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.

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
• 2. Неисправности привода универсального шарнира
• 3. Балансировка карданного вала
• 4. Современные балансировочные станки для карданных валов
• 5. Подготовка к балансировке приводного вала
• 6. Процедура балансировки приводного вала
• 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 может быть частично компенсирован за счет использования двойных карданных шарниров на одном валу, которые поворачиваются на четверть оборота относительно друг друга. 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, закрепленной на поперечине рамы транспортного средства. Карданные шарниры обеспечивают передачу крутящего момента между валами, оси которых пересекаются под углом. Карданные шарниры делятся на неравномерные и равных угловых скоростей. Шарниры равных угловых скоростей делятся на упругие и жесткие. Шарниры равных угловых скоростей могут быть шариковыми с делительными канавками, шариковыми с делительным рычагом и кулачковыми. Они обычно устанавливаются в приводе ведущих управляемых колес, 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 счет упругой деформации соединительных элементов. Жесткий неравномерный шарнир передаёт крутящий момент с одного вала на другой посредством подвижного соединения жестких деталей. Он состоит из двух вилок – 3 и 5, в цилиндрические отверстия которых на подшипниках установлены концы A, B, V и G соединительного элемента – крестовины 4. Вилки жестко соединены с валами 1 и 2. Вилка 5 может вращаться вокруг оси BG крестовины и одновременно вместе с крестовиной вращаться вокруг оси AV, обеспечивая передачу вращения с одного вала на другой с изменяющимся углом между ними.

Рисунок 2. Схема жесткого универсального шарнира с неравномерной скоростью вращения

Если вал 7 поворачивается вокруг своей оси на угол α, то вал 2 за тот же период повернется на угол β. Связь между углами поворота валов 7 и 2 определяется выражением tanα = tanβ * cosγ, где γ – угол между осями валов. Это выражение показывает, что угол β иногда меньше, равен или больше угла α. Равенство этих углов достигается через каждые 90° поворота вала 7. Следовательно, при равномерном вращении вала 1 угловая скорость вала 2 неравномерна и изменяется по синусоидальному закону. Неравномерность вращения вала 2 становится тем более существенной, чем больше угол 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°, так как при больших углах КПД существенно снижается. При изменении угла между осями валов в пределах 0...21Т3Т происходит деформация цапф крестовины 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.

Универсальный шарнир с игольчатыми подшипниками (рис. 4a) состоит из вилки, крестовины, игольчатых подшипников и уплотнений. Чашки с игольчатыми подшипниками устанавливаются на цапфы крестовины и закрываются уплотнениями. Чашки фиксируются в вилке с помощью стопорных колец или крышек, закрепленных винтами. Смазка универсальных шарниров осуществляется через шприц для смазки через внутренние отверстия в крестовине. Для устранения избыточного давления масла в шарнире используется предохранительный клапан. При равномерном вращении ведущего коромысла ведомое коромысло вращается неравномерно: за один оборот оно дважды опережает и отстает от ведущего коромысла. Для устранения неравномерного вращения и снижения инерционных нагрузок используются два универсальных 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 - универсальный шарнир с постоянной скоростью: 1 - внутренний вал; 2 - ведущий вилок; 3, 4 - шпильки; 5 - ведомый вилок; 6 - внешний вал; 7 - шарики; 8 - центральный шарик

2. Неисправности привода универсального шарнира

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 каждого конца запрессованы и приварены дуговой сваркой два одинаковых ярма (9). Корпуса игольчатых подшипников (18) крестовины (25) запрессованы в проушины ярм (9) и закреплены пружинными стопорными кольцами (20). Каждый подшипник карданного шарнира содержит 22 игольчатых подшипника (21). На выступающие цапфы крестовин запрессованы штампованные крышки (24), в которые установлены пробковые кольца (23). Смазка подшипников осуществляется угловой пресс-масленкой (17), ввинченной в резьбовое отверстие в центре крестовины и соединенной 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. Сборка приводного вала: 1 - удлинитель коробки передач; 2 - вторичный вал коробки передач; 3 и 5 - грязеотбойники; 4 - резиновые уплотнения; 6 - скользящая вилка; 7 - балансировочная пластина; 8 - труба приводного вала; 9 - вилка; 10 - фланец вилки; 11 - болт; 12 - фланец шестерни привода заднего моста; 13 - пружинная шайба; 14 - гайка; 15 - задний мост; 16 - предохранительный клапан; 17 - угловой штуцер для смазки; 18 - игольчатый подшипник; 19 - проушина коромысла; 20 - пружинное стопорное кольцо; 21 - игла; 22 - шайба с тороидальным концом; 23 - пробковое кольцо; 24 - штампованная пробка; 25 - крест

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 удлинительных втулок и скользящего коромысла	3. Установите на место удлинитель и скользящее ярмо и динамически сбалансируйте собранный вал
Стук при старте и движении по трассе
1. Износ шлицов скользящей вилки или вторичного вала коробки передач	1. Замените изношенные детали. При замене скользящего винта динамически сбалансируйте собранный вал
2. Ослабьте 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.

