Equilibratura dell'albero di trasmissione: guida completa

Immagina di guidare un camion e di avvertire improvvisamente una forte vibrazione o un forte rumore durante l'accelerazione o il cambio di marcia. Questo è più di un semplice fastidio: potrebbe essere il segnale di un albero di trasmissione sbilanciato. Per ingegneri e tecnici, tali vibrazioni e rumori indicano una perdita di efficienza, un'usura accelerata dei componenti e potenzialmente costosi tempi di fermo se non vengono affrontati.

In questa guida completa, forniamo soluzioni pratiche ai problemi di equilibratura dell'albero di trasmissione. Imparerai cos'è un albero di trasmissione e perché necessita di equilibratura, riconoscerai i malfunzionamenti più comuni che causano vibrazioni o rumore e seguirai una chiara procedura passo passo per l'equilibratura dinamica dell'albero di trasmissione. Applicando queste best practice, puoi risparmiare denaro sulle riparazioni, ridurre i tempi di risoluzione dei problemi e garantire che i tuoi macchinari o veicoli funzionino in modo affidabile con vibrazioni minime.

Indice dei contenuti

• 1. Tipi di alberi di trasmissione
• 2. Malfunzionamenti del giunto universale
• 3. Equilibratura dell'albero motore
• 4. Moderne macchine per l'equilibratura degli alberi di trasmissione
• 5. Preparazione per l'equilibratura dell'albero motore
• 6. Procedura di equilibratura dell'albero motore
• 7. Classi di precisione di bilanciamento consigliate per rotori rigidi

1. Tipi di alberi di trasmissione

Una trasmissione a cardano (albero di trasmissione) è un meccanismo che trasmette la coppia tra alberi che si intersecano al centro del giunto cardanico e possono muoversi l'uno rispetto all'altro con un angolo. In un veicolo, l'albero di trasmissione trasmette la coppia dalla scatola del cambio (o transfer case) agli assi condotti nel caso di una configurazione a trazione classica o integrale. Nei veicoli a trazione integrale, il giunto cardanico collega solitamente l'albero condotto della scatola del cambio all'albero motore del transfer case e gli alberi condotti del transfer case agli alberi motore delle trasmissioni principali degli assi condotti.

Le unità montate sul telaio (come il cambio e il ripartitore di coppia) possono muoversi l'una rispetto all'altra a causa della deformazione dei loro supporti e del telaio stesso. Allo stesso tempo, gli assali motore sono fissati al telaio tramite le sospensioni e possono muoversi rispetto al telaio e alle unità montate su di esso a causa della deformazione degli elementi elastici delle sospensioni. Questo movimento può modificare non solo gli angoli degli alberi di trasmissione che collegano le unità, ma anche la distanza tra le unità.

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.

Le trasmissioni a cardano possono essere costituite da uno o più giunti universali collegati da alberi di trasmissione e supporti intermedi.

Figura 1. Schema di una trasmissione a cardano: 1, 4, 6 - alberi di trasmissione; 2, 5 - giunti cardanici; 3 - collegamento di compensazione; u1, u2 - angoli tra gli alberi

In generale, una trasmissione a giunto cardanico è composta dai giunti cardanici 2 e 5, dagli alberi di trasmissione 1, 4 e 6 e da un collegamento di compensazione 3. Talvolta l'albero di trasmissione è installato su un supporto intermedio fissato alla traversa del telaio del veicolo. I giunti cardanici assicurano la trasmissione della coppia tra alberi i cui assi si intersecano ad angolo. I giunti cardanici si dividono in giunti a velocità non uniforme e giunti omocinetici. I giunti a velocità non uniforme sono ulteriormente classificati in elastici e rigidi. I giunti omocinetici possono essere a sfera con scanalature di separazione, a sfera con leva di separazione e a camma. Sono tipicamente installati nella trasmissione delle ruote motrici anteriori controllate, dove l'angolo tra gli alberi può raggiungere i 45° e il centro del giunto cardanico deve coincidere con il punto di intersezione tra gli assi di rotazione della ruota e il suo asse di sterzata.

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.

Figura 2. Schema di un giunto cardanico rigido a velocità 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.

Se la rotazione non uniforme dell'albero 2 viene trasmessa agli alberi delle unità, si verificano carichi pulsanti aggiuntivi nella trasmissione, che aumentano con l'angolo γ. Per evitare che la rotazione non uniforme dell'albero 2 venga trasmessa agli alberi delle unità, nella trasmissione a cardano vengono utilizzati due giunti universali. Essi sono installati in modo che gli angoli γ1 e γ2 siano uguali; le forcelle dei giunti universali, fissate sull'albero 4 a rotazione non uniforme, devono essere posizionate sullo stesso piano.

