Vyvažovanie hnacieho hriadeľa: Komplexný sprievodca

Predstavte si, že šoférujete nákladné auto a zrazu pocítite drsné vibrácie alebo počujete hlasné klepotanie pri zrýchľovaní alebo zmene prevodových stupňov. To nie je len nepríjemnosť – môže to byť znakom nevyváženého hnacieho hriadeľa. Pre inžinierov a technikov takéto vibrácie a zvuky naznačujú stratu účinnosti, zrýchlené opotrebovanie komponentov a potenciálne nákladné prestoje, ak sa neriešia.

V tejto komplexnej príručke poskytujeme praktické riešenia problémov s vyvážením hnacieho hriadeľa. Dozviete sa, čo je hnací hriadeľ a prečo ho treba vyvažovať, rozpoznáte bežné poruchy, ktoré spôsobujú vibrácie alebo hluk, a budete postupovať podľa jasného a podrobného postupu dynamického vyváženia hnacieho hriadeľa. Uplatňovaním týchto osvedčených postupov môžete ušetriť peniaze na opravách, skrátiť čas riešenia problémov a zabezpečiť spoľahlivý chod vášho stroja alebo vozidla s minimálnymi vibráciami.

Obsah

• 1. Typy hnacích hriadeľov
• 2. Poruchy pohonu univerzálneho kĺbu
• 3. Vyvažovanie hnacieho hriadeľa
• 4. Moderné vyvažovacie stroje pre hnacie hriadele
• 5. Príprava na vyvažovanie hnacieho hriadeľa
• 6. Postup vyvažovania hnacieho hriadeľa
• 7. Odporúčané triedy presnosti vyvažovania pre tuhé rotory

1. Typy hnacích hriadeľov

Pohon univerzálneho kĺbu (hnací hriadeľ) je mechanizmus, ktorý prenáša krútiaci moment medzi hriadeľmi, ktoré sa pretínajú v strede univerzálneho kĺbu a môžu sa voči sebe pohybovať pod uhlom. Vo vozidle prenáša hnací hriadeľ krútiaci moment z prevodovky (alebo prevodovej skrine) na hnané nápravy v prípade klasickej konfigurácie alebo konfigurácie s pohonom všetkých kolies. V prípade vozidiel s pohonom všetkých kolies univerzálny kĺb zvyčajne spája hnací hriadeľ prevodovky s hnacím hriadeľom prevodovej skrine a hnacie hriadele prevodovej skrine s hnacími hriadeľmi hlavných pohonov hnaných náprav.

Jednotky namontované na ráme (ako napríklad prevodovka a rozdeľovacia prevodovka) sa môžu voči sebe pohybovať v dôsledku deformácie svojich podpier a samotného rámu. Hnacie nápravy sú pripevnené k rámu prostredníctvom zavesenia kolies a môžu sa pohybovať voči rámu a jednotkám namontovaným na ňom v dôsledku deformácie elastických prvkov zavesenia kolies. Tento pohyb môže zmeniť nielen uhly hnacích hriadeľov spájajúcich jednotky, ale aj vzdialenosť medzi jednotkami.

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.

Univerzálne kĺbové pohony môžu pozostávať z jedného alebo viacerých univerzálnych kĺbov spojených hnacími hriadeľmi a medziľahlými podperami.

Obrázok 1. Schéma pohonu univerzálneho kĺbu: 1, 4, 6 - hnacie hriadele; 2, 5 - univerzálne kĺby; 3 - kompenzačné spojenie; u1, u2 - uhly medzi hriadeľmi

Vo všeobecnosti sa pohon univerzálnym kĺbom skladá z univerzálnych kĺbov 2 a 5, hnacích hriadeľov 1, 4 a 6 a kompenzačného spojenia 3. Niekedy je hnací hriadeľ namontovaný na medziľahlej podpere pripevnenej k priečke rámu vozidla. Univerzálne kĺby zabezpečujú prenos krútiaceho momentu medzi hriadeľmi, ktorých osi sa pretínajú pod uhlom. Univerzálne kĺby sa delia na kĺby s nerovnomernou rýchlosťou a kĺby s konštantnou rýchlosťou. Kĺby s nerovnomernou rýchlosťou sa ďalej delia na elastické a tuhé typy. Kĺby s konštantnou rýchlosťou môžu byť guľové s deliacimi drážkami, guľové s deliacou pákou a vačkové. Zvyčajne sa inštalujú do pohonu predných riadených kolies, kde uhol medzi hriadeľmi môže dosiahnuť 45° a stred univerzálneho kĺbu sa musí zhodovať s priesečníkom osí otáčania kolesa a jeho osi otáčania.

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.

Obrázok 2. Schéma tuhého univerzálneho kĺbu s nerovnomernou rýchlosťou

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.

