Wyważanie wału napędowego: kompleksowy przewodnik

Wyobraź sobie, że prowadzisz ciężarówkę i nagle czujesz silne wibracje lub słyszysz głośny stuk podczas przyspieszania lub zmiany biegów. To coś więcej niż tylko uciążliwość – może to być oznaką niewyważonego wału napędowego. Dla inżynierów i techników takie wibracje i hałasy wskazują na spadek wydajności, przyspieszone zużycie podzespołów i potencjalnie kosztowne przestoje, jeśli nie zostaną naprawione.

W tym kompleksowym poradniku przedstawiamy praktyczne rozwiązania problemów z wyważeniem wału napędowego. Dowiesz się, czym jest wał napędowy i dlaczego wymaga wyważenia, rozpoznasz typowe usterki powodujące wibracje lub hałas oraz poznasz przejrzysty proces dynamicznego wyważania wału napędowego, krok po kroku. Stosując te najlepsze praktyki, możesz zaoszczędzić pieniądze na naprawach, skrócić czas rozwiązywania problemów i zapewnić niezawodną pracę maszyn lub pojazdów przy minimalnych wibracjach.

Spis treści

• 1. Rodzaje wałów napędowych
• 2. Wadliwe działanie przegubu uniwersalnego
• 3. Wyważanie wału napędowego
• 4. Nowoczesne wyważarki do wałów napędowych
• 5. Przygotowanie do wyważania wału napędowego
• 6. Procedura wyważania wału napędowego
• 7. Zalecane klasy dokładności wyważania dla sztywnych wirników

1. Rodzaje wałów napędowych

Uniwersalny przegub napędowy (wał napędowy) to mechanizm przenoszący moment obrotowy między wałami, które przecinają się w środku przegubu uniwersalnego i mogą poruszać się względem siebie pod kątem. W pojeździe wał napędowy przenosi moment obrotowy ze skrzyni biegów (lub skrzyni rozdzielczej) na napędzane osie w przypadku konfiguracji z napędem klasycznym lub na wszystkie koła. W przypadku pojazdów z napędem na wszystkie koła, przegub uniwersalny zazwyczaj łączy napędzany wał skrzyni biegów z wałem napędowym skrzyni rozdzielczej, a napędzane wały skrzyni rozdzielczej z wałami napędowymi głównych napędów napędzanych osi.

Jednostki zamontowane na ramie (takie jak skrzynia biegów i skrzynia rozdzielcza) mogą przemieszczać się względem siebie z powodu odkształcenia ich podpór i samej ramy. Z kolei osie napędowe są przymocowane do ramy za pośrednictwem zawieszenia i mogą przemieszczać się względem ramy i zamontowanych na niej jednostek z powodu odkształcenia elementów sprężystych zawieszenia. Ruch ten może zmieniać nie tylko kąty nachylenia wałów napędowych łączących jednostki, ale także odległość między nimi.

Napęd z przegubem uniwersalnym ma istotną wadę: nierównomierny obrót wałów. Jeśli jeden wał obraca się równomiernie, drugi nie, a ta nierównomierność zwiększa się wraz ze wzrostem kąta między wałami. Ograniczenie to uniemożliwia wykorzystanie uniwersalnego przegubu napędowego w wielu zastosowaniach, takich jak przenoszenie napędu w pojazdach z napędem na przednie koła, gdzie głównym problemem jest przenoszenie momentu obrotowego na koła skrętne. Wadę tę można częściowo zrekompensować poprzez zastosowanie podwójnych przegubów uniwersalnych na jednym wale, które obracają się względem siebie o ćwierć obrotu. Jednak w zastosowaniach wymagających równomiernego obrotu, zamiast tego zwykle stosuje się przeguby homokinetyczne (CV). Przeguby homokinetyczne są bardziej zaawansowaną, ale także bardziej złożoną konstrukcją służącą temu samemu celowi.

Napędy z przegubem uniwersalnym mogą składać się z jednego lub więcej przegubów uniwersalnych połączonych wałami napędowymi i wspornikami pośrednimi.

Rysunek 1. Schemat napędu z przegubem uniwersalnym: 1, 4, 6 - wały napędowe; 2, 5 - przeguby uniwersalne; 3 - połączenie wyrównawcze; u1, u2 - kąty między wałami

Ogólnie rzecz biorąc, napęd przegubu krzyżakowego składa się z przegubów krzyżakowych 2 i 5, półosi napędowych 1, 4 i 6 oraz połączenia kompensacyjnego 3. Czasami półoś napędowa jest zamontowana na podporze pośredniej przymocowanej do belki poprzecznej ramy pojazdu. Przeguby krzyżakowe zapewniają przenoszenie momentu obrotowego między wałami, których osie przecinają się pod kątem. Przeguby krzyżakowe dzielą się na nierównomierne i stałoobrotowe. Przeguby nierównomierne dzielą się dalej na sprężyste i sztywne. Przeguby stałoobrotowe mogą być typu kulowego z rowkami dzielącymi, typu kulowego z dźwignią dzielącą i typu krzywkowego. Zazwyczaj są one montowane w napędzie wiodących kół sterowanych, gdzie kąt między wałami może osiągnąć 45°, a środek przegubu krzyżakowego musi pokrywać się z punktem przecięcia osi obrotu koła i jego osi obrotu.

Elastyczne przeguby krzyżakowe przenoszą moment obrotowy między wałami o przecinających się osiach pod kątem 2...3° dzięki sprężystemu odkształceniu elementów łączących. Sztywny przegub o nierównomiernej prędkości przenosi moment obrotowy z jednego wału na drugi poprzez ruchome połączenie sztywnych części. Składa się on z dwóch jarzm - 3 i 5, w których cylindrycznych otworach osadzone są na łożyskach końce A, B, V i G elementu łączącego - krzyża 4. Jarzma są sztywno połączone z wałami 1 i 2. Jarzmo 5 może obracać się wokół osi BG krzyża i jednocześnie, wraz z krzyżem, wokół osi AV, umożliwiając w ten sposób przenoszenie obrotu z jednego wału na drugi ze zmiennym kątem między nimi.

