Балансирање карданског вратила: Свеобухватни водич

Замислите да возите камион и одједном осетите оштру вибрацију или чујете гласно лупање приликом убрзавања или промене брзина. Ово је више од пуке сметње – то би могао бити знак неуравнотеженог карданског вратила. За инжењере и техничаре, такве вибрације и бука указују на губитак ефикасности, убрзано хабање компоненти и потенцијално скупе застоје ако се не реше.

У овом свеобухватном водичу, пружамо практична решења за проблеме са балансирањем карданског вратила. Научићете шта је карданско вратило и зашто му је потребно балансирање, препознаћете уобичајене кварове који узрокују вибрације или буку и пратити јасан корак-по-корак поступак за динамичко балансирање карданског вратила. Применом ових најбољих пракси можете уштедети новац на поправкама, смањити време решавања проблема и осигурати да ваша машина или возило раде поуздано са минималним вибрацијама.

Садржај

• 1. Типови полуоса
• 2. Неисправности погона универзалне споне
• 3. Балансирање полуосовине
• 4. Савремене машине за балансирање погонских осовина
• 5. Припрема за балансирање погонске осовине
• 6. Поступак балансирања полуосовине
• 7. Препоручене класе прецизности балансирања за круте роторе

1. Типови полуоса

Универзални зглоб (кардански вратило) је механизам који преноси обртни момент између осовина које се укрштају у центру универзалног зглоба и могу се међусобно померати под углом. У возилу, погонски стабл преноси обртни момент од мењача (или разделне кутије) до покретаних осовина у случају класичне или погона свих точкова. Код возила са погоном свих точкова, универзални зглоб обично повезује покретану осовину мењача са погонским стаблом разделне кутије, а покретане осовине разделне кутије са погонским стаблима главних погона покретаних осовина.

Јединице монтиране на раму (као што су мењач и разводна кутија) могу се померати једна у односу на другу због деформације својих носача и самог рама. У међувремену, погонске осовине су причвршћене за раму преко вешања и могу се померати у односу на раму и јединице монтиране на њему због деформације еластичних елемената вешања. Ово кретање може променити не само углове карданских вратила која повезују јединице, већ и растојање између јединица.

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.

Погонски склопови са универзалним зглобовима могу се састојати од једног или више универзалних зглобова повезаних погонским осовинама и међуосовинским ослонцима.

Слика 1. Дијаграм погона са универзалним зглобовима: 1, 4, 6 — погонске осовине; 2, 5 — универзални зглобови; 3 — компензациона веза; u1, u2 — углови између осовина

Генерално, погон карданским зглобом састоји се од карданских зглобова 2 и 5, карданских вратила 1, 4 и 6 и компензационог споја 3. Понекад је карданско вратило постављено на међуносачу причвршћеном за попречни носач рама возила. Кардански зглобови обезбеђују пренос обртног момента између вратила чије се осе секу под углом. Кардански зглобови се деле на неуједначене и зглобове константне брзине. Зглобови неједнаке брзине се даље класификују на еластичне и круте типове. Зглобови константне брзине могу бити куглични са жлебовима за подељење, куглични са полугом за подељење и брегасти. Типично се уграђују у погон водећих контролисаних точкова, где угао између вратила може достићи 45°, а центар карданског зглоба мора се поклопити са тачком пресека оса ротације точка и његове осе окретања.

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.

Слика 2. Дијаграм круте универзалне спојке неједнаке брзине

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 tgα = tgβ * 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.

Ако се неједнака ротација вратила 2 пренесе на вратила јединица, у преносу ће настати додатна пулсирајућа оптерећења која расту са углом γ. Да би се спречило преношење неједнаке ротације вратила 2 на вратила јединица, у погону са универзалним зглобовима користе се два универзална зглоба. Инсталирају се тако да су углови γ1 и γ2 једнаки; виљушке универзалних зглобова, причвршћене на осовину 4 која се неједнако ротира, треба да буду постављене у истој равни.

