ドライブシャフトのバランス調整：総合ガイド

トラックを運転していて、加速時やギアチェンジ時に突然激しい振動を感じたり、大きな異音が聞こえたりしたと想像してみてください。これは単なる不快感ではありません。ドライブシャフトのバランスが崩れている兆候かもしれません。エンジニアや整備士にとって、このような振動や異音は効率の低下、部品の摩耗の加速、そして放置すれば高額なダウンタイムにつながる可能性を示唆しています。

この包括的なガイドでは、ドライブシャフトのバランス調整に関する実用的なソリューションをご紹介します。ドライブシャフトとは何か、なぜバランス調整が必要なのか、振動や異音の原因となる一般的な不具合を認識し、ドライブシャフトのダイナミックバランス調整の明確な手順をステップバイステップで解説します。これらのベストプラクティスを適用することで、修理費用を節約し、トラブルシューティングの時間を短縮し、機械や車両が振動を最小限に抑えて確実に動作することを保証します。

目次

• 1.ドライブシャフトの種類
• 2.ユニバーサル・ジョイント・ドライブの故障
• 3.ドライブシャフトのバランシング
• 4.ドライブシャフト用の最新のバランシングマシン
• 5.ドライブシャフトのバランシングの準備
• 6.ドライブシャフトのバランシング手順
• 7.リジッドローターの推奨バランシング精度クラス

1.ドライブシャフトの種類

ユニバーサルジョイントドライブ（ドライブシャフト）は、ユニバーサルジョイントの中心で交差し、互いに角度を持って相対移動できるシャフト間でトルクを伝達する機構です。車両では、ドライブシャフトは、古典的または全輪駆動構成の場合、ギアボックス（またはトランスファーケース）から従動車軸にトルクを伝達します。全輪駆動車の場合、ユニバーサルジョイントは通常、ギアボックスの従動シャフトをトランスファーケースの駆動シャフトに接続し、トランスファーケースの従動シャフトを従動車軸のメインドライブの駆動シャフトに接続します。

フレームに搭載されたユニット（ギアボックスやトランスファーケースなど）は、支持部およびフレーム自体の変形により、互いに相対的に動く可能性があります。一方、ドライブアクスルはサスペンションを介してフレームに接続されており、サスペンションの弾性要素の変形により、フレームおよびそこに搭載されたユニットに対して相対的に動く可能性があります。この動きは、ユニットを接続するドライブシャフトの角度だけでなく、ユニット間の距離も変化させる可能性があります。

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.

ユニバーサル・ジョイント・ドライブは、ドライブシャフトと中間サポートによって接続された1つまたは複数のユニバーサル・ジョイントで構成されます。

図1.ユニバーサル・ジョイント・ドライブの図：1、4、6...ドライブシャフト、2、5...ユニバーサルジョイント、3...コンペンセーティングコネクション、u1、u2...シャフト間の角度

一般に、ユニバーサルジョイントドライブは、ユニバーサルジョイント2と5、ドライブシャフト1、4、6、および補償接続3で構成されます。ドライブシャフトは、車両フレームのクロスメンバーに取り付けられた中間サポートに取り付けられる場合があります。ユニバーサルジョイントは、軸が斜めに交差するシャフト間のトルク伝達を保証します。ユニバーサルジョイントは、不等速タイプと等速タイプに分けられます。不等速ジョイントはさらに、弾性タイプと剛性タイプに分類されます。等速ジョイントには、分割溝付きボールタイプ、分割レバー付きボールタイプ、およびカムタイプがあります。これらは通常、制御される前輪のドライブに取り付けられ、シャフト間の角度は45°に達することがあり、ユニバーサルジョイントの中心は、ホイールの回転軸と旋回軸の交点と一致する必要があります。

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.

図2.剛性不均一速度ユニバーサルジョイントの図

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.

