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
• Неисправности карданной передачи
• 3. Балансировка карданного вала
• 4. Современные балансировочные станки для карданных валов
• 5. Подготовка к балансировке карданного вала
• 6. Процедура балансировки карданного 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.

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.

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.

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.

Рисунок 2. Схема жесткого универсального шарнира с неравномерной скоростью вращения

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.

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

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.

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.

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.

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.

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.

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

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.

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

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. 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. 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.

Перед проведением балансировки рекомендуется выполнить измерения в режиме виброметра (кнопка 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

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.

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

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.

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 перекос: 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.

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.

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).

Перед каждым последующим запуском необходимо выполнить следующие действия:

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

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

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) 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) и углы установки (f₁, f₂, f₃, f₄) корректирующих грузов, которые необходимо установить на ротор в четырех плоскостях, чтобы компенсировать его дисбаланс.

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

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.

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) и среднеквадратичные значения (V_o1, V_o2, V_o3, V_o4) и фазы (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. Рекомендуемые классы точности балансировки для жестких роторов

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_за·Ω, where e_за 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_за = 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.

Таблица 2. Рекомендуемые классы точности балансировки для жестких роторов.

Типы машин (роторы)	Класс точности балансировки	Balance quality grade G = eза·Ω, mm/s
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
Car wheels, wheel rims, wheel sets, drive shafts (cardan shafts)	G 40	40
Сельскохозяйственные машины	G 16	16
Приводные коленчатые валы (сбалансированные) на жестких опорах	G 16	16
Дробилки	G 16	16
Drive shafts (propeller / cardan shafts) with special requirements	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?

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.

Заключение

В заключение следует отметить, что правильная балансировка приводного вала имеет решающее значение для безопасности, производительности и экономии средств. 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.

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.