Cân bằng trục truyền động: Hướng dẫn toàn diện

Hãy tưởng tượng bạn đang lái xe tải và đột nhiên cảm thấy rung lắc mạnh hoặc nghe thấy tiếng kêu lớn khi tăng tốc hoặc chuyển số. Đây không chỉ là một sự phiền toái — nó có thể là dấu hiệu của trục truyền động không cân bằng. Đối với các kỹ sư và kỹ thuật viên, những rung động và tiếng ồn như vậy cho thấy hiệu suất giảm, các bộ phận bị mài mòn nhanh hơn và thời gian ngừng hoạt động tiềm ẩn chi phí cao nếu không được xử lý.

Trong hướng dẫn toàn diện này, chúng tôi cung cấp các giải pháp thiết thực cho các vấn đề cân bằng trục truyền động. Bạn sẽ tìm hiểu trục truyền động là gì và tại sao cần cân bằng, nhận biết các trục trặc thường gặp gây ra rung động hoặc tiếng ồn, và làm theo quy trình từng bước rõ ràng để cân bằng trục truyền động động. Bằng cách áp dụng những phương pháp tối ưu này, bạn có thể tiết kiệm chi phí sửa chữa, giảm thời gian khắc phục sự cố và đảm bảo máy móc hoặc phương tiện của bạn hoạt động đáng tin cậy với độ rung tối thiểu.

Table of Contents

• 1. Types of Driveshafts
• 2. Universal Joint Drive Malfunctions
• 3. Driveshaft Balancing
• 4. Modern Balancing Machines for Driveshafts
• 5. Preparation for Driveshaft Balancing
• 6. Driveshaft Balancing Procedure
• 7. Recommended Balancing Accuracy Classes for Rigid Rotors

1. Types of Driveshafts

A universal joint drive (driveshaft) is a mechanism that transmits torque between shafts that intersect at the center of the universal joint and can move relative to each other at an angle. In a vehicle, the driveshaft transmits torque from the gearbox (or transfer case) to the driven axles in the case of a classical or all-wheel-drive configuration. For all-wheel-drive vehicles, the universal joint usually connects the driven shaft of the gearbox to the drive shaft of the transfer case, and the driven shafts of the transfer case to the drive shafts of the main drives of the driven axles.

Các bộ phận lắp trên khung (như hộp số và hộp chuyển số) có thể di chuyển tương đối với nhau do sự biến dạng của các giá đỡ và bản thân khung. Trong khi đó, các trục dẫn động được gắn vào khung thông qua hệ thống treo và có thể di chuyển tương đối với khung và các bộ phận lắp trên đó do sự biến dạng của các bộ phận đàn hồi của hệ thống treo. Chuyển động này không chỉ có thể thay đổi góc của trục dẫn động kết nối các bộ phận mà còn cả khoảng cách giữa các bộ phận.

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 double universal joints on one shaft, which are turned a quarter of a turn relative to each other. 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.

Universal joint drives can consist of one or more universal joints connected by driveshafts and intermediate supports.

Figure 1. Diagram of a universal joint drive: 1, 4, 6 — driveshafts; 2, 5 — universal joints; 3 — compensating connection; u1, u2 — angles between shafts

Nhìn chung, bộ truyền động khớp vạn năng bao gồm các khớp vạn năng 2 và 5, trục truyền động 1, 4 và 6, và một kết nối bù 3. Đôi khi, trục truyền động được lắp trên một giá đỡ trung gian gắn vào thanh ngang khung xe. Khớp vạn năng đảm bảo truyền mô-men xoắn giữa các trục có trục giao nhau ở một góc. Khớp vạn năng được chia thành loại không đồng đều và loại có vận tốc không đổi. Khớp có vận tốc không đồng đều được phân loại thành loại đàn hồi và loại cứng. Khớp có vận tốc không đổi có thể là loại bi có rãnh chia, loại bi có cần chia và loại cam. Chúng thường được lắp trong bộ truyền động của bánh xe dẫn động có điều khiển, tại đó góc giữa các trục có thể đạt tới 45° và tâm của khớp vạn năng phải trùng với điểm giao nhau của trục quay của bánh xe và trục quay của nó.

Khớp vạn năng đàn hồi truyền mô-men xoắn giữa các trục có trục giao nhau ở góc 2...3° do biến dạng đàn hồi của các chi tiết kết nối. Khớp vận tốc không đều cứng truyền mô-men xoắn từ trục này sang trục khác thông qua khớp nối chuyển động của các chi tiết cứng. Nó bao gồm hai vấu - 3 và 5, được lắp vào các lỗ hình trụ, trong đó các đầu A, B, V và G của chi tiết kết nối - chữ thập 4, được lắp trên các ổ trục. Các vấu được kết nối cứng với trục 1 và 2. Vấu 5 có thể quay quanh trục BG của chữ thập và đồng thời, cùng với chữ thập, quay quanh trục AV, do đó cho phép truyền chuyển động quay từ trục này sang trục khác với góc giữa chúng thay đổi.