シャフト2の不均一な回転がユニットのシャフトに伝達されると、伝達時にさらなる脈動荷重が発生し、角度γとともに増加する。シャフト2の不均一な回転がユニットのシャフトに伝達されるのを防ぐために、ユニバーサルジョイント駆動では2つのユニバーサルジョイントが使用される。これらは角度γ1とγ2が等しくなるように設置され、不均一に回転するシャフト4に固定されたユニバーサルジョイントのフォークは同一平面上に配置される必要があります。

ユニバーサルジョイントドライブの主要部品の設計を図3に示します。不等速ユニバーサルジョイントは、クロス（3）で接続された2つのヨーク（1）で構成されています。ヨークの1つにはフランジが付いている場合があり、もう1つはドライブシャフトチューブに溶接されているか、ドライブシャフトに接続するためのスプライン端（6）（またはスリーブ）が付いています。クロスのトラニオンは、ニードルベアリング（7）の両方のヨークのアイに取り付けられています。各ベアリングはケース（2）に収納され、ヨークのアイにキャップで保持されます。キャップは、ワッシャーのタブで固定された2本のボルトでヨークに接続されています。場合によっては、ベアリングはスナップリングでヨークに固定されます。ベアリング内の潤滑を維持し、水や汚れから保護するために、ゴム製のセルフタイトシールが使用されています。クロスの内部キャビティには、ベアリングに達するグリースフィッティングを介してグリースが充填されています。クロスには通常、グリースがクロスに注入される際の圧力によるシールの損傷を防ぐ安全弁が備えられています。スプライン接続部（6）は、グリースフィッティング（5）によって潤滑されます。

図3.剛性不均一速度ユニバーサルジョイントの詳細

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.

高速履帯車両のトランスミッションでは、軸が最大 1.5 ～ 2° の角度で交差するシャフト間でトルクを伝達できるギア カップリング タイプのユニバーサル ジョイントがよく使用されます。

ドライブシャフトは通常、特殊鋼のシームレスまたは溶接チューブを使用して管状に作られています。ユニバーサルジョイントのヨーク、スプラインスリーブ、またはチップはチューブに溶接されています。ドライブシャフトに作用する横荷重を軽減するため、ユニバーサルジョイントを組み立てた状態でダイナミックバランシングを行います。アンバランスは、バランシングプレートをドライブシャフトに溶接するか、ユニバーサルジョイントのベアリングキャップの下にバランシングプレートを取り付けることによって修正されます。工場でのユニバーサルジョイントドライブの組み立てとバランシング後のスプライン接続部品の相対位置は、通常特別なラベルでマークされます。

ユニバーサルジョイントドライブのコンペンセーティングコネクションは、通常スプラインコネクションの形で作られ、ユニバーサルジョイントドライブ部品の軸方向の動きを可能にします。これは、ユニバーサルジョイントドライブのスプラインスリーブに嵌合するスプラインチップで構成されています。潤滑は、グリース継手を介してスプライン接続部に導入されるか、組み立て時に塗布され、車両の長期使用後に交換されます。グリースの漏れや汚染を防ぐために、一般的にシールとカバーが取り付けられています。

長いドライブシャフトの場合、ユニバーサルジョイントドライブには通常中間サポートが使用されます。中間サポートは通常、車両フレームのクロスメンバにボルトで固定されたブラケットで構成され、その中にボールベアリングがゴム製の弾性リングに取り付けられている。ベアリングは両側がキャップで密閉され、潤滑装置が付いています。ゴム製の弾性リングは、フレームの変形によって生じる可能性のある組み立ての不正確さやベアリングのずれを補正するのに役立ちます。

ニードルベアリング付きユニバーサルジョイント（図4a）は、ヨーク、クロス、ニードルベアリング、シールで構成されている。ニードルベアリング付きカップは、クロスのトラニオンに取り付けられ、シールで密封される。カップはスナップリングまたはキャップでヨークに固定され、ネジで固定される。ユニバーサルジョイントの潤滑は、クロスの内部ドリルからグリース継手を介して行われます。安全弁は、ジョイント内の過剰な油圧を除去するために使用されます。駆動ヨークが均一に回転している間、従動ヨークは不均一に回転します：1回転に2回、駆動ヨークより進んだり遅れたりします。不均一な回転をなくし、慣性荷重を減らすために、2つのユニバーサルジョイントが使用される。

