Балансировка приводного вала: подробное руководство

Представьте, что вы ведёте грузовик и внезапно чувствуете резкую вибрацию или слышите громкий стук при разгоне или переключении передач. Это не просто неприятность — это может быть признаком разбалансировки карданного вала. Для инженеров и техников такие вибрации и шумы указывают на снижение эффективности, ускоренный износ компонентов и потенциально дорогостоящий простой, если не устранить проблему.

Работаете с автомобилем? См. балансировка карданного вала на автомобиле без демонтажа.

Балансировка карданного вала на автомобиле: реальная работа шаг за шагом

Фотографии ниже сделаны в ходе реальной работы по балансировке, выполненной с автомобилем на подъёмнике. Карданный вал ни разу не снимался: датчики крепятся прямо на автомобиль, вал раскручивается двигателем через трансмиссию, а корректирующий груз устанавливается снизу. Это сохраняет вал в его собственных подшипниках и под его собственными рабочими углами, поэтому результат отражает реальную работу узла — то, что стендовый балансировочный станок не может полностью воспроизвести.

Рис. 24. Датчик вибрации, установленный на корпусе главной передачи, максимально близко к опорному подшипнику карданного вала.

Рис. 25. Лазерный тахометр, направленный на полоску отражающей ленты на валу, — он даёт как скорость вращения, так и фазовый угол дисбаланса.

Рис. 26. Корректирующий груз, закреплённый на трубе вала нержавеющим хомутом под углом и с массой, рассчитанными программой.

Полная процедура — размещение датчиков, безопасные пробные пуски, проверка пробного груза и остаточной вибрации — описана в балансировка карданного вала на автомобиле без демонтажа.

В этом подробном руководстве мы предлагаем практические решения проблем с балансировкой карданных валов. Вы узнаете, что такое карданный вал и почему его необходимо балансировать, определите распространённые неисправности, вызывающие вибрацию или шум, и пройдёте чёткую пошаговую процедуру динамической балансировки карданных валов. Применяя эти рекомендации, вы сможете сэкономить на ремонте, сократить время поиска и устранения неисправностей и обеспечить надёжную работу вашего оборудования или транспортного средства с минимальным уровнем вибрации.

Оглавление

• 1. Типы карданных валов
• Неисправности карданной передачи
• 3. Балансировка карданного вала
• 4. Современные балансировочные станки для карданных валов
• 5. Подготовка к балансировке карданного вала
• 6. Как отбалансировать карданный вал: пошаговая инструкция
• 7. Рекомендуемые классы точности балансировки для жестких роторов

1. Типы карданных валов

Карданная передача (карданный вал) - это механизм, передающий крутящий момент между валами, которые пересекаются в центре карданного шарнира и могут двигаться относительно друг друга под углом. В автомобиле карданный вал передает крутящий момент от коробки передач (или раздаточной коробки) к ведущим осям в случае классической или полноприводной компоновки. В полноприводных автомобилях карданный шарнир обычно соединяет ведомый вал коробки передач с ведущим валом раздаточной коробки, а ведомые валы раздаточной коробки - с ведущими валами главных передач ведущих мостов.

Агрегаты, установленные на раме (например, коробка передач и раздаточная коробка), могут перемещаться относительно друг друга за счёт деформации их опор и самой рамы. При этом ведущие мосты, крепящиеся к раме через подвеску, могут перемещаться относительно рамы и установленных на ней агрегатов за счёт деформации упругих элементов подвески. Это перемещение может изменять не только углы поворота карданных валов, соединяющих агрегаты, но и расстояние между ними.

У карданной передачи есть существенный недостаток: неравномерное вращение валов. Если один вал вращается равномерно, то другой - нет, и эта неравномерность увеличивается с увеличением угла между валами. Это ограничение не позволяет использовать карданный привод во многих областях применения, например, в трансмиссии переднеприводных автомобилей, где основной проблемой является передача крутящего момента на поворотные колеса. Этот недостаток можно частично компенсировать, используя два карданных шарнира на одном валу с равными углами излома (γ1 = γ2) и вилками на обоих концах промежуточного вала, расположенными в одной плоскости (синфазно). Вилки, смещённые на 90°, не компенсируют колебания скорости, а складывают их. Однако в условиях, требующих равномерного вращения, вместо них обычно используются шарниры с постоянной скоростью вращения (ШРУСы). ШРУСы представляют собой более совершенную, но и более сложную конструкцию, служащую той же цели.

Карданные передачи могут состоять из одного или нескольких карданных шарниров, соединенных карданными валами и промежуточными опорами.

Рисунок 1. Схема карданной передачи: 1, 4, 6 - карданные валы; 2, 5 - карданные шарниры; 3 - компенсационное соединение; u1, u2 - углы между валами

В общем случае карданный привод состоит из карданных шарниров 2 и 5, карданных валов 1, 4 и 6 и компенсирующего соединения 3. Иногда карданный вал устанавливается на промежуточной опоре, закреплённой на поперечине рамы транспортного средства. Карданные шарниры обеспечивают передачу крутящего момента между валами, оси которых пересекаются под углом. Карданные шарниры делятся на шарниры неравных угловых скоростей и шарниры равных угловых скоростей. Шарниры неравных угловых скоростей, в свою очередь, подразделяются на упругие и жёсткие. Шарниры равных угловых скоростей могут быть шариковыми с делительными канавками, шариковыми с делительным рычагом и кулачковыми. Они обычно устанавливаются в приводе ведущих управляемых колёс, где угол между валами может достигать 45°, а центр карданного шарнира должен совпадать с точкой пересечения осей вращения колеса и его оси поворота.