Дизајн главних делова карданских зглобова је приказан на слици 3. Кардански зглоб са неравномерном брзином састоји се од два јарма (1) повезана крстом (3). Један од јарма понекад има прирубницу, док је други заварен за цев карданског вратила или има ожљебљени крај (6) (или чауру) за повезивање са карданским вратилом. Зупци крста су уграђени у ушице оба јарма на игличастим лежајевима (7). Сваки лежај је смештен у кућиште (2) и држи се у ушици јарма помоћу поклопца, који је причвршћен за јарам са два вијка закључана језичцима на подлошци. У неким случајевима, лежајеви су причвршћени у јармама помоћу осигурача. Да би се задржало подмазивање у лежају и заштитило га од воде и прљавштине, постоји гумена самозатезна заптивка. Унутрашња шупљина крста је испуњена машћу кроз мазаљку, која допире до лежајева. Крст обично има сигурносни вентил који штити заптивку од оштећења услед притиска масти која се пумпа у крст. Зубчасти спој (6) се подмазује помоћу мазалице (5).

Слика 3. Детаљи чврсте неуниформне спојнице брзине

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.

У преносницима брзих гусеничних возила често се користе кардански зглобови са типовима зупчастих спојница, који омогућавају пренос обртног момента између вратила са осама које се секу под угловима до 1,5...2°.

Осовине погона обично се израђују у облику цеви, користећи специјалне челичне безспојне или заварене цеви. Јокеви универзалних зглобова, назубљене навлаке или врхови заварују се на цеви. Да би се смањила попречна оптерећења на погонском вратилу, динамичко балансирање се врши са склопљеним универзалним зглобовима. Неуравнотеженост се коригује заваривањем балансних плочица на погонско вратило или понекад постављањем балансних плочица испод капица лежајева универзалних зглобова. Релативни положај делова назубљеног споја након склапања и балансирања погона универзалног зглоба у фабрици обично се обележава посебним етикетама.

Компензациона веза погона са универзалним зглобом обично се изводи у облику назубљене везе, која омогућава аксијално померање делова погона са универзалним зглобом. Она се састоји од назубљеног врха који се убацује у назубљену навлаку погона са универзалним зглобом. Подмазивање се уводи у назубљену везу преко масног чепа или се наноси током монтаже и замењује након продужене употребе возила. Обично се постављају заптивка и поклопац како би се спречило цурење масти и контаминација.

За дуге осовине предаја снаге обично се користе међуподупире у погонима са универзалним зглобом. Међуподупир обично се састоји од носача причвршћеног за попречни носач шасије возила, у који је уграђен куглични лежај у еластичном гуменом прстену. Лежај је заптивним капицама затворен са обе стране и има уређај за подмазивање. Еластични гумени прстен помаже у компензацији нетачности при склапању и неусклађености лежаја које могу настати због деформација шасије.

Универзални зглоб са игленастим лежајевима (Слика 4a) састоји се од јокова, крста, игленастих лежајева и заптивки. Чаше са игленастим лежајевима монтирају се на вратила крста и заптивју се заптивкама. Чаше се учвршћују у јоковима помоћу закључавајућих прстенова или капи који се причвршћују вијцима. Универзални зглобови подмазују се преко масног чепа кроз унутрашње бушевине у крсту. Безбедносни вентил се користи за уклањање вишка притиска уља у зглобу. Током једнообразног ротације погонског носача, погонски носач се ротира неједнообразно: он заостаје и претиче погонски носач два пута по једном обртају. Да би се елиминисала неједнообразна ротација и смањила инерцијална оптерећења, користе се два универзална зглоба.

У погону предњих покретних точкова уграђени су универзални зглобови константне брзине. Погон константне брзине зглобова на возилима ГАЗ-66 и ЗИЛ-131 састоји се од јока 2 и 5 (слика 4б), четири куглице 7 и централне куглице 8. Погонски јоке 2 је једноделан са унутрашњим вратилом полуосовине, док је погубни јоке изливен заједно са спољашњим вратилом полуосовине, на чијем крају је причвршћен носач точка. Торзиони момент од јока 2 до јока 5 преноси се кроз куглице 7, које се крећу по кружним жлебовима у јоковима. Централна кугла 8 служи за центрирање јока и држи се на месту помоћу шипки 3 и 4. Фреквенција ротације јока 2 и 5 је иста због симетрије механизма у односу на јоке. Промена дужине осовине обезбеђује се слободним назубљеним спојевима јока са осовином.

