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.

Працюєте з автомобілем? Дивіться балансування приводного вала на автомобілі без демонтажу.

Балансування приводного вала в автомобілі: реальна робота крок за кроком

Наведені нижче фотографії зроблені під час реального балансування, виконаного з автомобілем на підйомнику. Карданний вал жодного разу не знімався: датчики закріплені на самому автомобілі, вал розкручується двигуном через трансмісію, а коригувальний вантаж встановлюється знизу. Так вал залишається у власних підшипниках і під власними робочими кутами, тому результат відображає те, як вузол реально працює — те, що стендовий балансувальний верстат не може повністю відтворити.

Рисунок 24. Датчик вібрації, встановлений на корпусі головної передачі, якомога ближче до опорного підшипника приводного вала.

Рисунок 25. Лазерний тахометр, спрямований на смужку відбивної стрічки на валу — він надає як швидкість обертання, так і фазовий кут дисбалансу.

Рисунок 26. Коригувальний вантаж закріплений на трубі вала нержавіючим шланговим хомутом під кутом і масою, розрахованими програмним забезпеченням.

Повна процедура — розміщення датчиків, безпечні тестові запуски, перевірки пробної маси та залишкової вібрації — описана в балансування приводного вала на автомобілі без демонтажу.

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. Як відбалансувати карданний вал: покрокова інструкція
• 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.

Карданна передача має суттєвий недолік — нерівномірне обертання валів. Якщо один вал обертається рівномірно, інший — ні, і ця нерівномірність зростає зі збільшенням кута між валами. Через це обмеження карданну передачу не можна використовувати в багатьох застосуваннях, наприклад у трансмісії передньопривідних автомобілів, де головне завдання — передати крутний момент на керовані колеса, що повертаються. Цей недолік можна частково компенсувати, використовуючи два карданних шарніри на одному валу, встановлені під рівними кутами (γ1 = γ2), коли вилки на обох кінцях проміжного вала лежать в одній площині (синфазно). Вилки, зміщені на 90° одна відносно одної, не скасовують нерівномірність — вони її підсилюють. Однак там, де потрібне рівномірне обертання, зазвичай використовують шарніри рівних кутових швидкостей (ШРКШ, CV joints). ШРКШ — більш досконала, але й складніша конструкція, що виконує ту саму функцію.

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.

Пружні карданні шарніри передають крутний момент між валами, осі яких перетинаються під кутом 2...3°, за рахунок пружної деформації з'єднувальних елементів. Жорсткий карданний шарнір нерівномірної швидкості передає крутний момент від одного вала до іншого через рухоме з'єднання жорстких деталей. Він складається з двох вилок – 3 і 5, в циліндричні отвори яких на підшипниках встановлені кінці А, Б, В і Г з'єднувального елемента – хрестовини 4. Вилки жорстко з'єднані з валами 1 і 2. Вилка 5 може обертатися навколо осі Б–Г хрестовини і одночасно, разом з хрестовиною, обертатися навколо осі А–В, забезпечуючи тим самим передачу обертання від одного вала до іншого зі зміною кута між ними.

Рисунок 2. Схема жорсткого нерівномірного карданного шарніра

Якщо вал 1 повертається навколо своєї осі на кут α, то вал 2 за той самий період повернеться на кут β. Співвідношення між кутами повороту валів 1 і 2 визначається виразом tanα = tanβ * cosγ, де γ — кут, під яким розташовані осі валів. Цей вираз показує, що кут β іноді менший, дорівнює або більший за кут α. Рівність цих кутів настає кожні 90° обертання вала 1. Тому при рівномірному обертанні вала 1 кутова швидкість вала 2 нерівномірна і змінюється за синусоїдальним законом. Нерівномірність обертання вала 2 стає значнішою зі збільшенням кута γ між осями валів.

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

Максимальний кут між осями валів, з'єднаних жорсткими карданними шарнірами нерівномірної швидкості, зазвичай не перевищує 20°, оскільки при більших кутах ефективність значно знижується. Якщо кут між осями валів змінюється в межах 0...2°, цапфи хрестовини деформуються голчастими підшипниками, через що карданний шарнір швидко виходить з ладу.

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-лімб-диск; 11-мілівольтметр; 12-лімб 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.