Упругие карданные шарниры передают крутящий момент между валами с пересекающимися осями под углом 2...3° за счёт упругой деформации соединительных элементов. Жёсткий неравноскоростной шарнир передаёт крутящий момент от одного вала к другому через подвижное соединение жёстких деталей. Он состоит из двух вилок – 3 и 5, в цилиндрические отверстия которых на подшипниках установлены концы А, Б, В и Г соединительного элемента – крестовины 4. Вилки жёстко соединены с валами 1 и 2. Вилка 5 может вращаться вокруг оси Б–Г крестовины и одновременно вместе с крестовиной поворачиваться вокруг оси А–В, обеспечивая тем самым передачу вращения с одного вала на другой с изменяющимся углом между ними.

Рисунок 2. Схема жесткого универсального шарнира с неравномерной скоростью вращения

Если вал 1 поворачивается вокруг своей оси на угол α, то вал 2 за тот же период повернётся на угол β. Соотношение между углами поворота валов 1 и 2 определяется выражением tanα = tanβ * cosγ, где γ — угол, под которым расположены оси валов. Это выражение показывает, что угол β иногда меньше, равен или больше угла α. Равенство этих углов происходит каждые 90° поворота вала 1. Поэтому при равномерном вращении вала 1 угловая скорость вала 2 неравномерна и изменяется по синусоидальному закону. Неравномерность вращения вала 2 становится более выраженной с увеличением угла γ между осями валов.

Если неравномерное вращение вала 2 передается на валы агрегатов, то при передаче возникают дополнительные пульсирующие нагрузки, возрастающие с увеличением угла γ. Чтобы предотвратить передачу неравномерного вращения вала 2 на валы агрегатов, в карданной передаче используются два универсальных шарнира. Они устанавливаются так, чтобы углы γ1 и γ2 были равны; вилки карданных шарниров, закрепленные на неравномерно вращающемся валу 4, должны располагаться в одной плоскости.

Конструкция основных деталей карданных передач показана на рисунке 3. Карданный шарнир неравных скоростей состоит из двух вилок (1), соединенных крестовиной (3). Одна из вилок иногда имеет фланец, а другая приварена к трубе карданного вала или имеет шлицевой конец (6) (или втулку) для соединения с карданным валом. Цапфы крестовины установлены в проушинах обеих вилок на игольчатых подшипниках (7). Каждый подшипник размещен в корпусе (2) и удерживается в проушине вилки крышкой, которая крепится к вилке двумя болтами, стопорящимися выступами на шайбе. В некоторых случаях подшипники фиксируются в вилках стопорными кольцами. Для удержания смазки в подшипнике и защиты его от воды и грязи имеется резиновое самоподжимное уплотнение. Внутренняя полость крестовины заполняется смазкой через пресс-масленку, которая доходит до подшипников. Крестовина обычно оснащена предохранительным клапаном, защищающим уплотнение от повреждения давлением смазки, подаваемой в крестовину. Смазка шлицевого соединения (6) осуществляется через пресс-масленку (5).

Рисунок 3. Детали жесткого универсального шарнира с неравномерной скоростью вращения

Максимальный угол между осями валов, соединённых жёсткими карданными шарнирами неравных угловых скоростей, обычно не превышает 20°, поскольку при больших углах КПД заметно снижается. Если угол между осями валов колеблется в пределах 0...2°, цапфы крестовины деформируются игольчатыми подшипниками, что приводит к быстрому выходу карданного шарнира из строя.

В трансмиссиях быстроходных гусеничных машин часто применяют карданные шарниры с зубчатыми муфтами, которые позволяют передавать крутящий момент между валами с осями, пересекающимися под углами до 1,5...2°.

Карданные валы, как правило, изготавливаются из специальных стальных бесшовных или сварных труб. К трубам привариваются вилки карданных шарниров, шлицевые втулки или наконечники. Для снижения поперечных нагрузок, действующих на карданный вал, выполняется динамическая балансировка с собранными карданными шарнирами. Дисбаланс устраняется приваркой балансировочных пластин к карданному валу или иногда установкой балансировочных пластин под крышки подшипников карданных шарниров. Относительное положение шлицевых соединений после сборки и балансировки карданной передачи на заводе обычно отмечается специальными метками.

Компенсационное соединение карданной передачи обычно выполняется в виде шлицевого соединения, обеспечивающего осевое перемещение деталей карданной передачи. Оно состоит из шлицевого наконечника, который входит в шлицевую втулку карданной передачи. Смазка вводится в шлицевое соединение через смазочный фитинг или наносится при сборке и заменяется после длительной эксплуатации автомобиля. Для предотвращения утечки и загрязнения смазки обычно устанавливаются уплотнение и крышка.

Для длинных карданных валов в карданных передачах обычно используются промежуточные опоры. Промежуточная опора обычно состоит из кронштейна, прикрученного к поперечине рамы автомобиля, в котором в резиновом упругом кольце установлен шарикоподшипник. Подшипник закрыт с обеих сторон крышками и снабжен смазочным устройством. Эластичное резиновое кольцо помогает компенсировать неточности сборки и смещение подшипника, которые могут возникнуть из-за деформации рамы.

Карданный шарнир с игольчатыми подшипниками (рис. 4a) состоит из вилок, крестовины, игольчатых подшипников и уплотнений. Чашки с игольчатыми подшипниками устанавливаются на цапфы крестовины и уплотняются. Чашки фиксируются в вилках стопорными кольцами или крышками, закрепленными винтами. Карданные шарниры смазываются через пресс-масленку по внутренним каналам в крестовине. Для устранения избыточного давления смазки в шарнире используется предохранительный клапан. При равномерном вращении ведущей вилки ведомая вилка вращается неравномерно: за один оборот она дважды опережает ведущую вилку и отстает от нее. Для устранения неравномерного вращения и снижения инерционных нагрузок используются два карданных шарнира.

