ugrađuju u pogon vodećih upravljanih kotača, gdje kut između vratila može doseći 45°, a središte univerzalnog zgloba mora se podudarati s točkom presjeka osi rotacije kotača i njegove osi okretanja.

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.

Slika 2. Dijagram krute univerzalne spojke s neujednačenom brzinom

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.

Ako se neujednačena rotacija vratila 2 prenese na vratila jedinica, u prijenosu će se pojaviti dodatna pulsirajuća opterećenja koja rastu s kutom γ. Kako bi se spriječilo prenošenje neujednačene rotacije vratila 2 na vratila jedinica, u pogonu s kardanskim zglobovima koriste se dva kardanska zgloba. Postavljeni su tako da su kutovi γ1 i γ2 jednaki; vilice kardanskih zglobova, pričvršćene na neujednačeno rotirajući vrat 4, trebaju biti postavljene u istoj ravnini.

Dizajn glavnih dijelova kardanskih zglobnih pogona prikazan je na slici 3. Kardanski zglob s nejednolikom brzinom sastoji se od dva jarma (1) spojena križem (3). Jedan od jarmova ponekad ima prirubnicu, dok je drugi zavaren na cijev pogonskog vratila ili ima užljebljeni kraj (6) (ili čahuru) za spajanje na pogonsko vratilo. Zglobovi križa ugrađeni su u ušice oba jarma na igličastim ležajevima (7). Svaki ležaj smješten je u kućištu (2) i pričvršćen je u ušici jarma poklopcem koji je pričvršćen na jaram s dva vijka osigurana jezičcima na podlošci. U nekim slučajevima ležajevi su u jaramovima pričvršćeni uskočnim prstenovima. Za zadržavanje podmazivanja u ležaju i zaštitu od vode i prljavštine, nalazi se gumena samozatezna brtva. Unutarnja šupljina križa ispunjena je mašću kroz maznicu, koja dopire do ležajeva. Križ obično ima sigurnosni ventil za zaštitu brtve od oštećenja zbog tlaka masti koja se pumpa u križ. Zupčasti spoj (6) podmazuje se pomoću mazalice (5).

Slika 3. Detalji krute univerzalne spojke s neujednačenom brzinom

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.

U mjenjačima brzih gusjeničnih vozila često se koriste univerzalni zglobovi s tipovima zupčastih spojnica, koji omogućuju prijenos momenta između osovina s osima koje se sijeku pod kutovima do 1,5...2°.

Pogonske osovine obično su izrađene kao cijevne, koristeći posebne čelične bešavne ili zavarene cijevi. Nosači kardanskih zglobova, navlake s nazubljenjem ili nastavci zavaruju se na cijevi. Kako bi se smanjila poprečna opterećenja na pogonskom vratilu, dinamičko balansiranje izvodi se s montiranim kardanskim zglobovima. Neravnoteža se ispravlja zavarivanjem balansnih ploča na pogonsko vratilo ili ponekad postavljanjem balansnih ploča ispod poklopaca ležajeva kardanskih zglobova. Relativni položaj dijelova nazubljenog spoja nakon sklapanja i balansiranja pogona kardanskog zgloba u tvornici obično se označava posebnim etiketama.

Kompenzacijsko spajanje pogona kardana obično se izvodi u obliku navojnog spoja, što omogućuje aksijalno pomicanje dijelova pogona kardana. Sastoji se od navojnog vrha koji se ugrađuje u navojnu navlaku pogona kardana. Podmazivanje se uvodi u navojni spoj putem masne čahure ili se nanosi tijekom montaže, a zamjenjuje se nakon dulje uporabe vozila. Obično se ugrađuju brtva i poklopac kako bi se spriječilo istjecanje masti i kontaminacija.