La struttura delle parti principali di un giunto cardanico è illustrata nella Figura 3. Un giunto cardanico a velocità non uniforme è costituito da due gioghi (1) collegati da una croce (3). Uno dei gioghi a volte presenta una flangia, mentre l'altro è saldato al tubo dell'albero di trasmissione o presenta un'estremità scanalata (6) (o manicotto) per il collegamento all'albero di trasmissione. I perni della croce sono installati negli occhielli di entrambi i gioghi su cuscinetti a rullini (7). Ogni cuscinetto è alloggiato in una custodia (2) e fissato nell'occhio del giogo tramite un tappo, fissato al giogo con due bulloni bloccati da linguette sulla rondella. In alcuni casi, i cuscinetti sono fissati nei gioghi tramite anelli elastici. Per mantenere la lubrificazione nel cuscinetto e proteggerlo da acqua e sporco, è presente una guarnizione autoserrante in gomma. La cavità interna della croce è riempita di grasso tramite un ingrassatore, che raggiunge i cuscinetti. La croce è solitamente dotata di una valvola di sicurezza per proteggere la guarnizione da eventuali danni causati dalla pressione del grasso pompato nella croce. Il collegamento scanalato (6) viene lubrificato tramite l'ingrassatore (5).

Figura 3. Dettagli di un giunto universale rigido a velocità 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.

Nelle trasmissioni dei veicoli cingolati ad alta velocità vengono spesso utilizzati giunti cardanici con giunti a ingranaggi, che consentono la trasmissione della coppia tra alberi con assi che si intersecano con angoli fino a 1,5...2°.

Gli alberi di trasmissione sono tipicamente tubolari, utilizzando tubi speciali in acciaio senza saldatura o saldati. I gioghi dei giunti universali, i manicotti scanalati o le punte sono saldati ai tubi. Per ridurre i carichi trasversali che agiscono sull'albero di trasmissione, l'equilibratura dinamica viene eseguita con i giunti universali montati. Lo squilibrio viene corretto saldando delle piastre di bilanciamento all'albero di trasmissione o, talvolta, installando delle piastre di bilanciamento sotto i cappucci dei giunti universali. La posizione relativa delle parti di collegamento scanalate dopo l'assemblaggio e l'equilibratura della trasmissione a cardano in fabbrica è solitamente contrassegnata da etichette speciali.

Il collegamento di compensazione della trasmissione a cardano è solitamente realizzato sotto forma di collegamento scanalato, che consente il movimento assiale delle parti della trasmissione a cardano. È costituito da una punta scanalata che si inserisce nel manicotto scanalato della trasmissione cardanica. La lubrificazione viene introdotta nella connessione scanalata attraverso un raccordo di grasso o applicata durante l'assemblaggio e sostituita dopo un uso prolungato del veicolo. In genere vengono installati una guarnizione e un coperchio per evitare perdite di grasso e contaminazione.

Per gli alberi di trasmissione lunghi, i supporti intermedi sono solitamente utilizzati nelle trasmissioni a cardano. Un supporto intermedio consiste tipicamente in una staffa imbullonata alla traversa del telaio del veicolo, in cui è montato un cuscinetto a sfere in un anello elastico di gomma. Il cuscinetto è sigillato su entrambi i lati con tappi e dispone di un dispositivo di lubrificazione. L'anello elastico in gomma aiuta a compensare le imprecisioni di montaggio e il disallineamento del cuscinetto che può verificarsi a causa delle deformazioni del telaio.

Un giunto universale con cuscinetti a rullini (Figura 4a) è composto da gioghi, croce, cuscinetti a rullini e guarnizioni. Le coppe con cuscinetti a rullini sono montate sui perni della croce e sigillate con guarnizioni. Le coppe sono fissate nei gioghi con anelli elastici o tappi fissati con viti. I giunti universali sono lubrificati da un ingrassatore attraverso fori interni alla croce. Una valvola di sicurezza viene utilizzata per eliminare la pressione eccessiva dell'olio nel giunto. Durante la rotazione uniforme del giogo motore, il giogo condotto ruota in modo non uniforme: avanza e arretra rispetto al giogo motore due volte per giro. Per eliminare la rotazione non uniforme e ridurre i carichi inerziali, si utilizzano due giunti universali.

