Balanceamento de Eixo de Transmissão: Guia Completo

Imagine que você está dirigindo um caminhão e de repente sente uma vibração forte ou ouve um barulho alto ao acelerar ou trocar de marcha. Isso é mais do que apenas um incômodo — pode ser um sinal de um eixo de transmissão desbalanceado. Para engenheiros e técnicos, tais vibrações e ruídos indicam perda de eficiência, desgaste acelerado dos componentes e potencialmente tempo de inatividade custoso se não forem tratados.

Neste guia completo, fornecemos soluções práticas para problemas de balanceamento de eixos de transmissão. Você aprenderá o que é um eixo de transmissão e por que ele precisa de balanceamento, reconhecerá as falhas comuns que causam vibração ou ruído e seguirá um processo claro passo a passo para o balanceamento dinâmico de eixos de transmissão. Ao aplicar essas melhores práticas, você pode economizar dinheiro em reparos, reduzir o tempo de solução de problemas e garantir que sua máquina ou veículo funcione com confiabilidade e vibração mínima.

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.

Unidades montadas na estrutura (como a caixa de câmbio e a caixa de transferência) podem se mover em relação umas às outras devido à deformação de seus suportes e da própria estrutura. Enquanto isso, os eixos motrizes estão presos à estrutura através da suspensão e podem se mover em relação à estrutura e às unidades montadas nela devido à deformação dos elementos elásticos da suspensão. Esse movimento pode alterar não apenas os ângulos dos eixos de transmissão que conectam as unidades, mas também a distância entre as unidades.

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.

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

Em geral, uma transmissão de junta universal consiste em juntas universais 2 e 5, eixos cardan 1, 4 e 6, e uma conexão compensadora 3. Às vezes, o eixo cardan é instalado em um suporte intermediário fixado ao travessão do chassi do veículo. As juntas universais garantem a transmissão de torque entre eixos cujos eixos se intersectam em um ângulo. As juntas universais são divididas em tipos de velocidade não uniforme e de velocidade constante. As juntas de velocidade não uniforme são classificadas ainda em tipos elásticos e rígidos. As juntas de velocidade constante podem ser do tipo esférico com sulcos divisores, do tipo esférico com alavanca divisora e do tipo cames. Elas são normalmente instaladas na transmissão das rodas motrizes direcionais, onde o ângulo entre os eixos pode chegar a 45°, e o centro da junta universal deve coincidir com o ponto de interseção dos eixos de rotação da roda e seu eixo de direção.

Elastic universal joints transmit torque between shafts with intersecting axes at an angle of 2...3° due to the elastic deformation of the connecting elements. A rigid non-uniform velocity joint transmits torque from one shaft to another through the movable connection of rigid parts. It consists of two yokes – 3 and 5, into the cylindrical holes of which the ends A, B, C, and D of the connecting element – the cross 4, are installed on bearings. The yokes are rigidly connected to shafts 1 and 2. Yoke 5 can rotate around axis B–D of the cross and at the same time, along with the cross, rotate around axis A–C, thereby enabling the transmission of rotation from one shaft to another with a changing angle between them.

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

If shaft 1 rotates around its axis by an angle α, then shaft 2 will rotate by an angle β over the same period. The relationship between the rotation angles of shafts 1 and 2 is determined by the expression tanα = tanβ * cosγ, where γ is the angle at which the axes of the shafts are positioned. This expression indicates that the angle β is sometimes less than, equal to, or greater than angle α. Equality of these angles occurs every 90° of rotation of shaft 1. Therefore, with uniform rotation of shaft 1, the angular velocity of shaft 2 is non-uniform and varies according to a sinusoidal law. The non-uniformity of shaft 2's rotation becomes more significant as the angle γ between the shaft axes increases.

Se 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.