Za duga kardanskim vratila obično se u pogonima s kardanskim zglobovima koriste međupodupore. Međupodpora obično se sastoji od nosača pričvršćenog vijcima na poprečnu gredu šasije vozila, u kojem je kuglični ležaj montiran u elastičnom gumeni prstenu. Ležaj je na obje strane zapečaćen čepovima i ima uređaj za podmazivanje. Elastični gumeni prsten pomaže kompenzirati netočnosti pri montaži i neporavnanje ležaja koje se može pojaviti zbog deformacija šasije.

Univerzalni zglob s igličastim ležajevima (Slika 4a) sastoji se od krakova, križa, igličastih ležajeva i brtvila. Šalice s igličastim ležajevima montiraju se na vratila križa i brtve se brtvilima. Šalice su učvršćene u krakovima pomoću sigurnosnih prstenova ili čepova pričvršćenih vijcima. Univerzalni zglobovi podmazuju se kroz mastnicu kroz unutarnje bušotine u križu. Sigurnosni ventil služi za uklanjanje viška tlaka ulja u zglobu. Tijekom jednolikog okretanja pogonske krame, pokretana krama rotira neujednačeno: dvaput po krugu zaostaje, a zatim sustiže pogonsku kramu. Kako bi se uklonila neujednačena rotacija i smanjila inercijska opterećenja, koriste se dva kardansko-igličasta zgloba.

U pogonu prednjih pokretačkih kotača ugrađeni su univerzalni zglobovi konstantne brzine. Pogon zgloba konstantne brzine na vozilima GAZ-66 i ZIL-131 sastoji se od krakova 2 i 5 (Slika 4b), četiri kuglice 7 i središnje kuglice 8. Pokretački koljenac 2 čvrsto je spojen s unutarnjom osovinom, dok je pokretani koljenac kovan zajedno s vanjskom osovinom na čijem je kraju pričvršćen čvor kotača. Okretni moment s koljenaca 2 na koljenac 5 prenosi se kuglicama 7 koje se kreću po kružnim utorima u koljenacima. Središnja kugla 8 služi za centriranje vilica i držana je na mjestu pomoću šipki 3 i 4. Frekvencija rotacije vilica 2 i 5 ista je zbog simetrije mehanizma u odnosu na vilice. Promjenu duljine vratila omogućuju slobodni navojni spojevi vilica s vratilom.

Slika 4. Kardansko zglob: a — kardansko zglob: 1 — čep; 2 — šalica; 3 — igličasti ležaj; 4 — brtva; 5, 9 — krakovi; 6 — sigurnosni ventil; 7 — križ; 8 — mastnica; 10 — vijak; b — kardansko zglob stalne brzine: 1 — unutarnja osovina; 2 — pogonska kraka; 3, 4 — šipke; 5 — potisna kraka; 6 — vanjska osovina; 7 — kuglice; 8 — središnja kuglica

2. Kvarovi pogona kardana

Kvarovi pogona kardana obično se očituju oštrim udarcima u kardanskim zglobovima koji se javljaju dok se vozilo kreće, osobito tijekom promjene brzina i naglog povećanja brzine motornog vratila (na primjer, pri prelasku s kočenja motorom na ubrzavanje). Znak kvara kardanskog zgloba može biti njegovo zagrijavanje na visoku temperaturu (preko 100 °C). To se događa zbog značajnog trošenja uložaka i vratila kardanskog zgloba, igličastih ležajeva, križaca i nazubljenih spojeva, što dovodi do neusklađenosti kardanskog zgloba i značajnih udarnih aksijalnih opterećenja na igličaste ležajeve. Oštećenje plutenih brtvi križca kardanskog zgloba dovodi do brzog trošenja vratila i njegovog ležaja.

Tijekom održavanja provjerava se pogon kardana oštro ručnim okretanjem kardanskog vratila u oba smjera. Razina slobodnog okretanja vratila određuje stepen habanja kardanskih zglobova i navojnih spojeva. Svakih 8-10 tisuća kilometara provjerava se stanje zavarenih spojeva prirubnica pogonskog vratila mjenjača i kardanskog vratila glavnog prijenosa s prirubnicama krajnjih kardanskih zglobova te učvršćenje srednjeg ležaja kardanskog vratila. Provjerava se i stanje gumenih navlaka na splineskim spojevima te plutaćih brtvi križnog zgloba. Svi vijačni spojevi moraju biti potpuno zategnuti (moment zatezanja 8-10 kgf·m).