Ak sa nerovnomerné otáčanie hriadeľa 2 prenáša na hriadele jednotiek, v prevode sa objavia ďalšie pulzujúce zaťaženia, ktoré sa zväčšujú s uhlom γ. Aby sa zabránilo prenosu nerovnomerného otáčania hriadeľa 2 na hriadele jednotiek, v pohone s univerzálnym kĺbom sa používajú dva univerzálne kĺby. Sú nainštalované tak, aby uhly γ1 a γ2 boli rovnaké; vidlice univerzálnych kĺbov, upevnené na nerovnomerne sa otáčajúcom hriadeli 4, by mali byť umiestnené v rovnakej rovine.

Hnací hriadeľ je vyrobený z tenkostennej elektricky zváranej rúrky (8), do ktorej sú na oboch koncoch nalisované dve identické jarmá (9) a následne zvarené oblúkovým zváraním. Puzdrá ihličkových ložísk (18) kríža (25) sú nalisované do očiek jarm (9) a sú zaistené pružnými poistnými krúžkami (20). Každé ložisko univerzálneho kĺbu obsahuje 22 ihiel (21). Na vyčnievajúce čapy krížov sú nalisované lisované krytky (24), do ktorých sú nainštalované korkové krúžky (23). Ložiská sa mažú pomocou uhlovej mazačky (17) zaskrutkovanej do závitového otvoru v strede kríža, ktorý je pripojený k priechodným kanálom v čapoch kríža. Na opačnej strane kríža univerzálneho kĺbu je v jeho strede umiestnený poistný ventil (16), ktorý je určený na uvoľnenie prebytočného maziva pri plnení kríža a ložísk a na zabránenie hromadeniu tlaku vo vnútri kríža počas prevádzky (ventil sa aktivuje pri tlaku približne 3,5 kg/cm²). Nutnosť začlenenia poistného ventilu je spôsobená tým, že nadmerný nárast tlaku vo vnútri kríža môže viesť k poškodeniu (vytlačeniu) korkových tesnení.

Obrázok 3. Detaily tuhého univerzálneho kĺbu s nerovnomernou rýchlosťou

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.

V prevodovkách vysokorýchlostných pásových vozidiel sa často používajú univerzálne kĺby s ozubenými spojkami, ktoré umožňujú prenos krútiaceho momentu medzi hriadeľmi s osami pretínajúcimi sa v uhloch až 1,5...2°.

Hnacie hriadele sa zvyčajne vyrábajú z rúrok, pričom sa používajú špeciálne oceľové bezšvíkové alebo zvárané rúrky. K rúrkam sú privarené jarmá univerzálnych kĺbov, drážkované objímky alebo hroty. Na zníženie priečnych zaťažení pôsobiacich na hnací hriadeľ sa dynamické vyvažovanie vykonáva so zmontovanými univerzálnymi kĺbmi. Nevyváženosť sa koriguje privarením vyvažovacích dosiek k hnaciemu hriadeľu alebo niekedy inštaláciou vyvažovacích dosiek pod ložiskové kryty univerzálnych kĺbov. Vzájomná poloha dielov drážkového spoja po montáži a vyvažovaní hnacieho kĺbu vo výrobnom závode je zvyčajne označená špeciálnymi štítkami.

Kompenzačné spojenie pohonu univerzálneho kĺbu je zvyčajne vo forme drážkového spojenia, ktoré umožňuje axiálny pohyb častí pohonu univerzálneho kĺbu. Pozostáva z drážkovaného hrotu, ktorý zapadá do drážkovaného puzdra pohonu univerzálneho kĺbu. Mazivo sa do drážkovaného spoja zavádza cez maznicu alebo sa aplikuje počas montáže a vymieňa sa po dlhšom používaní vozidla. Na zabránenie úniku a znečisteniu maziva sa zvyčajne inštaluje tesnenie a kryt.

Pri dlhých hnacích hriadeľoch sa v univerzálnych kĺbových prevodoch zvyčajne používajú medzipodpery. Medzipodpera zvyčajne pozostáva z konzoly priskrutkovanej k priečke rámu vozidla, v ktorej je guľôčkové ložisko uložené v gumovom pružnom krúžku. Ložisko je na oboch stranách utesnené krytkami a má mazacie zariadenie. Pružný gumový krúžok pomáha kompenzovať nepresnosti montáže a nesúosovosť ložiska, ktoré môžu vzniknúť v dôsledku deformácií rámu.

Univerzálny kĺb s ihlovými ložiskami (obrázok 4a) sa skladá z jarm, kríža, ihlových ložísk a tesnení. Poháriky s ihličkovými ložiskami sa nasadia na čapy kríža a utesnia sa tesneniami. Poháriky sú v jarmoch zaistené poistnými krúžkami alebo krytkami upevnenými skrutkami. Univerzálne kĺby sa mažú prostredníctvom mazacej armatúry cez vnútorné otvory v kríži. Na odstránenie nadmerného tlaku oleja v kĺbe sa používa poistný ventil. Počas rovnomerného otáčania hnacieho jarma sa hnaného jarmo otáča nerovnomerne: dvakrát za otáčku postupuje a dvakrát zaostáva za hnacím jarmom. Na odstránenie nerovnomerného otáčania a zníženie zotrvačného zaťaženia sa používajú dva univerzálne kĺby.