При динамической балансировке сборка карданного вала с подвижным коромыслом устанавливается и закрепляется на станке. Один конец карданного вала соединяется фланцем-коромыслом с фланцем передней бабки, а другой – опорной шейкой подвижного коромысла – со шлицевой втулкой задней бабки. Затем проверяется лёгкость вращения карданного вала, и один конец маятниковой рамы станка фиксируется фиксатором. После запуска станка лимб выпрямителя вращают против часовой стрелки, доводя стрелку милливольтметра до максимального показания. Показание милливольтметра соответствует величине дисбаланса. Шкала милливольтметра градуирована в грамм-сантиметрах или граммах противовеса. Продолжая вращать лимб выпрямителя против часовой стрелки, сводят показание милливольтметра к нулю и останавливают станок. По показанию лимба выпрямителя определяют угловое смещение (угол смещения дисбаланса) и, вращая вручную карданный вал, устанавливают это значение на лимбе промежуточного вала. Место сварки балансировочной пластины должно находиться сверху карданного вала, а утяжеляющая часть – снизу в плоскости коррекции. Затем устанавливают балансировочную пластину и привязывают её тонкой проволокой на расстоянии 10 мм от сварного шва, запускают машину и проверяют балансировку конца карданного вала с пластиной. Дисбаланс должен быть не более 70 г·см. Затем, отпустив один конец и закрепив другой конец маятниковой рамки фиксатором, производят динамическую балансировку другого конца карданного вала в технологической последовательности, 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 (трехопорные) — в сборе с промежуточной опорой; фланцы (коромысла) 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 трехшарнирных 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.

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 701ТП3Т 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) н_r,

где n_b – частота вращения балансировочного станка (должна соответствовать основным техническим данным стенда, n=3000 мин^-1; n_r – максимальная рабочая частота вращения, мин^-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.

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

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 - балансировочный элемент (карданный вал); 2 - основание станка; 3 - опоры станка; 4 - привод станка; Конструктивные элементы опор станка показаны на рисунке 9.

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 приводного 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 он вращается свободно и без заеданий на опорах. После этого механическая часть машины настроена, и установка изделия завершена.

6. Процедура балансировки приводного вала

Процесс балансировки карданного вала на балансировочном станке будет рассмотрен на примере измерительной системы Balanset-4. Balanset-4 - это портативный балансировочный комплект, предназначенный для балансировки в одной, двух, трех и четырех плоскостях коррекции роторов, вращающихся в собственных подшипниках или установленных на балансировочном станке. Прибор включает в себя до четырех датчиков вибрации, датчик фазового угла, четырехканальный измерительный блок и портативный компьютер.

Весь процесс балансировки, включая измерение, обработку и отображение информации о величине и расположении корректирующих грузов, выполняется автоматически и не требует от пользователя дополнительных навыков и знаний, помимо предоставленных инструкций. Результаты всех операций балансировки сохраняются в архиве балансировки и при необходимости могут быть распечатаны в виде отчетов. Помимо балансировки, Balanset-4 может использоваться как обычный вибротахометр, позволяя измерять по четырем каналам среднеквадратичное значение общей вибрации, среднеквадратичное значение вращательной составляющей вибрации, а также 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.

Рисунок 16. Внешний вид устройства Balanset-4 для использования в качестве измерительной и вычислительной системы балансировочного станка приводного вала

Рисунок 17. Пример использования прибора Balanset-4 в качестве измерительной и вычислительной системы балансировочного станка приводного вала

Рисунок 18. Пользовательский интерфейс устройства Balanset-4

Прибор «Балансет-4» может быть оснащён двумя типами датчиков – виброакселерометрами для измерения вибрации (виброускорения) и датчиками силы. Датчики вибрации применяются для работы на балансировочных станках послерезонансного типа, а датчики силы – на балансировочных станках дорезонансного типа.

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

Направление оси чувствительности датчиков должно совпадать с направлением виброперемещения опоры, в данном случае – горизонтальным. Дополнительную информацию об установке датчиков см. в разделе «БАЛАНСИРОВКА РОТОРОВ В УСЛОВИЯХ ЭКСПЛУАТАЦИИ». Установка датчиков силы зависит от конструктивных особенностей машины.

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 выберите программу "БалКом-4".
10. Нажмите кнопку "F12-four-plane" (или функциональную клавишу F12 на клавиатуре компьютера) для выбора режима измерения вибрации одновременно в четырех плоскостях с помощью датчиков вибрации 1, 2, 3, 4, подключенных соответственно к входам X1, X2, X3 и X4 измерительного блока.
11. Мнемосхема, иллюстрирующая процесс измерения вибрации одновременно по четырем измерительным каналам (или процесс балансировки в четырех плоскостях), появляется на дисплее компьютера, как показано на рис. 16.

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

Рисунок 20. Измерения в режиме виброметра

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.