前駆動輪への駆動には、等速ユニバーサルジョイントが取り付けられている。GAZ-66およびZIL-131車両の等速ジョイント駆動は、ヨーク2、5（図4b）、4つのボール7、および中央のボール8で構成されています。駆動ヨーク2は内側のアクスルシャフトと一体であり、従動ヨークは外側のアクスルシャフトと一緒に鍛造され、その先端にホイールハブが固定されています。ヨーク2からヨーク5への駆動モーメントは、ヨークの円形溝に沿って動くボール7を介して伝達されます。中央のボール8はヨークの中心を決める役割を果たし、スタッド3、4によって固定されています。ヨーク2、5の回転周波数は、ヨークに対する機構の対称性により同じです。シャフトの長さの変更は、ヨークとシャフトの自由スプライン接続によって保証されます。

図 4.ユニバーサルジョイント: a - ユニバーサルジョイント: 1 - キャップ; 2 - カップ; 3 - ニードルベアリング; 4 - シール; 5, 9 - ヨーク; 6 - 安全バルブ; 7 - クロス; 8 - グリースフィッティング; 10 - ねじ; b - 等速ユニバーサルジョイント: 1 - インナーアクスルシャフト; 2 - 駆動ヨーク; 3, 4 - スタッド; 5 - 従動ヨーク; 6 - アウターアクスルシャフト; 7 - ボール; 8 - 中央ボール

2.ユニバーサル・ジョイント・ドライブの故障

ユニバーサル・ジョイント・ドライブの不具合は、通常、車両の走行中、特にギア間のシフトチェンジやエンジン・クランクシャフト・スピードの急激な上昇時（例えば、エンジン・ブレーキから加速への移行時）に発生するユニバーサル・ジョイントの鋭いノックとして現れます。ユニバーサルジョイントの故障の兆候として、高温（100℃以上）への加熱が考えられます。これは、ユニバーサルジョイントのブッシュやトラニオン、ニードルベアリング、クロス、スプライン接続部が著しく摩耗し、ユニバーサルジョイントのミスアライメントやニードルベアリングへの大きな衝撃アキシャル荷重が発生するために起こります。ユニバーサルジョイントのクロスのコルクシールの損傷は、トラニオンとそのベアリングの急速な摩耗につながります。

メンテナンスの際、ユニバーサルジョイントドライブは、ドライブシャフトを手で両方向に鋭く回転させてチェックします。シャフトの自由回転の程度によって、ユニバーサルジョイントとスプライン接続部の摩耗が決まる。8～10,000キロメートルごとに、ギアボックスのドリブン・シャフト・フランジとメイン・トランスミッション・ギアのドライブ・シャフトとエンド・ユニバーサル・ジョイントのフランジとのボルト接続の状態、およびドライブ・シャフトの中間サポートの締め付けを点検する。スプライン接続部のラバーブーツとユニバーサルジョイントクロスのコルクシールの状態もチェックする。すべての締め付けボルトは完全に締め付けること（締め付けトルク8～10kgf-m）。

ユニバーサルジョイントのニードルベアリングは、トランスミッションユニットに使用される液体オイルで潤滑される。ほとんどの車両のスプライン接続部は、グリース（US-1、US-2、1-13など）で潤滑される。ニードルベアリングの潤滑にグリースを使用することは固く禁じられている。一部の車両では、スプライン接続部はトランスミッションオイルで潤滑される。中間サポートベアリングは、ゴムスリーブに取り付けられており、工場での組み立て時に潤滑されるため、実質的に潤滑の必要はない。ZIL-130車両のサポートベアリングには、定期メンテナンス時（1100～1700kmごと）に圧力継手からグリースが注入されます。

