Drive Shaft Balancing: Comprehensive Guide

Imagine you're driving a truck and suddenly feel a harsh vibration or hear a loud clunk when accelerating or changing gears. This is more than just a nuisance — it could be a sign of an unbalanced driveshaft. For engineers and technicians, such vibrations and noises indicate lost efficiency, accelerated wear on components, and potentially costly downtime if left unaddressed.

In this comprehensive guide, we provide practical solutions to driveshaft balance issues. You'll learn what a driveshaft is and why it needs balancing, recognize the common malfunctions that cause vibration or noise, and follow a clear step-by-step process for dynamic driveshaft balancing. By applying these best practices, you can save money on repairs, reduce troubleshooting time, and ensure your machinery or vehicle runs reliably with minimal vibration.

Índice

• 1. Tipos de Cardans
• 2. Falhas no Cardan
• 3. Balanceamento do Cardan
• 4. Máquinas de Balanceamento Modernas para Cardans
• 5. Preparação para o Balanceamento do Cardan
• 6. Procedimento de Balanceamento do Cardan
• 7. Classes de Precisão de Balanceamento Recomendadas para Rotores Rígidos

1. Tipos de Cardans

Um cardan (eixo cardan) é um mecanismo que transmite torque entre eixos que se intersectam no centro da junta universal e podem mover-se relativamente um ao outro em um ângulo. Em um veículo, o eixo cardan transmite torque da caixa de câmbio (ou caixa de transferência) para os eixos motrizes no caso de uma configuração clássica ou de tração nas quatro rodas. Para veículos com tração nas quatro rodas, a junta universal geralmente conecta o eixo acionado da caixa de câmbio ao eixo motriz da caixa de transferência, e os eixos acionados da caixa de transferência aos eixos motrizes das transmissões principais dos eixos acionados.

Units mounted on the frame (such as the gearbox and transfer case) can move relative to each other due to the deformation of their supports and the frame itself. Meanwhile, the drive axles are attached to the frame through the suspension and can move relative to the frame and the units mounted on it due to the deformation of the suspension's elastic elements. This movement can change not only the angles of the driveshafts connecting the units but also the distance between the units.

O cardan tem uma desvantagem significativa: a rotação não uniforme dos eixos. Se um eixo gira uniformemente, o outro não, e essa não uniformidade aumenta com o ângulo entre os eixos. Essa limitação impede o uso de um cardan em muitas aplicações, como na transmissão de veículos com tração nas rodas dianteiras, onde o principal problema é transmitir torque para as rodas que giram. Essa desvantagem pode ser parcialmente compensada pelo uso de juntas universais duplas em um único eixo, que são giradas um quarto de volta em relação uma à outra. No entanto, em aplicações que exigem rotação uniforme, geralmente são usadas juntas homocinéticas (juntas CV) no lugar. As juntas CV são um projeto mais avançado, mas também mais complexo, que serve ao mesmo propósito.

Os cardans podem consistir em uma ou mais juntas universais conectadas por eixos cardans e suportes intermediários.

Figura 1. Diagrama de um cardan: 1, 4, 6 — eixos cardans; 2, 5 — juntas universais; 3 — conexão compensadora; u1, u2 — ângulos entre os eixos

In general, a universal joint drive consists of universal joints 2 and 5, driveshafts 1, 4, and 6, and a compensating connection 3. Sometimes the driveshaft is installed on an intermediate support attached to the vehicle frame cross member. Universal joints ensure the transmission of torque between shafts whose axes intersect at an angle. Universal joints are divided into non-uniform and constant velocity types. Non-uniform velocity joints are further classified into elastic and rigid types. Constant velocity joints can be ball-type with dividing grooves, ball-type with a dividing lever, and cam-type. They are typically installed in the drive of the leading controlled wheels, where the angle between the shafts can reach 45°, and the center of the universal joint must coincide with the intersection point of the wheel's rotation axes and its turning axis.

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, V, and G 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 BG of the cross and at the same time, along with the cross, rotate around axis AV, thereby enabling the transmission of rotation from one shaft to another with a changing angle between them.

Figura 2. Diagrama de uma junta universal rígida de velocidade não uniforme

Se o eixo 7 girar em torno de seu eixo por um ângulo α, então o eixo 2 girará por um ângulo β no mesmo período. A relação entre os ângulos de rotação dos eixos 7 e 2 é determinada pela expressão 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 7. Therefore, with uniform rotation of shaft 1, the angular velocity of shaft 2 is non-uniform and varies according to a sinusoidal law. The non-uniformity of shaft 2's rotation becomes more significant as the angle γ between the shaft axes increases.