Figure 2. Diagram of a rigid non-uniform velocity universal joint

If shaft 7 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 7 and 2 is determined by the expression tanα = tanβ * cosγ, trong đó γ là góc mà trục của các trục được định vị. Biểu thức này chỉ ra rằng góc β đôi khi nhỏ hơn, bằng hoặc lớn hơn góc α. Sự bằng nhau của các góc này xảy ra sau mỗi 90° quay của trục 7. Do đó, khi trục 1 quay đều, vận tốc góc của trục 2 không đều và thay đổi theo quy luật sin. Độ không đều của chuyển động quay của trục 2 trở nên đáng kể hơn khi góc γ giữa các trục của trục tăng lên.

If the non-uniform rotation of shaft 2 is transmitted to the shafts of the units, additional pulsating loads will occur in the transmission, increasing with the angle γ. To prevent the non-uniform rotation of shaft 2 from being transmitted to the unit shafts, two universal joints are used in the universal joint drive. They are installed so that the angles γ1 and γ2 are equal; the forks of the universal joints, fixed on the non-uniformly rotating shaft 4, should be positioned in the same plane.

Thiết kế các bộ phận chính của bộ truyền động khớp vạn năng được thể hiện trong Hình 3. Một khớp vạn năng vận tốc không đều bao gồm hai vấu (1) được nối với nhau bằng một chữ thập (3). Một trong hai vấu đôi khi có mặt bích, trong khi vấu còn lại được hàn vào ống trục truyền động hoặc có đầu có khía (6) (hoặc ống lót) để kết nối với trục truyền động. Các chốt của vấu được lắp vào mắt của cả hai vấu trên ổ trục kim (7). Mỗi ổ trục được đặt trong một hộp (2) và được giữ trong mắt của vấu bằng một nắp, được gắn vào vấu bằng hai bu lông được khóa bằng các chốt trên vòng đệm. Trong một số trường hợp, ổ trục được cố định trong vấu bằng các vòng chặn. Để duy trì bôi trơn trong ổ trục và bảo vệ ổ trục khỏi nước và bụi bẩn, có một phớt cao su tự siết chặt. Khoang bên trong của vấu được đổ đầy mỡ thông qua một đầu nối mỡ, đầu nối này đến ổ trục. Vấu thường có một van an toàn để bảo vệ phớt khỏi bị hư hỏng do áp suất mỡ được bơm vào vấu. Kết nối có khía (6) được bôi trơn bằng khớp nối mỡ (5).

Figure 3. Details of a rigid non-uniform velocity universal joint

Góc tối đa giữa các trục của trục được kết nối bằng khớp vạn năng cứng không đồng đều vận tốc thường không vượt quá 20°, vì hiệu suất giảm đáng kể ở các góc lớn hơn. Nếu góc giữa các trục trục thay đổi trong khoảng 0...2%, các chốt của chữ thập bị biến dạng bởi ổ trục kim, khiến khớp vạn năng nhanh chóng bị hỏng.

Trong hệ thống truyền động của xe xích tốc độ cao, người ta thường sử dụng khớp nối vạn năng với loại khớp nối bánh răng, cho phép truyền mô-men xoắn giữa các trục có trục giao nhau ở góc lên tới 1,5...2°.

Driveshafts are typically made tubular, using special steel seamless or welded tubes. The yokes of the universal joints, splined sleeves, or tips are welded to the tubes. To reduce the transverse loads acting on the driveshaft, dynamic balancing is performed with the universal joints assembled. Imbalance is corrected by welding balancing plates to the driveshaft or sometimes by installing balancing plates under the bearing caps of the universal joints. The relative position of the splined connection parts after assembly and balancing of the universal joint drive at the factory is usually marked with special labels.

The compensating connection of the universal joint drive is usually made in the form of a splined connection, allowing axial movement of the universal joint drive parts. It consists of a splined tip that fits into the splined sleeve of the universal joint drive. Lubrication is introduced into the splined connection through a grease fitting or applied during assembly and replaced after prolonged use of the vehicle. A seal and a cover are typically installed to prevent grease leakage and contamination.

For long driveshafts, intermediate supports are usually used in universal joint drives. An intermediate support typically consists of a bracket bolted to the vehicle frame cross member, in which a ball bearing is mounted in a rubber elastic ring. The bearing is sealed on both sides with caps and has a lubrication device. The elastic rubber ring helps to compensate for assembly inaccuracies and bearing misalignment that may occur due to frame deformations.

A universal joint with needle bearings (Figure 4a) consists of yokes, a cross, needle bearings, and seals. The cups with needle bearings are fitted onto the trunnions of the cross and sealed with seals. The cups are secured in the yokes with snap rings or caps fastened with screws. Universal joints are lubricated through a grease fitting via internal drillings in the cross. A safety valve is used to eliminate excess oil pressure in the joint. During uniform rotation of the driving yoke, the driven yoke rotates non-uniformly: it advances and lags behind the driving yoke twice per revolution. To eliminate non-uniform rotation and reduce inertial loads, two universal joints are used.