Rysunek 2. Schemat sztywnego przegubu uniwersalnego o niejednorodnej prędkości

Jeśli wał 7 obróci się wokół swojej osi o kąt α, wówczas wał 2 obróci się o kąt β w tym samym okresie. Zależność między kątami obrotu wałów 7 i 2 określa wyrażenie tanα = tanβ * cosγ, gdzie γ jest kątem, pod którym ustawione są osie wałów. To wyrażenie wskazuje, że kąt β jest czasami mniejszy, równy lub większy od kąta α. Równość tych kątów występuje co każde 90° obrotu wału 7. Zatem przy jednostajnym obrocie wału 1, prędkość kątowa wału 2 jest nierównomierna i zmienia się zgodnie z prawem sinusoidalnym. Nierównomierność obrotu wału 2 staje się tym bardziej znacząca, im większy jest kąt γ między osiami wałów.

Jeśli nierównomierny obrót wału 2 zostanie przeniesiony na wały zespołów, w przekładni wystąpią dodatkowe obciążenia pulsacyjne, zwiększające się wraz ze wzrostem kąta γ. Aby zapobiec przenoszeniu nierównomiernego obrotu wału 2 na wały zespołów, w napędzie przegubowym zastosowano dwa przeguby uniwersalne. Są one zainstalowane tak, aby kąty γ1 i γ2 były równe; widełki przegubów uniwersalnych, zamocowane na nierównomiernie obracającym się wale 4, powinny być ustawione w tej samej płaszczyźnie.

Konstrukcja głównych części napędów przegubów krzyżakowych jest przedstawiona na rysunku 3. Przegub krzyżakowy o nierównomiernej prędkości składa się z dwóch jarzm (1) połączonych krzyżakiem (3). Jedno z jarzm ma czasami kołnierz, podczas gdy drugie jest przyspawane do rury wału napędowego lub ma końcówkę wielowypustową (6) (lub tuleję) do połączenia z wałem napędowym. Czopy krzyżaka są zamontowane w oczkach obu jarzm na łożyskach igiełkowych (7). Każde łożysko jest osadzone w obudowie (2) i utrzymywane w oczku jarzma za pomocą kołpaka, który jest przymocowany do jarzma dwoma śrubami blokowanymi przez zaczepy na podkładce. W niektórych przypadkach łożyska są mocowane w jarzmach za pomocą pierścieni osadczych. Aby utrzymać smarowanie w łożysku i chronić je przed wodą i brudem, zastosowano gumową uszczelkę samozaciskową. Wewnętrzna komora krzyżaka jest wypełniona smarem przez smarowniczkę, która dociera do łożysk. Krzyżak zazwyczaj posiada zawór bezpieczeństwa, który chroni uszczelkę przed uszkodzeniem pod wpływem ciśnienia smaru pompowanego do krzyżaka. Połączenie wielowypustowe (6) jest smarowane za pomocą smarowniczki (5).

Rysunek 3. Szczegóły sztywnego przegubu uniwersalnego o niejednorodnej prędkości

Maksymalny kąt między osiami wałów połączonych sztywnymi przegubami krzyżowymi o nierównomiernej prędkości zazwyczaj nie przekracza 20°, ponieważ sprawność znacznie spada przy większych kątach. Jeśli kąt między osiami wałów zmienia się w zakresie 0…2%, czopy krzyżaka ulegają odkształceniu pod wpływem łożysk igiełkowych, co prowadzi do szybkiej awarii przegubu krzyżowego.

W przekładniach pojazdów gąsienicowych o dużej prędkości często stosuje się przeguby krzyżakowe ze sprzęgłem zębatym, które umożliwiają przenoszenie momentu obrotowego pomiędzy wałami, których osie przecinają się pod kątem do 1,5...2°.

Wały napędowe są zazwyczaj wykonane z rur, przy użyciu specjalnych stalowych rur bezszwowych lub spawanych. Jarzma przegubów uniwersalnych, tuleje wielowypustowe lub końcówki są przyspawane do rur. Aby zmniejszyć obciążenia poprzeczne działające na wał napędowy, przeprowadza się dynamiczne wyważanie z zamontowanymi przegubami uniwersalnymi. Niewyważenie jest korygowane poprzez przyspawanie płyt wyważających do wału napędowego lub czasami poprzez zamontowanie płyt wyważających pod pokrywami łożysk przegubów uniwersalnych. Względne położenie elementów połączenia wielowypustowego po montażu i wyważeniu przegubu uniwersalnego w fabryce jest zwykle oznaczone specjalnymi etykietami.

Połączenie kompensacyjne napędu przegubu uniwersalnego jest zwykle wykonane w postaci połączenia wielowypustowego, umożliwiającego ruch osiowy części napędu przegubu uniwersalnego. Składa się ono z końcówki wielowypustowej, która pasuje do tulei wielowypustowej napędu przegubu uniwersalnego. Smar jest wprowadzany do połączenia wielowypustowego przez smarowniczkę lub nakładany podczas montażu i wymieniany po dłuższym użytkowaniu pojazdu. Uszczelka i pokrywa są zwykle instalowane, aby zapobiec wyciekom smaru i zanieczyszczeniu.

W przypadku długich wałów napędowych podpory pośrednie są zwykle stosowane w napędach z przegubem uniwersalnym. Podpora pośrednia składa się zazwyczaj ze wspornika przykręconego do poprzecznicy ramy pojazdu, w którym zamontowane jest łożysko kulkowe w gumowym pierścieniu elastycznym. Łożysko jest uszczelnione z obu stron pokrywami i posiada urządzenie smarujące. Elastyczny pierścień gumowy pomaga kompensować niedokładności montażowe i niewspółosiowość łożyska, które mogą wystąpić z powodu deformacji ramy.

Przegub uniwersalny z łożyskami igiełkowymi (Rysunek 4a) składa się z jarzm, krzyżaka, łożysk igiełkowych i uszczelek. Miseczki z łożyskami igiełkowymi są montowane na czopach krzyżaka i uszczelniane za pomocą uszczelek. Miseczki są mocowane w jarzmach za pomocą pierścieni zatrzaskowych lub zaślepek przykręcanych śrubami. Przeguby uniwersalne są smarowane za pomocą smarowniczki poprzez wewnętrzne otwory w krzyżaku. Zawór bezpieczeństwa służy do eliminacji nadmiernego ciśnienia oleju w przegubie. Podczas równomiernego obrotu jarzma napędzającego, jarzmo napędzane obraca się nierównomiernie: przesuwa się i pozostaje w tyle za jarzmem napędzającym dwa razy na obrót. Aby wyeliminować nierównomierny obrót i zmniejszyć obciążenia bezwładnościowe, stosuje się dwa przeguby uniwersalne.