Se a rotação não uniforme do eixo 2 for transmitida aos eixos das unidades, ocorrerão cargas pulsantes adicionais na transmissão, aumentando com o ângulo γ. Para impedir que a rotação não uniforme do eixo 2 seja transmitida aos eixos das unidades, duas juntas universais são usadas no cardan. Elas são instaladas de modo que os ângulos γ1 e γ2 sejam iguais; os garfos das juntas universais, fixados no eixo 4 que gira de forma não uniforme, devem estar posicionados no mesmo plano.

The design of the main parts of universal joint drives is shown in Figure 3. A non-uniform velocity universal joint consists of two yokes (1) connected by a cross (3). One of the yokes sometimes has a flange, while the other is welded to the driveshaft tube or has a splined end (6) (or sleeve) for connection to the driveshaft. The trunnions of the cross are installed in the eyes of both yokes on needle bearings (7). Each bearing is housed in a case (2) and held in the yoke's eye with a cap, which is attached to the yoke with two bolts locked by tabs on the washer. In some cases, the bearings are secured in the yokes with snap rings. To retain lubrication in the bearing and protect it from water and dirt, there is a rubber self-tightening seal. The inner cavity of the cross is filled with grease through a grease fitting, which reaches the bearings. The cross typically has a safety valve to protect the seal from damage due to the pressure of the grease being pumped into the cross. The splined connection (6) is lubricated using the grease fitting (5).

Figura 3. Detalhes de uma junta universal rígida de velocidade não uniforme

The maximum angle between the axes of shafts connected by rigid non-uniform velocity universal joints usually does not exceed 20°, as efficiency significantly decreases at larger angles. If the angle between the shaft axes varies within 0...2%, the trunnions of the cross are deformed by the needle bearings, causing the universal joint to fail quickly.

In the transmissions of high-speed tracked vehicles, universal joints with gear coupling types, which allow the transmission of torque between shafts with axes intersecting at angles up to 1.5...2°, are often used.

Os eixos cardans são tipicamente feitos em forma tubular, usando tubos de aço especiais sem costura ou soldados. Os garfos das juntas universais, mangas estriadas ou pontas são soldados aos tubos. Para reduzir as cargas transversais que atuam no eixo cardan, é realizado o balanceamento dinâmico com as juntas universais montadas. O desbalanceamento é corrigido soldando placas de balanceamento ao eixo cardan ou, às vezes, instalando placas de balanceamento sob as tampas dos rolamentos das juntas universais. A posição relativa das partes da conexão estriada após a montagem e o balanceamento do cardan na fábrica é geralmente marcada com etiquetas especiais.

A conexão compensadora do cardan é geralmente feita na forma de uma conexão estriada, permitindo o movimento axial das partes do cardan. Consiste em uma ponta estriada que se encaixa na manga estriada do cardan. A lubrificação é introduzida na conexão estriada por meio de uma válvula de lubrificação ou aplicada durante a montagem e substituída após o uso prolongado do veículo. Geralmente, são instalados uma vedação e uma tampa para impedir o vazamento de graxa e a contaminação.

Para eixos cardans longos, geralmente são usados suportes intermediários nos cardans. Um suporte intermediário geralmente consiste em um suporte parafusado ao travessão do chassi do veículo, no qual um rolamento de esferas é montado em um anel elástico de borracha. O rolamento é vedado em ambos os lados com tampas e possui um dispositivo de lubrificação. O anel elástico de borracha ajuda a compensar imprecisões de montagem e desalinhamento do rolamento que podem ocorrer devido a deformações do chassi.

Uma junta universal com rolamentos de agulha (Figura 4a) consiste em garfos, uma cruzeta, rolamentos de agulha e vedações. As copas com rolamentos de agulha são encaixadas nos pivôs da cruzeta e vedadas com vedações. As copas são fixadas nos garfos com anéis elásticos ou tampas fixadas com parafusos. As juntas universais são lubrificadas por meio de uma válvula de lubrificação por meio de furos internos na cruzeta. Uma válvula de segurança é usada para eliminar o excesso de pressão de óleo na junta. Durante a rotação uniforme do garfo motriz, o garfo acionado gira de forma não uniforme: ele avança e fica para trás do garfo motriz duas vezes por revolução. Para eliminar a rotação não uniforme e reduzir as cargas inerciais, são usadas duas juntas universais.