Igleni ležajevi kardanskih zglobova podmazuju se tekućim uljem koje se koristi za prijenosne jedinice; navojni spojevi u većini vozila podmazuju se mastima (US-1, US-2, 1-13 itd.); uporaba masti za podmazivanje iglenih ležajeva strogo je zabranjena. U nekim se vozilima splineski spojevi podmazuju uljem za prijenos. Ležaj međuoslonca, montiran u gumenom navlaku, praktički ne zahtijeva podmazivanje jer je podmazan tijekom montaže u tvornici. Podupirački ležaj vozila ZIL-130 podmazuje se mastima kroz prirubnicu pod tlakom tijekom redovitog održavanja (svakih 1100–1700 km).

Slika 5. Pogon kardana: 1 — prirubnica za pričvršćivanje pogonske osovine; 2 — kardanski križ; 3 — kardanski vilica; 4 — klizna vilica; 5 — cijev pogonske osovine; 6 — igličasti valjkasti ležaj s zatvorenim krajem

Pogon kardana sastoji se od dva kardana s iglenim ležajevima, povezana šupljim vratilom i kliznog nosača s uvojnim zupcima. Kako bi se osigurala pouzdana zaštita od prljavštine i omogućilo dobro podmazivanje zupčanog spoja, klizni nosač (6), povezan s pomoćnim vratilom (2) mjenjača, postavljen je u produžetak (1) pričvršćen na kućište mjenjača. Dodatno, ova lokacija splineskog spoja (izvan zone između zglobova) značajno povećava krutost pogona kardana i smanjuje vjerojatnost vibracija osovine kada se klizni splineski spoj istroši.

Pogonsko vratilo izrađeno je od tankostijene električno zavarene cijevi (8), u koju su na svakom kraju utisnuta dva identična jarma (9), a zatim zavarena elektrolučnim zavarivanjem. Kućišta igličastih ležajeva (18) križa (25) utisnuta su u ušice jarmova (9) i osigurana su opružnim prstenovima (20). Svaki ležaj univerzalnog zgloba sadrži 22 igle (21). Utisnute kapice (24) utisnute su na izbočene zupce križa, u koje su ugrađeni prstenovi od pluta (23). Ležajevi se podmazuju pomoću kutne mazalice (17) uvrnute u navojni otvor u središtu križa, spojene na prolazne kanale u zupcima križa. Na suprotnoj strani križa univerzalnog zgloba, u njegovom središtu nalazi se sigurnosni ventil (16), dizajniran za ispuštanje viška masti prilikom punjenja križa i ležajeva te za sprječavanje nakupljanja tlaka unutar križa tijekom rada (ventil se aktivira pri tlaku od oko 3,5 kg/cm²). Nužnost ugradnje sigurnosnog ventila proizlazi iz činjenice da pretjerani porast tlaka unutar križa može dovesti do oštećenja (ekstruzije) plutenih brtvi.

Slika 6. Skup zavojnice: 1 — produžetak mjenjača; 2 — sekundarna osovina mjenjača; 3 i 5 — zaštitnici od prljavštine; 4 — gumene brtve; 6 — klizni krak; 7 — pločica za uravnoteženje; 8 — cijev zavojnice; 9 — koljenica; 10 — ležajna glava; 11 — vijak; 12 — ležajna glava stražnjeg pogonskog kotača; 13 — opružna podloška; 14 — matica; 15 — stražnja osovina; 16 — sigurnosni ventil; 17 — kutni mastibak; 18 — igličasti ležaj; 19 — oko radilice; 20 — opružni držač; 21 — igla; 22 — podloška s toroidnim krajem; 23 — prsten od plute; 24 — utisnuta kapica; 25 — križ