V pohone predných hnacích kolies sú nainštalované univerzálne kĺby s konštantnou rýchlosťou. Pohon kĺbov s konštantnou rýchlosťou vozidiel GAZ-66 a ZIL-131 pozostáva z jarm 2, 5 (obrázok 4b), štyroch guličiek 7 a centrálnej guličky 8. Hnací jarmo 2 je neoddeliteľne spojené s vnútorným hriadeľom nápravy, zatiaľ čo hnaté jarmo je kované spolu s vonkajším hriadeľom nápravy, na konci ktorého je upevnený náboj kolesa. Hnací moment z jarma 2 na jarmo 5 sa prenáša prostredníctvom guličiek 7, ktoré sa pohybujú po kruhových drážkach v jarmach. Centrálna guľôčka 8 slúži na vystredenie jarm a je držaná na mieste čapmi 3, 4. Frekvencia otáčania jarm 2, 5 je vďaka symetrii mechanizmu voči jarmám rovnaká. Zmena dĺžky hriadeľa je zabezpečená voľnými drážkovými spojmi jarm s hriadeľom.

Obrázok 4. Univerzálne kĺby: a - univerzálny kĺb: 1 - viečko; 2 - pohár; 3 - ihlové ložisko; 4 - tesnenie; 5, 9 - jarmo; 6 - poistný ventil; 7 - kríž; 8 - mazacia armatúra; 10 - skrutka; b - univerzálny kĺb s konštantnou rýchlosťou: 1 - vnútorný hriadeľ nápravy; 2 - hnacie jarmo; 3, 4 - čapy; 5 - hnané jarmo; 6 - vonkajší hriadeľ nápravy; 7 - guľôčky; 8 - centrálna guľa

2. Poruchy pohonu univerzálneho kĺbu

Poruchy pohonu univerzálneho kĺbu sa zvyčajne prejavujú ako ostré nárazy v univerzálnych kĺboch, ktoré sa objavujú počas jazdy vozidla, najmä pri radení medzi prevodovými stupňami a náhlom zvýšení otáčok kľukového hriadeľa motora (napríklad pri prechode z brzdenia motorom na zrýchľovanie). Príznakom poruchy univerzálneho kĺbu môže byť jeho zahriatie na vysokú teplotu (nad 100 °C). K tomu dochádza v dôsledku výrazného opotrebovania puzdier a kužeľov univerzálneho kĺbu, ihlových ložísk, krížov a drážkových spojov, čo má za následok nesprávne nastavenie univerzálneho kĺbu a výrazné nárazové axiálne zaťaženie ihlových ložísk. Poškodenie korkových tesnení kríža univerzálneho kĺbu vedie k rýchlemu opotrebovaniu chobota a jeho ložiska.

Počas údržby sa univerzálny kĺbový pohon kontroluje prudkým ručným otáčaním hnacieho hriadeľa v oboch smeroch. Stupeň voľného otáčania hriadeľa určuje opotrebovanie univerzálnych kĺbov a drážkových spojov. Každých 8 až 10 tisíc kilometrov sa skontroluje stav skrutkových spojov prírub hnacieho hriadeľa prevodovky a hnacieho hriadeľa hlavného prevodového ústrojenstva s prírubami koncových univerzálnych kĺbov a upevnenie medzipodpery hnacieho hriadeľa. Skontroluje sa aj stav gumových topánok na drážkových spojoch a korkových tesnení krížového univerzálneho kĺbu. Všetky upevňovacie skrutky musia byť úplne dotiahnuté (uťahovací moment 8–10 kgf·m).

Ihlové ložiská univerzálnych kĺbov sa mažú tekutým olejom používaným v prevodovkách; drážkové spoje vo väčšine vozidiel sa mažú plastickým mazivom (US-1, US-2, 1-13 atď.); používanie plastického maziva na mazanie ihlových ložísk je prísne zakázané. V niektorých vozidlách sa drážkové spoje mažú prevodovým olejom. Medzipodperné ložisko, uložené v gumovom puzdre, prakticky nevyžaduje mazanie, pretože sa maže počas montáže vo výrobe. Nosné ložisko vozidla ZIL-130 sa počas pravidelnej údržby (každých 1100 - 1700 km) maže tukom cez tlakovú armatúru.