W napędzie przednich kół napędowych zainstalowane są przeguby uniwersalne o stałej prędkości. Napęd przegubowy o stałej prędkości w pojazdach GAZ-66 i ZIL-131 składa się z jarzm 2, 5 (rysunek 4b), czterech kulek 7 i centralnej kulki 8. Jarzmo napędowe 2 jest zintegrowane z półosią wewnętrzną, podczas gdy jarzmo napędzane jest kute razem z półosią zewnętrzną, na końcu której zamocowana jest piasta koła. Moment napędowy z jarzma 2 na jarzmo 5 jest przenoszony przez kulki 7, które poruszają się wzdłuż okrągłych rowków w jarzmach. Centralna kulka 8 służy do centrowania jarzm i jest utrzymywana na miejscu przez kołki 3, 4. Częstotliwość obrotu jarzm 2, 5 jest taka sama ze względu na symetrię mechanizmu względem jarzm. Zmiana długości wału jest zapewniona przez swobodne połączenia wielowypustowe jarzm z wałem.

Rysunek 4. Przeguby uniwersalne: a - przegub uniwersalny: 1 - kołpak; 2 - kielich; 3 - łożysko igiełkowe; 4 - uszczelka; 5, 9 - jarzma; 6 - zawór bezpieczeństwa; 7 - krzyżak; 8 - smarowniczka; 10 - śruba; b - przegub uniwersalny o stałej prędkości: 1 - półoś wewnętrzna; 2 - jarzmo napędowe; 3, 4 - śruby dwustronne; 5 - jarzmo napędzane; 6 - półoś zewnętrzna; 7 - kulki; 8 - kulka centralna.

2. Wadliwe działanie przegubu uniwersalnego

Awarie przegubów uniwersalnych objawiają się zwykle ostrymi stukami w przegubach uniwersalnych, które występują podczas jazdy, zwłaszcza podczas zmiany biegów i nagłego wzrostu prędkości obrotowej wału korbowego silnika (na przykład podczas przechodzenia od hamowania silnikiem do przyspieszania). Oznaką nieprawidłowego działania przegubu uniwersalnego może być jego nagrzewanie się do wysokiej temperatury (ponad 100°C). Dzieje się tak z powodu znacznego zużycia tulei i czopów przegubu uniwersalnego, łożysk igiełkowych, krzyżaków i połączeń wielowypustowych, co powoduje niewspółosiowość przegubu uniwersalnego i znaczne obciążenia osiowe łożysk igiełkowych. Uszkodzenie uszczelek korkowych krzyżaka przegubu uniwersalnego prowadzi do szybkiego zużycia czopu i jego łożyska.

Podczas konserwacji napęd przegubu uniwersalnego jest sprawdzany poprzez ręczne obracanie wału napędowego w obu kierunkach. Stopień swobodnego obrotu wału określa zużycie przegubów uniwersalnych i połączeń wielowypustowych. Co 8-10 tysięcy kilometrów sprawdzany jest stan połączeń śrubowych kołnierzy wału napędowego skrzyni biegów i wału napędowego przekładni głównej z kołnierzami końcowych przegubów uniwersalnych oraz mocowanie podpory pośredniej wału napędowego. Sprawdzany jest również stan gumowych osłon na połączeniach wielowypustowych i korkowych uszczelek krzyżaka przegubu uniwersalnego. Wszystkie śruby mocujące muszą być całkowicie dokręcone (moment dokręcania 8-10 kgf-m).

Łożyska igiełkowe przegubów uniwersalnych są smarowane płynnym olejem stosowanym w skrzyniach biegów; połączenia wielowypustowe w większości pojazdów są smarowane smarami (US-1, US-2, 1-13 itp.); stosowanie smarów do smarowania łożysk igiełkowych jest surowo zabronione. W niektórych pojazdach połączenia wielowypustowe są smarowane olejem przekładniowym. Pośrednie łożysko podporowe, zamontowane w gumowej tulei, praktycznie nie wymaga smarowania, ponieważ jest smarowane podczas montażu w fabryce. Łożysko podporowe w pojeździe ZIL-130 jest smarowane smarem poprzez złączkę ciśnieniową podczas regularnej konserwacji (co 1100-1700 km).

Rysunek 5. Uniwersalny przegub napędowy: 1 - kołnierz do mocowania wału napędowego; 2 - krzyżak przegubu uniwersalnego; 3 - jarzmo przegubu uniwersalnego; 4 - jarzmo przesuwne; 5 - rura wału napędowego; 6 - łożysko igiełkowe z zamkniętym końcem

Napęd z przegubem uniwersalnym składa się z dwóch przegubów uniwersalnych z łożyskami igiełkowymi, połączonych wałem drążonym i jarzmem ślizgowym z wielowypustem ewolwentowym. Aby zapewnić niezawodną ochronę przed brudem i dobre smarowanie połączenia wielowypustowego, jarzmo ślizgowe (6), połączone z wałem pomocniczym (2) przekładni, jest umieszczone w przedłużeniu (1) przymocowanym do obudowy przekładni. Dodatkowo, takie umiejscowienie połączenia wielowypustowego (poza strefą między przegubami) znacznie zwiększa sztywność napędu przegubu uniwersalnego i zmniejsza prawdopodobieństwo drgań wału w przypadku zużycia połączenia wielowypustowego.

Wał napędowy wykonany jest z cienkościennej rury spawanej elektrycznie (8), w którą wciśnięte są na każdym końcu dwa identyczne jarzma (9), a następnie przyspawane łukiem elektrycznym. Obudowy łożysk igiełkowych (18) krzyżaka (25) są wciśnięte w oczka jarzm (9) i zabezpieczone sprężynowymi pierścieniami ustalającymi (20). Każde łożysko przegubu krzyżakowego zawiera 22 iglice (21). Na wystające czopy krzyżaków wciśnięte są tłoczone kołpaki (24), w które wciśnięte są pierścienie korkowe (23). Łożyska są smarowane za pomocą kątowej smarowniczki (17) wkręconej w gwintowany otwór w środku krzyżaka, połączonej z kanałami przelotowymi w czopach krzyżaka. Po przeciwnej stronie krzyżaka przegubu krzyżakowego, w jego centrum, znajduje się zawór bezpieczeństwa (16), którego zadaniem jest uwolnienie nadmiaru smaru podczas napełniania krzyżaka i łożysk oraz zapobieganie wzrostowi ciśnienia wewnątrz krzyżaka podczas pracy (zawór uruchamia się przy ciśnieniu około 3,5 kg/cm²). Konieczność zastosowania zaworu bezpieczeństwa wynika z faktu, że nadmierny wzrost ciśnienia wewnątrz krzyżaka może prowadzić do uszkodzenia (wytłoczenia) uszczelek korkowych.

