Балансування карданного валу: повний посібник

Уявіть, що ви керуєте вантажівкою і раптом відчуваєте різку вібрацію або чуєте гучний стукіт під час розгону або перемикання передач. Це більше, ніж просто неприємність — це може бути ознакою незбалансованого карданного валу. Для інженерів і техніків такі вібрації та шуми свідчать про втрату ефективності, прискорений знос компонентів і потенційно дорогі простої, якщо їх не усунути.

У цьому вичерпному посібнику ми пропонуємо практичні рішення проблем балансування карданного валу. Ви дізнаєтеся, що таке карданний вал і чому його потрібно балансувати, розпізнаєте поширені несправності, які викликають вібрацію або шум, і дотримуватиметеся чіткого покрокового процесу динамічного балансування карданного валу. Застосовуючи ці найкращі методи, ви можете заощадити гроші на ремонті, скоротити час усунення несправностей і забезпечити надійну роботу вашої техніки або транспортного засобу з мінімальною вібрацією.

Зміст

• 1. Типи карданних валів
• 2. Несправності карданного приводу
• 3. Балансування карданного валу
• 4. Сучасні балансувальні верстати для карданних валів
• 5. Підготовка до балансування карданного валу
• 6. Процедура балансування карданного валу
• 7. Рекомендовані класи точності балансування для жорстких роторів

1. Типи карданних валів

Карданний привід (карданний вал) - це механізм, який передає крутний момент між валами, що перетинаються в центрі карданного шарніра і можуть рухатися відносно один одного під певним кутом. У транспортному засобі карданний вал передає крутний момент від коробки передач (або роздавальної коробки) до ведучих осей у разі класичної або повнопривідної конфігурації. У повнопривідних автомобілях карданний шарнір зазвичай з'єднує ведений вал коробки передач з ведучим валом роздавальної коробки, а ведені вали роздавальної коробки - з ведучими валами головних передач ведучих мостів.

Агрегати, встановлені на рамі (такі як коробка передач і роздавальна коробка), можуть рухатися один відносно одного через деформацію їхніх опор і самої рами. Тим часом ведучі мости кріпляться до рами через підвіску і можуть рухатися відносно рами та встановлених на ній агрегатів через деформацію пружних елементів підвіски. Цей рух може змінювати не лише кути карданних валів, що з'єднують агрегати, але й відстань між агрегатами.

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.

Карданний привід може складатися з одного або декількох карданних шарнірів, з'єднаних карданними валами і проміжними опорами.

Малюнок 1. Схема карданного приводу: 1, 4, 6 - карданні вали; 2, 5 - карданні шарніри; 3 - компенсаційне з'єднання; u1, u2 - кути між валами

Загалом, карданний привід складається з карданних шарнірів 2 та 5, карданних валів 1, 4 та 6, а також компенсуючого з'єднання 3. Іноді карданний вал встановлюється на проміжній опорі, прикріпленій до поперечини рами автомобіля. Карданні шарніри забезпечують передачу крутного моменту між валами, осі яких перетинаються під кутом. Карданні шарніри поділяються на шарніри з нерівномірною та постійною швидкістю. Шарніри з нерівномірною швидкістю додатково класифікуються на пружні та жорсткі. Шарніри з постійною швидкістю можуть бути кульовими з розділовими канавками, кульовими з розділовим важелем та кулачковими. Зазвичай вони встановлюються в приводі провідних керованих коліс, де кут між валами може досягати 45°, а центр карданного шарніра повинен збігатися з точкою перетину осей обертання колеса та його осі повороту.

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 жорсткого нерівномірного карданного шарніра

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.

Якщо нерівномірне обертання вала 2 передається на вали агрегатів, в трансмісії виникають додаткові пульсуючі навантаження, що збільшуються зі збільшенням кута γ. Щоб запобігти передачі нерівномірного обертання вала 2 на вали агрегатів, в карданному приводі використовуються два карданних шарніри. Вони встановлюються так, щоб кути γ1 і γ2 були рівними; вилки карданних шарнірів, закріплені на валу 4, що нерівномірно обертається, повинні розташовуватися в одній площині.