Полезным здесь может оказаться изучение графиков временных функций и спектров колебаний, полученных в режиме «Графики-Спектральный анализ».

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.

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 проведении четырёхплоскостной балансировки в режиме «Основной» требуется пять калибровочных и не менее одного проверочного пробега балансируемого станка. Измерение вибрации при первом пробеге станка без пробного груза производится в рабочей области «Четырёхплоскостная балансировка». Последующие пробеги выполняются с пробным грузом, последовательно устанавливаемым на приводной вал в каждой плоскости коррекции (в зоне опоры каждого балансировочного станка).

Перед каждым последующим запуском необходимо выполнить следующие действия:

• Остановить вращение ротора сбалансированной машины.
• Снимите ранее установленный пробный груз.
• Установите пробный груз на следующий самолет.

Рисунок 23. Рабочая область балансировки в четырех плоскостях

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 запуска (Груз в плоскости 4) появляется рабочая область «Балансировочные грузы» (см. рисунок 24), отображающая рассчитанные 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.

Рисунок 24. Рабочая область с рассчитанными параметрами корректирующих грузов в четырех плоскостях

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 данной версии программы по умолчанию предполагается добавление корректирующего груза к ротору. Об этом свидетельствует установленная метка в поле «Добавить». При необходимости устранения дисбаланса путём удаления груза (например, сверлением) установите метку в поле «Удалить» с помощью мыши, после чего угловое положение корректирующего груза автоматически изменится на 180 градусов.

После установки корректирующих грузов на балансируемый ротор нажмите кнопку «Выход – F10» (или функциональную клавишу F10 на клавиатуре компьютера) для возврата в предыдущее рабочее пространство «Четырехплоскостная балансировка» и проверьте эффективность балансировки. После завершения проверочного цикла результаты измерения частоты 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. Одновременно над рабочей областью «Балансировка в четырёх плоскостях» появляется рабочая область «Балансировочные грузы» (см. рисунок 21), в которой отображаются расчётные 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, достигнутые после балансировки. Если значения остаточной вибрации и/или остаточного дисбаланса балансируемого ротора соответствуют допускам, указанным в технической документации, балансировка может быть завершена. В противном случае балансировка может быть продолжена. Данный метод позволяет корректировать возможные ошибки путём последовательных приближений, возникающие при установке (снятии) корректирующего груза на балансируемом роторе.

При продолжении процесса балансировки на балансируемый ротор необходимо установить (или снять) дополнительные корректирующие грузы в соответствии с параметрами, указанными в рабочей области «Балансировочные грузы».

Кнопка «Коэффициенты – F8» (или функциональная клавиша F8 на клавиатуре компьютера) предназначена для просмотра и сохранения в памяти компьютера коэффициентов балансировки ротора (коэффициентов динамического влияния), рассчитанных по результатам пяти калибровочных циклов.

7. Рекомендуемые классы точности балансировки для жестких роторов

Таблица 2. Рекомендуемые классы точности балансировки для жестких роторов.

Рекомендуемые классы точности балансировки для жестких роторов

Типы машин (роторы)	Класс точности балансировки	Значение eper 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
Рециркуляционные двигатели для легковых автомобилей, грузовиков и локомотивов	G 100	100
Автомобильные запчасти: колеса, колесные диски, колесные пары, трансмиссии
Приводные коленчатые валы (конструктивно сбалансированные) на виброизоляторах	G 40	40
Сельскохозяйственные машины	G 16	16
Приводные коленчатые валы (сбалансированные) на жестких опорах
Дробилки
Приводные валы (карданные валы, винтовые валы)
Авиационные газовые турбины	G 6.3	6.3
Центрифуги (сепараторы, отстойники)
Электродвигатели и генераторы (с высотой вала не менее 80 мм) с максимальной номинальной скоростью вращения до 950 мин.-1
Электродвигатели с высотой вала менее 80 мм
Вентиляторы
Шестеренчатые приводы
Машины общего назначения
Металлорежущие станки
Бумагоделательные машины
Насосы
Турбокомпрессоры
Водяные турбины
Компрессоры
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
Газовые и паровые турбины
Приводы металлорежущих станков
Текстильное оборудование
Приводы аудио- и видеотехники	G 1	1
Приводы шлифовальных станков
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 приводного вала обычно выполняется на специализированном балансировочном станке. Приводной вал устанавливается и вращается с высокой скоростью, в то время как датчики выявляют любой дисбаланс. Затем специалист крепит к приводному валу небольшие грузики (или удаляет материал) в определённых местах, основываясь на показаниях станка. Этот процесс повторяется до тех пор, пока приводной вал не начнёт вращаться без значительной вибрации. Современные системы, такие как Balanset-4, могут контролировать этот процесс и точно рассчитывать, где и сколько грузиков необходимо 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 ненужный износ деталей, предотвращаете серьёзные поломки и поддерживаете оптимальную производительность оборудования. Современные системы балансировки, такие как наши устройства Balanset-1 и Balanset-4, повышают эффективность процесса, 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.