O projeto das partes principais das transmissões de juntas universais é mostrado na Figura 3. Uma junta universal de velocidade não uniforme consiste em dois garfos (1) conectados por uma cruzeta (3). Um dos garfos às vezes possui uma flange, enquanto o outro é soldado ao tubo do eixo cardan ou possui uma extremidade estriada (6) (ou manga) para conexão ao eixo cardan. Os munhões da cruzeta são instalados nos olhos de ambos os garfos em rolamentos de agulha (7). Cada rolamento está alojado em uma caixa (2) e é mantido no olho do garfo com uma tampa, que é fixada ao garfo com dois parafusos travados por linguetas na arruela. Em alguns casos, os rolamentos são fixados nos garfos com anéis elásticos. Para reter a lubrificação no rolamento e protegê-lo da água e da sujeira, há uma vedação de borracha auto-apertante. A cavidade interna da cruzeta é preenchida com graxa lubrificante por meio de uma válvula de lubrificação, que atinge os rolamentos. A cruzeta normalmente possui uma válvula de segurança para proteger a vedação contra danos devido à pressão da graxa sendo bombeada para a cruzeta. A conexão estriada (6) é lubrificada usando a válvula de lubrificação (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.

Nas transmissões de veículos blindados de alta velocidade, são frequentemente usadas juntas universais com tipos de acoplamento de engrenagem, que permitem a transmissão de torque entre eixos com eixos que se intersectam em ângulos de até 1,5...2°.

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.

O eixo cardan é feito de um tubo de parede fina soldado eletricamente (8), no qual dois garfos idênticos (9) são montados por aperto em cada extremidade e depois soldados por soldagem a arco. As caixas de rolamento de agulha (18) da cruzeta (25) são montadas por aperto nos olhos dos garfos (9) e são fixadas com anéis elásticos de retenção (20). Cada rolamento de junta universal contém 22 agulhas (21). Tampas estampadas (24) são montadas por aperto nos munhões salientes das cruzetas, nas quais anéis de cortiça (23) são instalados. Os rolamentos são lubrificados usando uma válvula de lubrificação angular (17) rosqueada em um furo roscado no centro da cruzeta, conectado a canais passantes nos munhões da cruzeta. No lado oposto da cruzeta da junta universal, uma válvula de segurança (16) está localizada em seu centro, projetada para liberar o excesso de graxa ao preencher a cruzeta e os rolamentos, e para evitar o acúmulo de pressão dentro da cruzeta durante a operação (a válvula é ativada a uma pressão de cerca de 3,5 kg/cm²). A necessidade de incluir uma válvula de segurança deve-se ao fato de que o aumento excessivo de pressão dentro da cruzeta pode levar a danos (extrusão) das vedações de cortiça.

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

O eixo cardan, montado com ambas as juntas universais, é cuidadosamente balanceado dinamicamente em ambas as extremidades soldando placas de balanceamento (7) ao tubo. Portanto, ao desmontar o eixo, todas as suas partes devem ser cuidadosamente marcadas para que possam ser remontadas em suas posições originais. O não cumprimento desta instrução perturba o balanceamento do eixo, causando vibrações que podem danificar a transmissão e a carroceria do veículo. Se peças individuais se desgastarem, especialmente se o tubo se curvar devido a impacto e se tornar impossível balancear dinamicamente o eixo após a montagem, todo o eixo deve ser substituído.

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 (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.

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;
• Jogos nas conexões de articulação e estriadas. A presença de graxa na cavidade da conexão estriada pode levar a um desbalanceamento “flutuante”. Se impedir a obtenção da precisão de balanceamento necessária, o eixo cardan é balanceado sem graxa.

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.

De acordo com o OST 37.001.053-74, os seguintes padrões de desbalanceamento são estabelecidos: eixos cardan com duas juntas (dois suportes) são balanceados dinamicamente, e com três (três suportes) – montados com o suporte intermediário; as flanges (garfos) de eixos cardan e acoplamentos com peso superior a 5 kg são balanceadas estaticamente antes de montar o eixo ou o acoplamento; as normas de desbalanceamento residual para eixos cardan em cada extremidade ou no suporte intermediário de eixos cardan de três juntas são avaliadas por desbalanceamento específico;

A norma máxima admissível de desbalanceamento residual específico em cada extremidade do eixo ou no suporte intermediário, bem como para eixos cardan de três juntas em qualquer posição no suporte de balanceamento, não deve exceder: para transmissões de carros de passageiros e caminhões de pequena carga (até 1 t) e ônibus muito pequenos – 6 g-cm/kg, para os demais – 10 g-cm/kg. A norma máxima admissível de desbalanceamento residual do eixo cardan ou eixo cardan de três juntas deve ser garantida no suporte de balanceamento a uma frequência de rotação correspondente às suas frequências na transmissão na velocidade máxima do veículo.