В приводе к передним ведущим колесам установлены карданные шарниры с постоянными скоростями. Привод карданного шарнира постоянных угловых скоростей автомобилей ГАЗ-66 и ЗИЛ-131 состоит из вилок 2, 5 (рис. 4б), четырех шаров 7 и центрального шара 8. Ведущая вилка 2 неразрывно связана с внутренним полуосевым валом, а ведомая - с наружным полуосевым валом, на конце которого закреплена ступица колеса. Движущий момент от вилки 2 к вилке 5 передается через шарики 7, которые перемещаются по круговым канавкам в вилках. Центральный шар 8 служит для центрирования вилки и удерживается шпильками 3, 4. Частота вращения вилок 2, 5 одинакова за счет симметрии механизма относительно вилок. Изменение длины вала обеспечивается за счет свободного шлицевого соединения вилок с валом.

Рисунок 4. Универсальные шарниры: a - универсальный шарнир: 1 - крышка; 2 - стакан; 3 - игольчатый подшипник; 4 - уплотнение; 5, 9 - вилки; 6 - предохранительный клапан; 7 - крестовина; 8 - смазочный фитинг; 10 - винт; b - шарнир равных угловых скоростей: 1 - внутренний вал; 2 - ведущая вилка; 3, 4 - шпильки; 5 - ведомая вилка; 6 - внешний вал; 7 - шарики; 8 - центральный шарик

Неисправности карданной передачи

Неисправности карданной передачи обычно проявляются в виде резких стуков в карданных шарнирах, возникающих во время движения автомобиля, особенно при переключении передач и резком увеличении частоты вращения коленчатого вала двигателя (например, при переходе от торможения двигателем к разгону). Признаком неисправности карданного шарнира может быть его нагрев до высокой температуры (более 100°C). Это происходит из-за значительного износа втулок и цапф карданного шарнира, игольчатых подшипников, крестовин и шлицевых соединений, что приводит к перекосу карданного шарнира и значительным ударным осевым нагрузкам на игольчатые подшипники. Повреждение пробковых уплотнений крестовины карданного шарнира приводит к быстрому износу цапфы и ее подшипника.

При техническом обслуживании карданная передача проверяется путем резкого вращения карданного вала рукой в обоих направлениях. По степени свободного вращения вала определяется износ карданных шарниров и шлицевых соединений. Через каждые 8-10 тыс. км проверяют состояние болтовых соединений фланцев ведомого вала коробки передач и ведущего вала главной передачи с фланцами концевых карданных шарниров и крепление промежуточной опоры карданного вала. Также проверяется состояние резиновых манжет на шлицевых соединениях и пробковых уплотнений крестовины карданного шарнира. Все крепежные болты должны быть полностью затянуты (момент затяжки 8-10 кгс-м).

Игольчатые подшипники карданных шарниров смазываются жидким маслом, используемым для агрегатов трансмиссии; шлицевые соединения большинства автомобилей смазываются пластичными смазками (US-1, US-2, 1-13 и др.); использование пластичных смазок для смазывания игольчатых подшипников категорически запрещено. В некоторых автомобилях шлицевые соединения смазываются трансмиссионным маслом. Промежуточный опорный подшипник, установленный в резиновой втулке, практически не требует смазки, так как смазывается при сборке на заводе. Опорный подшипник автомобиля ЗИЛ-130 смазывается консистентной смазкой через напорный фитинг во время регулярного технического обслуживания (каждые 1100-1700 км).

Рисунок 5. Привод с универсальным шарниром: 1 - фланец для крепления карданного вала; 2 - крестовина карданного вала; 3 - вилка карданного вала; 4 - скользящая вилка; 5 - труба карданного вала; 6 - игольчатый подшипник с закрытым концом

Карданная передача состоит из двух карданных шарниров с игольчатыми подшипниками, соединенных полым валом, и скользящей вилки с эвольвентными шлицами. Для надежной защиты от грязи и обеспечения хорошей смазки шлицевого соединения скользящая вилка (6), соединенная с вторичным валом (2) коробки передач, помещена в удлинитель (1), прикрепленный к корпусу коробки передач. Кроме того, такое расположение шлицевого соединения (вне зоны между шарнирами) значительно повышает жесткость карданной передачи и снижает вероятность возникновения вибраций вала при износе скользящего шлицевого соединения.

Карданный вал выполнен из тонкостенной электросварной трубы (8), в которую с обоих концов запрессованы и приварены дуговой сваркой одинаковые вилки (9). Корпуса игольчатых подшипников (18) крестовины (25) запрессованы в проушины вилок (9) и закреплены пружинными стопорными кольцами (20). Каждый подшипник карданного шарнира содержит 22 иглы (21). На выступающие цапфы крестовины запрессованы штампованные крышки (24), в которые установлены пробковые кольца (23). Смазка подшипников осуществляется угловой пресс-маслёнкой (17), ввинченной в резьбовое отверстие в центре крестовины и соединённой со сквозными каналами в цапфах крестовины. С противоположной стороны крестовины карданного шарнира, в её центре, расположен предохранительный клапан (16), предназначенный для сброса излишков смазки при заполнении крестовины и подшипников, а также для предотвращения повышения давления внутри крестовины в процессе эксплуатации (клапан срабатывает при давлении около 3,5 кг/см²). Необходимость установки предохранительного клапана обусловлена тем, что чрезмерное повышение давления внутри крестовины может привести к повреждению (выдавливанию) пробковых уплотнений.