Під час динамічного балансування на верстаті встановлюється та закріплюється вузол карданного вала з ковзною вилкою. Один кінець карданного вала з'єднується фланцем-вилкою з фланцем передньої ведучої бабки, а інший кінець – опорною шийкою ковзної вилки зі шліцьовою втулкою задньої бабки. Потім перевіряється легкість обертання карданного вала, а один кінець маятникової рами верстата фіксується за допомогою фіксатора. Після запуску верстата лімб випрямляча повертається проти годинникової стрілки, доводячи стрілку мілівольтметра до максимального значення. Показання мілівольтметра відповідає величині дисбалансу. Шкала мілівольтметра градуйована в грам-сантиметрах або грамах противаги. Продовжуючи обертати лімб випрямляча проти годинникової стрілки, показання мілівольтметра доводять до нуля, і верстат зупиняють. За показанням лімба випрямляча визначають кутове зміщення (кут зміщення дисбалансу), і, вручну обертаючи карданний вал, це значення встановлюють на лімбі проміжного вала. Місце зварювання балансувальної пластини буде зверху карданного вала, а обтяжена частина – знизу в площині корекції. Потім балансувальну пластину кріплять і обв'язують тонким дротом на відстані 10 мм від зварного шва, запускають верстат і перевіряють баланс кінця карданного вала з пластиною. Дисбаланс повинен бути не більше 70 г·см (700 г·мм). Потім, звільнивши один кінець і закріпивши інший кінець маятникової рами стійкою фіксатора, виконують динамічне балансування іншого кінця карданного вала за описаною вище технологічною послідовністю.

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.

Примітка: OST 37.001.053-74 — це радянський галузевий стандарт автомобільної промисловості 1974 року, наведений тут як історична довідка. У сучасних термінах 6 г·см/кг при 3 000 об/хв відповідає приблизно G 19, а 10 г·см/кг — приблизно G 31 — вимога OST перебуває між G 16 і G 40, що узгоджується з класами ISO 21940-11 (раніше ISO 1940-1) для приводних валів. Нові роботи вказуйте в класах ISO 21940-11.

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 – Об'єкт балансування (приводний вал); 2 – Основа машини; 3 – Опори машини; 4 – Привод машини; Конструктивні елементи опор машини показані на рисунку 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. Як відбалансувати карданний вал: покрокова інструкція

Який комплект мені потрібен? Машині з двома опорами, що коригує в двох площинах (рис. 8), потрібен двоканальний «Balanset-1A». Машині з чотирма опорами, що коригує одночасно в чотирьох площинах (рис. 9, і процедура нижче), потрібен чотириканальний «Balanset-4A». Робочий процес вимірювання і розрахунку ідентичний; відрізняється лише кількість каналів. Процедура нижче описана для чотириплощинної установки, тоді як знімки екрана програми показують той самий робочий процес на двоплощинному «Balanset-1A» — на «Balanset-4A» ті самі екрани просто додають площини 3 і 4.

Процес балансування карданного вала на балансувальному верстаті буде розглянуто на прикладі вимірювальної системи «Balanset-4A». «Balanset-4A» — це портативний балансувальний комплект, призначений для балансування в одній, двох, трьох і чотирьох площинах корекції роторів, що обертаються у власних підшипниках або встановлені на балансувальному верстаті. Прилад включає до чотирьох датчиків вібрації, датчик фазового кута, чотириканальний вимірювальний блок і портативний комп'ютер.

Весь процес балансування, включно з вимірюванням, обробкою та відображенням інформації про величину та розташування коригувальних вантажів, виконується автоматично і не вимагає від користувача додаткових навичок і знань, окрім наданих інструкцій. Результати всіх операцій балансування зберігаються в Balancing Archive і за потреби можуть бути роздруковані як звіти. Окрім балансування, «Balanset-4A» також можна використовувати як звичайний віброспідометр, що дозволяє вимірювати на чотирьох каналах середньоквадратичне (RMS) значення загальної вібрації, RMS обертальної складової вібрації та контролювати частоту обертання ротора.

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

Рисунок 16. Зовнішній вигляд пристрою Balanset-4A для використання як вимірювально-обчислювальної системи верстата для балансування приводних валів

Рисунок 17. Приклад використання пристрою Balanset-4A як вимірювально-обчислювальної системи верстата для балансування приводних валів

Рисунок 18. Головне вікно програми Balanset: F1 - About, F5 - Vibration Meter, F7 - Balancing, F8 - Charts, F6 - Reports

Пристрій Balanset-4A постачається з датчиками вібрації. Датчики акселерометричного типу; програмне забезпечення інтегрує їхній сигнал і відображає швидкість вібрації в мм/с RMS.