図5.ユニバーサルジョイントドライブ：1...ドライブシャフト固定用フランジ、2...ユニバーサルジョイントクロス、3...ユニバーサルジョイントヨーク、4...スライディングヨーク、5...ドライブシャフトチューブ、6...ニードルローラーベアリング（クローズドエンド付き

ユニバーサルジョイントドライブは、中空シャフトで接続されたニードルベアリング付き2つのユニバーサルジョイントと、インボリュートスプライン付きスライディングヨークで構成されています。汚れから確実に保護し、スプライン接続部に良好な潤滑を提供するため、ギアボックスのセカンダリシャフト(2)に接続されたスライディングヨーク(6)は、ギアボックスハウジングに取り付けられた延長部(1)に配置されています。さらに、スプライン接続部のこの位置（ジョイント間のゾーンの外側）は、ユニバーサルジョイントドライブの剛性を著しく高め、摺動スプライン接続部が磨耗したときのシャフト振動の可能性を低減します。

ドライブシャフトは薄肉の電気溶接管（8）で作られており、両端に同一のヨーク（9）が圧入され、アーク溶接されている。クロス（25）のニードルベアリングハウジング（18）はヨーク（9）のアイに圧入され、スプリング保持リング（20）で固定されている。各ユニバーサルジョイントベアリングには22本のニードル（21）が含まれている。スタンプキャップ（24）は、クロスの突出したトラニオンに圧入され、コルクリング（23）が取り付けられている。ベアリングは、クロス中央のねじ穴にねじ込まれた角度付きグリースフィッティング（17）によって潤滑され、クロスのトラニオンの貫通チャネルに接続されている。ユニバーサルジョイントクロスの反対側には、中央に安全弁（16）が設けられています。この安全弁は、クロスとベアリングへのグリース充填時に余分なグリースを排出し、作動中にクロス内部の圧力上昇を防ぐように設計されています（この弁は約3.5 kg/cm²の圧力で作動します）。安全弁を設ける必要があるのは、クロス内部の過度の圧力上昇がコルクシールの損傷（押し出し）につながる可能性があるためです。

図6.ドライブシャフトアセンブリ：1...ギアボックスの延長部、2...ギアボックスのセカンダリシャフト、3および5...ダートディフレクタ、4...ゴムシール、6...スライディングヨーク、7...バランスプレート、8...ドライブシャフトチューブ、9...ヨーク、10...フランジヨーク、11...ボルト、12...リアアクスルドライブギアのフランジ；13...スプリングワッシャー; 14...ナット; 15...リアアクスル; 16...安全バルブ; 17...アンギュラーグリースフィッティング; 18...ニードルベアリング; 19...ヨークアイ; 20...スプリングリテーニングリング; 21...ニードル; 22...トロイダルエンドワッシャー; 23...コルクリング; 24...スタンプキャップ; 25...クロス

両方のユニバーサルジョイントが組み込まれたドライブシャフトは、両端でバランスプレート（7）をチューブに溶接することで、慎重に動的バランスが取られています。したがって、シャフトを分解する際には、すべての部品を元の位置に再組み立てできるように、注意深くマーキングする必要があります。この指示に従わないと、シャフトのバランスが崩れ、振動が発生し、トランスミッションや車体に損傷を与える可能性があります。個々の部品が摩耗した場合、特に衝撃によってチューブが曲がり、組み立て後にシャフトの動的バランスが取れなくなった場合は、シャフト全体を交換する必要があります。