In the drive to the front driving wheels, constant velocity universal joints are installed. The constant velocity joint drive of GAZ-66 and ZIL-131 vehicles consists of yokes 2, 5 (Figure 4b), four balls 7, and a central ball 8. The driving yoke 2 is integral with the inner axle shaft, while the driven yoke is forged together with the outer axle shaft, at the end of which the wheel hub is fixed. The driving moment from yoke 2 to yoke 5 is transmitted through balls 7, which move along circular grooves in the yokes. The central ball 8 serves to center the yokes and is held in place by studs 3, 4. The rotation frequency of yokes 2, 5 is the same due to the symmetry of the mechanism relative to the yokes. The change in shaft length is ensured by the free splined connections of the yokes with the shaft.

Figure 4. Universal Joints: a — universal joint: 1 — cap; 2 — cup; 3 — needle bearing; 4 — seal; 5, 9 — yokes; 6 — safety valve; 7 — cross; 8 — grease fitting; 10 — screw; b — constant velocity universal joint: 1 — inner axle shaft; 2 — driving yoke; 3, 4 — studs; 5 — driven yoke; 6 — outer axle shaft; 7 — balls; 8 — central ball

2. Universal Joint Drive Malfunctions

Universal joint drive malfunctions typically manifest as sharp knocks in the universal joints that occur when the vehicle is moving, especially during shifts between gears and sudden increases in the engine crankshaft speed (for example, when transitioning from engine braking to acceleration). A sign of universal joint malfunction can be its heating to a high temperature (over 100°C). This happens due to significant wear of the bushings and trunnions of the universal joint, needle bearings, crosses, and splined connections, resulting in misalignment of the universal joint and significant impact axial loads on the needle bearings. Damage to the cork seals of the universal joint cross leads to rapid wear of the trunnion and its bearing.

During maintenance, the universal joint drive is checked by sharply rotating the driveshaft by hand in both directions. The degree of free rotation of the shaft determines the wear of the universal joints and splined connections. Every 8-10 thousand kilometers, the condition of the bolted connections of the driven shaft flanges of the gearbox and the drive shaft of the main transmission gear with the flanges of the end universal joints and the fastening of the intermediate support of the driveshaft are checked. The condition of the rubber boots on the splined connections and the cork seals of the universal joint cross is also checked. All fastening bolts must be tightened fully (tightening torque 8-10 kgf·m).

Needle bearings of the universal joints are lubricated with liquid oil used for transmission units; splined connections in most vehicles are lubricated with greases (US-1, US-2, 1-13, etc.); the use of grease for lubricating needle bearings is strictly prohibited. In some vehicles, splined connections are lubricated with transmission oil. The intermediate support bearing, mounted in a rubber sleeve, practically does not require lubrication, as it is lubricated during assembly at the factory. The support bearing of the ZIL-130 vehicle is lubricated with grease through a pressure fitting during regular maintenance (every 1100-1700 km).

Figure 5. Universal joint drive: 1 — flange for securing the driveshaft; 2 — universal joint cross; 3 — universal joint yoke; 4 — sliding yoke; 5 — driveshaft tube; 6 — needle roller bearing with closed end

The universal joint drive consists of two universal joints with needle bearings, connected by a hollow shaft, and a sliding yoke with involute splines. To ensure reliable protection from dirt and provide good lubrication of the splined connection, the sliding yoke (6), connected to the secondary shaft (2) of the gearbox, is placed in an extension (1) attached to the gearbox housing. Additionally, this location of the splined connection (outside the zone between the joints) significantly increases the stiffness of the universal joint drive and reduces the likelihood of shaft vibrations when the sliding splined connection wears out.

Trục truyền động được làm bằng ống hàn điện thành mỏng (8), trong đó hai cái ách giống hệt nhau (9) được ép khít ở mỗi đầu và sau đó hàn bằng hàn hồ quang. Vỏ ổ trục kim (18) của chữ thập (25) được ép khít vào mắt của cái ách (9) và được cố định bằng các vòng giữ lò xo (20). Mỗi ổ trục khớp vạn năng chứa 22 kim (21). Các nắp dập (24) được ép khít vào các chốt nhô ra của chữ thập, trên đó lắp các vòng bần (23). Các ổ trục được bôi trơn bằng cách sử dụng một khớp mỡ góc (17) được vặn vào một lỗ ren ở giữa chữ thập, được kết nối với các rãnh xuyên qua các chốt của chữ thập. Ở phía đối diện của khớp nối vạn năng chữ thập, một van an toàn (16) nằm ở giữa, được thiết kế để xả mỡ thừa khi đổ đầy khớp nối và ổ trục, đồng thời ngăn ngừa áp suất tích tụ bên trong khớp nối trong quá trình vận hành (van hoạt động ở áp suất khoảng 3,5 kg/cm²). Việc lắp đặt van an toàn là cần thiết do áp suất tăng quá mức bên trong khớp nối có thể dẫn đến hư hỏng (đùn) gioăng bần.