Рисунок 19. Встановлення датчиків вібрації Balanset-4A на опорах балансувального верстата

Напрямок осі чутливості датчиків має збігатися з напрямком вібраційного зміщення опори, у цьому випадку – горизонтальним. Додаткову інформацію про встановлення датчиків див. БАЛАНСУВАННЯ РОТОРІВ В УМОВАХ ЕКСПЛУАТАЦІЇ.

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. Увімкніть комп'ютер і запустіть програмне забезпечення Balanset.
10. Відкрийте робочу область балансування кнопкою “F7 - Balancing” і встановіть потрібну кількість площин корекції в полі “Plane count”, щоб вібрація вимірювалася одночасно датчиками вібрації, підключеними до входів вимірювального блоку.
11. На дисплеї комп'ютера з'являється мнемонічна схема, що ілюструє підключення датчиків і вимірювального блоку, як показано на рисунку 18.

Перед виконанням балансування рекомендується провести вимірювання в режимі віброметра (кнопка F5).

Рисунок 20. Режим Vibration Meter (F5): загальна вібрація V1s, V2s і обертальні складові V1o, V2o з фазами F1, F2, відображені як швидкість вібрації в мм/с 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.

Тут може бути корисним вивчення графіків функції часу та спектрів вібрації в режимі діаграм (“F8 - Charts”, вкладка “F5-Spectrum (Hz)”).

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.

Читання спектра приводного вала: 1x — це дисбаланс, 2x може бути самим шарніром. Домінуючий пік на частоті обертання (1x) вказує на дисбаланс — саме це усуває балансування. Домінуючий пік на подвійній частоті обертання (2x), особливо разом із сильною осьовою вібрацією, вказує на кути шарнірів, зношені хрестовини чи шліци, або неспіввісність: карданний шарнір, що працює під кутом γ, змушує ведену вилку двічі за оберт випереджати і відставати, тому він створює складову 2x навіть коли вал ідеально збалансований. Балансування її не усуне — спочатку зрівняйте кути шарнірів (γ1 = γ2) і перевірте шарніри. У режимі діаграм («F8 - Charts») вкладка «F5-Spectrum (Hz)» показує спектр, а вкладка «F3-1x vibration» — обертальну складову; при 3000 min^-1 1x = 50 Гц та 2x = 100 Гц.

Також важливо звернути увагу на стабільність показань в режимі віброметра - амплітуда і фаза вібрації не повинні змінюватися більш ніж на 10-15% під час вимірювання. В іншому випадку механізм може працювати поблизу резонансної області. В такому випадку слід відрегулювати частоту обертання ротора.

При виконанні чотириплощинного балансування нового ротора потрібні п'ять калібрувальних запусків і щонайменше один уточнювальний запуск (Run T) для збалансованої машини. Вимірювання вібрації під час першого запуску машини без пробного вантажу виконується як Run 0 у робочій області балансування. Наступні запуски виконуються з пробним вантажем, послідовно встановленим на карданному валу в кожній площині корекції (в зоні кожної опори балансувального верстата).

Перед кожним наступним запуском слід виконати наступні кроки:

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

Рисунок 22. Робоча область балансування (“F7 - Balancing”) під час вимірювального запуску: Run 0 - початковий, запуски з пробною масою Run 1 і Run 2, та тримувальний запуск 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) вібрації на частоті обертання балансованого ротора зберігаються у відповідних полях вікна програми. Після п'ятого запуску (Weight in Plane 4) з'являються результати балансування з полярною діаграмою (див. рис. 23), що відображає розраховані значення мас (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.

Рисунок 23. Полярна діаграма результату балансування: розраховані коригувальні маси та кути для кожної площини, виміряні від позиції пробної маси в напрямку обертання

Увага! 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.

У цій версії програми за замовчуванням передбачається, що коригувальний вантаж буде додано до ротора. Це вказує позначка, встановлена в полі «Add mass». Якщо потрібно скоригувати дисбаланс шляхом зняття вантажу (наприклад, свердлінням), встановіть позначку в полі «Remove mass» за допомогою миші, після чого кутове положення коригувального вантажу автоматично зміниться на 180 градусів.