Rysunek 6. Zespół wału napędowego: 1 - przedłużenie skrzyni biegów; 2 - wałek pomocniczy skrzyni biegów; 3 i 5 - deflektory zanieczyszczeń; 4 - uszczelki gumowe; 6 - jarzmo przesuwne; 7 - płytka wyważająca; 8 - rura wału napędowego; 9 - jarzmo; 10 - jarzmo kołnierzowe; 11 - śruba; 12 - kołnierz koła zębatego napędowego tylnej osi; 13 - podkładka sprężynowa; 14 - nakrętka; 15 - oś tylna; 16 - zawór bezpieczeństwa; 17 - smarowniczka kątowa; 18 - łożysko igiełkowe; 19 - ucho jarzma; 20 - pierścień zabezpieczający sprężynę; 21 - igiełka; 22 - podkładka z końcówką toroidalną; 23 - pierścień korkowy; 24 - kołpak tłoczony; 25 - krzyżak

Wał napędowy, zmontowany z dwoma przegubami krzyżowymi, jest starannie wyważany dynamicznie na obu końcach poprzez przyspawanie płyt wyważających (7) do rury. Dlatego podczas demontażu wału należy dokładnie oznaczyć wszystkie jego części, aby można je było ponownie zamontować w pierwotnym położeniu. Nieprzestrzeganie tego zalecenia zaburza wyważenie wału, powodując drgania, które mogą uszkodzić skrzynię biegów i nadwozie pojazdu. W przypadku zużycia poszczególnych części, zwłaszcza jeśli rura wygnie się pod wpływem uderzenia i dynamiczne wyważenie wału po montażu stanie się niemożliwe, należy wymienić cały wał.

Możliwe usterki wału napędowego, ich przyczyny i rozwiązania

Przyczyna nieprawidłowego działania	Rozwiązanie
Wibracje wału napędowego
1. Wygięcie wału spowodowane przeszkodą	1. Wyprostować i dynamicznie wyważyć zmontowany wał lub wymienić zmontowany wał
2. Zużycie łożysk i krzyżaków	2. Wymienić łożyska i krzyżaki oraz dynamicznie wyważyć zmontowany wał.
3. Zużycie tulei przedłużających i jarzma ślizgowego	3. Założyć przedłużenie i jarzmo przesuwne i dynamicznie wyważyć zmontowany wał.
Stuki podczas uruchamiania i jazdy na biegu jałowym
1. Zużycie wielowypustów jarzma ślizgowego lub wału przekładni wtórnej	1. Wymienić zużyte części. Podczas wymiany jarzma ślizgowego należy dynamicznie wyważyć zmontowany wał
2. Poluzowane śruby mocujące jarzmo kołnierza do kołnierza przekładni napędowej tylnej osi.	2. Dokręcić śruby
Wyrzucanie oleju z uszczelek przegubów uniwersalnych
Zużycie pierścieni korkowych w uszczelnieniach przegubów uniwersalnych	Wymień pierścienie korkowe, zachowując względne położenie wszystkich części wału napędowego podczas ponownego montażu. W przypadku zużycia krzyżaków i łożysk należy wymienić łożyska i krzyżaki oraz dynamicznie wyważyć zmontowany wał.

3. Wyważanie wału napędowego

Po naprawie i montażu wału napędowego jest on wyważany dynamicznie na maszynie. Jedną z konstrukcji maszyny wyważającej pokazano na rysunku 7. Maszyna składa się z płyty (18), ramy wahadła (8) zamontowanej na czterech pionowych elastycznych prętach (3), zapewniających jej oscylację w płaszczyźnie poziomej. Wspornik i przedni wrzeciennik (9), zamocowane na wsporniku (4), są zamontowane na podłużnych rurach ramy wahadła (8). Tylny wrzeciennik (6) znajduje się na ruchomym trawersie (5), umożliwiając dynamiczne wyważanie wałów napędowych o różnych długościach. Wrzeciona wrzeciennika są zamontowane na precyzyjnych łożyskach kulkowych. Wrzeciono wrzeciennika przedniego (9) napędzane jest silnikiem elektrycznym zamontowanym w podstawie maszyny, poprzez przekładnię pasową i wałek pośredni, na którym zamontowana jest końcówka (10) (tarcza z podziałką). Dodatkowo na płycie maszyny (18) zainstalowane są dwa stojaki (15) z wysuwanymi sworzniami blokującymi (17), zapewniające mocowanie przedniego i tylnego końca ramy wahadła w zależności od wyważenia przedniego lub tylnego końca wału napędowego.

Rysunek 7. Wyważarka dynamiczna do wałów napędowych

1-zacisk; 2-tłumiki; 3-elastyczny pręt; 4-wspornik; 5-mobilny trawers; 6-tylny wrzeciennik; 7-poprzeczka; 8-rama wahadła; 9-przedni wrzeciennik napędowy; 10-tarcza ramienia; 11-miliamperomierz; 12-ramię wału komutatora-prostownika; 13-czujnik magnetoelektryczny; 14-stojak stały; 15-stojak utrwalacza; 16-wspornik; 17-utrwalacz; 18-płyta wsporcza

Stałe podpory (14) są zamontowane z tyłu płyty maszyny, a na nich zainstalowane są czujniki magnetoelektryczne (13) z prętami połączonymi z końcami ramy wahadła. Aby zapobiec drganiom rezonansowym ramy, pod wspornikami (4) zainstalowano amortyzatory (2) wypełnione olejem.