Конструкція основних частин карданних передач показана на рисунку 3. Карданний шарнір нерівномірної швидкості складається з двох вилок (1), з'єднаних хрестовиною (3). Одна з вилок іноді має фланець, а інша приварена до труби карданного вала або має шліцьовий кінець (6) (або втулку) для з'єднання з карданним валом. Цапфи хрестовини встановлені у вушках обох вилок на голчастих підшипниках (7). Кожен підшипник розміщений у корпусі (2) і утримується у вушку вилки за допомогою кришки, яка кріпиться до вилки двома болтами, що фіксуються виступами на шайбі. У деяких випадках підшипники закріплюються у вилках стопорними кільцями. Для збереження мастила в підшипнику та захисту його від води та бруду є гумове самозатягувальне ущільнення. Внутрішня порожнина хрестовини заповнена мастилом через маслянку, яка досягає підшипників. Хрестовина зазвичай має запобіжний клапан для захисту ущільнення від пошкодження через тиск мастила, що закачується в хрестовину. Шлицьове з'єднання (6) змащується за допомогою маслянки (5).

Рисунок 3. Деталі жорсткого карданного шарніра нерівномірної швидкості

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 трансмісіях високошвидкісних гусеничних машин часто використовуються універсальні шарніри з зубчастими типами зчеплення, які дозволяють передавати крутний момент між валами з осями, що перетинаються під кутами до 1,5...2°.

Карданні вали зазвичай виготовляються трубчастими, з використанням спеціальних сталевих безшовних або зварних труб. До труб приварюються вилки карданних шарнірів, шліцьові втулки або наконечники. Для зменшення поперечних навантажень, що діють на карданний вал, виконується динамічне балансування карданних шарнірів в зборі. Дисбаланс усувається приварюванням до карданного валу балансувальних пластин або іноді встановленням балансувальних пластин під кришки підшипників карданних шарнірів. Взаємне розташування деталей шліцьового з'єднання після складання і балансування карданного приводу на заводі зазвичай позначається спеціальними мітками.

Компенсуюче з'єднання карданного приводу зазвичай виготовляється у вигляді шліцьового з'єднання, що дозволяє осьове переміщення деталей карданного приводу. Воно складається з шліцьового наконечника, який входить в шліцьову втулку карданного валу. Мастило подається в шліцьове з'єднання через маслянку або наноситься під час складання і замінюється після тривалої експлуатації транспортного засобу. Для запобігання витоку мастила і забруднення зазвичай встановлюється ущільнення і кришка.

Для довгих карданних валів в карданних приводах зазвичай використовуються проміжні опори. Проміжна опора зазвичай складається з кронштейна, прикріпленого болтами до поперечини рами автомобіля, в якому встановлений кульковий підшипник в гумовому еластичному кільці. Підшипник закритий з обох боків кришками і має пристрій для змащення. Еластичне гумове кільце допомагає компенсувати неточності монтажу і зміщення підшипника, які можуть виникнути через деформації рами.

Карданний шарнір з голчастими підшипниками (рис. 4а) складається з вилок, хрестовини, голчастих підшипників і ущільнень. Чашки з голчастими підшипниками встановлюються на цапфи хрестовини і закриваються ущільненнями. Чашки закріплені в вилках стопорними кільцями або ковпачками, прикрученими гвинтами. Карданні шарніри змащуються через маслянку через внутрішні отвори в хрестовині. Для усунення надлишкового тиску мастила в шарнірі використовується запобіжний клапан. При рівномірному обертанні ведучої вісі ведена вісь обертається нерівномірно: вона двічі за один оберт випереджає і відстає від ведучої вісі. Для усунення нерівномірності обертання і зменшення інерційних навантажень використовують два карданних шарніри.