Figure 6. Driveshaft Assembly: 1 — gearbox extension; 2 — secondary shaft of the gearbox; 3 and 5 — dirt deflectors; 4 — rubber seals; 6 — sliding yoke; 7 — balancing plate; 8 — driveshaft tube; 9 — yoke; 10 — flange yoke; 11 — bolt; 12 — flange of the rear axle drive gear; 13 — spring washer; 14 — nut; 15 — rear axle; 16 — safety valve; 17 — angular grease fitting; 18 — needle bearing; 19 — yoke eye; 20 — spring retaining ring; 21 — needle; 22 — washer with toroidal end; 23 — cork ring; 24 — stamped cap; 25 — cross

Trục truyền động, được lắp ráp với cả hai khớp vạn năng, được cân bằng động cẩn thận ở cả hai đầu bằng cách hàn các tấm cân bằng (7) vào ống. Do đó, khi tháo rời trục, tất cả các bộ phận của trục phải được đánh dấu cẩn thận để có thể lắp ráp lại đúng vị trí ban đầu. Việc không tuân thủ hướng dẫn này sẽ làm mất cân bằng của trục, gây ra rung động có thể làm hỏng hộp số và thân xe. Nếu từng bộ phận bị mòn, đặc biệt là nếu ống bị cong do va đập và không thể cân bằng động cho trục sau khi lắp ráp, toàn bộ trục phải được thay thế.

Possible Driveshaft Malfunctions, Their Causes, and Solutions

Cause of Malfunction	Solution
Driveshaft Vibration
1. Shaft bending due to an obstacle	1. Straighten and dynamically balance the assembled shaft or replace the assembled shaft
2. Bearing and cross wear	2. Replace bearings and crosses and dynamically balance the assembled shaft
3. Wear of extension bushings and sliding yoke	3. Replace the extension and sliding yoke and dynamically balance the assembled shaft
Knocks When Starting and Coasting
1. Wear of sliding yoke splines or secondary gearbox shaft	1. Replace worn parts. When replacing the sliding yoke, dynamically balance the assembled shaft
2. Loose bolts securing the flange yoke to the rear axle drive gear flange	2. Tighten bolts
Oil Throwing from Universal Joint Seals
Wear of cork rings in universal joint seals	Replace cork rings, maintaining the relative position of all driveshaft parts during reassembly. If there is wear on crosses and bearings, replace the bearings and crosses and dynamically balance the assembled shaft

3. Driveshaft Balancing

After repairing and assembling the driveshaft, it is dynamically balanced on a machine. One design of a balancing machine is shown in Figure 7. The machine consists of a plate (18), a pendulum frame (8) mounted on four vertical elastic rods (3), ensuring its oscillation in the horizontal plane. A bracket and front headstock (9), secured on a bracket (4), are mounted on the longitudinal tubes of the pendulum frame (8). The rear headstock (6) is on a movable traverse (5), allowing dynamic balancing of driveshafts of different lengths. The headstock spindles are mounted on precision ball bearings. The spindle of the front headstock (9) is driven by an electric motor installed in the machine base, through a V-belt drive and an intermediate shaft, on which a limb (10) (graduated disk) is mounted. Additionally, two stands (15) with retractable locking pins (17) are installed on the machine plate (18), ensuring the fixation of the front and rear ends of the pendulum frame depending on the balancing of the front or rear end of the driveshaft.

Figure 7. Dynamic Balancing Machine for Driveshafts

1—clamp; 2—dampers; 3—elastic rod; 4—bracket; 5—movable traverse; 6—rear headstock; 7—crossbar; 8—pendulum frame; 9—front driving headstock; 10—limb-disk; 11—millivoltmeter; 12—limb of the commutator-rectifier shaft; 13—magnetoelectric sensor; 14—fixed stand; 15—fixator stand; 16—support; 17—fixator; 18—support plate

The fixed stands (14) are mounted at the rear of the machine plate, and magnetoelectric sensors (13) are installed on them, with rods connected to the ends of the pendulum frame. To prevent resonance vibrations of the frame, dampers (2) filled with oil are installed under the brackets (4).