Podczas wyważania dynamicznego zespół wału napędowego z jarzmem przesuwnym jest montowany i zabezpieczany na maszynie. Jeden koniec wału napędowego jest połączony jarzmem kołnierzowym z kołnierzem przedniego wrzeciennika napędowego, a drugi koniec szyjką podporową jarzma przesuwnego z tuleją wielowypustową tylnego wrzeciennika. Następnie sprawdza się swobodę obrotu wału napędowego, a jeden koniec ramy wahadła maszyny jest mocowany za pomocą fiksatora. Po uruchomieniu maszyny ramię prostownika obraca się w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara, doprowadzając wskazówkę miliwoltomierza do maksymalnego odczytu. Odczyt miliwoltomierza odpowiada wielkości niewyważenia. Skala miliwoltomierza jest wyskalowana w gramocentymetrach lub gramach przeciwwagi. Kontynuując obrót ramienia prostownika w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara, odczyt miliwoltomierza zostaje sprowadzony do zera, a maszyna zostaje zatrzymana. Na podstawie odczytu ramienia prostownika określa się przemieszczenie kątowe (kąt przemieszczenia niewyważenia), a poprzez ręczny obrót wału napędowego wartość ta jest ustawiana na ramieniu wału pośredniego. Miejsce spawania płytki wyważającej będzie na górze wału napędowego, a część obciążona na dole w płaszczyźnie korekcji. Następnie mocuje się płytkę wyważającą i wiąże cienkim drutem w odległości 10 mm od spoiny, uruchamia się maszynę i sprawdza się wyważenie końca wału napędowego z płytą. Niewyważenie nie powinno przekraczać 70 g cm. Następnie, po zwolnieniu jednego końca i zabezpieczeniu drugiego końca ramy wahadła stojakiem fiksatora, przeprowadza się dynamiczne wyważanie drugiego końca wału napędowego zgodnie z opisaną powyżej sekwencją technologiczną.

Wały napędowe mają pewne cechy wyważania. W przypadku większości części podstawą wyważania dynamicznego są szyjki nośne (np. wirniki silników elektrycznych, turbiny, wrzeciona, wały korbowe itp. Podczas montażu występują nieuniknione luki w różnych połączeniach, co prowadzi do niewyważenia. Jeśli podczas wyważania nie można osiągnąć minimalnego niewyważenia, wał jest odrzucany. Na dokładność wyważania mają wpływ następujące czynniki:

• Szczelina w połączeniu między pasem podporowym kołnierza wału napędowego a wewnętrznym otworem kołnierza zaciskowego lewego i prawego zagłówka wspornika;
• Bicie promieniowe i końcowe powierzchni podstawy kołnierza;
• Luki w połączeniach zawiasowych i wielowypustowych. Obecność smaru w zagłębieniu połączenia wielowypustowego może prowadzić do „pływającego” niewyważenia. Jeśli uniemożliwia to osiągnięcie wymaganej dokładności wyważenia, wał napędowy jest wyważany bez smaru.

Niektóre niewyważenia mogą być całkowicie niemożliwe do skorygowania. W przypadku zaobserwowania zwiększonego tarcia w przegubach uniwersalnych wału napędowego, wzajemny wpływ płaszczyzn korekcji wzrasta. Prowadzi to do spadku wydajności i dokładności wyważania.

Zgodnie z OST 37.001.053-74 ustala się następujące normy niewyważenia: wały napędowe z dwoma przegubami (dwupodporowe) wyważa się dynamicznie, a z trzema (trzypodporowe) – zmontowane z podporą pośrednią; kołnierze (jarzma) wałów napędowych i sprzęgieł o masie większej niż 5 kg wyważa się statycznie przed zmontowaniem wału lub sprzęgła; normy niewyważenia resztkowego dla wałów napędowych na każdym końcu lub na podporze pośredniej wałów napędowych trójprzegubowych ocenia się na podstawie niewyważenia specyficznego;

Maksymalna dopuszczalna norma niewyważenia resztkowego na każdym końcu wału lub na podporze pośredniej, a także dla wałów napędowych trójprzegubowych w dowolnym położeniu na stanowisku wyważania, nie powinna przekraczać: dla przekładni samochodów osobowych i małych ciężarówek (do 1 t) oraz bardzo małych autobusów – 6 g-cm/kg, dla pozostałych – 10 g-cm/kg. Maksymalna dopuszczalna norma niewyważenia resztkowego wału napędowego lub wału napędowego trójprzegubowego powinna być zapewniona na stanowisku wyważania przy częstotliwości obrotów odpowiadającej ich częstotliwościom w przekładni przy maksymalnej prędkości pojazdu.

W przypadku wałów napędowych i trójprzegubowych półosi napędowych samochodów ciężarowych o ładowności 4 ton i powyżej oraz małych i dużych autobusów dopuszcza się zmniejszenie częstotliwości obrotów na stanowisku wyważania do 70% częstotliwości obrotów wałów napędowych przy maksymalnej prędkości pojazdu. Zgodnie z OST 37.001.053-74, częstotliwość obrotów półosi napędowych podczas wyważania powinna wynosić:

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

gdzie n_b – częstotliwość obrotów wyważających (powinna odpowiadać głównym danym technicznym stanowiska, n=3000 min)^-1; n_r – maksymalna częstotliwość obrotów roboczych, min^-1.

W praktyce, ze względu na szczelinę w przegubach i połączeniach wielowypustowych, wał napędowy nie może być wyważony przy zalecanej częstotliwości obrotów. W takim przypadku wybierana jest inna częstotliwość obrotów, przy której następuje wyważenie.

4. Nowoczesne wyważarki do wałów napędowych

Rysunek 8. Wyważarka do wałów napędowych o długości do 2 metrów i wadze do 500 kg

Model posiada 2 podstawki i umożliwia balansowanie w 2 płaszczyznach korekcyjnych.

Wyważarka do wałów napędowych o długości do 4200 mm i wadze do 400 kg

Rysunek 9. Wyważarka do wałów napędowych o długości do 4200 mm i wadze do 400 kg

Model posiada 4 stojaki i umożliwia wyważanie w 4 płaszczyznach korekcyjnych jednocześnie.

Rysunek 10. Pozioma wyważarka do łożysk twardych do dynamicznego wyważania wałów napędowych

1 - Element wyważający (wał napędowy); 2 - Podstawa maszyny; 3 - Podpory maszyny; 4 - Napęd maszyny; Elementy konstrukcyjne podpór maszyny pokazano na rysunku 9.