Pogonsko vratilo, sastavljeno s oba univerzalna zgloba, pažljivo je dinamički uravnoteženo na oba kraja zavarivanjem balansirajućih ploča (7) na cijev. Stoga se prilikom rastavljanja vratila svi njegovi dijelovi moraju pažljivo označiti kako bi se mogli ponovno sastaviti u izvorne položaje. Nepoštivanje ove upute narušava ravnotežu vratila, uzrokujući vibracije koje mogu oštetiti mjenjač i karoseriju vozila. Ako se pojedini dijelovi istroše, posebno ako se cijev savije zbog udara i postane nemoguće dinamički uravnotežiti vratilo nakon sastavljanja, mora se zamijeniti cijelo vratilo.

Mogući kvarovi kardana, njihovi uzroci i rješenja

Uzrok neispravnosti	Rješenje
Vibracija kardana
1. Savijanje osovine zbog prepreke	1. Ispravite i dinamički uravnotežite sastavljenu osovinu ili je zamijenite
2. Habanje ležaja i križnog prstena	2. Zamijenite ležajeve i križne osigurače te dinamički uravnotežite sastavljenu osovinu
3. Istrošenost produžnih čahura i kliznog jarma	3. Zamijenite produžetak i klizni jaram te dinamički uravnotežite sastavljenu osovinu
Udari pri pokretanju i pri vožnji na prazan hod
1. Istrošenost žlijebova kliznog jarmu ili sekundarne osovine mjenjača	1. Zamijenite istrošene dijelove. Prilikom zamjene kliznog vratila, dinamički uravnotežite sastavljeno vratilo.
2. Otpušteni vijci koji pričvršćuju spojnicu prirubnice na zupčanicu pogonske osovine	2. Zategnite vijke
Iscurenje ulja iz brtvica kardanskog zgloba
Istrošenost plutenih prstenova u brtvama kardanskog zgloba	Zamijenite pluto prstenove, održavajući relativni položaj svih dijelova kardana tijekom ponovnog sastavljanja. Ako su križevi i ležajevi istrošeni, zamijenite ležajeve i križeve te dinamički uravnotežite sastavljeni kardan.

3. Uravnoteženje kardana

Nakon popravka i sastavljanja kardana, on se dinamički uravnotežuje na stroju. Jedan dizajn uravnotežnog stroja prikazan je na slici 7. Stroj se sastoji od ploče (18), ramena klata (8) montiranog na četiri vertikalne elastične šipke (3), koje osiguravaju njegovo njihanje u horizontalnoj ravnini. Nosač i prednji glavni ležaj (9), pričvršćeni na nosač (4), montirani su na uzdušne cijevi okvira klata (8). Stražnji glavni ležaj (6) nalazi se na pomičnoj prečki (5), što omogućuje dinamičko balansiranje kardanskih vratila različitih duljina. Vretena glavnih ležajeva montirana su na preciznim kugličnim ležajevima. Vreteno prednjeg glavnog ležaja (9) pogonjen je električnim motorom ugrađenim u postolje stroja, preko remenice V-remena i međuvratila na koje je montirana obručna ploča (10) (disk s podjelom). Dodatno, na radnoj ploči (18) postavljena su dva stalka (15) s uvlačivim osiguračima (17), koji osiguravaju fiksaciju prednjeg i stražnjeg kraja okvira klatna, ovisno o balansiranju prednjeg ili stražnjeg kraja pogonske osovine.