Na tração para as rodas dianteiras motrizes, são instaladas juntas universais de velocidade constante. A junta homocinética dos veículos GAZ-66 e ZIL-131 consiste em garfos 2, 5 (Figura 4b), quatro esferas 7 e uma esfera central 8. O garfo motriz 2 é integral ao eixo interno do semi-eixo, enquanto o garfo acionado é forjado junto com o eixo externo do semi-eixo, na extremidade do qual o cubo da roda é fixado. O momento motriz do garfo 2 para o garfo 5 é transmitido por meio das esferas 7, que se movem ao longo de sulcos circulares nos garfos. A esfera central 8 serve para centralizar os garfos e é mantida no lugar por parafusos de fixação 3, 4. A frequência de rotação dos garfos 2, 5 é a mesma devido à simetria do mecanismo em relação aos garfos. A mudança no comprimento do eixo é garantida pelas conexões estriadas livres dos garfos com o eixo.

Figura 4. Juntas Homocinéticas: a — junta homocinética: 1 — tampa; 2 — copo; 3 — rolamento de agulhas; 4 — vedação; 5, 9 — garfos; 6 — válvula de segurança; 7 — cruzeta; 8 — bocal de graxa; 10 — parafuso; b — junta homocinética de velocidade constante: 1 — eixo interno da roda; 2 — garfo motorizado; 3, 4 — parafusos de fixação; 5 — garfo acionado; 6 — eixo externo da roda; 7 — esferas; 8 — esfera central

2. Falhas no Cardan

As falhas no cardan geralmente se manifestam como batidas secas nas juntas universais que ocorrem quando o veículo está em movimento, especialmente durante as mudanças de marcha e aumentos súbitos na velocidade do virabrequim do motor (por exemplo, ao transitar da frenagem do motor para a aceleração). Um sinal de falha na junta universal pode ser seu aquecimento a uma temperatura elevada (acima de 100°C). Isso acontece devido ao desgaste significativo das buchas e pivôs da junta universal, rolamentos de agulha, cruzetas e conexões estriadas, resultando em desalinhamento da junta universal e cargas axiais de impacto significativas nos rolamentos de agulha. Danos às vedações de cortiça da cruzeta da junta universal levam ao desgaste rápido do pivô e seu rolamento.

Durante a manutenção, o cardan é verificado girando o eixo cardan bruscamente à mão em ambas as direções. O grau de rotação livre do eixo determina o desgaste das juntas universais e conexões estriadas. A cada 8-10 mil quilômetros, é verificada a condição das conexões parafusadas das flanges do eixo acionado da caixa de câmbio e do eixo motriz da engrenagem principal da transmissão com as flanges das juntas universais finais e a fixação do suporte intermediário do eixo cardan. Também é verificada a condição das capas de borracha nas conexões estriadas e das vedações de cortiça da cruzeta da junta universal. Todos os parafusos de fixação devem ser apertados totalmente (torque de aperto 8-10 kgf·m).

Os rolamentos de agulha das juntas universais são lubrificados com óleo líquido usado para unidades de transmissão; as conexões estriadas na maioria dos veículos são lubrificadas com graxas lubrificantes (US-1, US-2, 1-13, etc.); o uso de graxa lubrificante para lubrificar rolamentos de agulha é estritamente proibido. Em alguns veículos, as conexões estriadas são lubrificadas com óleo de transmissão. O rolamento do suporte intermediário, montado em uma manga de borracha, praticamente não requer lubrificação, pois é lubrificado durante a montagem na fábrica. O rolamento de suporte do veículo ZIL-130 é lubrificado com graxa lubrificante por meio de uma válvula de pressão durante a manutenção regular (a cada 1100-1700 km).

Figura 5. Acionamento de junta homocinética: 1 — flange para fixação do cardan; 2 — cruzeta da junta homocinética; 3 — garfo da junta homocinética; 4 — garfo deslizante; 5 — tubo do cardan; 6 — rolamento de roletes de agulha com extremidade fechada

O cardan consiste em duas juntas universais com rolamentos de agulha, conectadas por um eixo oco, e um garfo deslizante com estrias involutas. Para garantir proteção confiável contra sujeira e fornecer boa lubrificação da conexão estriada, o garfo deslizante (6), conectado ao eixo secundário (2) da caixa de câmbio, é colocado em uma extensão (1) fixada à carcaça da caixa de câmbio. Além disso, essa localização da conexão estriada (fora da zona entre as juntas) aumenta significativamente a rigidez do cardan e reduz a probabilidade de vibrações do eixo quando a conexão estriada deslizante se desgasta.