ドライブシャフトに起こりうる故障とその原因、解決策

故障の原因	ソリューション
ドライブシャフトの振動
1.障害物によるシャフトの曲がり	1.組み立てられたシャフトをまっすぐにし、動的バランスをとるか、組み立てられたシャフトを交換する。
2.ベアリングとクロスの摩耗	2.ベアリングとクロスを交換し、組み立てたシャフトの動的バランスをとる。
3.エクステンションブッシュとスライディングヨークの摩耗	3.エクステンションとスライディングヨークを交換し、組み立てたシャフトの動的バランスをとる。
発進時および惰性走行時のノック
1.スライディングヨークスプラインまたはセカンダリギアボックスシャフトの摩耗	1.摩耗した部品を交換する。スライディング・ヨークを交換する際は、組み立てたシャフトの動的バランスをとる。
2.フランジヨークをリアアクスルドライブギアの フランジに固定しているボルトの緩み。	2.ボルトを締める
ユニバーサルジョイントシールからのオイルスロー
ユニバーサルジョイントのシールにおけるコルクリングの摩耗	再組み立ての際、すべてのドライブシャフト部品の相対位置を維持しながら、コルクリングを交換する。クロスとベアリングに摩耗がある場合は、ベアリングとクロスを交換し、組み立てたシャフトの動的バランスをとる。

3.ドライブシャフトのバランシング

ドライブシャフトを修理して組み立てた後、機械で動的にバランスをとる。バランシングマシンの設計のひとつを図7に示す。マシンは、プレート（18）、4本の垂直弾性ロッド（3）に取り付けられた振り子フレーム（8）で構成され、水平面内での振動を保証します。ブラケット(4)に固定されたブラケットと前部主軸台(9)は、振り子フレーム(8)の縦管に取り付けられている。後部主軸台(6)は可動トラバース(5)上にあり、異なる長さのドライブシャフトの動的バランスをとることができます。主軸台スピンドルは精密ボールベアリングに取り付けられています。フロント主軸台(9)のスピンドルは、マシンベースに設置された電気モーターによって、Vベルトドライブと中間シャフトを介して駆動され、その上にリム(10)(目盛盤)が取り付けられています。さらに、格納式ロックピン(17)を備えた2つのスタンド(15)がマシンプレート(18)上に設置され、ドライブシャフトの前端または後端のバランスに応じて振り子フレームの前端と後端の固定を保証します。

図7.ドライブシャフト用のダイナミックバランシングマシン

1-クランプ、2-ダンパー、3-弾性ロッド、4-ブラケット、5-可動式トラバース、6-後主軸台、7-クロスバー、8-振り子フレーム、9-前主軸台、10-リムディスク、11-ミリボルトメーター、12-整流子-整流子軸のリム、13-磁気センサー、14-固定スタンド、15-固定台、16-サポート、17-固定台、18-支持板

固定スタンド(14)はマシンプレートの後部に取り付けられ、その上に磁電センサー(13)が設置され、ロッドが振り子フレームの両端に接続されている。フレームの共振振動を防ぐため、ブラケット(4)の下にはオイルを満たしたダンパー(2)が取り付けられている。

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.

ドライブシャフトにはいくつかのバランシング機能があります。ほとんどの部品では、ダイナミックバランシングのベースはサポートネック（電気モーターのローター、タービン、スピンドル、クランクシャフトなど）ですが、ドライブシャフトの場合はフランジです。組み立ての際、さまざまな接続部に避けられない隙間が生じ、アンバランスが生じます。バランシング中に最小のアンバランスを達成できない場合、シャフトは不合格になります。バランシングの精度は、以下の要因に影響されます：

• ドライブシャフト・フランジのランディング・ベルトと左右のサポート・ヘッドストックのクランプ・フランジの内孔との接続部に隙間があること；
• フランジのベース面の半径方向および端部の振れ；
• ヒンジとスプライン接続部の隙間。スプライン接続部の空洞にグリースが存在すると、「浮き上がり」のような不均衡が生じる可能性があります。必要なバランス調整精度の達成を妨げる場合は、グリースを塗布せずにドライブシャフトのバランス調整を行います。

アンバランスの中には、完全に修正できないものもあります。ドライブシャフトのユニバーサルジョイントに摩擦の増加が見られる場合、補正面の相互影響が大きくなります。これは、バランシングの性能と精度の低下につながります。