Obrázok 5. Univerzálny kĺbový pohon: 1 - príruba na upevnenie hnacieho hriadeľa; 2 - kríž univerzálneho kĺbu; 3 - jarmo univerzálneho kĺbu; 4 - posuvné jarmo; 5 - rúrka hnacieho hriadeľa; 6 - ihlové valčekové ložisko s uzavretým koncom

Univerzálny kĺbový pohon pozostáva z dvoch univerzálnych kĺbov s ihlovými ložiskami, ktoré sú spojené dutým hriadeľom, a z posuvného jarma s evolventným drážkovaním. Na zabezpečenie spoľahlivej ochrany pred znečistením a dobrého mazania drážkovaného spoja je klzné jarmo (6), pripojené k sekundárnemu hriadeľu (2) prevodovky, umiestnené v nadstavci (1) pripevnenom ku skrini prevodovky. Okrem toho toto umiestnenie drážkového spoja (mimo zóny medzi kĺbmi) výrazne zvyšuje tuhosť pohonu univerzálneho kĺbu a znižuje pravdepodobnosť vibrácií hriadeľa pri opotrebovaní posuvného drážkového spoja.

Hnací hriadeľ je vyrobený z tenkostennej elektricky zváranej rúrky (8), do ktorej sú na oboch koncoch nalisované dve identické jarmá (9) a následne zvarené oblúkovým zváraním. Puzdrá ihličkových ložísk (18) kríža (25) sú nalisované do očiek jarm (9) a sú zaistené pružnými poistnými krúžkami (20). Každé ložisko univerzálneho kĺbu obsahuje 22 ihiel (21). Na vyčnievajúce čapy krížov sú nalisované lisované krytky (24), do ktorých sú nainštalované korkové krúžky (23). Ložiská sa mažú pomocou uhlovej mazačky (17) zaskrutkovanej do závitového otvoru v strede kríža, ktorý je pripojený k priechodným kanálom v čapoch kríža. Na opačnej strane kríža univerzálneho kĺbu je v jeho strede umiestnený poistný ventil (16), ktorý je určený na uvoľnenie prebytočného maziva pri plnení kríža a ložísk a na zabránenie hromadeniu tlaku vo vnútri kríža počas prevádzky (ventil sa aktivuje pri tlaku približne 3,5 kg/cm²). Nutnosť začlenenia poistného ventilu je spôsobená tým, že nadmerný nárast tlaku vo vnútri kríža môže viesť k poškodeniu (vytlačeniu) korkových tesnení.

Obrázok 6. Montáž hnacieho hriadeľa: 1 - predĺženie prevodovky; 2 - sekundárny hriadeľ prevodovky; 3 a 5 - deflektory nečistôt; 4 - gumové tesnenia; 6 - posuvné jarmo; 7 - vyvažovacia doska; 8 - rúrka hnacieho hriadeľa; 9 - jarmo; 10 - prírubové jarmo; 11 - skrutka; 12 - príruba hnacieho kolesa zadnej nápravy; 13 - pružinová podložka; 14 - matica; 15 - zadná náprava; 16 - poistný ventil; 17 - uhlové mazadlo; 18 - ihlové ložisko; 19 - oko jarma; 20 - poistný krúžok pružiny; 21 - ihla; 22 - podložka s toroidným koncom; 23 - korkový krúžok; 24 - vyrazené viečko; 25 - kríž

Hnací hriadeľ, zostavený s oboma univerzálnymi kĺbmi, je na oboch koncoch starostlivo dynamicky vyvážený privarením vyvažovacích dosiek (7) k rúre. Preto pri demontáži hriadeľa musia byť všetky jeho časti starostlivo označené, aby sa dali znova zmontovať do pôvodnej polohy. Nedodržanie tohto pokynu naruší vyváženie hriadeľa, čo spôsobí vibrácie, ktoré môžu poškodiť prevodovku a karosériu vozidla. Ak sa jednotlivé časti opotrebujú, najmä ak sa rúra ohne v dôsledku nárazu a po montáži nie je možné hriadeľ dynamicky vyvážiť, je potrebné vymeniť celý hriadeľ.

Možné poruchy hnacieho hriadeľa, ich príčiny a riešenia

Príčina poruchy	Riešenie
Vibrácie hnacieho hriadeľa
1. Ohnutie hriadeľa v dôsledku prekážky	1. Vyrovnajte a dynamicky vyvažte zmontovaný hriadeľ alebo ho vymeňte.
2. Opotrebovanie ložísk a krížov	2. Vymeňte ložiská a kríže a dynamicky vyvážte zmontovaný hriadeľ
3. Opotrebovanie predlžovacích puzdier a posuvného jarma	3. Vymeňte predĺženie a posuvné jarmo a dynamicky vyvážte zmontovaný hriadeľ.
Klepanie pri štartovaní a pri voľnobehu
1. Opotrebovanie drážok posuvného jarma alebo sekundárneho hriadeľa prevodovky	1. Vymeňte opotrebované diely. Pri výmene posuvného jarma dynamicky vyvážte zmontovaný hriadeľ
2. Uvoľnené skrutky upevňujúce prírubové jarmo k prírube hnacieho kolesa zadnej nápravy	2. Utiahnite skrutky
Vyhadzovanie oleja z tesnení univerzálnych kĺbov
Opotrebovanie korkových krúžkov v tesneniach univerzálnych kĺbov	Vymeňte korkové krúžky, pričom pri opätovnej montáži zachovajte vzájomnú polohu všetkých častí hnacieho hriadeľa. Ak sú kríže a ložiská opotrebované, vymeňte ložiská a kríže a dynamicky vyvažte zmontovaný hriadeľ.