Рисунок 6. Карданный вал в сборе: 1 - удлинитель коробки передач; 2 - вторичный вал коробки передач; 3 и 5 - грязеотражатели; 4 - резиновые уплотнения; 6 - скользящая вилка; 7 - балансировочная пластина; 8 - труба карданного вала; 9 - вилка; 10 - фланцевая вилка; 11 - болт; 12 - фланец ведущей шестерни заднего моста; 13 - пружинная шайба; 14 - гайка; 15 - задний мост; 16 - предохранительный клапан; 17 - угловая пресс-масленка; 18 - игольчатый подшипник; 19 - проушина вилки; 20 - пружинное стопорное кольцо; 21 - игла; 22 - шайба с тороидальным торцом; 23 - пробковое кольцо; 24 - штампованная крышка; 25 - крестовина

Карданный вал, собранный с обоими карданными шарнирами, тщательно динамически сбалансирован с обоих концов путём приваривания балансировочных пластин (7) к трубе. Поэтому при разборке вала все его детали должны быть тщательно промаркированы для возможности их последующей сборки в исходное положение. Несоблюдение этого указания нарушает балансировку вала, вызывая вибрации, которые могут повредить трансмиссию и кузов автомобиля. В случае износа отдельных деталей, особенно при изгибе трубы от удара и невозможности динамической балансировки вала после сборки, необходимо заменить весь вал.

Возможные неисправности карданного вала, их причины и решения

Причина неисправности	Решение
Вибрация карданного вала
1. Изгиб вала из-за препятствия	1. Выпрямите и динамически сбалансируйте вал в сборе или замените вал в сборе.
2. Износ подшипников и крестовин	2. Замените подшипники и крестовины и выполните динамическую балансировку собранного вала
3. Износ втулок удлинителя и скользящей вилки	3. Замените удлинитель и скользящую вилку и динамически сбалансируйте собранный вал
Стук при трогании и движении накатом
1. Износ шлицов скользящей вилки или вторичного вала коробки передач	1. Замените изношенные детали. При замене скользящей вилки динамически сбалансируйте собранный вал
2. Ослаблены болты, крепящие фланец вилки к фланцу ведущей шестерни заднего моста	2. Затяните болты
Выбрасывание масла из уплотнений универсальных шарниров
Износ пробковых колец в уплотнениях карданных шарниров	Замените пробковые кольца, сохраняя при сборке взаимное расположение всех деталей карданного вала. При наличии износа крестовин и подшипников замените подшипники и крестовины и выполните динамическую балансировку собранного вала.

3. Балансировка карданного вала

После ремонта и сборки карданного вала его динамически балансируют на станке. Одна из конструкций балансировочного станка показана на рисунке 7. Станок состоит из плиты (18), маятниковой рамы (8), установленной на четырех вертикальных упругих стержнях (3), обеспечивающих ее колебания в горизонтальной плоскости. На продольных трубах маятниковой рамы (8) закреплены кронштейн и передняя бабка (9), зафиксированные на кронштейне (4). Задняя бабка (6) находится на подвижной траверсе (5), что позволяет динамически балансировать карданные валы разной длины. Шпиндели бабки установлены на прецизионных шарикоподшипниках. Шпиндель передней бабки (9) приводится в движение от электродвигателя, установленного в станине станка, через клиноременную передачу и промежуточный вал, на котором закреплен лимб (10) (градуированный диск). Дополнительно на плите станка (18) установлены две стойки (15) с выдвижными стопорными штифтами (17), обеспечивающие фиксацию переднего и заднего концов маятниковой рамы в зависимости от балансировки переднего или заднего конца приводного вала.

Рисунок 7. Динамический балансировочный станок для карданных валов

1-зажим; 2-демпферы; 3-упругий стержень; 4-кронштейн; 5-подвижная траверса; 6-задняя бабка; 7-поперечина; 8-маятниковая рама; 9-передняя ведущая бабка; 10-диск; 11-милливольтметр; 12-бабка вала коммутатора-выпрямителя; 13-магнитоэлектрический датчик; 14-фиксированная стойка; 15-стойка фиксатора; 16-опора; 17-фиксатор; 18-опорная плита

Сзади плиты станка установлены неподвижные стойки (14), на которых закреплены магнитоэлектрические датчики (13), стержни которых соединены с концами маятниковой рамы. Для предотвращения резонансных колебаний рамы под кронштейнами (4) установлены демпферы (2), заполненные маслом.

Во время динамической балансировки на станок устанавливается и закрепляется карданный вал в сборе со скользящей вилкой. Один конец приводного вала соединяется фланцем-вилкой с фланцем передней ведущей бабки, а другой конец - опорной шейкой скользящей вилки со шлицевой втулкой задней бабки. Затем проверяется легкость вращения приводного вала, и один конец маятниковой рамы станка закрепляется с помощью фиксатора. После запуска станка лимб выпрямителя поворачивают против часовой стрелки, доводя иглу милливольтметра до максимального показания. Показания милливольтметра соответствуют величине дисбаланса. Шкала милливольтметра градуирована в грамм-сантиметрах или граммах противовеса. Продолжая вращать выпрямительный лимб против часовой стрелки, показания милливольтметра сводят к нулю, и станок останавливают. По показаниям выпрямительного лимба определяется угловое смещение (угол смещения дисбаланса), и, вращая вручную приводной вал, это значение устанавливается на лимбе промежуточного вала. Место сварки балансировочной пластины будет находиться в верхней части карданного вала, а утяжеленная часть - в нижней, в плоскости коррекции. Затем балансировочную пластину крепят и обвязывают тонкой проволокой на расстоянии 10 мм от сварного шва, запускают станок и проверяют балансировку конца карданного вала с пластиной. Дисбаланс должен быть не более 70 г·см (700 г·мм). Затем, отпустив один конец и закрепив другой конец маятниковой рамы с помощью стойки-фиксатора, производят динамическую балансировку другого конца карданного вала в соответствии с технологической последовательностью, описанной выше.