The driveshaft is made of a thin-walled electric-welded tube (8), into which two identical yokes (9) are press-fitted at each end and then welded by arc welding. Needle bearing housings (18) of the cross (25) are press-fitted into the eyes of the yokes (9) and are secured with spring retaining rings (20). Each universal joint bearing contains 22 needles (21). Stamped caps (24) are press-fitted onto the protruding trunnions of the crosses, into which cork rings (23) are installed. The bearings are lubricated using an angular grease fitting (17) screwed into a threaded hole in the center of the cross, connected to through channels in the cross's trunnions. On the opposite side of the universal joint cross, a safety valve (16) is located in its center, designed to release excess grease when filling the cross and bearings, and to prevent pressure build-up inside the cross during operation (the valve activates at a pressure of about 3.5 kg/cm²). The necessity of including a safety valve is due to the fact that excessive pressure increase inside the cross can lead to damage (extrusion) of the cork seals.

Figura 6. Montagem do Cardan: 1 — extensão da caixa de câmbio; 2 — eixo secundário da caixa de câmbio; 3 e 5 — defletores de sujeira; 4 — vedações de borracha; 6 — garfo deslizante; 7 — placa de balanceamento; 8 — tubo do cardan; 9 — garfo; 10 — garfo de flange; 11 — parafuso; 12 — flange do diferencial do eixo traseiro; 13 — arruela elástica; 14 — porca; 15 — eixo traseiro; 16 — válvula de segurança; 17 — bocal de graxa angular; 18 — rolamento de agulhas; 19 — olho do garfo; 20 — anel elástico de retenção; 21 — agulha; 22 — arruela com extremidade toroidal; 23 — anel de cortiça; 24 — tampa estampada; 25 — cruzeta

The driveshaft, assembled with both universal joints, is carefully dynamically balanced at both ends by welding balancing plates (7) to the tube. Therefore, when disassembling the shaft, all its parts must be carefully marked so that they can be reassembled in their original positions. Failure to follow this instruction disrupts the shaft's balance, causing vibrations that can damage the transmission and vehicle body. If individual parts wear out, especially if the tube bends due to impact and it becomes impossible to dynamically balance the shaft after assembly, the entire shaft must be replaced.

Possíveis Falhas no Eixo Cardan, Suas Causas e Soluções

Causa da Falha	Solução
Vibração do Eixo Cardan
1. Empenamento do eixo devido a um obstáculo	1. Endireitar e balancear dinamicamente o eixo montado ou substituir o eixo montado
2. Desgaste dos rolamentos e da cruzeta	2. Substituir rolamentos e cruzetas e balancear dinamicamente o eixo montado
3. Desgaste das buchas da extensão e do garfo deslizante	3. Substituir a extensão e o garfo deslizante e balancear dinamicamente o eixo montado
Batidas ao Arrancar e em Marcha Lenta
1. Desgaste das estrias do garfo deslizante ou do eixo secundário da caixa de câmbio	1. Substituir as peças desgastadas. Ao substituir o garfo deslizante, realizar o balanceamento dinâmico do eixo montado
2. Parafusos frouxos que fixam o garfo de flange à flange do engrenagem motriz do eixo traseiro	2. Apertar os parafusos
Vazamento de Óleo pelas Vedações da Articulação Universal
Desgaste dos anéis de cortiça nas vedações da articulação universal	Substituir os anéis de cortiça, mantendo a posição relativa de todas as partes do cardan durante a remontagem. Se houver desgaste nas cruzetas e nos rolamentos, substituir os rolamentos e as cruzetas e realizar o balanceamento dinâmico do eixo montado

3. Balanceamento do Cardan

Após o reparo e a montagem do cardan, ele é submetido a balanceamento dinâmico em uma máquina. Um dos modelos de máquina de balanceamento é mostrado na Figura 7. A máquina consiste em uma placa (18), uma estrutura de pêndulo (8) montada em quatro barras elásticas verticais (3), garantindo sua oscilação no plano horizontal. Um suporte e um cabeçote frontal (9), fixados em um suporte (4), são montados nos tubos longitudinais da estrutura do pêndulo (8). O cabeçote traseiro (6) está em um carro transversal móvel (5), permitindo o balanceamento dinâmico de cardans de diferentes comprimentos. Os fusos dos cabeçotes são montados em rolamentos de esferas de precisão. O fuso do cabeçote frontal (9) é acionado por um motor elétrico instalado na base da máquina, por meio de uma transmissão por correia trapezoidal e um eixo intermediário, no qual está montado um braço (10) (disco graduado). Além disso, dois suportes (15) com pinos de bloqueio retráteis (17) são instalados na placa da máquina (18), garantindo a fixação das extremidades frontal e traseira da estrutura do pêndulo, dependendo do balanceamento da extremidade frontal ou traseira do cardan.