У приводі передніх ведучих коліс встановлені карданні шарніри постійної швидкості. Карданний привід автомобілів ГАЗ-66 і ЗІЛ-131 складається з вилок 2, 5 (рис. 4б), чотирьох кульок 7 і центральної кульки 8. Ведуча вилка 2 нероз'ємна з валом внутрішнього моста, а ведена вилка викувана разом з валом зовнішнього моста, на кінці якого закріплена маточина колеса. Рушійний момент від вилки 2 до вилки 5 передається через кульки 7, які рухаються по кільцевих пазах в вилках. Центральна кулька 8 служить для центрування вилок і утримується шпильками 3, 4. Частота обертання вилок 2, 5 однакова завдяки симетрії механізму відносно вилок. Зміна довжини вала забезпечується вільними шліцьовими з'єднаннями вилок з валом.

Малюнок 4. Карданні шарніри: а - карданний шарнір: 1 - кришка; 2 - стакан; 3 - голчастий підшипник; 4 - ущільнення; 5, 9 - вилки; 6 - запобіжний клапан; 7 - хрестовина; 8 - маслянка; 10 - гвинт; б - карданний шарнір постійної швидкості: 1 - вал внутрішнього моста; 2 - ведуча вилка; 3, 4 - шпильки; 5 - ведена вилка; 6 - вал зовнішнього моста; 7 - кульки; 8 - центральна кулька

2. Несправності карданного приводу

Несправності карданного приводу зазвичай проявляються у вигляді різких стукотів в карданних шарнірах, які виникають під час руху автомобіля, особливо під час перемикання передач і різкого збільшення частоти обертання колінчастого валу двигуна (наприклад, при переході від гальмування двигуна до прискорення). Ознакою несправності карданного шарніра може бути його нагрівання до високої температури (понад 100°C). Це відбувається через значний знос втулок і цапф карданного шарніра, голчастих підшипників, хрестовин і шліцьових з'єднань, що призводить до перекосу карданного шарніра і значних ударних осьових навантажень на голчасті підшипники. Пошкодження коркових ущільнень хрестовини карданного шарніра призводить до швидкого зносу цапфи та її підшипника.

Під час технічного обслуговування карданний привід перевіряється шляхом різкого обертання карданного валу рукою в обох напрямках. За ступенем вільного обертання валу визначають знос карданних шарнірів і шліцьових з'єднань. Через кожні 8-10 тис. км пробігу перевіряється стан болтових з'єднань фланців веденого вала коробки передач і ведучого вала головної передачі з фланцями кінцевих карданних шарнірів і кріплення проміжної опори карданного вала. Також перевіряється стан гумових башмаків на шліцьових з'єднаннях і коркових ущільнень хрестовини карданної передачі. Всі болти кріплення повинні бути затягнуті повністю (момент затягування 8-10 кгс-м).

Голчасті підшипники карданних шарнірів змащуються рідким маслом, яке використовується для трансмісійних агрегатів; шліцьові з'єднання в більшості автомобілів змащуються консистентними мастилами (УС-1, УС-2, 1-13 та ін.); використання консистентного мастила для змащення голчастих підшипників категорично заборонено. У деяких автомобілях шліцьові з'єднання змащуються трансмісійним маслом. Проміжний опорний підшипник, встановлений в гумовій втулці, практично не потребує змащення, так як змащується при складанні на заводі. Опорний підшипник автомобіля ЗІЛ-130 змащується консистентним мастилом через напірний штуцер під час регулярного технічного обслуговування (кожні 1100-1700 км).

Малюнок 5. Карданний привід: 1 - фланець для кріплення карданного валу; 2 - хрестовина карданного шарніра; 3 - вилка карданного шарніра; 4 - вилка ковзання; 5 - труба карданного валу; 6 - голчастий підшипник із закритим кінцем

Карданний привід складається з двох карданних шарнірів з голчастими підшипниками, з'єднаних порожнистим валом, і вилки ковзання з евольвентними шліцами. Для забезпечення надійного захисту від бруду і хорошого змащення шліцьового з'єднання, вилка (6), з'єднана з вторинним валом (2) редуктора, розміщена в подовжувачі (1), прикріпленому до корпусу редуктора. Крім того, таке розташування шліцьового з'єднання (поза зоною між шарнірами) значно підвищує жорсткість карданної передачі і знижує ймовірність вібрацій вала при зносі ковзного шліцьового з'єднання.