Слика 4. Универзалне спојнице: а — универзална спојница: 1 — капа; 2 — чаша; 3 — иглени лежај; 4 — заптивка; 5, 9 — вилице; 6 — безбедносни вентил; 7 — крст; 8 — масница; 10 — вијак; б — универзални зглоб константне брзине: 1 — унутрашња осовина; 2 — погонско колено; 3, 4 — штифтови; 5 — погонско колено; 6 — спољна осовина; 7 — куглице; 8 — централна куглица

2. Неисправности погона универзалне споне

Неисправности погона карданског зглоба обично се манифестују оштрим ударима у карданским зглобовима који се јављају када возило креће, нарочито при пребацивању брзина и наглим порастом брзине коленастог вратила мотора (на пример, при преласку са кочења мотором на убрзавање). Знак квара универзалне спојке може бити њено загревање на високу температуру (више од 100 °C). То се дешава због значајног хабања чаура и вратила универзалне спојке, игличастих лежајева, крстовића и назубљених спојева, што доводи до неусклађености универзалне спојке и значајних ударних аксијалних оптерећења на игличасте лежајеве. Оштећење плутаних заптивки крстовића универзалне спојке доводи до брзог хабања вратила и његовог лежаја.

Током одржавања проверава се погон универзалних зглобова оштрим ручним ротирањем полуосовине у оба смера. Степен слободног ротирања осовине одређује степен хабања универзалних зглобова и назубљених спојева. На сваких 8–10 хиљада километара проверава се стање затегнутих спојева фланци погоњене осовине мењача и погонске осовине главног преноса са фланцама крајњих универзалних зглобова и причвршћивање средњег ослонаца полуосовине. Проверава се и стање гумених навлака на назубљеним спојевима и плутаних заптивки карданског крста. Сви завртњи за причвршћивање морају бити потпуно затегнути (момент затезања 8–10 кгф·м).

Иглене лежајеве универзалних зглобова подмазују се течним уљем које се користи за преносне јединице; назубљене везе у већини возила подмазују се мастима (US-1, US-2, 1-13 итд.); употреба масти за подмазивање иглених лежајева је строго забрањена. У неким возилима назубљене везе се подмазују уљем за мењач. Подширни лежај, монтиран у гуменом навлаку, практично не захтева подмазивање, јер је подмазан током монтаже у фабрици. Подширни лежај возила ЗИЛ-130 се подмазује мастром кроз прикључак под притиском током редовног одржавања (на сваких 1100–1700 км).

Слика 5. Кардански преносник: 1 — прирубница за причвршћивање карданског вратила; 2 — крст карданског зглоба; 3 — виљушка карданског зглоба; 4 — клизна виљушка; 5 — цев карданског вратила; 6 — игличасти ваљкасти лежај са затвореним крајем

Погон универзалних зглобова састоји се од два универзална зглоба са игличастим лежајевима, повезана шупљим вратилом, и клизног јока са инволутним назубцима. Да би се обезбедила поуздана заштита од прљавштине и добро подмазивање назубљене везе, клизни йок (6), повезан са секундарним вратилом (2) мењача, смештен је у продужетку (1) причвршћеном за кућиште мењача. Поред тога, ова локација назубљене везе (изван зоне између зглобова) значајно повећава крутост погона универзалних зглобова и смањује вероватноћу вибрација осовине када се назубљена клизна веза истроши.

Погонско вратило је направљено од танкозидне електрично заварене цеви (8), у коју су два идентична јарма (9) утиснута на сваком крају, а затим заварена електролучним заваривањем. Кућишта игличастих лежајева (18) крста (25) су утиснута у уши јарма (9) и осигурана су опружним прстеновима (20). Сваки лежај карданског зглоба садржи 22 игле (21). Утиснуте капице (24) су утиснуте на избочене зупце крста, у које су уграђени прстенови од плуте (23). Лежајеви се подмазују помоћу угаоне мазнице (17) уврнуте у навојни отвор у центру крста, повезан са пролазним каналима у зупцима крста. На супротној страни крста карданског зглоба, у његовом центру се налази сигурносни вентил (16), дизајниран да испусти вишак масти приликом пуњења крста и лежајева и да спречи нагомилавање притиска унутар крста током рада (вентил се активира при притиску од око 3,5 кг/цм²). Неопходност уградње сигурносног вентила је због чињенице да прекомерно повећање притиска унутар крста може довести до оштећења (екструзије) плутаних заптивача.