3. Vyvažovanie hnacieho hriadeľa

Po oprave a montáži hnacieho hriadeľa sa dynamicky vyváži na stroji. Jedna konštrukcia vyvažovacieho stroja je znázornená na obrázku 7. Stroj pozostáva z dosky (18), rámu kyvadla (8) upevneného na štyroch zvislých pružných tyčiach (3), ktoré zabezpečujú jeho kmitanie v horizontálnej rovine. Na pozdĺžnych rúrkach kyvadlového rámu (8) je namontovaná konzola a predná hlavica (9), upevnená na konzole (4). Zadný vahadlo (6) je na pohyblivej traverze (5), ktorá umožňuje dynamické vyváženie hnacích hriadeľov rôznych dĺžok. Vretená váhadiel sú uložené na presných guľôčkových ložiskách. Vreteno predného vreteníka (9) je poháňané elektromotorom inštalovaným v základni stroja prostredníctvom pohonu klinovým remeňom a medzivrtu, na ktorom je namontovaný limb (10) (odstupňovaný disk). Okrem toho sú na doske stroja (18) nainštalované dva stojany (15) s výsuvnými zaisťovacími kolíkmi (17), ktoré zabezpečujú fixáciu predného a zadného konca rámu kyvadla v závislosti od vyváženia predného alebo zadného konca hnacieho hriadeľa.

Obrázok 7. Stroj na dynamické vyvažovanie hnacích hriadeľov

1-svorka; 2-tlmiče; 3-pružná tyč; 4-konzola; 5-pohyblivá traverza; 6-zadné vahadlo; 7-priečnik; 8-kyvadlový rám; 9-predné hnacie vahadlo; 10-rameno kotúča; 11-milivoltmeter; 12-rameno komutátorového hriadeľa; 13-magnetoelektrický snímač; 14-pevný stojan; 15-fixačný stojan; 16-nosič; 17-fixačný stojan; 18-nosná doska

Pevné stojany (14) sú namontované v zadnej časti dosky stroja a sú na nich nainštalované magnetoelektrické snímače (13) s tyčami pripojenými ku koncom rámu kyvadla. Na zabránenie rezonančným vibráciám rámu sú pod držiakmi (4) nainštalované tlmiče (2) naplnené olejom.

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.

Hnacie hriadele majú niektoré vyvažovacie funkcie. Pri väčšine dielov sú základom pre dynamické vyvažovanie nosné krky (napr. rotory elektromotorov, turbíny, vretená, kľukové hriadele atď.), ale pri hnacích hriadeľoch sú to príruby. Počas montáže vznikajú v rôznych spojoch nevyhnutné medzery, ktoré vedú k nevyváženosti. Ak sa pri vyvažovaní nedá dosiahnuť minimálna nevyváženosť, hriadeľ sa vyradí. Presnosť vyvažovania ovplyvňujú tieto faktory:

• Medzera v spoji medzi pristávacou plochou príruby hnacieho hriadeľa a vnútorným otvorom upínacej príruby ľavej a pravej opory hlavy;
• Radiálne a koncové hádzanie základných plôch príruby;
• Medzery v pántoch a drážkovaných spojoch. Prítomnosť maziva v dutine drážkovaného spoja môže viesť k „plávajúcej“ nerovnováhe. Ak bráni dosiahnutiu požadovanej presnosti vyváženia, hnací hriadeľ sa vyvažuje bez maziva.

Niektoré nevyváženosti môžu byť úplne neopraviteľné. Ak sa v univerzálnych kĺboch hnacieho hriadeľa pozoruje zvýšené trenie, zvyšuje sa vzájomný vplyv korekčných rovín. To vedie k zníženiu výkonu a presnosti vyvažovania.