OST 37.001.053-74 に従って、次のアンバランス基準が確立されています：2 つのジョイント（2 支持）を持つドライブシャフトは動的にバランス調整され、3 つのジョイント（3 支持）を持つドライブシャフトは中間支持を使用して組み立てられます。重量が 5 kg を超えるドライブシャフトとカップリングのフランジ（ヨーク）は、シャフトまたはカップリングを組み立てる前に静的にバランス調整されます。3 ジョイント ドライブシャフトの各端部または中間支持部におけるドライブシャフトの残留アンバランス基準は、特定のアンバランスによって評価されます。

シャフトの両端または中間支持部における、またバランシングスタンド上のどの位置においても、3ジョイントドライブシャフトの最大許容残留不均衡値は、乗用車、小型トラック（1トンまで）および超小型バスのトランスミッションの場合6 g-cm/kg、その他の車両の場合10 g-cm/kgを超えてはなりません。ドライブシャフトまたは3ジョイントドライブシャフトの最大許容残留不均衡値は、バランシングスタンド上で、最高車両速度におけるトランスミッションの回転周波数に対応する回転周波数で確保する必要があります。

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.

積載量4t以上のトラック、小型バス、大型バスのドライブシャフトおよび3ジョイントドライブシャフトについては、最高車両速度におけるトランスミッションシャフトの回転周波数を、バランシングスタンド上で70%まで下げることが認められます。OST 37.001.053-74によれば、ドライブシャフトのバランス調整回転周波数は以下の値に等しくなければなりません。

n_b = (0.7 ... 1.0) n_r,

ここで_b – バランス回転周波数（スタンドの主な技術データに対応する必要があり、n = 3000分^-1); n_r – 最大動作回転周波数、最小^-1.

実際には、ジョイントとスプライン接続に隙間があるため、ドライブシャフトは推奨された回転数ではバランスを取ることができません。この場合、別の回転数を選択し、その回転数でバランスをとる。

4.ドライブシャフト用の最新のバランシングマシン

図8.長さ2メートル、重量500キロまでのドライブシャフト用のバランシングマシン

このモデルには2つのスタンドがあり、2つの補正平面でバランスを取ることができる。

図9.長さ4200mm、重量400kgまでのドライブシャフト用のバランシングマシン

このモデルには4つのスタンドがあり、4つの補正平面で同時にバランスを取ることができる。

図10.ドライブシャフトの動的バランシングのための水平ハードベアリングバランシングマシン

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.

図11.ドライブシャフトの動的バランシングのためのマシンサポート要素

1 - 左非調整式サポート; 2 - 中間調整式サポート(2個); 3 - 右非調整式固定サポート; 4 - サポートフレームロックハンドル; 5 - 可動式サポートプラットフォーム; 6 - サポート垂直調整ナット; 7 - 垂直位置ロックハンドル; 8 - サポートクランプブラケット; 9 - 中間ベアリング可動式クランプ; 10 - クランプロックハンドル; 11 - クランプブラケットロック; 12 - アイテム取り付け用ドライブ(リーディング)スピンドル; 13 - ドライブスピンドル

5.ドライブシャフトのバランシングの準備

以下では、マシンサポートのセットアップと、マシンサポートへのバランスアイテム（4サポートドライブシャフト）の取り付けについて考える。

図12.バランシングマシンのスピンドルへの移行フランジの取り付け

図13 バランシングマシンのサポートへのドライブシャフトの取り付け

図 14.バランシングマシンのサポート上でバブルレベルを使用してドライブシャフトを水平にする

図15.ドライブシャフトの垂直方向の変位を防ぐためにバランシングマシンの中間サポートを固定する。

アイテムを手動で一回転させる。サポートに引っかかることなく、自由に回転することを確認する。この後、機械の機械部分がセットアップされ、アイテムの取り付けが完了する。

6.ドライブシャフトのバランシング手順

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.