Figura 7. Máquina de Balanceamento Dinâmico para Cardans

1 — grampo; 2 — amortecedores; 3 — barra elástica; 4 — suporte; 5 — carro transversal móvel; 6 — cabeçote traseiro; 7 — barra transversal; 8 — estrutura do pêndulo; 9 — cabeçote frontal motriz; 10 — braço do disco; 11 — milivoltímetro; 12 — braço do eixo do comutador-retificador; 13 — sensor magnetelétrico; 14 — suporte fixo; 15 — suporte fixador; 16 — apoio; 17 — fixador; 18 — placa de apoio

Os suportes fixos (14) são montados na parte traseira da placa da máquina, e sensores magnetelétricos (13) são instalados neles, com hastes conectadas às extremidades da estrutura do pêndulo. Para evitar vibrações de ressonância da estrutura, amortecedores (2) preenchidos com óleo são instalados sob os suportes (4).

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. 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.

Os cardans possuem algumas características de balanceamento. Para a maioria das peças, a base para o balanceamento dinâmico são os colos de apoio (por exemplo, rotores de motores elétricos, turbinas, fusos, virabrequins, etc.), mas para cardans, são as flanges. Durante a montagem, há folgas inevitáveis em diferentes conexões que levam ao desbalanceamento. Se o desbalanceamento mínimo não puder ser alcançado durante o balanceamento, o eixo é rejeitado. A precisão do balanceamento é influenciada pelos seguintes fatores:

• Folga na conexão entre a faixa de assentamento da flange do cardan e o furo interno da flange de fixação dos cabeçotes de apoio esquerdo e direito;
• Excentricidade de rotação radial e axial das superfícies base da flange;
• Gaps in the hinge and splined connections. The presence of grease in the cavity of the splined connection can lead to “floating” imbalance. If it prevents achieving the required balancing accuracy, the driveshaft is balanced without grease.

Alguns desbalanceamentos podem ser completamente incorreção. Se for observado aumento de atrito nas articulações universais do cardan, a influência mútua dos planos de correção aumenta. Isso leva a uma diminuição no desempenho e na precisão do balanceamento.

According to OST 37.001.053-74, the following imbalance standards are established: driveshafts with two joints (two-support) are balanced dynamically, and with three (three-support) – assembled with the intermediate support; the flanges (yokes) of driveshafts and couplings weighing more than 5 kg are statically balanced before assembling the shaft or coupling; the residual imbalance norms for driveshafts at each end or at the intermediate support of three-joint driveshafts are evaluated by specific imbalance;

The maximum permissible specific residual imbalance norm at each end of the shaft or at the intermediate support, as well as for three-joint driveshafts in any position on the balancing stand, should not exceed: for transmissions of passenger cars and small-load trucks (up to 1 t) and very small buses – 6 g-cm/kg, for the rest – 10 g-cm/kg. The maximum permissible residual imbalance norm of the driveshaft or three-joint driveshaft should be ensured on the balancing stand at a rotation frequency corresponding to their frequencies in the transmission at the maximum vehicle speed.

For driveshafts and three-joint driveshafts of trucks with a load capacity of 4 t and above, small and large buses, a reduction in the rotation frequency on the balancing stand to 70% of the transmission shafts' rotation frequency at the maximum vehicle speed is allowed. According to OST 37.001.053-74, the balancing rotation frequency of driveshafts should be equal to:

n_b = (0.7 ... 1.0) n_r,

onde n_b – balancing rotation frequency (should correspond to the main technical data of the stand, n=3000 min^-1; n_r – maximum working rotation frequency, min^-1.

Na prática, devido à folga nas articulações e conexões estriadas, o cardan não pode ser balanceado na frequência de rotação recomendada. Neste caso, escolhe-se outra frequência de rotação, na qual ele é balanceado.

4. Máquinas de Balanceamento Modernas para Cardans

Figura 8. Máquina de Balanceamento para Cardans de até 2 Metros de Comprimento, com Peso de até 500 kg

O modelo possui 2 suportes e permite o balanceamento em 2 planos de correção.

Máquina de Balanceamento para Cardans de até 4200 mm de Comprimento, com Peso de até 400 kg

Figura 9. Máquina de Balanceamento para Cardans de até 4200 mm de Comprimento, com Peso de até 400 kg

O modelo possui 4 suportes e permite o balanceamento em 4 planos de correção simultaneamente.