Слика 6. Склоп карданског вратила: 1 — продужетак мењача; 2 — секундарно вратило мењача; 3 и 5 — одбијачи прљавштине; 4 — гумене заптивке; 6 — клизна виљушка; 7 — плочица за балансирање; 8 — цев карданског вратила; 9 — виљушка; 10 — прирубничка виљушка; 11 — вијак; 12 — прирубница погонског зупчаника задњег моста; 13 — опружна подлошка; 14 — матица; 15 — задњи мост; 16 — сигурносни вентил; 17 — угаона мазалица; 18 — игличасти лежај; 19 — ушица виљушке; 20 — опружни осигурачни прстен; 21 — иглица; 22 — подлошка са тороидалним крајем; 23 — плутани прстен; 24 — пресовани поклопац; 25 — крст

Карданско вратило, састављено са оба карданска зглоба, пажљиво је динамички балансирано на оба краја заваривањем балансирајућих плоча (7) на цев. Стога, приликом демонтаже вратила, сви његови делови морају бити пажљиво означени како би се могли поново саставити у своје првобитне положаје. Непоштовање овог упутства нарушава равнотежу вратила, узрокујући вибрације које могу оштетити мењач и каросерију возила. Ако се појединачни делови истроше, посебно ако се цев савије услед удара и постане немогуће динамички балансирати вратило након монтаже, цело вратило мора бити замењено.

Могући кварови полуосовине, њихови узроци и решења

Узрок квара	Решење
Вибрација полуосовине
1. Савијање вратила због препреке	1. Исправите и динамички уравнотежите састављено вратило или замените састављено вратило
2. Абење и унакрсно абење	2. Заменити лежајеве и крстове и динамички избалансирати састављени вратило
3. Изабељеност продужних утуба и клизног јока	3. Заменити продужетак и клизајућу вретену и динамички уравнотежити састављено вретено
Куцање при покретању и кочењу
1. Хабање зупчаника клизног јока или секундарне осовине мењача	1. Заменити истрошене делове. При замени клизног јоха динамички уравнотежити састављени вратило.
2. Отпуштени вијци који причвршћују прирубничку виљушку за прирубницу погонског зупчаника задњег моста	2. Затегните завртње
Истекање уља из заптивки универзалних зглобова
Изабење чепних прстенова у заптивкама универзалних зглобова	Заменити чепове од плуте, одржавајући релативни положај свих делова погонског вратила приликом склапања. Ако су крстови и лежајеви истрошени, заменити лежајеве и крстове и динамички избалансирати састављено вратило.

3. Балансирање полуосовине

Након поправке и склапања карданског вратила, оно се динамички балансира на машини. Једна конструкција машине за балансирање приказана је на слици 7. Машина се састоји од плоче (18) и клатног рама (8) монтираног на четири вертикалне еластичне шипке (3), које обезбеђују његово осциловање у хоризонталној равни. На уздужне цеви клатног рама (8) монтирани су носач и предња главчина (9), причвршћени на носач (4). Задња главчина (6) налази се на покретној пречки (5), што омогућава динамичко балансирање карданских вратила различитих дужина. Вретена главчина монтирана су на прецизним кугличним лежајевима. Вретено предње главчине (9) покреће електромотор уграђен у постоље машине, преко V-ременског преноса и међувратила, на коме је монтиран лимб (10) (градуисани диск). Поред тога, на плочи машине (18) уграђена су два постоља (15) са увлачивим закључавајућим клиновима (17), која обезбеђују фиксирање предњег и задњег краја клатног рама у зависности од балансирања предњег или задњег краја карданског вратила.

Слика 7. Динамичка машина за балансирање погонских вратила

1—стезаљка; 2—пригушивачи; 3—еластична шипка; 4—носач; 5—покретна преграда; 6—задња главица; 7—пречница; 8—кадарни оквир; 9—предњи погонски главчина; 10—лим-диск; 11—миливольтметар; 12—лим вратила комутатора-ректификатора; 13—магнетоелектрични сензор; 14—фиксни штанд; 15—штанд за фиксатор; 16—подлога; 17—фиксатор; 18—подложна плоча

Фиксни ослонци (14) су монтирани на задњој страни машине, а на њима су инсталирани магнето-електрични сензори (13), чије су шипке повезане са крајевима рамке махања. Да би се спречиле резонантне вибрације рамке, под носачима (4) су постављени уљем напуњени пригушивачи (2).

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.