Nella trasmissione alle ruote motrici anteriori sono installati giunti universali a velocità costante. Il giunto cardanico a velocità costante dei veicoli GAZ-66 e ZIL-131 è costituito dai gioghi 2, 5 (Figura 4b), da quattro sfere 7 e da una sfera centrale 8. Il giogo 2 è solidale con il semiasse interno, mentre il giogo condotto è forgiato insieme al semiasse esterno, all'estremità del quale si trova la sfera centrale. Il giogo motore 2 è solidale con il semiasse interno, mentre il giogo condotto è forgiato insieme al semiasse esterno, all'estremità del quale è fissato il mozzo della ruota. Il momento trainante dal giogo 2 al giogo 5 è trasmesso attraverso le sfere 7, che si muovono lungo scanalature circolari nei gioghi. La sfera centrale 8 serve a centrare i gioghi ed è trattenuta dai perni 3 e 4. La frequenza di rotazione dei gioghi 2 e 5 è la stessa grazie alla simmetria del meccanismo rispetto ai gioghi. La variazione della lunghezza dell'albero è assicurata dalle connessioni libere dei gioghi con l'albero.

Figura 4. Giunti universali: a - giunto universale: 1 - calotta; 2 - coppa; 3 - cuscinetto a rullini; 4 - guarnizione; 5, 9 - gioghi; 6 - valvola di sicurezza; 7 - croce; 8 - ingrassatore; 10 - vite; b - giunto universale a velocità costante: 1 - semiasse interno; 2 - giogo motore; 3, 4 - prigionieri; 5 - giogo condotto; 6 - semiasse esterno; 7 - sfere; 8 - sfera centrale

2. Malfunzionamenti del giunto universale

I malfunzionamenti delle trasmissioni a cardano si manifestano tipicamente come colpi bruschi nei giunti universali che si verificano quando il veicolo è in movimento, soprattutto durante i passaggi da una marcia all'altra e gli aumenti improvvisi della velocità dell'albero a gomito del motore (ad esempio, quando si passa dal freno motore all'accelerazione). Un segno di malfunzionamento del giunto cardanico può essere il suo riscaldamento ad alta temperatura (oltre 100°C). Ciò avviene a causa dell'usura significativa delle boccole e dei ganci del giunto cardanico, dei cuscinetti a rullini, delle crociere e delle connessioni scanalate, con conseguente disallineamento del giunto cardanico e carichi assiali d'impatto significativi sui cuscinetti a rullini. Il danneggiamento delle guarnizioni in sughero della crociera del giunto universale porta a una rapida usura del trunnion e del suo cuscinetto.

Durante la manutenzione, la trasmissione a cardano viene controllata ruotando bruscamente l'albero di trasmissione a mano in entrambe le direzioni. Il grado di rotazione libera dell'albero determina l'usura dei giunti cardanici e dei collegamenti scanalati. Ogni 8-10 mila chilometri si controllano le condizioni dei collegamenti bullonati delle flange dell'albero condotto del cambio e dell'albero motore della trasmissione principale con le flange dei giunti universali di estremità e il fissaggio del supporto intermedio dell'albero di trasmissione. Si controllano anche le condizioni delle cuffie di gomma sui collegamenti scanalati e le guarnizioni di sughero della crociera della presa di forza. Tutti i bulloni di fissaggio devono essere serrati a fondo (coppia di serraggio 8-10 kgf-m).

I cuscinetti a rullini dei giunti universali sono lubrificati con l'olio liquido utilizzato per i gruppi di trasmissione; le connessioni scanalate nella maggior parte dei veicoli sono lubrificate con grassi (US-1, US-2, 1-13, ecc.); l'uso del grasso per la lubrificazione dei cuscinetti a rullini è severamente vietato. In alcuni veicoli, i collegamenti scanalati sono lubrificati con olio per trasmissioni. Il cuscinetto di supporto intermedio, montato in un manicotto di gomma, non necessita praticamente di lubrificazione, in quanto viene lubrificato durante il montaggio in fabbrica. Il cuscinetto di supporto del veicolo ZIL-130 viene lubrificato con grasso attraverso un raccordo a pressione durante la manutenzione ordinaria (ogni 1100-1700 km).

Figura 5. Trasmissione a cardano: 1 - flangia per il fissaggio dell'albero di trasmissione; 2 - croce del giunto universale; 3 - giogo del giunto universale; 4 - giogo di scorrimento; 5 - tubo dell'albero di trasmissione; 6 - cuscinetto a rullini con estremità chiusa

La trasmissione a cardano è costituita da due giunti universali con cuscinetti a rullini, collegati da un albero cavo, e da un giogo scorrevole con scanalature a evolvente. Per garantire una protezione affidabile dallo sporco e una buona lubrificazione del collegamento scanalato, il giogo scorrevole (6), collegato all'albero secondario (2) del cambio, è collocato in una prolunga (1) fissata alla scatola del cambio. Inoltre, questa posizione della connessione scanalata (al di fuori della zona tra i giunti) aumenta significativamente la rigidità della trasmissione cardanica e riduce la probabilità di vibrazioni dell'albero quando la connessione scanalata scorrevole si usura.