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.

Para eixos cardan e eixos cardan de três juntas de caminhões com capacidade de carga de 4 t e acima, ônibus pequenos e grandes, é permitida uma redução da frequência de rotação no suporte de balanceamento para 70% da frequência de rotação dos eixos da transmissão na velocidade máxima do veículo. De acordo com o OST 37.001.053-74, a frequência de rotação de balanceamento dos eixos cardan deve ser igual a:

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

onde n_b – frequência de rotação de balanceamento (deve corresponder aos principais dados técnicos do suporte, n=3000 min^-1); n_r – frequência de rotação de trabalho máxima, 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.

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 – Balancing item (driveshaft); 2 – Machine base; 3 – Machine supports; 4 – Machine drive; The structural elements of the machine supports are shown in Figure 11.

Figura 11. 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

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.

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.

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. 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. 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.

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

Figure 20. Vibration Meter mode (F5): total vibration V1s, V2s and rotational components V1o, V2o with phases F1, F2, displayed as vibration velocity in mm/s RMS

Se a magnitude total da vibração V1s (V2s) corresponder aproximadamente à magnitude do componente rotacional V1o (V2o), pode-se assumir que a principal contribuição para a vibração do mecanismo se deve ao desbalanceamento do rotor. Se a magnitude total da vibração V1s (V2s) exceder significativamente o componente rotacional V1o (V2o), recomenda-se inspecionar o mecanismo – verificar o estado dos rolamentos, garantir a montagem segura na fundação, verificar se o rotor não entra em contato com partes estacionárias durante a rotação, e considerar a influência de vibrações de outros mecanismos, etc.

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

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

O gráfico mostra em quais frequências os níveis de vibração são mais altos. Se essas frequências diferirem da frequência de rotação do rotor do mecanismo balanceado, é necessário identificar as fontes desses componentes de vibração e tomar medidas para eliminá-los antes do balanceamento.

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 desalinhamento: 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.

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 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).

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

• Pare a rotação do rotor da máquina balanceada.
• Remova a massa de teste instalada anteriormente.
• Instale a massa de teste no próximo plano.

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

Após concluir cada medição, os resultados da frequência de rotação do rotor (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 results with the polar plot (see Figure 23) appear, 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.

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

Atenção! Após concluir o processo de medição durante a quinta corrida da máquina balanceada, é necessário parar a rotação do rotor e remover a massa de teste instalada anteriormente. Somente após isso você pode prosseguir com a instalação (ou remoção) das massas de correção no rotor.

A posição angular para adicionar (ou remover) a massa de correção no rotor no sistema de coordenadas polares é medida a partir do local de instalação da massa de teste. A direção da medição do ângulo coincide com a direção de rotação do rotor. No caso de balanceamento por pás, a pá do rotor balanceado considerada condicionalmente como a 1ª pá coincide com o local de instalação da massa de teste. A direção de numeração das pás indicada no display do computador segue a direção de rotação do rotor.

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

After installing the corrective weights on the balanced rotor, carry out the trim run (Run T) to check the effectiveness of the balancing operation. After completing the trim run, the results of the rotor's rotation frequency (N_ob) e 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 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. Classes de Precisão de Balanceamento Recomendadas para Rotores Rígidos

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_por·Ω, where e_por 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_por = 9549·G·M/n [g·mm], split between the correction planes. See our ISO 1940-1 glossary entry.

The default grade for a road-vehicle driveshaft is G 40; G 16 applies when the drawing or the OEM specification calls for special requirements. Note that residual unbalance and vibration are separate acceptance criteria: the vibration of the assembled machine is assessed to ISO 20816 (formerly ISO 10816) — see our ISO 10816-1 glossary entry.

The G-grade table applies to rigid rotors only — rotors whose service speed stays below roughly 0.5…0.7 of the first bending critical speed. Long driveshafts (2 m and above, and any shaft with an intermediate support) can approach that limit: check the shaft's first critical speed against both the service speed and the balancing speed. If the shaft is flexible at speed, use a modal / multi-speed procedure (ISO 21940-12) — a two-plane rigid-rotor correction will not hold.