Rysunek 11. Elementy nośne maszyny do dynamicznego wyważania wałów napędowych

1 - Lewy nieregulowany wspornik; 2 - Pośredni regulowany wspornik (2 szt.); 3 - Prawy nieregulowany stały wspornik; 4 - Uchwyt blokady ramy wspornika; 5 - Ruchoma platforma wspornika; 6 - Nakrętka regulacji pionowej wspornika; 7 - Uchwyty blokady pozycji pionowej; 8 - Wspornik zaciskowy wspornika; 9 - Ruchomy zacisk łożyska pośredniego; 10 - Uchwyt blokady zacisku; 11 - Blokada wspornika zaciskowego; 12 - Wrzeciono napędowe (prowadzące) do montażu elementu; 13 - Wrzeciono napędzane

5. Przygotowanie do wyważania wału napędowego

Poniżej rozważymy konfigurację podpór maszyny i instalację elementu wyważającego (wału napędowego z czterema podporami) na podporach maszyny.

Rysunek 12. Montaż kołnierzy przejściowych na wrzecionach wyważarki

Rysunek 13. Montaż wału napędowego na podporach wyważarki

Rysunek 14. Poziomowanie wału napędowego poziomo na podporach wyważarki za pomocą poziomicy pęcherzykowej

Rysunek 15. Mocowanie wsporników pośrednich wyważarki w celu zapobieżenia pionowemu przesunięciu wału napędowego

Obróć element ręcznie o pełny obrót. Upewnij się, że obraca się swobodnie i nie blokuje się na podporach. Po wykonaniu tych czynności mechaniczna część urządzenia jest skonfigurowana, a instalacja elementu jest zakończona.

6. Procedura wyważania wału napędowego

Proces wyważania wału napędowego na wyważarce zostanie omówiony na przykładzie systemu pomiarowego Balanset-4. Balanset-4 to przenośny zestaw do wyważania przeznaczony do wyważania w jednej, dwóch, trzech i czterech płaszczyznach korekcyjnych wirników obracających się we własnych łożyskach lub zamontowanych na wyważarce. Urządzenie zawiera do czterech czujników drgań, czujnik kąta fazowego, czterokanałową jednostkę pomiarową i przenośny komputer.

Cały proces wyważania, w tym pomiar, przetwarzanie i wyświetlanie informacji o wielkości i lokalizacji odważników korygujących, jest wykonywany automatycznie i nie wymaga od użytkownika dodatkowych umiejętności ani wiedzy poza dostarczonymi instrukcjami. Wyniki wszystkich operacji wyważania są zapisywane w archiwum wyważania i w razie potrzeby mogą być drukowane w postaci raportów. Oprócz wyważania, Balanset-4 może być również używany jako zwykły wibrotachometr, umożliwiając pomiar na czterech kanałach wartości średniej kwadratowej (RMS) drgań całkowitych, RMS składowej obrotowej drgań oraz kontrolę częstotliwości obrotów wirnika.

Ponadto urządzenie umożliwia wyświetlanie wykresów funkcji czasu i widma drgań według prędkości drgań, co może być przydatne w ocenie stanu technicznego wyważonej maszyny.

Rysunek 16. Widok zewnętrzny urządzenia Balanset-4 do użytku jako system pomiarowy i obliczeniowy wyważarki wału napędowego

Rysunek 17. Przykład wykorzystania urządzenia Balanset-4 jako systemu pomiarowego i obliczeniowego wyważarki wału napędowego

Rysunek 18. Interfejs użytkownika urządzenia Balanset-4

Urządzenie Balanset-4 może być wyposażone w dwa rodzaje czujników – akcelerometry drgań do pomiaru drgań (przyspieszenia drgań) oraz czujniki siły. Czujniki drgań są stosowane do pracy na wyważarkach porezonansowych, natomiast czujniki siły – do maszyn przedrezonansowych.

Rysunek 19. Instalacja czujników drgań Balanset-4 na wspornikach wyważarki

Kierunek osi czułości czujników powinien być zgodny z kierunkiem przemieszczenia drgań podpory, w tym przypadku – poziomym. Dodatkowe informacje na temat montażu czujników można znaleźć w rozdziale WYWAŻANIE WIRNIKÓW W WARUNKACH PRACY. Montaż czujników siły zależy od cech konstrukcyjnych maszyny.

1. Zamontować czujniki drgań 1, 2, 3, 4 na podporach wyważarki.
2. Podłącz czujniki wibracji do złączy X1, X2, X3, X4.
3. Zamontować czujnik kąta fazowego (tachometr laserowy) 5 w taki sposób, aby nominalna szczelina między promieniową (lub końcową) powierzchnią wyważonego wirnika a obudową czujnika mieściła się w zakresie od 10 do 300 mm.
4. Przymocuj do powierzchni wirnika taśmę odblaskową o szerokości co najmniej 10-15 mm.
5. Podłącz czujnik kąta fazowego do złącza X5.
6. Podłącz jednostkę pomiarową do portu USB komputera.
7. W przypadku korzystania z zasilania sieciowego należy podłączyć komputer do zasilacza.
8. Podłącz zasilacz do sieci 220 V, 50 Hz.
9. Włącz komputer i wybierz program "BalCom-4".
10. Naciśnij przycisk "F12-four-plane" (lub klawisz funkcyjny F12 na klawiaturze komputera), aby wybrać tryb jednoczesnego pomiaru drgań w czterech płaszczyznach za pomocą czujników drgań 1, 2, 3, 4, podłączonych odpowiednio do wejść X1, X2, X3 i X4 jednostki pomiarowej.
11. Schemat mnemoniczny ilustrujący proces jednoczesnego pomiaru drgań na czterech kanałach pomiarowych (lub proces wyważania w czterech płaszczyznach) pojawia się na wyświetlaczu komputera, jak pokazano na rysunku 16.

Przed przystąpieniem do wyważania zaleca się wykonanie pomiarów w trybie wibrometru (przycisk F5).

Rysunek 20. Pomiary w trybie wibrometru

Jeżeli całkowita wartość drgań V1s (V2s) w przybliżeniu odpowiada wartości składowej obrotowej V1o (V2o), można założyć, że główny udział w drganiach mechanizmu wynika z niewyważenia wirnika. Jeżeli całkowita wartość drgań V1s (V2s) znacznie przekracza składową obrotową V1o (V2o), zaleca się inspekcję mechanizmu – sprawdzenie stanu łożysk, zapewnienie stabilnego montażu na fundamencie, upewnienie się, że wirnik nie styka się z częściami nieruchomymi podczas obrotu oraz uwzględnienie wpływu drgań pochodzących z innych mechanizmów itp.