Podľa OST 37.001.053-74 sú stanovené nasledujúce normy nevyváženosti: hnacie hriadele s dvoma kĺbmi (dvojkĺbové) sa vyvažujú dynamicky a s tromi (trojkĺbové) sa montujú s medziľahlou oporou; príruby (strmene) hnacích hriadeľov a spojok s hmotnosťou nad 5 kg sa pred montážou hriadeľa alebo spojky staticky vyvažujú; normy zostatkovej nevyváženosti hnacích hriadeľov na každom konci alebo na medziľahlej opore trojkĺbových hnacích hriadeľov sa hodnotia podľa špecifickej nevyváženosti;

Maximálna prípustná špecifická norma zostatkovej nevyváženosti na každom konci hriadeľa alebo na medziľahlej podpore, ako aj pre trojkĺbové hnacie hriadele v akejkoľvek polohe na vyvažovacom stole, by nemala prekročiť: pre prevodovky osobných automobilov a malých nákladných vozidiel (do 1 t) a veľmi malých autobusov – 6 g-cm/kg, pre ostatné – 10 g-cm/kg. Maximálna prípustná norma zostatkovej nevyváženosti hnacieho hriadeľa alebo trojkĺbového hnacieho hriadeľa by mala byť zabezpečená na vyvažovacom stole pri frekvencii otáčania zodpovedajúcej ich frekvenciám v prevodovke pri maximálnej rýchlosti vozidla.

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.

Pre hnacie hriadele a trojkĺbové hnacie hriadele nákladných vozidiel s nosnosťou 4 t a viac, malých a veľkých autobusov je povolené zníženie frekvencie otáčania na vyvažovacom stole na 70% frekvencie otáčania hnacích hriadeľov pri maximálnej rýchlosti vozidla. Podľa OST 37.001.053-74 by mala byť vyvažovacia frekvencia otáčania hnacích hriadeľov rovná:

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

kde n_b – vyvažovacia frekvencia otáčania (mala by zodpovedať hlavným technickým údajom stojana, n=3000 min-1^-1); n_r – maximálna pracovná frekvencia otáčania, min^-1.

V praxi sa hnací hriadeľ kvôli medzerám v kĺboch a drážkovaným spojom nedá vyvážiť pri odporúčanej frekvencii otáčania. V tomto prípade sa zvolí iná frekvencia otáčania, pri ktorej sa vyvažuje.

4. Moderné vyvažovacie stroje pre hnacie hriadele

Obrázok 8. Vyvažovacie zariadenie pre hnacie hriadele s dĺžkou do 2 metrov a hmotnosťou do 500 kg

Model má 2 stojany a umožňuje vyvažovanie v 2 korekčných rovinách.

Obrázok 9. Vyvažovacie zariadenie pre hnacie hriadele s dĺžkou do 4200 mm a hmotnosťou do 400 kg

Model má 4 stojany a umožňuje vyvažovanie v 4 korekčných rovinách súčasne.

Obrázok 10. Horizontálne vyvažovacie zariadenie s tvrdými ložiskami na dynamické vyvažovanie hnacích hriadeľov

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.

Obrázok 11. Podporné prvky stroja na dynamické vyvažovanie hnacích hriadeľov

1 - Ľavá nenastaviteľná podpera; 2 - Medziľahlá nastaviteľná podpera (2 ks); 3 - Pravá pevná podpera; 4 - Zámková rukoväť rámu podpery; 5 - Pohyblivá podperná plošina; 6 - Matica na vertikálne nastavenie podpery; 7 - Zámkové rukoväte vertikálnej polohy; 8 - Upínacia konzola podpery; 9 - Medziľahlá pohyblivá podpera; 10 - Zámková rukoväť upínacej konzoly; 11 - Zámok upínacej konzoly; 12 - Hnacie (vodiace) vreteno na inštaláciu položky; 13 - Hnaný vreteno

5. Príprava na vyvažovanie hnacieho hriadeľa

Nižšie sa budeme zaoberať nastavením podpier stroja a inštaláciou vyvažovacieho prvku (hnací hriadeľ so štyrmi podperami) na podpery stroja.

Obrázok 12. Montáž prechodových prírub na vretená vyvažovačky

Obrázok 13. Montáž hnacieho hriadeľa na podpery vyvažovačky

Obrázok 14. Vodorovné vyrovnanie hnacieho hriadeľa na podperách vyvažovačky pomocou bublinkovej vodováhy

Obrázok 15. Upevnenie medziľahlých podpier vyvažovacieho stroja, aby sa zabránilo vertikálnemu posunu hnacieho hriadeľa

Ručne otočte položku o jednu celú otáčku. Uistite sa, že sa otáča voľne a bez zaseknutia o podpery. Potom je mechanická časť stroja nastavená a inštalácia položky je dokončená.

6. Postup vyvažovania hnacieho hriadeľa

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.

Okrem toho zariadenie umožňuje zobrazenie grafov časovej funkcie a spektra vibrácií podľa rýchlosti vibrácií, čo môže byť užitočné pri posudzovaní technického stavu vyváženého stroja.