Карданний вал виготовлений з тонкостінної електрозварної труби (8), в яку з кожного кінця запресовано два однакові вилки (9), а потім зварено дуговим зварюванням. Корпуси голчастих підшипників (18) хрестовини (25) запресовано у вушка вилок (9) та закріплено пружинними стопорними кільцями (20). Кожен підшипник карданного шарніра містить 22 голки (21). На виступаючі цапфи хрестовин запресовано штамповані ковпачки (24), в які встановлені коркові кільця (23). Змащування підшипників здійснюється за допомогою кутової маслянки (17), вкрученої в різьбовий отвір у центрі хрестовини, з'єднаної з наскрізними каналами в цапфах хрестовини. На протилежному боці хрестовини карданного шарніра в її центрі розташований запобіжний клапан (16), призначений для скидання надлишку мастила під час заповнення хрестовини та підшипників, а також для запобігання накопиченню тиску всередині хрестовини під час роботи (клапан спрацьовує при тиску близько 3,5 кг/см²). Необхідність включення запобіжного клапана пов'язана з тим, що надмірне підвищення тиску всередині хрестовини може призвести до пошкодження (екструзії) коркових ущільнювачів.

Малюнок 6. Карданний вал у зборі: 1 - подовжувач коробки передач; 2 - вторинний вал коробки передач; 3 і 5 - грязевідбійники; 4 - гумові ущільнювачі; 6 - вилка ковзання; 7 - балансирна пластина; 8 - труба карданного валу; 9 - вилка; 10 - фланець вилки; 11 - болт; 12 - фланець шестерні приводу заднього моста; 13 - пружинна шайба; 14 - гайка; 15 - задній міст; 16 - запобіжний клапан; 17 - кутовий масляний штуцер; 18 - голчастий підшипник; 19 - вушко вилки; 20 - стопорне кільце пружини; 21 - голка; 22 - шайба з тороїдальним кінцем; 23 - коркове кільце; 24 - штампований ковпак; 25 - хрестовина

Карданний вал, зібраний з обома універсальними шарнірами, ретельно динамічно збалансований з обох кінців шляхом приварювання балансувальних пластин (7) до труби. Тому під час розбирання вала всі його деталі необхідно ретельно позначити, щоб їх можна було знову зібрати у вихідне положення. Недотримання цієї інструкції порушує баланс вала, спричиняючи вібрації, які можуть пошкодити трансмісію та кузов автомобіля. Якщо окремі деталі зношуються, особливо якщо труба згинається внаслідок удару, і після складання динамічно збалансувати вал стає неможливо, необхідно замінити весь вал.

Можливі несправності карданного валу, їх причини та способи усунення

Причина несправності	Рішення
Вібрація приводного валу
1. Згинання вала через перешкоду	1. Випрямити та динамічно збалансувати зібраний вал або замінити зібраний вал
2. Знос підшипників і хрестовин	2. Замініть підшипники і хрестовини та виконайте динамічне балансування зібраного валу
3. Знос подовжувальних втулок і розсувного ярма	3. Замініть подовжувач і розсувне ярмо та виконайте динамічне балансування зібраного валу
Стукіт при рушанні та рушанні з місця
1. Знос шліців вилки ковзання або валу вторинного редуктора	1. Замініть зношені деталі. Під час заміни розсувного коромисла динамічно збалансуйте зібраний вал
2. Ослаблені болти кріплення фланця вилки до фланця шестерні приводу заднього моста	2. Затягніть болти
Викидання масла з ущільнювачів карданних шарнірів
Знос коркових кілець в карданних шарнірах	Замініть пробкові кільця, зберігаючи взаємне розташування всіх деталей карданного валу під час збирання. Якщо є знос хрестовин і підшипників, замініть підшипники і хрестовини та виконайте динамічне балансування зібраного валу