Карданске осовине имају неке карактеристике за балансирање. За већину делова, основа за динамичко уравнотежење су потпорна врата (нпр. ротори електричних мотора, турбине, вретена, коленасти вратови итд.), али код погонских осовина то су фланце. Током монтаже неизбежне су празнине у различитим спојевима које доводе до неуравнотежености. Ако се минимална неуравнотеженост не може постићи током уравнотежења, осовина се одбацује. Тачност уравнотежења утичу следећи фактори:

• Јаз у вези између пријемног појаса флањеса полуосовине и унутрашње рупе стезне флањесе левог и десног ослонца главине;
• Радијална и аксијална одступања основних површина флањета;
• Зазори у шарнирним и жлебним спојевима. Присуство масти у шупљини жлебног споја може довести до „плутајуће“ неравнотеже. Ако то спречава постизање потребне тачности балансирања, карданско вратило се балансира без масти.

Неки дисбаланси могу бити потпуно неисправљиви. Ако се у универзалним зглобовима погонског вратила уочи повећано трење, међусобни утицај равни корекције се повећава. То доводи до смањења ефикасности и прецизности балансирања.

Према OST 37.001.053-74, утврђени су следећи стандарди неравнотеже: карданска вратила са два зглоба (двоносна) се динамички балансирају, а са три (троносна) – склопљена са средњим носачем; прирубнице (јармови) карданских вратила и спојница тежине веће од 5 кг се статички балансирају пре склапања вратила или спојнице; норме преостале неравнотеже за карданска вратила на сваком крају или на средњем носачу трозглобних карданских вратила процењују се специфичном неравнотежом;

Максимално дозвољена специфична норма преосталог дисбаланса на сваком крају вратила или на међуносачу, као и за трозглобна карданска вратила у било ком положају на балансирајућем постољу, не сме прећи: за мењаче путничких аутомобила и камиона малог терета (до 1 т) и веома малих аутобуса – 6 г-цм/кг, за остале – 10 г-цм/кг. Максимално дозвољена норма преосталог дисбаланса карданског вратила или трозглобног карданског вратила треба да буде обезбеђена на балансирајућем постољу на фреквенцији обртања која одговара њиховим фреквенцијама у мењачу при максималној брзини возила.

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.

За карданска вратила и трозглобна карданска вратила камиона носивости 4 т и више, малих и великих аутобуса, дозвољено је смањење фреквенције обртања на балансирајућем постољу на 70% фреквенције обртања трансмисионих вратила при максималној брзини возила. Према OST 37.001.053-74, фреквенција обртања балансираних карданских вратила треба да буде једнака:

н_b = (0,7 ... 1,0) n_r,

Где је Н_b – фреквенција ротације балансирања (треба да одговара главним техничким подацима постоља, n=3000 min^-1); n_r – максимална радна фреквенција ротације, мин^-1.

У пракси, због јаза на спојевима и назубљеним везама, погонска осовина се не може уравнотежити на препорученој фреквенцији ротације. У том случају се бира друга фреквенција ротације на којој се уравнотежује.

4. Савремене машине за балансирање погонских осовина

Слика 8. Машина за балансирање погонских вратила дужине до 2 метра и масе до 500 кг

Модел има два ослона и омогућава балансирање у две равни корекције.

Слика 9. Машина за балансирање погонских осовина дужине до 4200 мм и масе до 400 кг

Модел има четири ослонца и омогућава балансирање у четири корекциона равни истовремено.

Слика 10. Хоризонтална машина за балансирање са чврстим лежајем за динамичко балансирање погонских осовина

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.

Слика 11. Носећи елементи машина за динамичко уравнотежење погонских вратила

1 – Лева нерегулисана подршка; 2 – Средња подесива подршка (2 ком.); 3 – Десна нерегулисана фиксна подршка; 4 – Ручка за закључавање оквира подршке; 5 – Покретна платформа ослонца; 6 – Орах за вертикално подешавање ослонца; 7 – Ручке за закључавање вертикалног положаја; 8 – Стезни носач ослонца; 9 – Покретна стезаљка са средњим лежајем; 10 – Ручка за закључавање стезаљке; 11 – Закључавање стезног носача; 12 – Погонски (водилички) вретено за монтажу предмета; 13 – Погонско вретено

5. Припрема за балансирање погонске осовине

У наставку ћемо размотрити подешавање машинских ослонаца и уградњу балансног елемента (четвороослонског погонског вратила) на машинске ослонце.

