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. Awarie napędu 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.

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.

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.

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.

Rysunek 2. Schemat sztywnego przegubu uniwersalnego o niejednolitej prędkości

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.

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 niejednolitej prędkości

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.

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: wyprzedza 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 - szpilki; 5 - jarzmo napędzane; 6 - półoś zewnętrzna; 7 - kulki; 8 - kulka centralna.

2. Awarie napędu 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 uderzeniowe 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 gwałtowne obracanie wału napędowego ręcznie 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 wtórnym (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 osadczy; 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 ślizgowe i dynamicznie wyważyć zmontowany wał.
Stuki podczas uruchamiania i jazdy na biegu jałowym
1. Zużycie wielowypustów jarzma ślizgowego lub wału wtórnego przekładni	1. Wymienić zużyte części. Podczas wymiany jarzma ślizgowego należy dynamicznie wyważyć zmontowany wał
2. Poluzowane śruby mocujące jarzmo kołnierzowe 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 tarcza podziałkowa (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-ruchomy trawers; 6-tylny wrzeciennik; 7-poprzeczka; 8-rama wahadła; 9-przedni wrzeciennik napędowy; 10-tarcza ramienia; 11-miliWOLTomierz; 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.

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.

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 konika stanowiska;
• 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.

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.

W przypadku wałów napędowych i trójprzegubowych wałów 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 wałów 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 podpory i umożliwia wyważanie w 2 płaszczyznach korekcyjnych.

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

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

Rysunek 10. Pozioma wyważarka na twardych łożyskach do dynamicznego wyważania wałów napędowych

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.

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 wyważanego (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 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

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.

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

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. Zamontować czujniki drgań 1, 2, 3, 4 na podporach wyważarki.
2. Podłącz czujniki drgań 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. 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.

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

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.

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

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.

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 niewspółosiowość: 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.

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.

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).

Przed każdym kolejnym uruchomieniem należy wykonać następujące czynności:

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

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

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) of the vibration at the rotational frequency of the balanced rotor are saved in the corresponding fields in the program window. After the fifth run (Weight in Plane 4), the balancing results with the polar plot (see Figure 23) appear, displaying the calculated values of the masses (M₁, M₂, M₃, M₄) i kąty instalacji (f₁, f₂, f₃, f₄) obciążników korekcyjnych, które należy zainstalować na wirniku w czterech płaszczyznach, aby skompensować jego niewyważenie.

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

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.

In this version of the program, it is assumed by default that the corrective weight will be added to the rotor. This is indicated by the mark set in the “Add mass” field. If correcting the imbalance by removing the weight (e.g., by drilling) is necessary, set the mark in the “Remove mass” field using the mouse, after which the angular position of the corrective weight will automatically change by 180 degrees.

After installing the corrective weights on the balanced rotor, carry out the trim run (Run T) to check the effectiveness of the balancing operation. After completing the trim run, the results of the rotor's rotation frequency (N_ob) i wartości RMS (V_o1, V_o2, V_o3, V_o4) i fazy (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. Zalecane klasy dokładności wyważania dla sztywnych wirników

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_za·Ω, where e_za 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_za = 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 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.

Tabela 2. Zalecane klasy dokładności wyważania dla sztywnych wirników.

Rodzaje maszyn (wirniki)	Klasa dokładności wyważania	Balance quality grade G = eza·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
Napędowe wały korbowe (wyważone konstrukcyjnie) na wibroizolatorach	G 40	40
Car wheels, wheel rims, wheel sets, drive shafts (cardan shafts)	G 40	40
Maszyny rolnicze	G 16	16
Napędowe wały korbowe (wyważone) na sztywnych podporach	G 16	16
Kruszarki	G 16	16
Drive shafts (propeller / cardan shafts) with special requirements	G 16	16
Lotnicze turbiny gazowe	G 6.3	6.3
Wirówki (separatory, osadniki)	G 6.3	6.3
Silniki elektryczne i generatory (o wysokości wału co najmniej 80 mm) o maksymalnej nominalnej prędkości obrotowej do 950 min⁻¹-1	G 6.3	6.3
Silniki elektryczne o wysokości osi mniejszej niż 80 mm	G 6.3	6.3
Wentylatory	G 6.3	6.3
Napędy zębate	G 6.3	6.3
Maszyny ogólnego przeznaczenia	G 6.3	6.3
Obrabiarki skrawające	G 6.3	6.3
Maszyny papiernicze	G 6.3	6.3
Pompy	G 6.3	6.3
Turbosprężarki	G 6.3	6.3
Turbiny wodne	G 6.3	6.3
Sprężarki	G 6.3	6.3
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⁻¹-1	G 2.5	2.5
Turbiny gazowe i parowe	G 2.5	2.5
Napędy obrabiarek skrawających	G 2.5	2.5
Maszyny włókiennicze	G 2.5	2.5
Napędy sprzętu audio i wideo	G 1	1
Napędy szlifierek	G 1	1
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?

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.

Wnioski

Podsumowując, prawidłowe wyważenie wału napędowego jest niezbędne dla bezpieczeństwa, wydajności i oszczędności. 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.

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.