L'albero di trasmissione è costituito da un tubo elettrosaldato a parete sottile (8), in cui due gioghi identici (9) sono inseriti a pressione a ciascuna estremità e quindi saldati mediante saldatura ad arco. Gli alloggiamenti dei cuscinetti a rullini (18) della croce (25) sono inseriti a pressione negli occhielli dei gioghi (9) e sono fissati con anelli di ritegno a molla (20). Ogni cuscinetto del giunto cardanico contiene 22 rullini (21). I cappucci stampati (24) sono inseriti a pressione sui perni sporgenti delle croci, nei quali sono installati anelli di sughero (23). I cuscinetti sono lubrificati tramite un ingrassatore angolare (17) avvitato in un foro filettato al centro della croce, collegato a canali passanti nei perni della croce. Sul lato opposto della croce del giunto cardanico, al centro, è posizionata una valvola di sicurezza (16), progettata per rilasciare il grasso in eccesso durante il riempimento della croce e dei cuscinetti e per impedire l'accumulo di pressione all'interno della croce durante il funzionamento (la valvola si attiva a una pressione di circa 3,5 kg/cm²). La necessità di includere una valvola di sicurezza è dovuta al fatto che un aumento eccessivo della pressione all'interno della croce può causare il danneggiamento (estrusione) delle guarnizioni in sughero.

Figura 6. Montaggio dell'albero di trasmissione: 1 - prolunga del cambio; 2 - albero secondario del cambio; 3 e 5 - deflettori di sporco; 4 - guarnizioni in gomma; 6 - giogo scorrevole; 7 - piastra di bilanciamento; 8 - tubo dell'albero di trasmissione; 9 - giogo; 10 - giogo flangiato; 11 - bullone; 12 - flangia dell'ingranaggio di trasmissione dell'asse posteriore; 13 - rondella elastica; 14 - dado; 15 - asse posteriore; 16 - valvola di sicurezza; 17 - ingrassatore angolare; 18 - cuscinetto a rullini; 19 - occhiello del giogo; 20 - anello di ritegno della molla; 21 - ago; 22 - rondella con estremità toroidale; 23 - anello di sughero; 24 - tappo stampato; 25 - croce

L'albero di trasmissione, assemblato con entrambi i giunti cardanici, viene accuratamente bilanciato dinamicamente ad entrambe le estremità mediante la saldatura di piastre di bilanciamento (7) al tubo. Pertanto, durante lo smontaggio dell'albero, tutte le sue parti devono essere accuratamente contrassegnate in modo da poter essere rimontate nelle posizioni originali. Il mancato rispetto di questa istruzione compromette l'equilibratura dell'albero, causando vibrazioni che possono danneggiare la trasmissione e la carrozzeria del veicolo. Se singole parti si usurano, in particolare se il tubo si piega a causa di un impatto e diventa impossibile bilanciare dinamicamente l'albero dopo il montaggio, l'intero albero deve essere sostituito.

Possibili malfunzionamenti dell'albero di trasmissione, cause e soluzioni

Causa del malfunzionamento	Soluzione
Vibrazioni dell'albero motore
1. Curvatura dell'albero a causa di un ostacolo	1. Raddrizzare e bilanciare dinamicamente l'albero assemblato o sostituire l'albero assemblato.
2. Usura di cuscinetti e crociere	2. Sostituire i cuscinetti e le croci e bilanciare dinamicamente l'albero assemblato.
3. Usura delle boccole di estensione e del giogo di scorrimento	3. Riposizionare la prolunga e il giogo di scorrimento e bilanciare dinamicamente l'albero assemblato.
Colpi in accelerazione e in rilascio
1. Usura delle scanalature del giogo di scorrimento o dell'albero secondario della scatola degli ingranaggi	1. Sostituire le parti usurate. Quando si sostituisce il giogo di scorrimento, bilanciare dinamicamente l'albero assemblato.
2. Allentare i bulloni che fissano il giogo della flangia alla flangia dell'ingranaggio di trasmissione dell'assale posteriore.	2. Serrare i bulloni
Getto d'olio dalle guarnizioni del giunto universale
Usura degli anelli di sughero nelle guarnizioni dei giunti universali	Sostituire gli anelli di sughero, mantenendo la posizione relativa di tutte le parti dell'albero di trasmissione durante il rimontaggio. In caso di usura delle croci e dei cuscinetti, sostituire i cuscinetti e le croci e bilanciare dinamicamente l'albero assemblato.