3. Балансування карданного валу

Після ремонту та складання карданного валу його динамічно балансують на верстаті. Одна з конструкцій балансувального верстата показана на рисунку 7. Верстат складається з плити (18), маятникової рами (8), встановленої на чотирьох вертикальних пружних стержнях (3), що забезпечують її коливання в горизонтальній площині. На поздовжніх трубах маятникової рами (8) встановлені кронштейн і передня бабка (9), закріплені на кронштейні (4). Задня бабка (6) знаходиться на рухомій траверсі (5), що дозволяє динамічно балансувати карданні вали різної довжини. Шпинделі бабок встановлені на прецизійних кулькових підшипниках. Шпиндель передньої бабки (9) приводиться в рух від електродвигуна, встановленого в станині верстата, через клинопасову передачу і проміжний вал, на якому закріплений лімб (10) (градуйований диск). Додатково на плиті верстата (18) встановлені дві стійки (15) з висувними стопорними штифтами (17), що забезпечують фіксацію переднього і заднього кінців маятникової рами в залежності від балансування переднього або заднього кінця приводного валу.

Малюнок 7. Верстат для динамічного балансування карданних валів

1-затискач; 2-демпфери; 3-пружна тяга; 4-кронштейн; 5-рухома траверса; 6-задня бабка; 7-хрестовина; 8-маятникова рама; 9-передня ведуча бабка; 10-лапа-диск; 11-мілівольтметр; 12-лапа вала комутатора-випрямляча; 13-магнітоелектричний датчик; 14-нерухома стійка; 15-стійка фіксатора; 16-опора; 17-фіксатор; 18-опорна плита.

Нерухомі стійки (14) кріпляться ззаду на плиті верстата, на них встановлюються магнітоелектричні датчики (13) зі стрижнями, з'єднаними з кінцями маятникової рами. Для запобігання резонансних коливань рами під кронштейнами (4) встановлені демпфери (2), заповнені 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.

Приводні вали мають деякі особливості балансування. Для більшості деталей базою для динамічного балансування є опорні шийки (наприклад, ротори електродвигунів, турбін, шпинделів, колінчастих валів тощо), але для карданних валів - це фланці. Під час складання неминуче виникають зазори в різних з'єднаннях, що призводять до дисбалансу. Якщо під час балансування не вдається досягти мінімального дисбалансу, вал бракується. На точність балансування впливають наступні фактори:

• Зазор в з'єднанні між посадковим поясом фланця приводного вала і внутрішнім отвором затискного фланця лівої і правої опорних бабок;
• Радіальне і торцеве биття базових поверхонь фланця;
• Зазори в шарнірних та шліцьових з'єднаннях. Наявність мастила в порожнині шліцьового з'єднання може призвести до «плаваючого» дисбалансу. Якщо це перешкоджає досягненню необхідної точності балансування, карданний вал балансується без мастила.

Деякі дисбаланси можуть бути повністю невиправними. Якщо в карданних шарнірах карданного валу спостерігається підвищене тертя, взаємний вплив площин корекції збільшується. Це призводить до зниження продуктивності і точності балансування.

Згідно з ОСТ 37.001.053-74 встановлено такі норми дисбалансу: карданні вали з двома шарнірами (двоопорні) балансуються динамічно, а з трьома (триопорні) – у зборі з проміжною опорою; фланці (вилки) карданних валів та муфти масою понад 5 кг статично балансуються перед складанням вала або муфти; норми залишкового дисбалансу для карданних валів на кожному кінці або на проміжній опорі тришарнірних карданних валів оцінюються за питомим дисбалансом;

Максимально допустима питома норма залишкового дисбалансу на кожному кінці вала або на проміжній опорі, а також для тришарнірних карданних валів у будь-якому положенні на балансувальному стенді не повинна перевищувати: для трансмісій легкових автомобілів та малотоннажних вантажівок (до 1 т) та дуже малих автобусів – 6 г-см/кг, для решти – 10 г-см/кг. Максимально допустима норма залишкового дисбалансу карданного вала або тришарнірного карданного вала повинна забезпечуватися на балансувальному стенді при частоті обертання, що відповідає їх частотам у трансмісії при максимальній швидкості руху транспортного засобу.