Przydatne może okazać się badanie wykresów funkcji czasu i widm drgań uzyskanych w trybie „Wykresy-Analiza widmowa”.

Rysunek 21. Wykresy funkcji czasu i widma drgań

Wykres pokazuje, przy jakich częstotliwościach poziom drgań jest najwyższy. Jeśli częstotliwości te różnią się od częstotliwości obrotowej wirnika mechanizmu wyważanego, przed wyważeniem należy zidentyfikować źródła tych składowych drgań i podjąć działania w celu ich wyeliminowania.

Ważne jest również zwrócenie uwagi na stabilność odczytów w trybie wibrometru - amplituda i faza drgań nie powinny zmieniać się o więcej niż 10-15% podczas pomiaru. W przeciwnym razie mechanizm może pracować w pobliżu obszaru rezonansu. W takim przypadku należy wyregulować prędkość obrotową wirnika.

Podczas wyważania w czterech płaszczyznach w trybie „Głównym” wymagane jest pięć przebiegów kalibracyjnych i co najmniej jeden przebieg weryfikacyjny wyważarki. Pomiar drgań podczas pierwszego przebiegu maszyny bez obciążnika próbnego przeprowadzany jest w obszarze roboczym „Wyważanie w czterech płaszczyznach”. Kolejne przebiegi przeprowadzane są z obciążnikiem próbnym, montowanym sekwencyjnie na wale napędowym w każdej płaszczyźnie korekcji (w obszarze każdego wspornika wyważarki).

Przed każdym kolejnym uruchomieniem należy wykonać następujące czynności:

• Zatrzymaj obrót wirnika wyważonej maszyny.
• Usuń poprzednio zainstalowany obciążnik próbny.
• Zainstaluj obciążnik próbny w następnej płaszczyźnie.

Rysunek 23. Obszar roboczy równoważenia czterech płaszczyzn

Po zakończeniu każdego pomiaru wyświetlane są wyniki częstotliwości obrotów wirnika (N_ob), jak również wartości RMS (V_o1, V_o2, V_o3, V_o4) i fazy (F₁, F₂, F₃, F₄) drgań przy częstotliwości obrotowej wyważonego wirnika są zapisywane w odpowiednich polach w oknie programu. Po piątym uruchomieniu (masa w płaszczyźnie 4) pojawia się obszar roboczy „Masy wyważające” (patrz rysunek 24), wyświetlając obliczone wartości mas (M₁, M₂, M₃, M₄) i kąty instalacji (f₁, f₂, f₃, f₄) obciążników korekcyjnych, które należy zainstalować na wirniku w czterech płaszczyznach, aby skompensować jego niewyważenie.

Rysunek 24. Obszar roboczy z obliczonymi parametrami wag korekcyjnych w czterech płaszczyznach

Uwaga! Po zakończeniu pomiaru podczas piątego przejazdu wyważarki należy zatrzymać wirnik i usunąć uprzednio zamontowany obciążnik próbny. Dopiero wtedy można przystąpić do montażu (lub demontażu) obciążników korekcyjnych na wirniku.

Położenie kątowe do dołożenia (lub usunięcia) obciążnika korekcyjnego na wirniku w układzie współrzędnych biegunowych jest mierzone od miejsca zainstalowania obciążnika próbnego. Kierunek pomiaru kąta pokrywa się z kierunkiem obrotu wirnika. W przypadku wyważania łopatami, łopata wyważanego wirnika, uznawana warunkowo za pierwszą łopatę, pokrywa się z miejscem zainstalowania obciążnika próbnego. Kierunek numeracji łopat na wyświetlaczu komputera jest zgodny z kierunkiem obrotu wirnika.

W tej wersji programu domyślnie zakłada się, że do wirnika zostanie dodany ciężarek korekcyjny. Informuje o tym znacznik ustawiony w polu „Dodaj”. Jeśli konieczna jest korekta niewyważenia poprzez usunięcie ciężarka (np. poprzez wiercenie), należy ustawić znacznik w polu „Usuń” za pomocą myszki, po czym położenie kątowe ciężarka korekcyjnego automatycznie zmieni się o 180 stopni.

Po zamontowaniu obciążników korekcyjnych na wyważonym wirniku, naciśnij przycisk „Wyjście – F10” (lub klawisz funkcyjny F10 na klawiaturze komputera), aby powrócić do poprzedniego obszaru roboczego „Wyważanie czteropłaszczyznowe” i sprawdzić skuteczność operacji wyważania. Po zakończeniu przebiegu weryfikacyjnego, wyniki częstotliwości obrotów wirnika (N_ob) i wartości RMS (V_o1, V_o2, V_o3, V_o4) i fazy (F₁, F₂, F₃, F₄) drgań przy częstotliwości obrotowej wyważonego wirnika są zapisywane. Jednocześnie, nad obszarem roboczym „Wyważanie w czterech płaszczyznach” pojawia się obszar roboczy „Obciążniki wyważające” (patrz rysunek 21), wyświetlając obliczone parametry dodatkowych obciążników korekcyjnych, które należy zamontować (lub zdemontować) na wirniku w celu skompensowania jego niewyważenia resztkowego. Dodatkowo, obszar roboczy pokazuje wartości niewyważenia resztkowego uzyskane po wyważeniu. Jeśli wartości drgań resztkowych i/lub niewyważenia resztkowego wyważonego wirnika spełniają wymagania dotyczące tolerancji określone w dokumentacji technicznej, proces wyważania może zostać zakończony. W przeciwnym razie proces wyważania może być kontynuowany. Ta metoda pozwala na korygowanie ewentualnych błędów poprzez kolejne przybliżenia, które mogą wystąpić podczas montażu (demontażu) obciążnika korekcyjnego na wyważonym wirniku.

Jeżeli proces wyważania będzie kontynuowany, należy zamontować (lub usunąć) dodatkowe ciężarki korekcyjne na wyważanym wirniku, zgodnie z parametrami określonymi w obszarze roboczym „Ciężarki wyważające”.