3. Equilibratura dell'albero motore

Dopo aver riparato e assemblato l'albero di trasmissione, questo viene equilibrato dinamicamente su una macchina. La Figura 7 mostra un progetto di macchina di bilanciamento. La macchina è costituita da una piastra (18), un telaio a pendolo (8) montato su quattro aste elastiche verticali (3), che ne garantiscono l'oscillazione sul piano orizzontale. Sui tubi longitudinali del telaio a pendolo (8) sono montati una staffa e un cannotto anteriore (9), fissati su una staffa (4). Il cannotto posteriore (6) si trova su una traversa mobile (5), che consente il bilanciamento dinamico di alberi di trasmissione di diversa lunghezza. I mandrini della fantina sono montati su cuscinetti a sfera di precisione. Il mandrino della fantina anteriore (9) è azionato da un motore elettrico installato nel basamento della macchina, attraverso una trasmissione a cinghia trapezoidale e un albero intermedio, su cui è montato un arto (10) (disco graduato). Inoltre, sulla piastra della macchina (18) sono installati due supporti (15) con perni di bloccaggio retrattili (17), che assicurano il fissaggio delle estremità anteriori e posteriori del telaio del pendolo a seconda del bilanciamento dell'estremità anteriore o posteriore dell'albero motore.

Figura 7. Macchina per l'equilibratura dinamica degli alberi motore

1-morsetto; 2-ammortizzatori; 3-asta elastica; 4-staffa; 5-traversa mobile; 6-testata posteriore; 7-barra trasversale; 8-telaio a pendolo; 9-testata anteriore di guida; 10-albero-disco; 11-millivoltmetro; 12-albero del commutatore-raddrizzatore; 13-sensore magnetoelettrico; 14-supporto fisso; 15-supporto del fissatore; 16-supporto; 17-fissatore; 18-piastra di supporto

I supporti fissi (14) sono montati sul retro della piastra della macchina e su di essi sono installati i sensori magnetoelettrici (13), con aste collegate alle estremità del telaio del pendolo. Per prevenire le vibrazioni di risonanza del telaio, sotto le staffe (4) sono installati degli smorzatori (2) riempiti d'olio.

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.

Gli alberi motore presentano alcune caratteristiche di bilanciamento. Per la maggior parte dei componenti, la base per il bilanciamento dinamico è costituita dai colli di supporto (ad esempio, i rotori dei motori elettrici, le turbine, i mandrini, gli alberi a gomito e così via), ma per gli alberi motore è costituita dalle flange. Durante l'assemblaggio, le diverse connessioni presentano inevitabilmente degli spazi vuoti che causano uno squilibrio. Se durante l'equilibratura non è possibile ottenere uno squilibrio minimo, l'albero viene scartato. La precisione dell'equilibratura è influenzata dai seguenti fattori:

• Spazio nel collegamento tra la cinghia di atterraggio della flangia dell'albero di trasmissione e il foro interno della flangia di serraggio delle testate di supporto destra e sinistra;
• Sfilamento radiale e di estremità delle superfici di base della flangia;
• Fessure nelle connessioni a cerniera e scanalate. La presenza di grasso nella cavità della connessione scanalata può causare uno squilibrio "fluttuante". Se ciò impedisce di raggiungere la precisione di equilibratura richiesta, l'albero di trasmissione viene bilanciato senza grasso.

Alcuni squilibri possono essere del tutto irrecuperabili. Se si osserva un aumento dell'attrito nei giunti universali dell'albero di trasmissione, aumenta l'influenza reciproca dei piani di correzione. Ciò comporta una diminuzione delle prestazioni e della precisione dell'equilibratura.