Trong quá trình cân bằng động, cụm trục truyền động với cần trượt được lắp đặt và cố định trên máy. Một đầu của trục truyền động được nối bằng cần bích với mặt bích của đầu máy dẫn động phía trước, và đầu còn lại bằng cổ đỡ của cần trượt với ống lót có khía của đầu máy phía sau. Sau đó, kiểm tra độ dễ quay của trục truyền động và cố định một đầu của khung con lắc của máy bằng bộ cố định. Sau khi khởi động máy, quay nhánh của bộ chỉnh lưu ngược chiều kim đồng hồ, đưa kim milivôn kế lên mức đọc tối đa. Số đọc milivôn kế tương ứng với độ lớn của mất cân bằng. Thang đo milivôn kế được chia độ bằng gam-centimet hoặc gam đối trọng. Tiếp tục quay nhánh bộ chỉnh lưu ngược chiều kim đồng hồ, số đọc milivôn kế về 0 và máy dừng lại. Dựa trên số đọc nhánh bộ chỉnh lưu, độ dịch chuyển góc (góc dịch chuyển mất cân bằng) được xác định và bằng cách quay trục truyền động thủ công, giá trị này được đặt trên nhánh trục trung gian. Vị trí hàn của tấm cân bằng sẽ nằm trên đỉnh trục truyền động, và phần chịu tải nằm ở phía dưới mặt phẳng hiệu chỉnh. Sau đó, tấm cân bằng được gắn và buộc bằng dây mỏng cách mối hàn 10 mm, khởi động máy và kiểm tra độ cân bằng của đầu trục truyền động với tấm cân bằng. Độ mất cân bằng không được vượt quá 70 g/cm. Sau đó, thả một đầu ra và cố định đầu kia của khung con lắc bằng giá đỡ cố định, quá trình cân bằng động của đầu kia của trục truyền động được thực hiện theo trình tự công nghệ được mô tả ở trên.

Driveshafts have some balancing features. For most parts, the base for dynamic balancing is the support necks (e.g., rotors of electric motors, turbines, spindles, crankshafts, etc.), but for driveshafts, it is the flanges. During assembly, there are unavoidable gaps in different connections leading to imbalance. If the minimum imbalance cannot be achieved during balancing, the shaft is rejected. The accuracy of balancing is influenced by the following factors:

• Gap in the connection between the landing belt of the driveshaft flange and the inner hole of the clamping flange of the left and right support headstocks;
• Radial and end runout of the base surfaces of the flange;
• Khe hở giữa các khớp nối bản lề và khớp nối có khía. Mỡ bôi trơn trong khoang khớp nối có khía có thể dẫn đến mất cân bằng "trôi nổi". Nếu mỡ bôi trơn ngăn cản việc đạt được độ chính xác cân bằng cần thiết, trục truyền động sẽ được cân bằng mà không cần mỡ bôi trơn.

Some imbalances may be completely uncorrectable. If increased friction is observed in the universal joints of the driveshaft, the mutual influence of the correction planes increases. This leads to a decrease in the performance and accuracy of balancing.

Theo OST 37.001.053-74, các tiêu chuẩn mất cân bằng sau đây được thiết lập: trục truyền động có hai khớp nối (hai giá đỡ) được cân bằng động, và với ba khớp nối (ba giá đỡ) - được lắp ráp với giá đỡ trung gian; các mặt bích (chạc) của trục truyền động và khớp nối nặng hơn 5 kg được cân bằng tĩnh trước khi lắp ráp trục hoặc khớp nối; các tiêu chuẩn mất cân bằng còn lại cho trục truyền động ở mỗi đầu hoặc tại giá đỡ trung gian của trục truyền động ba khớp nối được đánh giá bằng mất cân bằng cụ thể;

Định mức mất cân bằng dư riêng tối đa cho phép tại mỗi đầu trục hoặc tại giá đỡ trung gian, cũng như đối với trục truyền động ba khớp nối ở bất kỳ vị trí nào trên giá cân bằng, không được vượt quá: đối với hộp số của xe ô tô chở khách và xe tải nhỏ (dưới 1 tấn) và xe buýt rất nhỏ - 6 g-cm/kg, đối với các loại xe còn lại - 10 g-cm/kg. Định mức mất cân bằng dư riêng tối đa cho phép của trục truyền động hoặc trục truyền động ba khớp nối phải được đảm bảo trên giá cân bằng với tần số quay tương ứng với tần số của chúng trong hộp số ở tốc độ tối đa của xe.

Đối với trục truyền động và trục truyền động ba khớp nối của xe tải có tải trọng từ 4 tấn trở lên, xe buýt nhỏ và lớn, tần số quay trên giá cân bằng được phép giảm xuống còn 70% so với tần số quay của trục truyền động ở tốc độ tối đa của xe. Theo OST 37.001.053-74, tần số quay cân bằng của trục truyền động phải bằng:

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

where n_b – tần số quay cân bằng (phải tương ứng với thông số kỹ thuật chính của giá đỡ, n=3000 phút^-1; n_r – tần số quay làm việc tối đa, min^-1.

In practice, due to the gap in the joints and splined connections, the driveshaft cannot be balanced at the recommended rotation frequency. In this case, another rotation frequency is chosen, at which it balances.