Przycisk „Współczynniki – F8” (lub klawisz funkcyjny F8 na klawiaturze komputera) służy do przeglądania i zapisywania w pamięci komputera współczynników wyważenia wirnika (współczynników wpływu dynamicznego) obliczonych na podstawie wyników pięciu przebiegów kalibracji.

7. Zalecane klasy dokładności wyważania dla sztywnych wirników

Tabela 2. Zalecane klasy dokładności wyważania dla sztywnych wirników.

Zalecane klasy dokładności wyważania dla sztywnych wirników

Rodzaje maszyn (wirniki)	Klasa dokładności wyważania	Wartość eper Ω mm/s
Napędowe wały korbowe (niewyważone strukturalnie) do dużych, wolnoobrotowych okrętowych silników wysokoprężnych (prędkość tłoka poniżej 9 m/s)	G 4000	4000
Napędowe wały korbowe (wyważone strukturalnie) do dużych, wolnoobrotowych okrętowych silników wysokoprężnych (prędkość tłoka poniżej 9 m/s)	G 1600	1600
Napędowe wały korbowe (niewyważone strukturalnie) na wibroizolatorach	G 630	630
Napędowe wały korbowe (niewyważone strukturalnie) na sztywnych podporach	G 250	250
Silniki tłokowe montowane w samochodach osobowych, ciężarowych i lokomotywach	G 100	100
Części samochodowe: koła, felgi, zestawy kołowe, skrzynie biegów
Napędowe wały korbowe (wyważone strukturalnie) na wibroizolatorach	G 40	40
Maszyny rolnicze	G 16	16
Napędowe wały korbowe (wyważone) na sztywnych podporach
Kruszarki
Wały napędowe (wały napędowe, wały śrubowe)
Turbiny gazowe do statków powietrznych	G 6.3	6.3
Wirówki (separatory, osadniki)
Silniki elektryczne i generatory (o wysokości wału co najmniej 80 mm) o maksymalnej nominalnej prędkości obrotowej do 950 min.-1
Silniki elektryczne o wysokości wału mniejszej niż 80 mm
Fani
Napędy zębate
Maszyny ogólnego przeznaczenia
Maszyny do cięcia metalu
Maszyny papiernicze
Pompy
Turbosprężarki
Turbiny wodne
Sprężarki
Napędy sterowane komputerowo	G 2.5	2.5
Silniki elektryczne i generatory (o wysokości wału co najmniej 80 mm) o maksymalnej nominalnej prędkości obrotowej powyżej 950 min.-1
Turbiny gazowe i parowe
Napędy maszyn do cięcia metalu
Maszyny włókiennicze
Napędy sprzętu audio i wideo	G 1	1
Napędy szlifierek
Wrzeciona i napędy urządzeń o wysokiej precyzji	G 0.4	0.4

Często zadawane pytania dotyczące wyważania wału napędowego

Na czym polega wyważanie wału napędowego?

Wyważanie wału napędowego to proces korygowania nierównowagi masy w wale napędowym, tak aby obracał się on płynnie i bez wibracji. Polega on na zmierzeniu, w którym miejscu wał jest cięższy, a następnie dodaniu lub odjęciu niewielkich ciężarów (na przykład poprzez przyspawanie ciężarków wyważających) w celu zniwelowania tej nierównowagi. Wyważony wał napędowy pracuje równomiernie, co zapobiega nadmiernym wibracjom i zużyciu podzespołów pojazdu.

Dlaczego wyważenie wału napędowego jest ważne?

Niewyważony wał napędowy może powodować silne wibracje, szczególnie przy określonych prędkościach, oraz stuki podczas przyspieszania i zmiany biegów. Z czasem wibracje te mogą uszkodzić łożyska, przeguby krzyżakowe i inne elementy układu napędowego. Wyważenie wału napędowego eliminuje te wibracje, zapewniając płynniejszą jazdę, zmniejszając obciążenie części i zapobiegając kosztownym awariom lub przestojom.

Jakie są najczęstsze objawy niewyważonego wału napędowego?

Typowe objawy niewyważonego lub uszkodzonego wału napędowego obejmują zauważalne wibracje lub drgania odczuwalne w podłodze lub fotelu pojazdu, szczególnie przy wzroście prędkości. Można również usłyszeć stuki lub grzechotanie podczas zmiany biegów lub przyspieszania i zwalniania. W niektórych przypadkach przegub krzyżakowy może się przegrzewać z powodu niewyważenia. Jeśli zauważysz te objawy, prawdopodobnie wał napędowy wymaga wyważenia lub naprawy.

Jak wyważyć wał napędowy?

Wyważanie wału napędowego zazwyczaj wykonuje się za pomocą specjalistycznej wyważarki. Wał napędowy jest montowany i obracany z dużą prędkością, a czujniki wykrywają wszelkie niewyważenia. Następnie technik mocuje do wału napędowego niewielkie obciążniki (lub usuwa materiał) w określonych miejscach, w oparciu o odczyty maszyny. Proces ten jest powtarzany, aż wał napędowy zacznie się obracać bez znaczących drgań. Nowoczesne systemy, takie jak Balanset-4, potrafią sterować tym procesem i dokładnie obliczyć, gdzie i ile obciążników należy dodać, aby uzyskać precyzyjne wyważenie.

Wnioski

Podsumowując, prawidłowe wyważenie wału napędowego jest niezbędne dla bezpieczeństwa, wydajności i oszczędności. Wykrywając i korygując niewyważenie, zapobiegasz niepotrzebnemu zużyciu części, unikasz szkodliwych awarii i utrzymujesz optymalną wydajność maszyny. Nowoczesne systemy wyważania, takie jak nasze urządzenia Balanset-1 i Balanset-4, usprawniają proces, pomagając nawet małym warsztatom osiągać profesjonalne rezultaty.

Jeśli zmagasz się z uporczywymi drganiami wału napędowego lub potrzebujesz niezawodnego rozwiązania w zakresie wyważania, nie wahaj się. Zastosuj kroki opisane w tym poradniku lub skonsultuj się z naszymi ekspertami, aby uzyskać pomoc. Dzięki odpowiedniemu podejściu i sprzętowi możesz zapewnić płynną i niezawodną pracę wału napędowego przez wiele lat. Skontaktuj się z nami aby dowiedzieć się więcej lub poznać najlepszy sprzęt do wyważania wałów napędowych odpowiadający Twoim potrzebom.