Secondo OST 37.001.053-74, sono stabiliti i seguenti standard di squilibrio: gli alberi di trasmissione con due giunti (a due supporti) sono bilanciati dinamicamente e con tre (a tre supporti) - assemblati con il supporto intermedio; le flange (gioghi) degli alberi di trasmissione e dei giunti di peso superiore a 5 kg sono bilanciati staticamente prima di assemblare l'albero o il giunto; le norme di squilibrio residuo per gli alberi di trasmissione a ciascuna estremità o al supporto intermedio degli alberi di trasmissione a tre giunti sono valutate tramite squilibrio specifico;

Il valore massimo ammissibile di squilibrio residuo specifico a ciascuna estremità dell'albero o al supporto intermedio, nonché per gli alberi di trasmissione a tre giunti in qualsiasi posizione sul banco di equilibratura, non deve superare: per le trasmissioni di autovetture e autocarri leggeri (fino a 1 t) e autobus di piccole dimensioni – 6 g-cm/kg, per il resto – 10 g-cm/kg. Il valore massimo ammissibile di squilibrio residuo dell'albero di trasmissione o dell'albero di trasmissione a tre giunti deve essere garantito sul banco di equilibratura a una frequenza di rotazione corrispondente alle loro frequenze nella trasmissione alla massima velocità del veicolo.

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.

Per gli alberi di trasmissione e gli alberi di trasmissione a tre giunti di autocarri con una capacità di carico di 4 t e oltre, autobus di piccole e grandi dimensioni, è consentita una riduzione della frequenza di rotazione sul banco di equilibratura al 70% della frequenza di rotazione degli alberi di trasmissione alla velocità massima del veicolo. Secondo OST 37.001.053-74, la frequenza di rotazione di equilibratura degli alberi di trasmissione deve essere pari a:

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

dove n_b – frequenza di rotazione di equilibratura (dovrebbe corrispondere ai dati tecnici principali del banco di equilibratura, n=3000 min^-1); n_r – frequenza massima di rotazione di lavoro, min^-1.

In pratica, a causa dello spazio tra i giunti e i collegamenti scanalati, l'albero di trasmissione non può essere bilanciato alla frequenza di rotazione raccomandata. In questo caso, si sceglie un'altra frequenza di rotazione, alla quale l'albero si equilibra.

4. Moderne macchine per l'equilibratura degli alberi di trasmissione

Figura 8. Macchina equilibratrice per alberi motore lunghi fino a 2 metri, con peso fino a 500 kg

Il modello è dotato di 2 supporti e consente il bilanciamento in 2 piani di correzione.

Figura 9. Macchina equilibratrice per alberi motore lunghi fino a 4200 mm, con peso fino a 400 kg

Il modello è dotato di 4 supporti e consente il bilanciamento in 4 piani di correzione contemporaneamente.

Figura 10. Macchina equilibratrice orizzontale a cuscinetti duri per l'equilibratura dinamica degli alberi di trasmissione

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.

Figura 11. Elementi di supporto della macchina per il bilanciamento dinamico degli alberi di trasmissione

1 - Supporto non regolabile sinistro; 2 - Supporto intermedio regolabile (2 pezzi); 3 - Supporto fisso non regolabile destro; 4 - Maniglia di bloccaggio del telaio di supporto; 5 - Piattaforma di supporto mobile; 6 - Dado di regolazione verticale del supporto; 7 - Maniglie di bloccaggio della posizione verticale; 8 - Staffa di bloccaggio del supporto; 9 - Morsetto mobile del cuscinetto intermedio; 10 - Maniglia di bloccaggio del morsetto; 11 - Blocco della staffa di bloccaggio; 12 - Mandrino di azionamento (di testa) per l'installazione dell'articolo; 13 - Mandrino guidato

5. Preparazione per l'equilibratura dell'albero motore

Di seguito, si esaminerà la configurazione dei supporti della macchina e l'installazione dell'elemento di bilanciamento (albero di trasmissione a quattro supporti) sui supporti della macchina.

Figura 12. Installazione delle flange di transizione sui mandrini della macchina di bilanciamento

Figura 13. Installazione dell'albero di trasmissione sui supporti dell'equilibratrice

Figura 14. Livellamento orizzontale dell'albero motore sui supporti dell'equilibratrice con una livella a bolla d'aria

Figura 15. Fissaggio dei supporti intermedi della macchina equilibratrice per evitare lo spostamento verticale dell'albero di trasmissione

Ruotare manualmente l'elemento per un giro completo. Assicurarsi che ruoti liberamente e senza incepparsi sui supporti. A questo punto, la parte meccanica della macchina è impostata e l'installazione dell'articolo è completa.

6. Procedura di equilibratura dell'albero motore

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.

Inoltre, il dispositivo consente di visualizzare i grafici della funzione temporale e dello spettro di vibrazione per velocità di vibrazione, che possono essere utili per valutare le condizioni tecniche della macchina bilanciata.