Після встановлення коригувальних вантажів на збалансований ротор виконайте тримувальний запуск (Run T), щоб перевірити ефективність операції балансування. Після завершення тримувального запуску результати частоти обертання ротора (N_об) та середньоквадратичні значення (V_o1, V_o2, V_o3, V_o4) та фаз (F₁, F₂, F₃, F₄) вібрації на частоті обертання балансованого ротора зберігаються. Одночасно оновлюються результати балансування (див. рис. 23), що відображають розрахункові параметри додаткових коригувальних вантажів, які потрібно встановити (або зняти) на роторі для компенсації його залишкового дисбалансу. Крім того, в цій робочій області показані значення залишкового дисбалансу, досягнутого після балансування. Якщо значення залишкової вібрації та/або залишкового дисбалансу балансованого ротора відповідають вимогам допуску, зазначеним у технічній документації, процес балансування можна завершити. В іншому випадку процес балансування можна продовжити. Цей метод дозволяє виправляти можливі помилки послідовними наближеннями, які можуть виникати під час встановлення (зняття) коригувального вантажу на балансованому роторі.

Якщо процес балансування продовжується, на збалансований ротор потрібно встановити (або зняти) додаткові коригувальні вантажі відповідно до розрахованих параметрів, показаних у результатах балансування.

Коефіцієнти балансування ротора (динамічні коефіцієнти впливу), розраховані за результатами п'яти калібрувальних запусків, зберігаються в пам'яті комп'ютера й можуть бути повторно використані за допомогою функції “Load Coefficients” під час балансування роторів того самого типу.

7. Рекомендовані класи точності балансування для жорстких роторів

Наведені нижче класи є класами якості балансу G за ISO 1940-1, які без зміни значень замінено на ISO 21940-11:2016. Клас визначається як G = e_за·Ω, де e_за це допустимий питомий залишковий дисбаланс (г·мм/кг = мкм), а Ω = 2πn/60 — робоча кутова швидкість (рад/с). Допустимий залишковий дисбаланс визначається як U_за = 9549·G·M/n [г·мм], розподілене між площинами корекції. Див. наш ISO 1940-1 стаття глосарію.

Клас за замовчуванням для карданного вала дорожнього транспортного засобу — G 40; G 16 застосовується, коли креслення чи специфікація OEM вимагають особливих умов. Зверніть увагу, що залишковий дисбаланс і вібрація — це окремі критерії приймання: вібрація зібраної машини оцінюється за ISO 20816 (раніше ISO 10816) — див. наш ISO 10816-1 стаття глосарію.

Таблиця класів G застосовується лише до жорстких роторів — роторів, робоча швидкість яких залишається нижче приблизно 0,5…0,7 першої згинальної критичної швидкості. Довгі карданні вали (2 м і довші, а також будь-який вал з проміжною опорою) можуть наблизитися до цієї межі: перевірте першу критичну швидкість вала як відносно робочої швидкості, так і відносно швидкості балансування. Якщо вал на робочій швидкості гнучкий, використовуйте модальну / багатошвидкісну процедуру (ISO 21940-12) — двоплощинна корекція для жорсткого ротора не втримається.

Таблиця 2. Рекомендовані класи точності балансування для жорстких роторів.

Типи машин (роторів)	Клас точності балансування	Клас якості балансування 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
Автомобільні колеса, обода, колісні пари, приводні вали (карданні вали)	G 40	40
Сільськогосподарські машини	G 16	16
Привідні колінчасті вали (збалансовані) на жорстких опорах	G 16	16
Дробарки	G 16	16
Приводні вали (гвинтові / карданні вали) зі спеціальними вимогами	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?

Балансування карданного вала зазвичай виконується за допомогою спеціалізованого балансувального верстата. Карданний вал встановлюється і розкручується на високій швидкості, поки датчики виявляють будь-який дисбаланс. Потім технік у певних місцях кріпить до карданного вала невеликі вантажі (або видаляє матеріал) на основі показань верстата. Цей процес повторюється, поки карданний вал не почне обертатися без помітної вібрації. Сучасні системи, такі як «Balanset-4A», можуть спрямовувати цей процес і точно розраховувати, де і скільки вантажу додати для точного балансування.

Висновок

На завершення, правильне балансування карданного валу є важливим для безпеки, продуктивності та економії коштів. Виявляючи та усуваючи дисбаланс, ви запобігаєте зайвому зношуванню деталей, уникаєте руйнівних поломок і підтримуєте оптимальну роботу машини. Сучасні системи балансування, як-от наші пристрої Balanset-1A і Balanset-4A, роблять цей процес ефективним, допомагаючи навіть невеликим майстерням досягати професійних результатів.

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.