さらに、この装置は、振動速度による時間関数と振動スペクトルのグラフを表示することができ、バランス機械の技術的な状態を評価するのに役立ちます。

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. バランシングマシンのサポートに振動センサー1、2、3、4を取り付けます。
2. 振動センサーをコネクター X1、X2、X3、X4 に接続します。
3. 位相角センサー（レーザー・タコメーター）5を、バランス・ローターのラジアル（または端）面とセンサー・ハウジングの間の公称ギャップが10～300mmの範囲になるように取り付けます。
4. 少なくとも幅10～15 mmの反射テープマークをローター表面に貼り付ける。
5. 位相角センサーをコネクターX5に接続する。
6. 測定ユニットをコンピュータのUSBポートに接続します。
7. 主電源を使用する場合は、コンピューターを電源ユニットに接続してください。
8. 電源装置を220V、50Hzのネットワークに接続する。
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.

バランシングを行う前に、振動計モード（F5ボタン）で測定を行うことをお勧めします。

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

振動の総振幅V1s（V2s）が回転成分の振幅V1o（V2o）とほぼ一致する場合、機構の振動の主な要因はローターのアンバランスであると推定できます。振動の総振幅V1s（V2s）が回転成分V1o（V2o）を大幅に上回る場合は、機構の点検をお勧めします。具体的には、ベアリングの状態を確認し、基礎への確実な取り付け、回転中にローターが固定部品に接触しないことを確認し、他の機構からの振動の影響を考慮することなどが挙げられます。

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

図21.振動の時間関数とスペクトルのグラフ

グラフは、振動レベルが最も高い周波数を示しています。これらの周波数がバランス機構のローターの回転周波数と異なる場合は、バランス調整前にこれらの振動成分の発生源を特定し、それらを除去する対策を講じる必要があります。

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 ずれ: 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.

また、振動計モードでの測定値の安定性にも注意を払うことが重要です。測定中に振動の振幅と位相が 10-15% 以上変化してはなりません。そうでなければ、機構が共振領域付近で動作している可能性があります。この場合、ローター速度を調整する必要があります。

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).

その後の各運転の前に、以下のステップを踏むべきである：

• バランスをとった機械のローターの回転を停止します。
• 先に取り付けた試走用ウェイトを取り外します。
• トライアルウェイトを次の平面に取り付ける。

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

各測定を完了した後、ローターの回転周波数（N_オブ)、および実効値(V_o1, V_o2, V_o3, V_o4)と位相(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)と設置角度(f₁, f₂, f₃, f₄)のアンバランスを補正するために、4つの平面でローターに設置する必要がある補正ウェイト。

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

注意！ バランス調整機の5回目の運転中に測定プロセスを完了したら、ローターの回転を停止し、以前に取り付けた試験用ウェイトを取り外します。この操作を行った後にのみ、ローターへの補正用ウェイトの取り付け（または取り外し）を進めることができます。

極座標系におけるローターへの補正用ウェイトの追加（または削除）角度位置は、試験用ウェイトの設置位置から測定されます。角度測定方向はローターの回転方向と一致します。ブレードによるバランス調整の場合、バランス調整されたローターのブレード（条件付きで1番目とみなされる）は、試験用ウェイトの設置位置と一致します。コンピュータ画面に表示されるブレードの番号方向は、ローターの回転方向に従います。

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_オブ)と実効値(V_o1, V_o2, V_o3, V_o4)と位相(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.リジッドローターの推奨バランシング精度クラス

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 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.