4. Modern Balancing Machines for Driveshafts

Figure 8. Balancing Machine for Driveshafts up to 2 Meters Long, Weighing up to 500 kg

The model has 2 stands and allows balancing in 2 correction planes.

Balancing Machine for Driveshafts up to 4200 mm Long, Weighing up to 400 kg

Figure 9. Balancing Machine for Driveshafts up to 4200 mm Long, Weighing up to 400 kg

The model has 4 stands and allows balancing in 4 correction planes simultaneously.

Figure 10. Horizontal Hard Bearing Balancing Machine for Dynamic Balancing of Driveshafts

1 – Balancing item (driveshaft); 2 – Machine base; 3 – Machine supports; 4 – Machine drive; The structural elements of the machine supports are shown in Figure 9.

Figure 11. Machine Support Elements for Dynamic Balancing of Driveshafts

1 – Left non-adjustable support; 2 – Intermediate adjustable support (2 pcs.); 3 – Right non-adjustable fixed support; 4 – Support frame lock handle; 5 – Movable support platform; 6 – Support vertical adjustment nut; 7 – Vertical position lock handles; 8 – Support clamping bracket; 9 – Intermediate bearing movable clamp; 10 – Clamp lock handle; 11 – Clamping bracket lock; 12 – Drive (leading) spindle for item installation; 13 – Driven spindle

5. Preparation for Driveshaft Balancing

Below, we will consider the setup of the machine supports and the installation of the balancing item (four-support driveshaft) on the machine supports.

Figure 12. Installation of Transitional Flanges on the Spindles of the Balancing Machine

Figure 13. Installation of the Driveshaft on the Supports of the Balancing Machine

Figure 14. Leveling the Driveshaft Horizontally on the Supports of the Balancing Machine Using a Bubble Level

Figure 15. Fixing the Intermediate Supports of the Balancing Machine to Prevent Vertical Displacement of the Driveshaft

Rotate the item manually for a full turn. Ensure that it rotates freely and without jamming on the supports. After this, the mechanical part of the machine is set up, and the item installation is complete.

6. Driveshaft Balancing Procedure

The process of driveshaft balancing on the balancing machine will be considered using the Balanset-4 measuring system as an example. The Balanset-4 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-4 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.

Furthermore, the device allows displaying graphs of the time function and vibration spectrum by vibration velocity, which can be useful in assessing the technical condition of the balanced machine.

Figure 16. External View of the Balanset-4 Device for Use as a Measuring and Computing System of the Driveshaft Balancing Machine

Figure 17. Example of Using the Balanset-4 Device as a Measuring and Computing System of the Driveshaft Balancing Machine

Figure 18. User Interface of the Balanset-4 Device

Thiết bị Balanset-4 có thể được trang bị hai loại cảm biến – cảm biến gia tốc rung để đo độ rung (gia tốc rung) và cảm biến lực. Cảm biến rung được sử dụng để vận hành trên các máy cân bằng loại sau cộng hưởng, trong khi cảm biến lực được sử dụng cho các máy cân bằng loại trước cộng hưởng.

Figure 19. Installation of Balanset-4 Vibration Sensors on the Supports of the Balancing Machine

Hướng trục độ nhạy của cảm biến phải trùng với hướng dịch chuyển rung động của giá đỡ, trong trường hợp này là theo phương ngang. Để biết thêm thông tin về cách lắp đặt cảm biến, xem mục CÂN BẰNG RÔ-TÔNG TRONG ĐIỀU KIỆN VẬN HÀNH. Việc lắp đặt cảm biến lực phụ thuộc vào đặc điểm thiết kế của máy.

1. Install vibration sensors 1, 2, 3, 4 on the supports of the balancing machine.
2. Connect the vibration sensors to connectors X1, X2, X3, X4.
3. Install the phase angle sensor (laser tachometer) 5 so that the nominal gap between the radial (or end) surface of the balanced rotor and the sensor housing is in the range of 10 to 300 mm.
4. Attach a reflective tape mark with a width of at least 10-15 mm to the rotor surface.
5. Connect the phase angle sensor to connector X5.
6. Connect the measuring unit to the computer’s USB port.
7. When using mains power, connect the computer to the power supply unit.
8. Connect the power supply unit to a 220 V, 50 Hz network.
9. Turn on the computer and select the “BalCom-4” program.
10. Press the “F12-four-plane” button (or the F12 function key on the computer keyboard) to select the mode for measuring vibration simultaneously in four planes using vibration sensors 1, 2, 3, 4, connected respectively to inputs X1, X2, X3, and X4 of the measuring unit.
11. A mnemonic diagram illustrating the process of measuring vibration simultaneously on four measurement channels (or the process of balancing in four planes) appears on the computer display, as shown in Figure 16.

Before performing balancing, it is recommended to take measurements in the vibrometer mode (F5 button).