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 карданних валів та тришарнірних карданних валів вантажних автомобілів вантажопідйомністю 4 т і вище, малих та великих автобусів допускається зниження частоти обертання на балансувальному стенді до 70% частоти обертання трансмісійних валів при максимальній швидкості руху автомобіля. Згідно з ОСТ 37.001.053-74, частота обертання балансувальних карданних валів повинна дорівнювати:

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

де n_b – частота обертання балансування (повинна відповідати основним технічним даним стенду, n=3000 хв^-1); n_r – максимальна робоча частота обертання, хв^-1.

На практиці через зазори в шарнірах і шліцьових з'єднаннях карданний вал не може бути збалансований на рекомендованій частоті обертання. У цьому випадку вибирається інша частота обертання, при якій він балансується.

4. Сучасні балансувальні верстати для карданних валів

Малюнок 8. Балансувальний верстат для карданних валів довжиною до 2 метрів і вагою до 500 кг

Модель має 2 стійки і дозволяє балансувати в 2 площинах корекції.

Малюнок 9. Балансувальний верстат для карданних валів довжиною до 4200 мм і вагою до 400 кг

Модель має 4 стійки і дозволяє балансувати в 4 площинах корекції одночасно.

Малюнок 10. Горизонтальний балансувальний верстат для динамічного балансування карданних валів з жорсткими підшипниками

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. Елементи підтримки верстата для динамічного балансування карданних валів

1 - ліва нерегульована опора; 2 - проміжна регульована опора (2 шт.); 3 - права нерегульована нерухома опора; 4 - рукоятка фіксації опорної рами; 5 - рухома опорна платформа; 6 - гайка вертикального регулювання опори; 7 - рукоятки фіксації вертикального положення; 8 - затискний кронштейн опори; 9 - рухомий затискач проміжного підшипника; 10 - рукоятка фіксації затискача; 11 - фіксатор затискного кронштейна; 12 - приводний (ведучий) шпиндель для установки виробу; 13 - ведений шпиндель

5. Підготовка до балансування карданного валу

Нижче ми розглянемо налаштування опор верстата та встановлення балансувального елемента (чотириопорного карданного валу) на опори верстата.

Малюнок 12. Встановлення перехідних фланців на шпинделі балансувального верстата

Малюнок 13. Встановлення карданного валу на опори балансувального верстата

Малюнок 14. Вирівнювання карданного валу по горизонталі на опорах балансувального верстата за допомогою бульбашкового рівня

Малюнок 15. Фіксація проміжних опор балансувального верстата для запобігання вертикальному зміщенню карданного валу

Поверніть елемент вручну на повний оберт. Переконайтеся, що він обертається вільно і без заклинювання на опорах. Після цього механічна частина верстата налаштована, і встановлення елемента завершено.

6. Процедура балансування карданного валу

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.

Крім того, прилад дозволяє відображати графіки часової функції і спектра вібрації за віброшвидкістю, що може бути корисним при оцінці технічного стану збалансованої машини.