Слика 12. Монтажа прелазних фланци на вретена балансирне машине

Слика 13. Монтажа карданског вратила на ослонце машине за балансирање

Слика 14. Хоризонтално нивелисање карданског вратила на ослонцима машине за балансирање помоћу либеле

Слика 15. Фиксирање међуослонаца машине за балансирање ради спречавања вертикалног померања карданског вратила

Ручно окрените предмет за пун обрт. Уверите се да се окреће слободно и без заглављивања на ослонцима. Након тога, механички део машине је подешен, а уградња предмета је завршена.

6. Поступак балансирања полуосовине

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.

Поред тога, уређај омогућава приказивање графикона временске функције и спектра вибрација по брзини вибрација, што може бити корисно за процену техничког стања уравнотежене машине.

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. Инсталирајте сензоре вибрације 1, 2, 3 и 4 на носаче балансирне машине.
2. Повежите сензоре вибрације на конекторе X1, X2, X3 и X4.
3. Инсталирајте сензор фазног угла (ласерски тахометар) 5 тако да номинални јаз између радијалне (или крајње) површине уравнотеженог ротора и кућишта сензора буде у распону од 10 до 300 мм.
4. Причврстите рефлектујућу траку ширине најмање 10–15 мм на површину ротора.
5. Повежите сензор фазног угла на конектор X5.
6. Повежите мерну јединицу на УСБ порт рачунара.
7. Када користите наизменично напајање, повежите рачунар на јединицу за напајање.
8. Прикључите напојно једиње на мрежу од 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.

Пре извођења уравнотежења, препоручује се мерење у режиму виброметра (тастер 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

Ако укупна магнитуда вибрација V1s (V2s) приближно одговара магнитуди ротационе компоненте V1o (V2o), може се претпоставити да је главни допринос вибрацијама механизма последица неравнотеже ротора. Ако укупна магнитуда вибрација V1s (V2s) значајно премашује ротациону компоненту V1o (V2o), препоручује се преглед механизма – провера стања лежајева, осигурање сигурног монтирања на темељ, провера да ли ротор не додирује непокретне делове током ротације и разматрање утицаја вибрација других механизама итд.

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

Слика 21. Графикони временске функције вибрације и спектра

График приказује на којим фреквенцијама су нивои вибрација највиши. Ако се ове фреквенције разликују од фреквенције обртања ротора уравнотеженог механизма, потребно је идентификовати изворе ових компоненти вибрација и предузети мере за њихово елиминисање пре балансирања.

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 неусклађеност: 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.

Такође је важно обратити пажњу на стабилност очитавања у режиму виброметра – амплитуда и фаза вибрације не би требало да се мењају за више од 10–15% током мерења. У супротном, механизам може да ради у близини резонантне зоне. У том случају треба прилагодити брзину 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).

Пре сваког наредног покретања треба предузети следеће кораке:

• Зауставите ротацију ротора уравнотежене машине.
• Уклоните претходно инсталирану пробну тежину.
• Инсталирајте пробно тежиште у следећем правцу.

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

Након завршетка сваког мерења, резултати фреквенције ротације ротора (N_ob), као и вредности RMS-а (V_o1, В_o2, В_o3, В_o4) и фазе (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 углове инсталације (f₁, f₂, f₃, f₄) корекционих тежина које треба поставити на ротор у четири равни да би се компензовао његов 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

Пажња! Након завршетка процеса мерења током петог покретања балансиране машине, потребно је зауставити ротацију ротора и уклонити претходно постављени пробни тег. Тек након тога можете наставити са постављањем (или уклањањем) корективних тегова на ротору.

Угаони положај за додавање (или уклањање) корективног тега на ротору у поларном координатном систему мери се од места постављања пробног тега. Правац мерења угла поклапа се са смером ротације ротора. У случају балансирања лопатицама, лопатица уравнотеженог ротора, условно сматрана првом лопатицом, поклапа се са местом постављања пробног тега. Правац нумерације лопатица приказан на екрану рачунара прати смер ротације 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 РМС вредности (V_o1, В_o2, В_o3, В_o4) и фазе (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. Препоручене класе прецизности балансирања за круте роторе

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_по·Ω, where e_по 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_по = 9549·G·M/n [g·mm], split between the correction planes. See our ИСО 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 ИСО 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.

Табела 2. Препоручене класе тачности балансирања за круте роторе.