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. Na podpery vyvažovačky nainštalujte snímače vibrácií 1, 2, 3, 4.
2. Pripojte snímače vibrácií ku konektorom X1, X2, X3, X4.
3. Snímač fázového uhla (laserový tachometer) 5 nainštalujte tak, aby menovitá medzera medzi radiálnym (alebo koncovým) povrchom vyváženého rotora a puzdrom snímača bola v rozsahu 10 až 300 mm.
4. Na povrch rotora pripevnite reflexnú pásku so šírkou najmenej 10-15 mm.
5. Pripojte snímač fázového uhla ku konektoru X5.
6. Pripojte meracie zariadenie k portu USB počítača.
7. Pri používaní sieťového napájania pripojte počítač k napájacej jednotke.
8. Napájaciu jednotku pripojte k sieti 220 V, 50 Hz.
9. Turn on the computer and start the Balanset software.
10. Open the balancing workspace with the “F7 - Balancing” button and set the required number of correction planes in the “Plane count” field, so that vibration is measured simultaneously by the vibration sensors connected to the inputs of the measuring unit.
11. A mnemonic diagram illustrating the connection of the sensors and the measuring unit appears on the computer display, as shown in Figure 18.

Pred vyvažovaním sa odporúča vykonať merania v režime vibrometra (tlačidlo 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

Ak celková magnitúda vibrácií V1s (V2s) približne zodpovedá magnitúde rotačnej zložky V1o (V2o), možno predpokladať, že hlavný príspevok k vibráciám mechanizmu je spôsobený nevyváženosťou rotora. Ak celková magnitúda vibrácií V1s (V2s) výrazne prevyšuje rotačnú zložku V1o (V2o), odporúča sa skontrolovať mechanizmus – skontrolovať stav ložísk, zabezpečiť bezpečné upevnenie na základoch, overiť, či sa rotor počas otáčania nedotýka stacionárnych častí, a zvážiť vplyv vibrácií z iných mechanizmov atď.

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

Obrázok 21. Grafy časovej funkcie a spektra vibrácií

Graf znázorňuje, pri ktorých frekvenciách sú úrovne vibrácií najvyššie. Ak sa tieto frekvencie líšia od frekvencie otáčania rotora vyváženého mechanizmu, je potrebné pred vyvážením identifikovať zdroje týchto vibračných zložiek a prijať opatrenia na ich odstránenie.

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 nesprávne zarovnanie: 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.

Dôležité je tiež dbať na stabilitu údajov v režime vibrometra - amplitúda a fáza vibrácií by sa počas merania nemali meniť o viac ako 10-15%. V opačnom prípade by mechanizmus mohol pracovať v blízkosti rezonančnej oblasti. V takom prípade by sa mali upraviť otáčky rotora.

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).

Pred každým ďalším spustením je potrebné vykonať nasledujúce kroky:

• Zastavte otáčanie rotora vyváženého stroja.
• Odstráňte predtým nainštalované skúšobné závažie.
• Nainštalujte skúšobné závažie do ďalšej roviny.

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

Po dokončení každého merania sa výsledky frekvencie otáčania rotora (N_ob), ako aj stredné kvadratické hodnoty (V_o1, V_o2, V_o3, V_o4) a fáz (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) a inštalačné uhly (f₁, f₂, f₃, f₄) korekčných závaží, ktoré je potrebné nainštalovať na rotor v štyroch rovinách, aby sa vyrovnala jeho nevyváženosť.

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

Pozor! Po dokončení procesu merania počas piateho chodu vyváženého stroja je potrebné zastaviť otáčanie rotora a odstrániť predtým nainštalované skúšobné závažie. Až potom môžete pokračovať s inštaláciou (alebo odstránením) korekčných závaží na rotor.

Uhlová poloha pre pridanie (alebo odobratie) korekčného závažia na rotore v polárnom súradnicovom systéme sa meria od miesta inštalácie skúšobného závažia. Smer merania uhla sa zhoduje so smerom otáčania rotora. V prípade vyvažovania lopatkami sa lopatka vyváženého rotora, podmienečne považovaná za 1. lopatku, zhoduje s miestom inštalácie skúšobného závažia. Smer číslovania lopatiek zobrazený na displeji počítača zodpovedá smeru otáčania rotora.

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) a stredné kvadratické hodnoty (V_o1, V_o2, V_o3, V_o4) a fáz (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. Odporúčané triedy presnosti vyvažovania pre tuhé rotory

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_za·Ω, where e_za 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_za = 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.

Tabuľka 2. Odporúčané triedy presnosti vyvažovania pre tuhé rotory.