Figura 10. Máquina de Balanceamento Horizontal de Rolamento Rígido para Balanceamento Dinâmico de Cardans

1 — Peça a ser balanceada (cardan); 2 — Base da máquina; 3 — Suportes da máquina; 4 — Acionamento da máquina; Os elementos estruturais dos suportes da máquina são mostrados na Figura 9.

Figura 11. Elementos dos Suportes da Máquina para Balanceamento Dinâmico de Cardans

1 — Suporte esquerdo não ajustável; 2 — Suporte intermediário ajustável (2 un.); 3 — Suporte direito fixo não ajustável; 4 — Alça de bloqueio da estrutura do suporte; 5 — Plataforma móvel do suporte; 6 — Porca de ajuste vertical do suporte; 7 — Alças de bloqueio da posição vertical; 8 — Suporte de fixação do suporte; 9 — Grampo móvel do rolamento intermediário; 10 — Alça de bloqueio do grampo; 11 — Bloqueio do suporte de fixação; 12 — Fuso motriz (condutor) para instalação da peça; 13 — Fuso movido

5. Preparação para o Balanceamento do Cardan

Abaixo, consideraremos a configuração dos suportes da máquina e a instalação da peça a ser balanceada (cardan de quatro suportes) nos suportes da máquina.

Figura 12. Instalação das Flanges de Transição nos Fusos da Máquina de Balanceamento

Figura 13. Instalação do Cardan nos Suportes da Máquina de Balanceamento

Figura 14. Nivelamento Horizontal do Cardan nos Suportes da Máquina de Balanceamento Usando um Nível de Bolha

Figura 15. Fixação dos Suportes Intermediários da Máquina de Balanceamento para Evitar o Deslocamento Vertical do Cardan

Girar a peça manualmente por uma volta completa. Garantir que ela gire livremente e sem travamento nos suportes. Após isso, a parte mecânica da máquina está configurada, e a instalação da peça está concluída.

6. Procedimento de Balanceamento do Cardan

O processo de balanceamento do cardan na máquina de balanceamento será considerado usando o sistema de medição Balanset-4 como exemplo. O Balanset-4 é um kit portátil de balanceamento projetado para balanceamento em um, dois, três e quatro planos de correção de rotores, seja girando em seus próprios rolamentos ou montados em uma máquina de balanceamento. O dispositivo inclui até quatro sensores de vibração, um sensor de ângulo de fase, uma unidade de medição de quatro canais e um computador portátil.

Todo o processo de balanceamento, incluindo medição, processamento e exibição de informações sobre a magnitude e localização dos pesos de correção, é realizado automaticamente e não requer que o usuário tenha habilidades e conhecimentos adicionais além das instruções fornecidas. Os resultados de todas as operações de balanceamento são salvos no Arquivo de Balanceamento e podem ser impressos como relatórios, se necessário. Além do balanceamento, o Balanset-4 também pode ser usado como um vibro-taquímetro regular, permitindo a medição em quatro canais do valor RMS (raiz quadrada da média) da vibração total, RMS da componente rotacional da vibração e controle da frequência de rotação do rotor.

Além disso, o dispositivo permite a exibição de gráficos da função do tempo e do espectro de vibração por velocidade de vibração, o que pode ser útil na avaliação da condição técnica da máquina balanceada.

Figura 16. Vista Externa do Dispositivo Balanset-4 para Uso como Sistema de Medição e Cálculo da Máquina de Balanceamento de Cardans

Figura 17. Exemplo de uso do dispositivo Balanset-4 como sistema de medição e computação da máquina de balanceamento de eixo cardan

Figura 18. Interface de usuário do dispositivo Balanset-4

The Balanset-4 device can be equipped with two types of sensors – vibration accelerometers for measuring vibration (vibration acceleration) and force sensors. Vibration sensors are used for operating on post-resonance type balancing machines, while force sensors are used for pre-resonance type machines.

Figura 19. Instalação dos sensores de vibração do Balanset-4 nos suportes da máquina de balanceamento

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. The installation of force sensors depends on the machine's design features.