表 2.リジッドローターの推奨バランシング精度クラス。

機械の種類（ローター）	バランシング精度クラス	バランス品質等級 G = eper·Ω, mm/s
大型舶用低速ディーゼルエンジン（ピストン速度9m/s以下）用の駆動クランクシャフト（構造的にアンバランスなもの）	G 4000	4000
大型舶用低速ディーゼルエンジン（ピストン速度9m/s以下）用ドライブクランクシャフト（構造バランス型）	G 1600	1600
防振装置上の駆動クランクシャフト（構造的にアンバランス）	G 630	630
リジッドサポート上の駆動クランクシャフト（構造的にアンバランス）	G 250	250
乗用車、トラック、機関車用に組み立てられた往復動エンジン	G 100	100
防振台上の駆動クランクシャフト（構造的にバランスされている）	G 40	40
Car wheels, wheel rims, wheel sets, drive shafts (cardan shafts)	G 40	40
農業機械	G 16	16
リジッドサポート上の駆動クランクシャフト（バランス型）	G 16	16
粉砕機	G 16	16
Drive shafts (propeller / cardan shafts) with special requirements	G 16	16
航空機用ガスタービン	G 6.3	6.3
遠心分離機（セパレーター、セトラー）	G 6.3	6.3
最大公称回転速度が毎分950回転までの電動機および発電機（シャフトの高さが80mm以上）。-1	G 6.3	6.3
シャフトの高さが80mm以下の電気モーター	G 6.3	6.3
ファン	G 6.3	6.3
ギアドライブ	G 6.3	6.3
汎用機	G 6.3	6.3
金属切削機械	G 6.3	6.3
製紙機械	G 6.3	6.3
ポンプ	G 6.3	6.3
ターボチャージャー	G 6.3	6.3
水車	G 6.3	6.3
コンプレッサー	G 6.3	6.3
コンピュータ制御ドライブ	G 2.5	2.5
最大公称回転速度が950 minを超える電動機および発電機（シャフトの高さが80 mm以上のもの-1	G 2.5	2.5
ガスタービンおよび蒸気タービン	G 2.5	2.5
金属切削機械のドライブ	G 2.5	2.5
繊維機械	G 2.5	2.5
オーディオ・ビデオ機器のドライブ	G 1	1
研削盤ドライブ	G 1	1
高精度機器のスピンドルとドライブ	G 0.4	0.4

ドライブシャフトのバランス調整に関するよくある質問

ドライブシャフトバランシングとは何ですか?

ドライブシャフトのバランス調整は、ドライブシャフトの質量アンバランスを修正し、振動を起こさずにスムーズに回転するようにするプロセスです。このプロセスでは、シャフトの片側が重くなっている部分を測定し、そのアンバランスを解消するために少量の重量を追加または削減（例えば、バランスウェイトの溶接）します。バランスの取れたドライブシャフトは均等に回転するため、過度の振動や車両部品の摩耗を防ぎます。

ドライブシャフトのバランス調整が重要なのはなぜですか?

ドライブシャフトのバランスが崩れると、特に特定の速度域で強い振動が発生し、加速時やギアシフト時にガタガタとした異音が発生することがあります。こうした振動は、時間の経過とともにベアリング、ユニバーサルジョイント、その他のドライブトレイン部品に損傷を与える可能性があります。ドライブシャフトのバランス調整を行うことで、こうした振動が解消され、スムーズな乗り心地が確保され、部品への負担が軽減され、高額な損傷やダウンタイムを防ぐことができます。

ドライブシャフトのバランスが崩れた場合の一般的な症状は何ですか?

ドライブシャフトのバランスが崩れたり故障したりすると、一般的には、特に速度が上昇すると、車体の床やシートに顕著な振動や震えが感じられることがあります。また、ギアチェンジ時や加減速時に、ノッキング音やガタガタ音が聞こえることもあります。場合によっては、アンバランスによりユニバーサルジョイントが過熱することもあります。これらの兆候が見られる場合は、ドライブシャフトのバランス調整または修理が必要になる可能性があります。

ドライブシャフトのバランスはどうやって取るのでしょうか?

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.

結論

結論として、安全性、パフォーマンス、コスト削減には、適切なドライブシャフトのバランス調整が不可欠です。 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.

ドライブシャフトの振動が持続する場合や、信頼性の高いバランス調整ソリューションが必要な場合は、迷わずに行動を起こしてください。このガイドに記載されている手順を実行するか、当社の専門家にご相談ください。適切なアプローチと機器を使用することで、ドライブシャフトが今後何年もスムーズかつ確実に動作することを保証できます。 お問い合わせ 詳細を知りたい場合や、ニーズに最適なドライブ シャフト バランシング装置を探している場合は、こちらをご覧ください。