Карданные валы имеют некоторые особенности балансировки. Для большинства деталей основой динамической балансировки являются опорные шейки (например, роторов электродвигателей, турбин, шпинделей, коленчатых валов и т. д.), но для карданных валов - фланцы. При сборке неизбежно возникают зазоры в различных соединениях, что приводит к дисбалансу. Если при балансировке не удается достичь минимального дисбаланса, вал бракуется. На точность балансировки влияют следующие факторы:

• Зазор в соединении между посадочным поясом фланца карданного вала и внутренним отверстием зажимного фланца левой и правой опорных бабок;
• Радиальное и торцевое биение базовых поверхностей фланца;
• Зазоры в шарнирных и шлицевых соединениях. Наличие смазки в полости шлицевого соединения может привести к возникновению «плавающего» дисбаланса. Если это препятствует достижению требуемой точности балансировки, балансировку карданного вала производят без смазки.

Некоторые дисбалансы могут быть полностью неустранимы. Если в карданных шарнирах карданного вала наблюдается повышенное трение, взаимное влияние плоскостей коррекции увеличивается. Это приводит к снижению производительности и точности балансировки.

Согласно ОСТ 37.001.053-74 установлены следующие нормы дисбаланса: карданные валы с двумя шарнирами (двухопорные) балансируют динамически, а с тремя (трёхопорные) — в сборе с промежуточной опорой; фланцы (вилки) карданных валов и муфт массой более 5 кг подвергают статической балансировке до сборки вала или муфты; нормы остаточного дисбаланса карданных валов на каждом конце или на промежуточной опоре трёхшарнирных карданных валов оценивают по удельному дисбалансу;

Предельно допустимая удельная норма остаточного дисбаланса на каждом конце вала или на промежуточной опоре, а также для трёхшарнирных карданных валов в любом положении на балансировочном стенде не должна превышать: для трансмиссий легковых и малотоннажных грузовых автомобилей (до 1 т) и автобусов особо малого класса – 6 г·см/кг, остальных – 10 г·см/кг. Предельно допустимая норма остаточного дисбаланса карданного вала или трёхшарнирного карданного вала должна быть обеспечена на балансировочном стенде при частоте вращения, соответствующей их частотам в трансмиссии при максимальной скорости движения автомобиля.

Примечание: ОСТ 37.001.053-74 — советский отраслевой стандарт автомобильной промышленности 1974 года, приведённый здесь как историческая справка. В современных терминах 6 г·см/кг при 3000 об/мин соответствует примерно G 19, а 10 г·см/кг — примерно G 31 — требование ОСТ находится между G 16 и G 40, что согласуется с классами ISO 21940-11 (ранее ISO 1940-1) для карданных валов. Для новых работ указывайте классы по ISO 21940-11.

Для карданных валов и трёхшарнирных карданных валов грузовых автомобилей грузоподъёмностью 4 т и более, автобусов малого и большого класса допускается снижение частоты вращения на балансировочном стенде до 70% частоты вращения валов трансмиссии при максимальной скорости движения автомобиля. Согласно ОСТ 37.001.053-74, частота вращения карданных валов при балансировке должна быть равна:

n_b = (0.7 ... 1.0) n_r,

где n_b – частота вращения при балансировке (должна соответствовать основным техническим данным стенда, n=3000 min^-1); n_r – максимальная рабочая частота вращения, min^-1.

На практике из-за зазоров в шарнирах и шлицевых соединениях карданный вал не может быть сбалансирован на рекомендуемой частоте вращения. В этом случае выбирается другая частота вращения, при которой он балансируется.

4. Современные балансировочные станки для карданных валов

Рисунок 8. Балансировочный станок для карданных валов длиной до 2 метров и весом до 500 кг

Модель имеет 2 стойки и позволяет балансировать в двух плоскостях коррекции.

Рисунок 9. Балансировочный станок для карданных валов длиной до 4200 мм и весом до 400 кг

Модель имеет 4 стойки и позволяет балансировать в 4 плоскостях коррекции одновременно.

Рисунок 10. Горизонтальный балансировочный станок с жестким подшипником для динамической балансировки карданных валов

1 – балансируемое изделие (карданный вал); 2 – основание машины; 3 – опоры машины; 4 – привод машины; Конструктивные элементы опор машины показаны на Рис. 11.

Рисунок 11. Опорные элементы станка для динамической балансировки карданных валов

1 - Левая нерегулируемая опора; 2 - Промежуточная регулируемая опора (2 шт.); 3 - Правая нерегулируемая фиксированная опора; 4 - Ручка блокировки опорной рамы; 5 - Подвижная опорная платформа; 6 - Гайка регулировки вертикального положения опоры; 7 - Ручки блокировки вертикального положения; 8 - Зажимная скоба опоры; 9 - Подвижная скоба промежуточного подшипника; 10 - Ручка блокировки скобы; 11 - Замок зажимной скобы; 12 - Ведущий шпиндель для установки изделия; 13 - Приводной шпиндель

5. Подготовка к балансировке карданного вала

Ниже мы рассмотрим настройку опор станка и установку балансировочного элемента (четырехопорного карданного вала) на опоры станка.

Рисунок 12. Установка переходных фланцев на шпиндели балансировочного станка

Рисунок 13. Установка приводного вала на опоры балансировочного станка

Рисунок 14. Выравнивание приводного вала по горизонтали на опорах балансировочного станка с помощью пузырькового уровня

Рисунок 15. Крепление промежуточных опор балансировочного станка для предотвращения вертикального смещения приводного вала

Поверните изделие вручную на полный оборот. Убедитесь, что изделие вращается свободно и без заеданий на опорах. После этого механическая часть машины настроена, и установка изделия завершена.

6. Как отбалансировать карданный вал: пошаговая инструкция

Какой комплект мне нужен? Машине с двумя опорами, корректируемой в двух плоскостях (рис. 8), нужен двухканальный Balanset-1A. Машине с четырьмя опорами, корректируемой одновременно в четырёх плоскостях (рис. 9, и процедура ниже), нужен четырёхканальный Balanset-4A. Порядок измерения и расчёта одинаков; отличается только число каналов. Приведённая ниже процедура описана для четырёхплоскостной настройки, при этом скриншоты программы показывают тот же порядок работы на двухплоскостном Balanset-1A — на Balanset-4A те же экраны просто добавляют плоскости 3 и 4.