Slika 7. Mašina za dinamičko balansiranje kardanskih vratila

1—stezaljka; 2—prigušivači; 3—elastična šipka; 4—nosač; 5—pokretna poprečna greda; 6—stražnji glavni ležaj; 7—poprečna greda; 8—okvir klackala; 9—prednji pogonski glavni ležaj; 10—limb-disk; 11—milivoltmetar; 12—limb vratila komutatora-ispravljača; 13—magnetoelektrični senzor; 14—fiksni stalak; 15—stalak fiksatora; 16—oslonac; 17—fiksator; 18—podložna ploča

Fiksni stalci (14) montirani su na stražnjoj strani mašinske ploče, a na njima su ugrađeni magneto-električni senzori (13), s šipkama povezanim na krajeve okvira klackalice. Kako bi se spriječile rezonantne vibracije okvira, ispod nosača (4) ugrađeni su prigušivači (2) napunjeni uljem.

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.

Pogonske osovine imaju neke značajke uravnoteženja. Za većinu dijelova, osnova za dinamičko balansiranje su potporni vratovi (npr. rotori električnih motora, turbine, vretena, radilice itd.), ali kod kardanskih vratova to su prirubnice. Tijekom sastavljanja neizbježne su praznine u različitim spojevima koje dovode do neuravnoteženosti. Ako se minimalna neuravnoteženost ne može postići tijekom balansiranja, vrat se odbacuje. Točnost balansiranja utječu sljedeći čimbenici:

• Razmak u spoju između slijetnog prstena prirubnice kardanskog vratila i unutarnje rupe stezne prirubnice lijevog i desnog glavnog ležaja;
• Radijalni i aksijalni odmak osnovnih površina prirubnice;
• Praznine u šarnirima i žljebnim spojevima. Prisutnost masti u šupljini žljebnog spoja može dovesti do "lebdeće" neravnoteže. Ako to sprječava postizanje potrebne točnosti balansiranja, pogonsko vratilo se balansira bez masti.

Neki neravnoteži mogu biti potpuno nepopravljivi. Ako se u kardanskim zglobovima pogonskog vratila uoči povećano trenje, međusobni utjecaj ravnina korekcije se povećava. To dovodi do smanjenja učinkovitosti i točnosti balansiranja.

Prema OST 37.001.053-74, utvrđeni su sljedeći standardi neravnoteže: pogonska vratila s dva zgloba (dvostruka) dinamički se balansiraju, a s tri (trostruka) - sastavljena s međunosačem; prirubnice (jarmovi) pogonskih vratila i spojnica težine veće od 5 kg statički se balansiraju prije sastavljanja vratila ili spojnice; norme preostale neravnoteže za pogonska vratila na svakom kraju ili na međunosaču trozglobnih pogonskih vratila procjenjuju se specifičnom neravnotežom;

Najveća dopuštena specifična norma preostale neravnoteže na svakom kraju osovine ili na međuosloncu, kao i za trozglobna pogonska vratila u bilo kojem položaju na balansirajućem postolju, ne smije prelaziti: za mjenjače osobnih automobila i kamiona malih tereta (do 1 t) i vrlo malih autobusa – 6 g-cm/kg, za ostale – 10 g-cm/kg. Najveća dopuštena norma preostale neravnoteže pogonskog vratila ili trozglobnog pogonskog vratila treba se osigurati na balansirajućem postolju pri frekvenciji vrtnje koja odgovara njihovim frekvencijama u mjenjaču pri najvećoj brzini vozila.

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.

Za kardanska vratila i trozglobna kardanska vratila kamiona nosivosti 4 t i više, malih i velikih autobusa, dopušteno je smanjenje frekvencije vrtnje na balansirajućem stalku na 70% frekvencije vrtnje prijenosnih vratila pri maksimalnoj brzini vozila. Prema OST 37.001.053-74, frekvencija vrtnje balansirajućih kardanskih vratila treba biti jednaka:

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

Gdje je N_b – frekvencija rotacije za uravnoteženje (treba odgovarati glavnim tehničkim podacima stalka, n=3000 min-1^-1); n_r – maksimalna radna frekvencija rotacije, min^-1.