Типови машина (ротори)	Класа прецизности балансирања	Balance quality grade G = eпо·Ω, mm/s
Погонска коленаста вратила (структурно неуравнотежена) за велике спороходне морске дизел моторе (брзина клипа мања од 9 м/с)	Г 4000	4000
Погонска коленаста вратила (структурно уравнотежена) за велике спороходне морске дизел моторе (брзина клипа мања од 9 м/с)	Г 1600	1600
Погонска коленаста вратила (структурно неуравнотежена) на вибрационим изолаторима	Г 630	630
Погонска коленаста вратила (структурно неуравнотежена) на крутим ослонцима	Г 250	250
Клипни мотори склопљени за путничке аутомобиле, камионе и локомотиве	Г 100	100
Погонска коленаста вратила (структурно уравнотежена) на вибрационим изолаторима	Г 40	40
Car wheels, wheel rims, wheel sets, drive shafts (cardan shafts)	Г 40	40
Пољопривредне машине	Г 16	16
Погонска коленаста вратила (уравнотежена) на крутим ослонцима	Г 16	16
Дробилице	Г 16	16
Drive shafts (propeller / cardan shafts) with special requirements	Г 16	16
Гасне турбине за авионе	Г 6.3	6.3
Центтрифуге (сепаратори, седиментатори)	Г 6.3	6.3
Електрични мотори и генератори (са висином вратила од најмање 80 мм) са максималном номиналном брзином ротације до 950 обртаја у минути-1	Г 6.3	6.3
Електрични мотори са висином вратила мањом од 80 мм	Г 6.3	6.3
Вентилатори	Г 6.3	6.3
Зупчасти погони	Г 6.3	6.3
Машине опште намене	Г 6.3	6.3
Машине за сечење метала	Г 6.3	6.3
Машине за производњу папира	Г 6.3	6.3
Пумпе	Г 6.3	6.3
Турбопуњачи	Г 6.3	6.3
Водне турбине	Г 6.3	6.3
Компресори	Г 6.3	6.3
Компјутерски управљани погони	Г 2.5	2.5
Електрични мотори и генератори (са висином вратила од најмање 80 мм) са максималном номиналном брзином ротације већом од 950 обртаја у минути-1	Г 2.5	2.5
Гасне и парне турбине	Г 2.5	2.5
Погонски механизми машина за сечење метала	Г 2.5	2.5
Текстилне машине	Г 2.5	2.5
Аудио и видео опрема дискови	G 1	1
Погонске јединице брусилица	G 1	1
Вретена и погони високопрецизне опреме	G 0.4	0.4

Често постављана питања о балансирању карданског вратила

Шта је балансирање карданског вратила?

Балансирање карданског вратила је процес исправљања било какве неравнотеже масе у карданском вратилу тако да се оно глатко окреће без изазивања вибрација. Ово подразумева мерење где је вратило теже на једној страни, а затим додавање или уклањање малих количина тежине (на пример, заваривање балансирајућих тегова) како би се супротставило тој неравнотежи. Балансирано карданско вратило ради равномерно, што спречава прекомерне вибрације и хабање компоненти возила.

Зашто је балансирање карданског вратила важно?

Небалансирано карданско вратило може довести до јаких вибрација, посебно при одређеним брзинама, и може изазвати лупање током убрзања или промене брзина. Временом, ове вибрације могу оштетити лежајеве, карданске зглобове и друге компоненте погонског склопа. Балансирање карданског вратила елиминише ове вибрације, обезбеђујући глађу вожњу, смањујући оптерећење делова и спречавајући скупа оштећења или застоје.

Који су уобичајени симптоми неуравнотеженог погонског вратила?

Типични симптоми небалансираног или неисправног карданског вратила укључују приметне вибрације или подрхтавање које се осећа у поду возила или седишту, посебно како се брзина повећава. Такође можете чути куцање или звецкање приликом мењања брзина или током убрзања и успоравања. У неким случајевима, кардански зглоб се може прегрејати због неравнотеже. Ако приметите ове знаке, вероватно је потребно балансирање или поправку карданског вратила.

Како балансирате карданско вратило?

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.

Закључак

Закључно, правилно балансирање карданског вратила је неопходно за безбедност, перформансе и уштеду трошкова. 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.

Ако се суочавате са сталним вибрацијама карданског вратила или вам је потребно поуздано решење за балансирање, не оклевајте да делујете. Примените кораке наведене у овом водичу или се консултујте са нашим стручњацима за помоћ. Уз прави приступ и опрему, можете осигурати да ваше карданско вратило ради глатко и поуздано годинама које долазе. Контактирајте нас да бисте сазнали више или истражили најбољу опрему за балансирање карданског вратила за ваше потребе.