1. Instale os sensores de vibração 1, 2, 3, 4 nos suportes da máquina de balanceamento.
2. Conecte os sensores de vibração aos conectores X1, X2, X3, X4.
3. Instale o sensor de ângulo de fase (tacômetro a laser) 5 de modo que a folga nominal entre a superfície radial (ou de extremidade) do rotor balanceado e a carcaça do sensor esteja na faixa de 10 a 300 mm.
4. Cole uma marca de fita refletiva com largura de pelo menos 10-15 mm na superfície do rotor.
5. Conecte o sensor de ângulo de fase ao conector X5.
6. Conecte a unidade de medição à porta USB do computador.
7. Ao usar alimentação da rede elétrica, conecte o computador à fonte de alimentação.
8. Conecte a fonte de alimentação a uma rede de 220 V, 50 Hz.
9. Ligue o computador e selecione o programa “BalCom-4”.
10. Pressione o botão “F12-quatro planos” (ou a tecla de função F12 no teclado do computador) para selecionar o modo de medição de vibração simultaneamente em quatro planos usando os sensores de vibração 1, 2, 3, 4, conectados respectivamente às entradas X1, X2, X3 e X4 da unidade de medição.
11. Um diagrama mnemônico ilustrando o processo de medição de vibração simultaneamente em quatro canais de medição (ou o processo de balanceamento em quatro planos) aparece no display do computador, conforme mostrado na Figura 16.

Antes de realizar o balanceamento, recomenda-se fazer medições no modo vibrômetro (botão F5).

Figura 20. Medições no modo vibrômetro

If the total vibration magnitude V1s (V2s) approximately matches the rotational component magnitude V1o (V2o), it can be assumed that the main contribution to the mechanism's vibration is due to rotor imbalance. If the total vibration magnitude V1s (V2s) significantly exceeds the rotational component V1o (V2o), it is recommended to inspect the mechanism – check the condition of the bearings, ensure secure mounting on the foundation, verify that the rotor does not contact stationary parts during rotation, and consider the influence of vibrations from other mechanisms, etc.

Studying the time function graphs and vibration spectra obtained in the "Graphs-Spectral Analysis" mode can be useful here.

Figura 21. Gráficos da Função Temporal e do Espectro de Vibração

The graph shows at which frequencies the vibration levels are highest. If these frequencies differ from the rotational frequency of the balanced mechanism's rotor, it is necessary to identify the sources of these vibration components and take measures to eliminate them before balancing.

Também é importante prestar atenção à estabilidade das leituras no modo vibrômetro – a amplitude e a fase da vibração não devem variar mais do que 10-15% durante a medição. Caso contrário, o mecanismo pode estar operando próximo a uma região de ressonância. Neste caso, a velocidade do rotor deve ser ajustada.

When performing four-plane balancing in "Primary" mode, five calibration runs and at least one verification run of the balanced machine are required. Vibration measurement during the first machine run without a trial weight is performed in the "Four-Plane 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).

Antes de cada corrida subsequente, as seguintes etapas devem ser realizadas:

• Stop the rotation of the balanced machine's rotor.
• Remova a massa de teste instalada anteriormente.
• Instale a massa de teste no próximo plano.

Figura 23. Espaço de trabalho de Balanceamento em Quatro Planos

After completing each measurement, the results of the rotor's rotation frequency (N_ob), bem como os valores RMS (V_o1, V_o2, V_o3, V_o4) e as fases (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 Weights" workspace (see Figure 24) appears, displaying the calculated values of the masses (M₁, M₂, M₃, M₄) e os ângulos de instalação (f₁, f₂, f₃, f₄) das massas corretivas que precisam ser instaladas no rotor em quatro planos para compensar seu desbalanceamento.

Figura 24. Espaço de trabalho com parâmetros calculados das massas corretivas em quatro planos

Atenção! After completing the measurement process during the fifth run of the balanced machine, it is necessary to stop the rotor's rotation and remove the previously installed trial weight. Only after this can you proceed with installing (or removing) the corrective weights on the rotor.

The angular position for adding (or removing) the corrective weight on the rotor in the polar coordinate system is measured from the location of the trial weight installation. The angle measurement direction coincides with the rotor's rotation direction. In the case of balancing by blades, the blade of the balanced rotor conditionally considered as the 1st blade coincides with the trial weight installation location. The numbering direction of the blades indicated on the computer display follows the rotor's rotation direction.

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" field. If correcting the imbalance by removing the weight (e.g., by drilling) is necessary, set the mark in the "Remove" 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, press the "Exit – F10" button (or the F10 function key on the computer keyboard) to return to the previous "Four-Plane Balancing" workspace and check the effectiveness of the balancing operation. After completing the verification run, the results of the rotor's rotation frequency (N_ob) e os valores RMS (V_o1, V_o2, V_o3, V_o4) e fases (F₁, F₂, F₃, F₄) of the vibration at the rotational frequency of the balanced rotor are saved. Simultaneously, the "Balancing Weights" workspace (see Figure 21) appears over the "Four-Plane Balancing" workspace, 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 parameters specified in the "Balancing Weights" workspace.