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

Tipos de Máquinas (Rotores)	Classe de Precisão de Balanceamento	Balance quality grade G = epor·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
Virabrequins de propulsão (balanceados estruturalmente) em isoladores de vibração	G 40	40
Car wheels, wheel rims, wheel sets, drive shafts (cardan shafts)	G 40	40
Máquinas agrícolas	G 16	16
Virabrequins de propulsão (balanceados) em suportes rígidos	G 16	16
Britadores	G 16	16
Drive shafts (propeller / cardan shafts) with special requirements	G 16	16
Turbinas a gás de aeronaves	G 6.3	6.3
Centrífugas (separadores, decantadores)	G 6.3	6.3
Motores e geradores elétricos (com altura do eixo de pelo menos 80 mm) com velocidade máxima nominal de rotação de até 950 min-1	G 6.3	6.3
Motores elétricos com altura do eixo inferior a 80 mm	G 6.3	6.3
Ventiladores	G 6.3	6.3
Transmissões por engrenagens	G 6.3	6.3
Máquinas de uso geral	G 6.3	6.3
Máquinas-ferramenta de usinagem	G 6.3	6.3
Máquinas de fabricação de papel	G 6.3	6.3
Bombas	G 6.3	6.3
Turboalimentadores	G 6.3	6.3
Turbinas hidráulicas	G 6.3	6.3
Compressores	G 6.3	6.3
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	G 2.5	2.5
Turbinas a gás e a vapor	G 2.5	2.5
Acionamentos de máquinas-ferramenta de usinagem	G 2.5	2.5
Máquinas têxteis	G 2.5	2.5
Acionamentos de equipamentos de áudio e vídeo	G 1	1
Acionamentos de máquinas de moagem	G 1	1
Mandris e acionamentos de equipamentos de alta precisão	G 0.4	0.4

Perguntas Frequentes sobre Balanceamento de Eixo Cardan

O que é balanceamento de eixo de transmissão?

O balanceamento do eixo cardan é o processo de correção de qualquer desbalanceamento de massa em um eixo cardan para que ele gire suavemente sem causar vibrações. Isso envolve medir onde o eixo é mais pesado em um lado e, em seguida, adicionar ou remover pequenas quantidades de peso (por exemplo, soldando massas de balanceamento) para contrabalançar esse desbalanceamento. Um eixo cardan balanceado gira uniformemente, o que evita vibrações excessivas e desgaste nos componentes do veículo.

Por que o balanceamento de eixo de transmissão é importante?

Um eixo cardan desbalanceado pode levar a vibrações fortes, especialmente em certas velocidades, e pode causar ruídos de batida durante a aceleração ou mudanças de marcha. Com o tempo, essas vibrações podem danificar rolamentos, juntas universais e outros componentes do sistema de transmissão. O balanceamento do eixo cardan elimina essas vibrações, garantindo uma condução mais suave, reduzindo a tensão nas peças e evitando danos ou paradas caras.

Quais são os sintomas comuns de um eixo de transmissão desbalanceado?

Os sintomas típicos de um eixo cardan desbalanceado ou defeituoso incluem vibração ou tremor perceptível no piso do veículo ou no assento, particularmente à medida que a velocidade aumenta. Você também pode ouvir sons de batida ou rangido ao mudar de marcha ou durante a aceleração e desaceleração. Em alguns casos, a junta universal pode superaquecer devido ao desbalanceamento. Se você observar esses sinais, é provável que o eixo cardan precise de balanceamento ou reparo.

Como você balanceia um eixo de transmissão?

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.

Conclusão

Em conclusão, o balanceamento adequado do eixo cardan é essencial para segurança, desempenho e economia de custos. By detecting and correcting imbalance, you prevent unnecessary wear on parts, avoid damaging breakdowns, and maintain optimal machine performance. Modern balancing systems like our Balanset-1A and Balanset-4A devices make the process efficient, helping even small workshops achieve professional results.

Se você está enfrentando vibrações persistentes no eixo cardan ou precisa de uma solução de balanceamento confiável, não hesite em agir. Aplique as etapas descritas neste guia ou consulte nossos especialistas para assistência. Com a abordagem e o equipamento certos, você pode garantir que seu eixo cardan funcione suavemente e com confiabilidade por muitos anos. Entre em contato conosco para saber mais ou explorar o melhor equipamento de balanceamento de eixos de transmissão para suas necessidades.