Figure 20. Vibrometer Mode Measurements

Nếu biên độ rung động tổng thể V1s (V2s) gần bằng biên độ rung động thành phần quay V1o (V2o), có thể giả định rằng nguyên nhân chính gây ra rung động của cơ cấu là do mất cân bằng rotor. Nếu biên độ rung động tổng thể V1s (V2s) vượt quá đáng kể thành phần quay V1o (V2o), nên kiểm tra cơ cấu – kiểm tra tình trạng ổ trục, đảm bảo lắp đặt chắc chắn trên bệ, xác minh rotor không tiếp xúc với các bộ phận cố định trong quá trình quay và xem xét ảnh hưởng của rung động từ các cơ cấu khác, v.v.

Việc nghiên cứu đồ thị hàm thời gian và phổ rung động thu được ở chế độ "Phân tích phổ đồ thị" có thể hữu ích ở đây.

Figure 21. Vibration Time Function and Spectrum Graphs

Biểu đồ cho thấy tần số nào có mức độ rung động cao nhất. Nếu các tần số này khác với tần số quay của rô-to trong cơ cấu cân bằng, cần xác định nguồn gốc của các thành phần rung động này và thực hiện các biện pháp loại bỏ chúng trước khi cân bằng.

It is also important to pay attention to the stability of the readings in vibrometer mode – the amplitude and phase of the vibration should not change by more than 10-15% during measurement. Otherwise, the mechanism might be operating near a resonance region. In this case, the rotor speed should be adjusted.

Khi thực hiện cân bằng bốn mặt phẳng ở chế độ "Chính", cần năm lần hiệu chuẩn và ít nhất một lần kiểm tra máy đã cân bằng. Đo độ rung trong lần chạy máy đầu tiên mà không có quả cân thử được thực hiện tại không gian làm việc "Cân bằng bốn mặt phẳng". Các lần chạy tiếp theo được thực hiện với một quả cân thử, được lắp tuần tự trên trục truyền động tại mỗi mặt phẳng hiệu chuẩn (trong khu vực của mỗi giá đỡ máy cân bằng).

Before each subsequent run, the following steps should be taken:

• Dừng chuyển động quay của rôto máy cân bằng.
• Remove the previously installed trial weight.
• Install the trial weight in the next plane.

Figure 23. Four-Plane Balancing Workspace

Sau khi hoàn thành mỗi phép đo, kết quả tần số quay của rôto (N_ob), as well as the RMS values (V_o1, V_o2, V_o3, V_o4) and the phases (F₁, F₂, F₃, F₄) của dao động ở tần số quay của rô-to cân bằng được lưu vào các trường tương ứng trong cửa sổ chương trình. Sau lần chạy thứ năm (Trọng lượng trong Mặt phẳng 4), không gian làm việc "Trọng lượng cân bằng" (xem Hình 24) xuất hiện, hiển thị các giá trị đã tính toán của khối lượng (M₁, M₂, M₃, M₄) and the installation angles (f₁, f₂, f₃, f₄) of the corrective weights that need to be installed on the rotor in four planes to compensate for its imbalance.

Figure 24. Workspace with Calculated Parameters of Corrective Weights in Four Planes

Attention! Sau khi hoàn tất quá trình đo lường trong lần chạy thứ năm của máy cân bằng, cần dừng rotor và tháo quả cân thử đã lắp trước đó. Chỉ sau đó mới có thể tiến hành lắp (hoặc tháo) quả cân hiệu chỉnh trên rotor.

Vị trí góc để thêm (hoặc loại bỏ) trọng lượng hiệu chỉnh trên rô-to trong hệ tọa độ cực được đo từ vị trí lắp đặt trọng lượng thử. Hướng đo góc trùng với hướng quay của rô-to. Trong trường hợp cân bằng bằng cánh quạt, cánh quạt của rô-to cân bằng được coi là cánh quạt thứ nhất trùng với vị trí lắp đặt trọng lượng thử. Hướng đánh số của các cánh quạt được hiển thị trên màn hình máy tính tuân theo hướng quay của rô-to.

Trong phiên bản này của chương trình, mặc định trọng lượng hiệu chỉnh sẽ được thêm vào rotor. Điều này được biểu thị bằng dấu được đặt trong trường "Thêm". Nếu cần hiệu chỉnh sự mất cân bằng bằng cách loại bỏ trọng lượng (ví dụ: bằng cách khoan), hãy đặt dấu trong trường "Loại bỏ" bằng chuột, sau đó vị trí góc của trọng lượng hiệu chỉnh sẽ tự động thay đổi 180 độ.