Процесс балансировки карданного вала на балансировочном станке будет рассмотрен на примере измерительной системы Balanset-4A. Balanset-4A — это портативный балансировочный комплект, предназначенный для балансировки роторов в одной, двух, трёх и четырёх плоскостях коррекции, вращающихся как в собственных подшипниках, так и установленных на балансировочном станке. Устройство включает до четырёх вибродатчиков, датчик фазового угла, четырёхканальный измерительный блок и портативный компьютер.

Весь процесс балансировки, включая измерение, обработку и отображение информации о величине и месте установки корректирующих грузов, выполняется автоматически и не требует от пользователя дополнительных навыков и знаний сверх предоставленной инструкции. Результаты всех операций балансировки сохраняются в Balancing Archive и при необходимости могут быть распечатаны в виде отчётов. Помимо балансировки, Balanset-4A можно использовать как обычный вибротахометр, позволяющий измерять на четырёх каналах среднеквадратичное (RMS) значение полной вибрации, среднеквадратичное значение вращательной составляющей вибрации и контролировать частоту вращения ротора.

Кроме того, устройство позволяет отображать графики временной функции и спектра вибрации по виброскорости, что может быть полезно при оценке технического состояния балансируемого станка.

Рис. 16. Внешний вид прибора Balanset-4A для использования в качестве измерительно-вычислительной системы станка для балансировки карданных валов

Рис. 17. Пример использования прибора Balanset-4A в качестве измерительно-вычислительной системы станка для балансировки карданных валов

Рис. 18. Главное окно программы Balanset: F1 - About, F5 - Vibration Meter, F7 - Balancing, F8 - Charts, F6 - Reports

Прибор Balanset-4A поставляется с датчиками вибрации. Датчики построены на основе акселерометров; программа интегрирует их сигнал и отображает виброскорость в мм/с СКЗ.

Рис. 19. Установка датчиков вибрации Balanset-4A на опорах балансировочного станка

Направление оси чувствительности датчиков должно совпадать с направлением вибрационного перемещения опоры, в данном случае — горизонтальным. Дополнительную информацию об установке датчиков см. БАЛАНСИРОВКА РОТОРОВ В УСЛОВИЯХ ЭКСПЛУАТАЦИИ.

1. Установите датчики вибрации 1, 2, 3, 4 на опоры балансировочного станка.
2. Подключите датчики вибрации к разъемам X1, X2, X3, X4.
3. Установите датчик фазового угла (лазерный тахометр) 5 таким образом, чтобы номинальный зазор между радиальной (или торцевой) поверхностью сбалансированного ротора и корпусом датчика находился в диапазоне от 10 до 300 мм.
4. Прикрепите к поверхности ротора метку из светоотражающей ленты шириной не менее 10-15 мм.
5. Подключите датчик угла сдвига фаз к разъему X5.
6. Подключите измерительный блок к USB-порту компьютера.
7. При использовании сетевого питания подключите компьютер к блоку питания.
8. Подключите блок питания к сети 220 В, 50 Гц.
9. Включите компьютер и запустите программу Balanset.
10. Откройте рабочую область балансировки кнопкой «F7 - Balancing» и задайте необходимое число плоскостей коррекции в поле «Plane count», чтобы вибрация измерялась одновременно датчиками, подключёнными к входам измерительного блока.
11. На экране компьютера появляется мнемоническая схема, иллюстрирующая подключение датчиков и измерительного блока, как показано на Рис. 18.

Перед проведением балансировки рекомендуется выполнить измерения в режиме виброметра (кнопка F5).

Рис. 20. Режим Vibration Meter (F5): суммарная вибрация V1s, V2s и оборотные составляющие V1o, V2o с фазами F1, F2, отображаемые как виброскорость в мм/с СКЗ

Если суммарная величина вибрации V1s (V2s) приблизительно совпадает с величиной вращательной составляющей V1o (V2o), можно предположить, что основной вклад в вибрацию механизма вносит дисбаланс ротора. Если суммарная величина вибрации V1s (V2s) значительно превышает вращательную составляющую V1o (V2o), рекомендуется провести осмотр механизма: проверить состояние подшипников, надежность крепления на фундаменте, отсутствие касания ротором неподвижных частей при вращении, учесть влияние вибраций от других механизмов и т.д.

Здесь может быть полезным изучение графиков временной функции и спектров вибрации в режиме диаграмм («F8 - Charts», вкладка «F5-Spectrum (Hz)»).

Рисунок 21. Графики временной функции и спектра вибрации

На графике показано, на каких частотах уровни вибрации максимальны. Если эти частоты отличаются от частоты вращения ротора балансируемого механизма, необходимо перед балансировкой выявить источники этих составляющих вибрации и принять меры по их устранению.

Чтение спектра карданного вала: 1x — это дисбаланс, 2x может указывать на сам шарнир. Доминирующий пик на частоте вращения (1x) указывает на дисбаланс — именно его устраняет балансировка. Доминирующий пик на удвоенной частоте вращения (2x), особенно в сочетании с сильной осевой вибрацией, указывает на углы карданных шарниров, изношенные крестовины или шлицы, либо перекос: универсальный (карданный) шарнир, работающий под углом γ, заставляет ведомую вилку опережать и отставать дважды за оборот, поэтому он создаёт составляющую 2x даже при идеально сбалансированном вале. Балансировка её не устранит — сначала выровняйте углы шарниров (γ1 = γ2) и проверьте сами шарниры. В режиме графиков («F8 - Charts») вкладка «F5-Spectrum (Hz)» показывает спектр, а вкладка «F3-1x vibration» — вращательную составляющую; при 3000 min^-1 1x = 50 Гц, а 2x = 100 Гц.