U praksi, zbog zazora u spojevima i splinesanih veza, kardansko vratilo se ne može uravnotežiti pri preporučenoj frekvenciji rotacije. U tom se slučaju odabire druga frekvencija rotacije pri kojoj se uravnotežuje.

4. Moderne mašine za balansiranje kardanskih vratila

Slika 8. Uravnoteživačka mašina za kardanske osovine duljine do 2 metra i težine do 500 kg

Model ima dva stalka i omogućuje balansiranje u dvije korektivne ravnine.

Slika 9. Uravnoteživačka mašina za pogonske osovine duljine do 4200 mm i težine do 400 kg

Model ima 4 stalka i omogućuje balansiranje u 4 korektivna ravni istovremeno.

Slika 10. Horizontalna balansna mašina s tvrdim ležajevima za dinamičko balansiranje kardanskih vratila

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.

Slika 11. Nosivi elementi za dinamičko uravnoteženje kardanskih vratila

1 – Lijeva nepodstavljiva potpora; 2 – Srednja podesiva potpora (2 kom.); 3 – Desna nepodstavljiva fiksna potpora; 4 – Ručka za zaključavanje okvira potpore; 5 – Pokretna platforma potpore; 6 – Matica za vertikalno podešavanje potpore; 7 – Ručke za zaključavanje vertikalnog položaja; 8 – Stezni nosač potpore; 9 – Srednji ležaj pokretne stezaljke; 10 – Ručka za zaključavanje stezaljke; 11 – Zaključavanje steznog nosača; 12 – Pogonski (prednji) vreteno za montažu dijela; 13 – Poklopno vreteno

5. Priprema za balansiranje kardana

U nastavku ćemo razmotriti postavljanje ležajeva stroja i ugradnju balansiranog dijela (pogonske osovine s četiri ležaja) na ležajeve stroja.

Slika 12. Ugradnja prijelaznih prirubnica na vretena balirnog stroja

Slika 13. Montaža kardana na nosače balansirne stroja

Slika 14. Horizontalno poravnavanje kardana na nosačima balirnice pomoću libele

Slika 15. Fiksiranje međupodupirača balansne mašine radi sprječavanja vertikalnog pomaka pogonskog vratila

Rotirajte predmet ručno za puni okretaj. Provjerite da se predmet slobodno okreće i da se ne zapinje na nosačima. Nakon toga je mehanički dio stroja postavljen, a ugradnja predmeta je dovršena.

6. Postupak uravnoteženja kardana

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.

Nadalje, uređaj omogućuje prikaz grafikona vremenske funkcije i spektra vibracija prema brzini vibracija, što može biti korisno pri procjeni tehničkog stanja uravnotežene mašine.

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. Ugradite senzore vibracija 1, 2, 3 i 4 na nosače balirnice.
2. Povežite senzore vibracija na priključke X1, X2, X3 i X4.
3. Ugradite senzor faznog kuta (laserski tahometar) 5 tako da nominalni razmak između radijalne (ili krajnje) površine uravnoteženog rotora i kućišta senzora bude u rasponu od 10 do 300 mm.
4. Pričvrstite reflektirajuću traku širine najmanje 10–15 mm na površinu rotora.
5. Povežite senzor faznog kuta na konektor X5.
6. Povežite mjernu jedinicu na USB priključak računala.
7. Prilikom korištenja mrežne napajne struje, povežite računalo na napajno jedinicu.
8. Povežite napajanje na mrežu od 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.

Prije izvođenja balansiranja preporučuje se mjerenje u načinu vibrometra (tipka 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

Ako ukupna magnituda vibracija V1s (V2s) približno odgovara magnitudi rotacijske komponente V1o (V2o), može se pretpostaviti da je glavni doprinos vibracijama mehanizma posljedica neravnoteže rotora. Ako ukupna magnituda vibracija V1s (V2s) značajno premašuje rotacijsku komponentu V1o (V2o), preporučuje se pregled mehanizma - provjera stanja ležajeva, osiguranje sigurne montaže na temelj, provjera da rotor ne dodiruje nepokretne dijelove tijekom rotacije i razmatranje utjecaja vibracija drugih mehanizama itd.