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. Installare i sensori di vibrazione 1, 2, 3, 4 sui supporti della macchina equilibratrice.
2. Collegare i sensori di vibrazione ai connettori X1, X2, X3, X4.
3. Installare il sensore di angolo di fase (tachimetro laser) 5 in modo che lo spazio nominale tra la superficie radiale (o terminale) del rotore bilanciato e l'alloggiamento del sensore sia compreso tra 10 e 300 mm.
4. Applicare un segno di nastro riflettente di almeno 10-15 mm di larghezza sulla superficie del rotore.
5. Collegare il sensore dell'angolo di fase al connettore X5.
6. Collegare l'unità di misura alla porta USB del computer.
7. Quando si utilizza l'alimentazione di rete, collegare il computer all'alimentatore.
8. Collegare l'alimentatore a una rete a 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.

Prima di eseguire l'equilibratura, si consiglia di eseguire le misure in modalità vibrometro (tasto 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

Se l'intensità totale della vibrazione V1s (V2s) corrisponde approssimativamente all'intensità della componente rotazionale V1o (V2o), si può presumere che il contributo principale alla vibrazione del meccanismo sia dovuto allo squilibrio del rotore. Se l'intensità totale della vibrazione V1s (V2s) supera significativamente la componente rotazionale V1o (V2o), si raccomanda di ispezionare il meccanismo: controllare le condizioni dei cuscinetti, garantire un montaggio sicuro sulla fondazione, verificare che il rotore non entri in contatto con parti fisse durante la rotazione e considerare l'influenza delle vibrazioni provenienti da altri meccanismi, ecc.

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

Figura 21. Grafici della funzione tempo e dello spettro delle vibrazioni

Il grafico mostra a quali frequenze i livelli di vibrazione sono più elevati. Se queste frequenze differiscono dalla frequenza di rotazione del rotore del meccanismo bilanciato, è necessario identificare le fonti di queste componenti di vibrazione e adottare misure per eliminarle prima dell'equilibratura.

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 disallineamento: 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.

È inoltre importante prestare attenzione alla stabilità delle letture in modalità vibrometro: l'ampiezza e la fase della vibrazione non devono variare di oltre 10-15% durante la misurazione. In caso contrario, il meccanismo potrebbe funzionare in prossimità di una regione di risonanza. In questo caso, è necessario regolare la velocità del rotore.

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).

Prima di ogni esecuzione successiva, è necessario eseguire le seguenti operazioni:

• Arrestare la rotazione del rotore della macchina bilanciata.
• Rimuovere il peso di prova precedentemente installato.
• Installare il peso di prova nel piano successivo.

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

Dopo aver completato ogni misurazione, i risultati della frequenza di rotazione del rotore (N_ob), nonché i valori RMS (V_o1, V_o2, V_o3, V_o4) e le fasi (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) e gli angoli di installazione (f₁, f₂, f₃, f₄) dei pesi correttivi che devono essere installati sul rotore in quattro piani per compensare il suo squilibrio.

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

Attenzione! Dopo aver completato il processo di misurazione durante il quinto ciclo della macchina bilanciata, è necessario arrestare la rotazione del rotore e rimuovere il peso di prova precedentemente installato. Solo dopo questo si può procedere con l'installazione (o la rimozione) dei pesi correttivi sul rotore.

La posizione angolare per l'aggiunta (o la rimozione) del peso correttivo sul rotore nel sistema di coordinate polari viene misurata a partire dalla posizione di installazione del peso di prova. La direzione di misurazione dell'angolo coincide con il senso di rotazione del rotore. Nel caso di equilibratura a pale, la pala del rotore bilanciato, considerata condizionatamente come prima pala, coincide con la posizione di installazione del peso di prova. La direzione di numerazione delle pale indicata sul display del computer segue il senso di rotazione del rotore.

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) e i valori RMS (V_o1, V_o2, V_o3, V_o4) e le fasi (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. Classi di precisione di bilanciamento consigliate per rotori rigidi

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_per·Ω, where e_per 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_per = 9549·G·M/n [g·mm], split between the correction planes. See our Norma 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 Norma 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.

Tabella 2. Classi di precisione di bilanciamento raccomandate per rotori rigidi.