Также важно обратить внимание на стабильность показаний в режиме виброметра - амплитуда и фаза колебаний не должны изменяться более чем на 10-15% во время измерения. В противном случае механизм может работать вблизи области резонанса. В этом случае необходимо отрегулировать скорость вращения ротора.

При выполнении четырёхплоскостной балансировки нового ротора требуется пять калибровочных прогонов и минимум один подстроечный прогон (Run T) балансируемой машины. Измерение вибрации при первом пуске машины без пробного груза выполняется как Run 0 в рабочей области балансировки. Последующие прогоны выполняются с пробным грузом, последовательно устанавливаемым на карданном валу в каждой плоскости коррекции (в области каждой опоры балансировочного станка).

Перед каждым последующим запуском необходимо выполнить следующие действия:

• Остановите вращение ротора балансируемой машины.
• Снимите ранее установленный пробный груз.
• Установите пробный груз на следующую плоскость.

Рис. 22. Рабочая область балансировки («F7 - Balancing») во время измерительного пуска: Run 0 - Initial, пробные пуски Run 1 и Run 2 и контрольный пуск Run T

После завершения каждого измерения результаты частоты вращения ротора (N_ob), а также среднеквадратичные значения (V_o1, V_o2, V_o3, V_o4) и фазы (F₁, F₂, F₃, F₄) вибрации на частоте вращения балансируемого ротора сохраняются в соответствующих полях окна программы. После пятого пуска (Weight in Plane 4) появляются результаты балансировки с полярной диаграммой (см. Рис. 23), отображающие расчётные значения масс (M₁, M₂, M₃, M₄) и углы установки (f₁, f₂, f₃, f₄) корректирующих грузов, которые необходимо установить на ротор в четырех плоскостях, чтобы компенсировать его дисбаланс.

Рис. 23. Полярная диаграмма результата балансировки: расчётные корректирующие массы и углы для каждой плоскости, отсчитываемые от положения пробного груза в направлении вращения

Внимание! После завершения процесса измерения при пятом запуске балансируемой машины необходимо остановить вращение ротора и снять ранее установленный пробный груз. Только после этого можно приступать к установке (или снятию) корректирующих грузов на ротор.

Угловое положение установки (или снятия) корректирующего груза на роторе в полярной системе координат отсчитывается от места установки пробного груза. Направление измерения угла совпадает с направлением вращения ротора. При балансировке по лопаткам лопатка балансируемого ротора, условно принимаемая за первую, совпадает с местом установки пробного груза. Направление нумерации лопаток, отображаемое на дисплее компьютера, соответствует направлению вращения ротора.

В этой версии программы по умолчанию предполагается, что корректирующий груз будет добавлен на ротор. Это отмечено флажком в поле «Add mass». Если необходимо скорректировать дисбаланс снятием груза (например, сверлением), установите флажок в поле «Remove mass» с помощью мыши, после чего угловое положение корректирующего груза автоматически изменится на 180 градусов.

После установки корректирующих грузов на балансируемый ротор выполните контрольный пуск (Run T), чтобы проверить эффективность балансировки. После завершения контрольного пуска результаты по частоте вращения ротора (N_ob) и среднеквадратичные значения (V_o1, V_o2, V_o3, V_o4) и фазы (F₁, F₂, F₃, F₄) вибрации на частоте вращения балансируемого ротора сохраняются. Одновременно обновляются результаты балансировки (см. рис. 23), отображающие рассчитанные параметры дополнительных корректирующих грузов, которые необходимо установить (или снять) на роторе для компенсации его остаточного дисбаланса. Кроме того, в этой рабочей области отображаются значения остаточного дисбаланса, достигнутого после балансировки. Если значения остаточной вибрации и/или остаточного дисбаланса балансируемого ротора соответствуют требованиям допуска, указанным в технической документации, процесс балансировки можно завершить. В противном случае процесс балансировки можно продолжить. Этот метод позволяет исправлять возможные ошибки методом последовательных приближений, которые могут возникать при установке (снятии) корректирующего груза на балансируемом роторе.

Если процесс балансировки продолжается, на балансируемый ротор необходимо установить (или снять) дополнительные корректирующие грузы согласно расчётным параметрам, показанным в результатах балансировки.

Коэффициенты балансировки ротора (динамические коэффициенты влияния), рассчитанные по результатам пяти калибровочных пусков, сохраняются в памяти компьютера и могут быть повторно использованы с помощью функции «Load Coefficients» при балансировке роторов того же типа.

7. Рекомендуемые классы точности балансировки для жестких роторов

Приведённые ниже классы — это классы точности балансировки G по ISO 1940-1, заменённому без изменения значений на ISO 21940-11:2016. Класс определяется как G = e_за·Ω, где e_за это допустимый удельный остаточный дисбаланс (г·мм/кг = µm), а Ω = 2πn/60 — рабочая угловая скорость (рад/с). Допустимый остаточный дисбаланс отсюда получается как U_за = 9549·G·M/n [g·mm], распределённых между плоскостями коррекции. См. наш ISO 1940-1 запись глоссария.

Стандартный класс точности для карданного вала автомобиля — G 40; G 16 применяется, если чертёж или спецификация OEM предусматривает особые требования. Обратите внимание: остаточный дисбаланс и вибрация — это отдельные критерии приёмки: вибрация собранной машины оценивается по ISO 20816 (ранее ISO 10816) — см. наш ISO 10816-1 запись глоссария.

Таблица классов G применима только к жёстким роторам — роторам, рабочая скорость которых остаётся ниже примерно 0,5…0,7 первой изгибной критической скорости. Длинные карданные валы (от 2 м и выше, а также любой вал с промежуточной опорой) могут приближаться к этому пределу: сверьте первую критическую скорость вала как с рабочей скоростью, так и со скоростью балансировки. Если на рабочей скорости вал ведёт себя как гибкий, используйте модальную/многоскоростную процедуру (ISO 21940-12) — двухплоскостная коррекция для жёсткого ротора не даст стабильного результата.