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. Встановіть датчики вібрації 1, 2, 3, 4 на опори балансувального верстата.
2. Підключіть датчики вібрації до роз'ємів X1, X2, X3, X4.
3. Встановіть датчик фазового кута (лазерний тахометр) 5 так, щоб номінальний зазор між радіальною (або торцевою) поверхнею збалансованого ротора і корпусом датчика знаходився в діапазоні від 10 до 300 мм.
4. Прикріпіть до поверхні ротора світловідбиваючу стрічку шириною не менше 10-15 мм.
5. Підключіть датчик фазового кута до роз'єму X5.
6. Підключіть вимірювальний пристрій до USB-порту комп'ютера.
7. Якщо ви використовуєте мережеве живлення, підключіть комп'ютер до блоку живлення.
8. Підключіть блок живлення до мережі 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 виконанням балансування рекомендується провести вимірювання в режимі віброметра (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

Якщо загальна величина вібрації V1s (V2s) приблизно відповідає величині обертальної складової V1o (V2o), можна припустити, що основний внесок у вібрацію механізму зумовлений дисбалансом ротора. Якщо загальна величина вібрації V1s (V2s) значно перевищує обертальну складову V1o (V2o), рекомендується оглянути механізм – перевірити стан підшипників, забезпечити надійне кріплення на фундаменті, переконатися, що ротор не контактує з нерухомими деталями під час обертання, та врахувати вплив вібрацій від інших механізмів тощо.

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. Функція часу коливань та графіки спектру

Графік показує, на яких частотах рівні вібрації найвищі. Якщо ці частоти відрізняються від частоти обертання ротора збалансованого механізму, необхідно визначити джерела цих складових вібрації та вжити заходів для їх усунення перед балансуванням.

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 неспіввісність: 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.

Також важливо звернути увагу на стабільність показань в режимі віброметра - амплітуда і фаза вібрації не повинні змінюватися більш ніж на 10-151ТП3Т під час вимірювання. В іншому випадку механізм може працювати поблизу резонансної області. В такому випадку слід відрегулювати частоту обертання 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 кожним наступним запуском слід виконати наступні кроки:

• Зупиніть обертання ротора збалансованої машини.
• Зніміть раніше встановлений пробний вантаж.
• Встановіть пробний вантаж у наступній площині.

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

Після завершення кожного вимірювання результати частоти обертання ротора (N_об), а також середньоквадратичні значення (V_o1, V_o2, V_o3, V_o4) і фаз (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) та кути встановлення (f₁, f₂, f₃, f₄) коригувальних вантажів, які потрібно встановити на ротор у чотирьох площинах, щоб компенсувати його 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

Струнко! Після завершення процесу вимірювання під час п'ятого запуску збалансованої машини необхідно зупинити обертання ротора та зняти раніше встановлену пробну гирю. Тільки після цього можна продовжувати встановлення (або зняття) коригувальних вантажів на ротор.

Кутове положення для додавання (або видалення) коригувального вантажу на роторі в полярній системі координат вимірюється від місця встановлення пробного вантажу. Напрямок вимірювання кута збігається з напрямком обертання ротора. У разі балансування лопатями лопать збалансованого ротора, умовно розглядається як 1-ша лопать, збігається з місцем встановлення пробного вантажу. Напрямок нумерації лопатей, що відображається на дисплеї комп'ютера, відповідає напрямку обертання 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_об) та середньоквадратичні значення (V_o1, V_o2, V_o3, V_o4) та фаз (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. Рекомендовані класи точності балансування для жорстких роторів

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.

Таблиця 2. Рекомендовані класи точності балансування для жорстких роторів.