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

Slika 21. Vremenski dijagram vibracija i grafovi spektra

Grafikon prikazuje na kojim su frekvencijama razine vibracija najviše. Ako se te frekvencije razlikuju od frekvencije rotacije rotora uravnoteženog mehanizma, potrebno je identificirati izvore tih komponenti vibracija i poduzeti mjere za njihovo uklanjanje prije uravnoteženja.

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 neusklađenost: 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.

Također je važno obratiti pažnju na stabilnost očitanja u načinu rada vibrometra – amplituda i faza vibracije ne bi smjele varirati za više od 10–15 % tijekom mjerenja. U suprotnom bi mehanizam mogao raditi blizu rezonantne regije. U tom slučaju treba prilagoditi brzinu rotora.

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).

Prije svake sljedeće izvedbe treba poduzeti sljedeće korake:

• Zaustavite rotaciju rotora uravnoteženog stroja.
• Uklonite prethodno instaliranu probnu težinu.
• Postavite probnu težinu u sljedećoj ravnini.

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

Nakon završetka svakog mjerenja, rezultati frekvencije vrtnje rotora (N_ob), kao i vrijednosti RMS-a (V_o1, V_o2, V_o3, V_o4) i faze (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) i kutovi instalacije (f₁, f₂, f₃, f₄) korektivnih utega koji se moraju postaviti na rotor u četiri ravnine kako bi se kompenzirala njegova neuravnoteženost.

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

Pažnja! Nakon završetka postupka mjerenja tijekom petog pokretanja uravnoteženog stroja, potrebno je zaustaviti rotaciju rotora i ukloniti prethodno postavljeni probni uteg. Tek nakon toga možete nastaviti s postavljanjem (ili uklanjanjem) korektivnih utega na rotor.

Kutni položaj za dodavanje (ili uklanjanje) korektivnog utega na rotoru u polarnom koordinatnom sustavu mjeri se od mjesta ugradnje probnog utega. Smjer mjerenja kuta podudara se sa smjerom rotacije rotora. U slučaju balansiranja lopaticama, lopatica uravnoteženog rotora koja se uvjetno smatra prvom lopaticom podudara se s mjestom ugradnje probnog utega. Smjer numeriranja lopatica prikazan na zaslonu računala prati smjer rotacije rotora.

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) i RMS vrijednosti (V_o1, V_o2, V_o3, V_o4) i faze (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. Preporučene klase točnosti uravnoteženja za krute rotore

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_po·Ω, where e_po 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_po = 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.

Tablica 2. Preporučene klase točnosti balansiranja za krute rotore.