Таблица 2. Рекомендуемые классы точности балансировки для жестких роторов.

Типы машин (роторы)	Класс точности балансировки	Класс точности балансировки G = eза·Ω, мм/с
Приводные коленчатые валы (конструктивно неуравновешенные) для больших низкооборотных судовых дизельных двигателей (скорость поршня менее 9 м/с)	G 4000	4000
Приводные коленчатые валы (конструктивно сбалансированные) для больших низкооборотных судовых дизельных двигателей (скорость поршня менее 9 м/с)	G 1600	1600
Приводные коленчатые валы (конструктивно несбалансированные) на виброизоляторах	G 630	630
Приводные коленчатые валы (конструктивно несбалансированные) на жестких опорах	G 250	250
Поршневые двигатели в сборе для легковых автомобилей, грузовиков и локомотивов	G 100	100
Приводные коленчатые валы (конструктивно сбалансированные) на виброизоляторах	G 40	40
Автомобильные колёса, диски колёс, колёсные пары, карданные валы	G 40	40
Сельскохозяйственные машины	G 16	16
Приводные коленчатые валы (сбалансированные) на жестких опорах	G 16	16
Дробилки	G 16	16
Карданные валы (пропеллерные/карданные валы) с особыми требованиями	G 16	16
Авиационные газовые турбины	G 6.3	6.3
Центрифуги (сепараторы, отстойники)	G 6.3	6.3
Электродвигатели и генераторы (с высотой вала не менее 80 мм) с максимальной номинальной скоростью вращения до 950 мин.-1	G 6.3	6.3
Электродвигатели с высотой вала менее 80 мм	G 6.3	6.3
Вентиляторы	G 6.3	6.3
Шестеренчатые приводы	G 6.3	6.3
Машины общего назначения	G 6.3	6.3
Металлорежущие станки	G 6.3	6.3
Бумагоделательные машины	G 6.3	6.3
Насосы	G 6.3	6.3
Турбокомпрессоры	G 6.3	6.3
Водяные турбины	G 6.3	6.3
Компрессоры	G 6.3	6.3
Приводы с компьютерным управлением	G 2.5	2.5
Электродвигатели и генераторы (с высотой вала не менее 80 мм) с максимальной номинальной скоростью вращения более 950 мин.-1	G 2.5	2.5
Газовые и паровые турбины	G 2.5	2.5
Приводы металлорежущих станков	G 2.5	2.5
Текстильное оборудование	G 2.5	2.5
Приводы аудио- и видеотехники	G 1	1
Приводы шлифовальных станков	G 1	1
Шпиндели и приводы высокоточного оборудования	G 0.4	0.4

Часто задаваемые вопросы о балансировке приводного вала

Что такое балансировка приводного вала?

Балансировка карданного вала — это процесс устранения любого дисбаланса масс карданного вала для обеспечения его плавного вращения без вибраций. Это включает в себя измерение того, на какой стороне вал тяжелее, и последующее добавление или снятие небольшого количества груза (например, приваривание балансировочных грузиков) для компенсации этого дисбаланса. Сбалансированный карданный вал вращается равномерно, что предотвращает чрезмерную вибрацию и износ компонентов автомобиля.

Почему так важна балансировка приводного вала?

Несбалансированный приводной вал может привести к сильным вибрациям, особенно на определённых скоростях, и стучащим звукам при разгоне или переключении передач. Со временем эти вибрации могут привести к повреждению подшипников, карданных шарниров и других компонентов трансмиссии. Балансировка приводного вала устраняет эти вибрации, обеспечивая более плавный ход, снижая нагрузку на детали и предотвращая дорогостоящие поломки и простои.

Каковы общие признаки разбалансированного приводного вала?

Типичные признаки разбалансировки или неисправности карданного вала включают ощутимую вибрацию или дребезжание в полу или сиденье автомобиля, особенно при увеличении скорости. Также могут быть слышны стук или дребезжание при переключении передач или при разгоне/торможении. В некоторых случаях карданный шарнир может перегреваться из-за разбалансировки. Если вы заметили эти признаки, вероятно, карданному валу требуется балансировка или ремонт.

Как сбалансировать приводной вал?

Балансировка карданного вала обычно выполняется на специализированном балансировочном станке. Карданный вал устанавливается и раскручивается на высокой скорости, пока датчики фиксируют дисбаланс. Затем техник крепит небольшие грузы к валу (или снимает материал) в определённых позициях на основе показаний станка. Этот процесс повторяется до тех пор, пока карданный вал не начнёт вращаться без значимой вибрации. Современные системы, такие как Balanset-4A, могут направлять этот процесс и точно рассчитывать, где и сколько груза добавить для точной балансировки.

Заключение

В заключение следует отметить, что правильная балансировка приводного вала имеет решающее значение для безопасности, производительности и экономии средств. Выявляя и устраняя дисбаланс, вы предотвращаете лишний износ деталей, избегаете разрушительных поломок и поддерживаете оптимальную работу машины. Современные системы балансировки, такие как наши приборы Balanset-1A и Balanset-4A, делают этот процесс эффективным, помогая даже небольшим мастерским добиваться профессиональных результатов.

Если вы столкнулись с постоянной вибрацией карданного вала или вам требуется надёжное решение для балансировки, не медлите. Воспользуйтесь инструкциями в этом руководстве или обратитесь за помощью к нашим специалистам. Правильный подход и оборудование обеспечат вам бесперебойную и надёжную работу карданного вала на долгие годы. Свяжитесь с нами чтобы узнать больше или изучить лучшее оборудование для балансировки приводных валов, отвечающее вашим потребностям.