The "Coefficients – F8" button (or the F8 function key on the computer keyboard) is used to view and save in the computer's memory the rotor balancing coefficients (dynamic influence coefficients) calculated from the results of the five calibration runs.

7. Classes de Precisão de Balanceamento Recomendadas para Rotores Rígidos

Tabela 2. Classes de Precisão de Balanceamento Recomendadas para Rotores Rígidos.

Classes de Precisão de Balanceamento Recomendadas para Rotores Rígidos

Tipos de Máquinas (Rotores)	Classe de Precisão de Balanceamento	Valor eper Ω mm/s
Virabrequins motrizes (desbalanceados estruturalmente) para grandes motores diesel marítimos de baixa rotação (velocidade do pistão inferior a 9 m/s)	G 4000	4000
Virabrequins motrizes (balanceados estruturalmente) para grandes motores diesel marítimos de baixa rotação (velocidade do pistão inferior a 9 m/s)	G 1600	1600
Virabrequins motrizes (desbalanceados estruturalmente) sobre isoladores de vibração	G 630	630
Virabrequins motrizes (desbalanceados estruturalmente) sobre suportes rígidos	G 250	250
Motores de combustão interna montados para carros de passageiros, caminhões e locomotivas	G 100	100
Peças automotivas: rodas, aros, conjuntos de rodas, transmissões
Virabrequins de propulsão (balanceados estruturalmente) em isoladores de vibração	G 40	40
Máquinas agrícolas	G 16	16
Virabrequins de propulsão (balanceados) em suportes rígidos
Britadores
Eixos de propulsão (cardans, eixos de parafuso)
Turbinas a gás de aeronaves	G 6.3	6.3
Centrífugas (separadores, decantadores)
Motores e geradores elétricos (com altura do eixo de pelo menos 80 mm) com velocidade máxima nominal de rotação de até 950 min-1
Motores elétricos com altura do eixo inferior a 80 mm
Ventiladores
Transmissões por engrenagens
Máquinas de uso geral
Máquinas-ferramenta de usinagem
Máquinas de fabricação de papel
Bombas
Turboalimentadores
Turbinas hidráulicas
Compressores
Acionamentos controlados por computador	G 2.5	2.5
Motores e geradores elétricos (com altura do eixo de pelo menos 80 mm) com velocidade máxima nominal de rotação acima de 950 min-1
Turbinas a gás e a vapor
Acionamentos de máquinas-ferramenta de usinagem
Máquinas têxteis
Acionamentos de equipamentos de áudio e vídeo	G 1	1
Acionamentos de máquinas de moagem
Mandris e acionamentos de equipamentos de alta precisão	G 0.4	0.4

Frequently Asked Questions about Drive Shaft Balancing

What is drive shaft balancing?

Drive shaft balancing is the process of correcting any mass imbalance in a drive shaft so that it rotates smoothly without causing vibrations. This involves measuring where the shaft is heavier on one side and then adding or removing small amounts of weight (for example, welding on balancing weights) to counteract that imbalance. A balanced drive shaft runs evenly, which prevents excessive vibration and wear on vehicle components.

Why is drive shaft balancing important?

An unbalanced drive shaft can lead to strong vibrations, especially at certain speeds, and may cause clunking noises during acceleration or gear shifts. Over time, these vibrations can damage bearings, universal joints, and other drivetrain components. Balancing the drive shaft eliminates these vibrations, ensuring a smoother ride, reducing strain on parts, and preventing costly damage or downtime.

What are common symptoms of an unbalanced drive shaft?

The typical symptoms of an unbalanced or faulty drive shaft include noticeable vibration or shuddering felt in the vehicle floor or seat, particularly as speed increases. You might also hear knocking or rattling sounds when shifting gears or during acceleration and deceleration. In some cases, the universal joint may overheat due to imbalance. If you observe these signs, it's likely the drive shaft needs balancing or repair.

How do you balance a drive shaft?

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-4 can guide this process and calculate exactly where and how much weight to add for precise balancing.

Conclusão

In conclusion, proper drive shaft balancing is essential for safety, performance, and cost savings. 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-1 and Balanset-4 devices make the process efficient, helping even small workshops achieve professional results.

If you're facing persistent driveshaft vibrations or need a reliable balancing solution, don't hesitate to act. Apply the steps outlined in this guide or consult with our experts for assistance. With the right approach and equipment, you can ensure your driveshaft runs smoothly and reliably for years to come. Contact us to learn more or to explore the best drive shaft balancing equipment for your needs.