Типи машин (роторів)	Клас точності балансування	Balance quality grade G = eза·Ω, mm/s
Приводні колінчасті вали (конструктивно незбалансовані) для великих низькообертових суднових дизельних двигунів (швидкість поршня менше 9 м/с)	G 4000	4000
Приводні колінчасті вали (конструктивно збалансовані) для великих низькообертових суднових дизельних двигунів (швидкість поршня менше 9 м/с)	G 1600	1600
Привідні колінчасті вали (конструктивно неврівноважені) на віброізоляторах	G 630	630
Привідні колінчасті вали (конструктивно неврівноважені) на жорстких опорах	G 250	250
Поршневі двигуни в зборі для легкових, вантажних автомобілів і локомотивів	G 100	100
Привідні колінчасті вали (конструктивно збалансовані) на віброізоляторах	G 40	40
Car wheels, wheel rims, wheel sets, drive shafts (cardan shafts)	G 40	40
Сільськогосподарські машини	G 16	16
Привідні колінчасті вали (збалансовані) на жорстких опорах	G 16	16
Дробарки	G 16	16
Drive shafts (propeller / cardan shafts) with special requirements	G 16	16
Авіаційні газові турбіни	G 6.3	6.3
Центрифуги (сепаратори, відстійники)	G 6.3	6.3
Електродвигуни та генератори (з висотою валу не менше 80 мм) з максимальною номінальною швидкістю обертання до 950 хв-1	G 6.3	6.3
Електродвигуни з висотою вала менше 80 мм	G 6.3	6.3
Вентилятори	G 6.3	6.3
Зубчасті передачі	G 6.3	6.3
Машини загального призначення	G 6.3	6.3
Металорізальні верстати	G 6.3	6.3
Папероробні машини	G 6.3	6.3
Насоси	G 6.3	6.3
Турбокомпресори	G 6.3	6.3
Водяні турбіни	G 6.3	6.3
Компресори	G 6.3	6.3
Приводи з комп'ютерним керуванням	G 2.5	2.5
Електродвигуни та генератори (з висотою валу не менше 80 мм) з максимальною номінальною частотою обертання понад 950 хв-1	G 2.5	2.5
Газові та парові турбіни	G 2.5	2.5
Приводи металорізальних верстатів	G 2.5	2.5
Текстильні машини	G 2.5	2.5
Накопичувачі для аудіо- та відеообладнання	G 1	1
Приводи шліфувальних верстатів	G 1	1
Шпинделі та приводи високоточного обладнання	G 0.4	0.4

Часті запитання про балансування карданного валу

Що таке балансування карданного валу?

Балансування карданного валу – це процес виправлення будь-якого дисбалансу маси карданного валу, щоб він обертався плавно, не спричиняючи вібрацій. Це включає вимірювання місця, де вал важчий з одного боку, а потім додавання або видалення невеликої кількості ваги (наприклад, приварювання балансувальних вантажів) для протидії цьому дисбалансу. Збалансований карданний вал працює рівномірно, що запобігає надмірній вібрації та зносу компонентів автомобіля.

Чому важлива балансування карданного валу?

Незбалансований карданний вал може призвести до сильних вібрацій, особливо на певних швидкостях, а також може спричиняти стукіт під час розгону або перемикання передач. З часом ці вібрації можуть пошкодити підшипники, універсальні шарніри та інші компоненти трансмісії. Балансування карданного валу усуває ці вібрації, забезпечуючи плавнішу їзду, зменшуючи навантаження на деталі та запобігаючи дорогим пошкодженням або простоям.

Які поширені симптоми незбалансованого карданного валу?

Типовими симптомами незбалансованого або несправного карданного валу є помітна вібрація або тремтіння в підлозі чи сидінні автомобіля, особливо зі збільшенням швидкості. Ви також можете чути стукіт або брязкіт під час перемикання передач або під час розгону та гальмування. У деяких випадках карданний шарнір може перегріватися через дисбаланс. Якщо ви спостерігаєте ці ознаки, ймовірно, карданний вал потребує балансування або ремонту.

Як збалансувати карданний 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.

Висновок

На завершення, правильне балансування карданного валу є важливим для безпеки, продуктивності та економії коштів. 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.

Якщо ви зіткнулися з постійною вібрацією карданного валу або вам потрібне надійне рішення для балансування, не зволікайте. Виконайте кроки, описані в цьому посібнику, або зверніться за допомогою до наших експертів. Завдяки правильному підходу та обладнанню ви можете забезпечити безперебійну та надійну роботу вашого карданного валу протягом багатьох років. Зв'яжіться з нами щоб дізнатися більше або ознайомитися з найкращим обладнанням для балансування карданних валів для ваших потреб.