Typy strojov (rotorov)	Trieda presnosti vyvažovania	Balance quality grade G = eza·Ω, mm/s
Hnacie kľukové hriadele (konštrukčne nevyvážené) pre veľké nízkootáčkové lodné dieselové motory (rýchlosť piestu menšia ako 9 m/s)	G 4000	4000
Hnacie kľukové hriadele (konštrukčne vyvážené) pre veľké nízkootáčkové lodné dieselové motory (rýchlosť piestu menšia ako 9 m/s)	G 1600	1600
Pohon kľukových hriadeľov (konštrukčne nevyvážených) na izolátoroch vibrácií	G 630	630
Pohonné kľukové hriadele (konštrukčne nevyvážené) na pevných podperách	G 250	250
Poršňové motory montované do osobných a nákladných automobilov a lokomotív	G 100	100
Hnacie kľukové hriadele (konštrukčne vyvážené) na izolátoroch vibrácií	G 40	40
Car wheels, wheel rims, wheel sets, drive shafts (cardan shafts)	G 40	40
Poľnohospodárske stroje	G 16	16
Hnacie kľukové hriadele (vyvážené) na pevných podperách	G 16	16
Drviče	G 16	16
Drive shafts (propeller / cardan shafts) with special requirements	G 16	16
Plynové turbíny pre lietadlá	G 6.3	6.3
Odstredivky (separátory, usadzovače)	G 6.3	6.3
Elektromotory a generátory (s výškou hriadeľa najmenej 80 mm) s maximálnou menovitou rýchlosťou otáčania do 950 min.-1	G 6.3	6.3
Elektromotory s výškou hriadeľa menšou ako 80 mm	G 6.3	6.3
Ventilátory	G 6.3	6.3
Prevodové pohony	G 6.3	6.3
Stroje na všeobecné použitie	G 6.3	6.3
Stroje na rezanie kovov	G 6.3	6.3
Stroje na výrobu papiera	G 6.3	6.3
Čerpadlá	G 6.3	6.3
Turbodúchadlá	G 6.3	6.3
Vodné turbíny	G 6.3	6.3
Kompresory	G 6.3	6.3
Počítačom riadené pohony	G 2,5	2.5
Elektromotory a generátory (s výškou hriadeľa najmenej 80 mm) s maximálnymi menovitými otáčkami nad 950 min.-1	G 2,5	2.5
Plynové a parné turbíny	G 2,5	2.5
Pohony strojov na rezanie kovov	G 2,5	2.5
Textilné stroje	G 2,5	2.5
Pohony zvukových a obrazových zariadení	G 1	1
Pohony brúsnych strojov	G 1	1
Vretená a pohony vysoko presných zariadení	G 0,4	0.4

Často kladené otázky o vyvažovaní hnacích hriadeľov

Čo je vyváženie hnacieho hriadeľa?

Vyvažovanie hnacieho hriadeľa je proces korekcie akejkoľvek hmotnostnej nerovnováhy v hnacom hriadeli tak, aby sa hladko otáčal bez toho, aby spôsoboval vibrácie. Zahŕňa to meranie miesta, kde je hriadeľ na jednej strane ťažší, a následné pridanie alebo odobratie malého množstva závažia (napríklad privarením vyvažovacích závaží) na vyrovnanie tejto nerovnováhy. Vyvážený hnací hriadeľ sa otáča rovnomerne, čo zabraňuje nadmerným vibráciám a opotrebovaniu komponentov vozidla.

Prečo je vyváženie hnacieho hriadeľa dôležité?

Nevyvážený hnací hriadeľ môže viesť k silným vibráciám, najmä pri určitých rýchlostiach, a môže spôsobovať klepavé zvuky počas zrýchľovania alebo radenia. Postupom času môžu tieto vibrácie poškodiť ložiská, univerzálne kĺby a ďalšie komponenty pohonu. Vyváženie hnacieho hriadeľa tieto vibrácie eliminuje, čím zabezpečuje plynulejšiu jazdu, znižuje namáhanie súčiastok a zabraňuje nákladným poškodeniam alebo prestojom.

Aké sú bežné príznaky nevyváženého hnacieho hriadeľa?

Medzi typické príznaky nevyváženého alebo chybného hnacieho hriadeľa patria znateľné vibrácie alebo chvenie v podlahe vozidla alebo na sedadle, najmä so zvyšujúcou sa rýchlosťou. Pri radení prevodových stupňov alebo počas zrýchľovania a spomaľovania môžete tiež počuť klopanie alebo hrkotanie. V niektorých prípadoch sa univerzálny kĺb môže prehriať v dôsledku nevyváženosti. Ak spozorujete tieto príznaky, je pravdepodobné, že hnací hriadeľ potrebuje vyváženie alebo opravu.

Ako vyvážiť hnací hriadeľ?

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.

Záver

Záverom možno povedať, že správne vyváženie hnacieho hriadeľa je nevyhnutné pre bezpečnosť, výkon a úsporu nákladov. 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.

Ak čelíte pretrvávajúcim vibráciám hnacieho hriadeľa alebo potrebujete spoľahlivé riešenie vyváženia, neváhajte konať. Použite kroky uvedené v tejto príručke alebo sa poraďte s našimi odborníkmi. So správnym prístupom a vybavením si môžete zabezpečiť, aby váš hnací hriadeľ fungoval hladko a spoľahlivo po mnoho rokov. Kontaktujte nás ak sa chcete dozvedieť viac alebo preskúmať najlepšie zariadenie na vyvažovanie hnacích hriadeľov pre vaše potreby.