Tipi di macchine (rotori)	Classe di precisione del bilanciamento	Balance quality grade G = eper·Ω, mm/s
Alberi motore (strutturalmente sbilanciati) per grandi motori marini diesel a bassa velocità (velocità del pistone inferiore a 9 m/s)	G 4000	4000
Alberi motore (strutturalmente bilanciati) per grandi motori marini diesel a bassa velocità (velocità del pistone inferiore a 9 m/s)	G 1600	1600
Alberi motore (strutturalmente sbilanciati) su isolatori di vibrazioni	G 630	630
Alberi motore (strutturalmente sbilanciati) su supporti rigidi	G 250	250
Motori alternativi assemblati per autovetture, autocarri e locomotive	G 100	100
Alberi motore (strutturalmente bilanciati) su isolatori di vibrazioni	G 40	40
Car wheels, wheel rims, wheel sets, drive shafts (cardan shafts)	G 40	40
Macchine agricole	G 16	16
Alberi motore (bilanciati) su supporti rigidi	G 16	16
Frantoi	G 16	16
Drive shafts (propeller / cardan shafts) with special requirements	G 16	16
Turbine a gas per aerei	G 6.3	6.3
Centrifughe (separatori, sedimentatori)	G 6.3	6.3
Motori e generatori elettrici (con altezza dell'albero di almeno 80 mm) con velocità di rotazione nominale massima fino a 950 min.-1	G 6.3	6.3
Motori elettrici con altezza dell'albero inferiore a 80 mm	G 6.3	6.3
I fan	G 6.3	6.3
Azionamenti a ingranaggi	G 6.3	6.3
Macchine di uso generale	G 6.3	6.3
Macchine per il taglio del metallo	G 6.3	6.3
Macchine per la produzione di carta	G 6.3	6.3
Pompe	G 6.3	6.3
Turbocompressori	G 6.3	6.3
Turbine ad acqua	G 6.3	6.3
Compressori	G 6.3	6.3
Azionamenti controllati da computer	G 2.5	2.5
Motori e generatori elettrici (con altezza dell'albero di almeno 80 mm) con velocità di rotazione nominale massima superiore a 950 min.-1	G 2.5	2.5
Turbine a gas e a vapore	G 2.5	2.5
Azionamenti per macchine per il taglio dei metalli	G 2.5	2.5
Macchine tessili	G 2.5	2.5
Unità per apparecchiature audio e video	G 1	1
Azionamenti per rettificatrici	G 1	1
Mandrini e azionamenti di apparecchiature di alta precisione	G 0.4	0.4

Domande frequenti sull'equilibratura dell'albero di trasmissione

Cos'è l'equilibratura dell'albero di trasmissione?

L'equilibratura dell'albero di trasmissione è il processo di correzione di eventuali squilibri di massa in un albero di trasmissione in modo che ruoti fluidamente senza causare vibrazioni. Ciò comporta la misurazione del punto in cui l'albero è più pesante su un lato e quindi l'aggiunta o la rimozione di piccole quantità di peso (ad esempio, saldando pesi di equilibratura) per contrastare tale squilibrio. Un albero di trasmissione bilanciato funziona in modo uniforme, il che previene vibrazioni eccessive e usura dei componenti del veicolo.

Perché è importante bilanciare l'albero di trasmissione?

Un albero di trasmissione sbilanciato può causare forti vibrazioni, soprattutto a determinate velocità, e rumori metallici durante l'accelerazione o il cambio di marcia. Nel tempo, queste vibrazioni possono danneggiare cuscinetti, giunti cardanici e altri componenti della trasmissione. L'equilibratura dell'albero di trasmissione elimina queste vibrazioni, garantendo una guida più fluida, riducendo le sollecitazioni sui componenti ed evitando costosi danni o tempi di fermo.

Quali sono i sintomi più comuni di un albero di trasmissione sbilanciato?

I sintomi tipici di un albero di trasmissione sbilanciato o difettoso includono vibrazioni evidenti o tremori percepiti sul pavimento o sul sedile del veicolo, in particolare all'aumentare della velocità. Si potrebbero anche udire colpi o rumori metallici durante il cambio marcia o in accelerazione e decelerazione. In alcuni casi, il giunto cardanico potrebbe surriscaldarsi a causa dello squilibrio. Se si osservano questi segnali, è probabile che l'albero di trasmissione necessiti di equilibratura o riparazione.

Come si bilancia un albero di trasmissione?

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.

Conclusione

In conclusione, una corretta equilibratura dell'albero di trasmissione è essenziale per la sicurezza, le prestazioni e il risparmio sui costi. 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.

Se riscontri vibrazioni persistenti all'albero di trasmissione o hai bisogno di una soluzione di bilanciamento affidabile, non esitare ad agire. Segui i passaggi descritti in questa guida o consulta i nostri esperti per assistenza. Con l'approccio e l'attrezzatura giusti, puoi garantire che il tuo albero di trasmissione funzioni in modo fluido e affidabile per gli anni a venire. Contattateci per saperne di più o per scoprire la migliore attrezzatura per l'equilibratura degli alberi di trasmissione adatta alle tue esigenze.