Vrste strojeva (rotori)	Razred preciznosti uravnoteženja	Balance quality grade G = epo·Ω, mm/s
Pogonski radilice (strukturalno neuravnotežene) za velike morske dizelske motore niske brzine (brzina klipa manja od 9 m/s)	G 4000	4000
Pogonski radilice (strukturalno uravnotežene) za velike morske dizelske motore niske brzine (brzina klipa manja od 9 m/s)	G 1600	1600
Pogonske radilice (strukturalno neuravnotežene) na izolatorima protiv vibracija	G 630	630
Pogonske radilice (strukturalno neuravnotežene) na krutim ležajevima	G 250	250
Klipni motori sastavljeni za putničke automobile, kamione i lokomotive	G 100	100
Pogonske radilice (strukturalno uravnotežene) na izolatorima protiv vibracija	G 40	40
Car wheels, wheel rims, wheel sets, drive shafts (cardan shafts)	G 40	40
Poljoprivredni strojevi	G 16	16
Pogonske radilice (uravnotežene) na krutim ležajevima	G 16	16
drobilice	G 16	16
Drive shafts (propeller / cardan shafts) with special requirements	G 16	16
Plinske turbine za zrakoplove	G 6.3	6.3
Centrifuge (separatori, taložnici)	G 6.3	6.3
Električni motori i generatori (s visinom vratila od najmanje 80 mm) s maksimalnom nominalnom brzinom rotacije do 950 min-1	G 6.3	6.3
Električni motori s visinom vratila manjom od 80 mm	G 6.3	6.3
Ventilatori	G 6.3	6.3
Zupčasti pogoni	G 6.3	6.3
Mašine opće namjene	G 6.3	6.3
Strojevi za rezanje metala	G 6.3	6.3
Mašine za proizvodnju papira	G 6.3	6.3
Pumpe	G 6.3	6.3
Turbo punjači	G 6.3	6.3
Vodene turbine	G 6.3	6.3
Kompresori	G 6.3	6.3
Računalno upravljani pogoni	G 2,5	2.5
Električni motori i generatori (s visinom vratila od najmanje 80 mm) s maksimalnom nominalnom brzinom rotacije većom od 950 min⁻¹-1	G 2,5	2.5
Gasne i parne turbine	G 2,5	2.5
Pogoni za strojeve za rezanje metala	G 2,5	2.5
Tekstilne strojeve	G 2,5	2.5
Pogoni za audio i video opremu	G 1	1
Pogoni brusilica	G 1	1
Vretena i pogoni visokoprecizne opreme	G 0,4	0.4

Često postavljana pitanja o balansiranju pogonskog vratila

Što je balansiranje pogonskog vratila?

Balansiranje pogonskog vratila je proces ispravljanja bilo kakve neravnoteže mase u pogonskom vratilu kako bi se ono glatko okretalo bez uzrokovanja vibracija. To uključuje mjerenje gdje je vratilo teže na jednoj strani, a zatim dodavanje ili uklanjanje malih količina težine (na primjer, zavarivanje utega za balansiranje) kako bi se suprotstavilo toj neravnoteži. Uravnoteženo pogonsko vratilo radi ravnomjerno, što sprječava prekomjerne vibracije i trošenje komponenti vozila.

Zašto je važno balansiranje pogonskog vratila?

Neuravnotežena pogonska osovina može dovesti do jakih vibracija, posebno pri određenim brzinama, i može uzrokovati zvukove lupanja tijekom ubrzanja ili mijenjanja brzina. Vremenom te vibracije mogu oštetiti ležajeve, univerzalne zglobove i druge komponente pogonskog sklopa. Balansiranje pogonske osovine uklanja te vibracije, osiguravajući glatkiju vožnju, smanjujući opterećenje dijelova i sprječavajući skupa oštećenja ili zastoje.

Koji su uobičajeni simptomi nebalansiranog pogonskog vratila?

Tipični simptomi nebalansiranog ili neispravnog pogonskog vratila uključuju primjetne vibracije ili podrhtavanje u podu vozila ili sjedalu, posebno s povećanjem brzine. Također možete čuti zvukove kucanja ili zveckanja prilikom mijenjanja brzina ili tijekom ubrzanja i usporavanja. U nekim slučajevima, kardanski zglob se može pregrijati zbog neravnoteže. Ako primijetite ove znakove, vjerojatno je potrebno balansiranje ili popravak pogonskog vratila.

Kako se balansira pogonsko vratilo?

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.

Zaključak

Zaključno, pravilno balansiranje pogonskog vratila ključno je za sigurnost, performanse i uštedu troškova. 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.

Ako se suočavate s upornim vibracijama pogonskog vratila ili vam je potrebno pouzdano rješenje za balansiranje, ne oklijevajte djelovati. Primijenite korake navedene u ovom vodiču ili se obratite našim stručnjacima za pomoć. Uz pravi pristup i opremu, možete osigurati da vaše pogonsko vratilo radi glatko i pouzdano dugi niz godina. Kontaktirajte nas kako biste saznali više ili istražili najbolju opremu za balansiranje pogonskog vratila za vaše potrebe.