Sau khi lắp các quả cân hiệu chỉnh vào rô-to cân bằng, hãy nhấn nút "Thoát – F10" (hoặc phím chức năng F10 trên bàn phím máy tính) để trở về không gian làm việc "Cân bằng bốn mặt phẳng" trước đó và kiểm tra hiệu quả của thao tác cân bằng. Sau khi hoàn tất quá trình kiểm tra, kết quả tần số quay của rô-to (N_ob) and the RMS values (V_o1, V_o2, V_o3, V_o4) and phases (F₁, F₂, F₃, F₄) của rung động ở tần số quay của rô-to cân bằng được lưu lại. Đồng thời, không gian làm việc "Trọng lượng cân bằng" (xem Hình 21) xuất hiện phía trên không gian làm việc "Cân bằng bốn mặt phẳng", hiển thị các thông số đã tính toán của các trọng lượng hiệu chỉnh bổ sung cần được lắp đặt (hoặc tháo bỏ) trên rô-to để bù cho sự mất cân bằng còn lại của nó. Ngoài ra, không gian làm việc này còn hiển thị các giá trị mất cân bằng còn lại đạt được sau khi cân bằng. Nếu các giá trị rung động còn lại và/hoặc mất cân bằng còn lại của rô-to cân bằng đáp ứng các yêu cầu dung sai được chỉ định trong tài liệu kỹ thuật, quá trình cân bằng có thể được hoàn tất. Nếu không, quá trình cân bằng có thể được tiếp tục. Phương pháp này cho phép hiệu chỉnh các lỗi có thể xảy ra thông qua các phép tính xấp xỉ liên tiếp có thể xảy ra khi lắp đặt (tháo bỏ) trọng lượng hiệu chỉnh trên rô-to cân bằng.

Nếu quá trình cân bằng tiếp tục, cần lắp thêm (hoặc tháo) các quả cân hiệu chỉnh bổ sung trên rôto đã cân bằng theo các thông số được chỉ định trong không gian làm việc "Quả cân bằng".

Nút "Hệ số – F8" (hoặc phím chức năng F8 trên bàn phím máy tính) được sử dụng để xem và lưu vào bộ nhớ máy tính các hệ số cân bằng rôto (hệ số ảnh hưởng động) được tính toán từ kết quả của năm lần hiệu chuẩn.

7. Recommended Balancing Accuracy Classes for Rigid Rotors

Table 2. Recommended Balancing Accuracy Classes for Rigid Rotors.

Recommended Balancing Accuracy Classes for Rigid Rotors

Types of Machines (Rotors)	Balancing Accuracy Class	Value eper Ω mm/s
Drive crankshafts (structurally unbalanced) for large low-speed marine diesel engines (piston speed less than 9 m/s)	G 4000	4000
Drive crankshafts (structurally balanced) for large low-speed marine diesel engines (piston speed less than 9 m/s)	G 1600	1600
Drive crankshafts (structurally unbalanced) on vibration isolators	G 630	630
Drive crankshafts (structurally unbalanced) on rigid supports	G 250	250
Reciprocating engines assembled for passenger cars, trucks, and locomotives	G 100	100
Automobile parts: wheels, wheel rims, wheelsets, transmissions
Drive crankshafts (structurally balanced) on vibration isolators	G 40	40
Agricultural machines	G 16	16
Drive crankshafts (balanced) on rigid supports
máy nghiền
Drive shafts (driveshafts, screw shafts)
Aircraft gas turbines	G 6.3	6.3
Centrifuges (separators, settlers)
Electric motors and generators (with a shaft height of at least 80 mm) with a maximum nominal rotation speed of up to 950 min-1
Electric motors with a shaft height of less than 80 mm
Fans
Gear drives
General-purpose machines
Metal cutting machines
Papermaking machines
Pumps
Turbochargers
Water turbines
Compressors
Computer-controlled drives	G 2.5	2.5
Electric motors and generators (with a shaft height of at least 80 mm) with a maximum nominal rotation speed over 950 min-1
Gas and steam turbines
Metal cutting machine drives
Textile machines
Audio and video equipment drives	G 1	1
Grinding machine drives
Spindles and drives of high-precision equipment	G 0.4	0.4

Những câu hỏi thường gặp về cân bằng trục truyền động

Cân bằng trục truyền động là gì?

Cân bằng trục truyền động là quá trình hiệu chỉnh bất kỳ sự mất cân bằng khối lượng nào trong trục truyền động để nó quay trơn tru mà không gây ra rung động. Quá trình này bao gồm việc đo vị trí trục nặng hơn ở một bên, sau đó thêm hoặc bớt một lượng nhỏ trọng lượng (ví dụ, hàn các quả cân cân bằng) để cân bằng lại sự mất cân bằng đó. Một trục truyền động cân bằng chạy đều, giúp ngăn ngừa rung động quá mức và mài mòn các bộ phận của xe.

Tại sao việc cân bằng trục truyền động lại quan trọng?

Trục truyền động không cân bằng có thể dẫn đến rung động mạnh, đặc biệt là ở một số tốc độ nhất định, và có thể gây ra tiếng kêu lục cục khi tăng tốc hoặc chuyển số. Theo thời gian, những rung động này có thể làm hỏng ổ trục, khớp nối vạn năng và các bộ phận truyền động khác. Việc cân bằng trục truyền động sẽ loại bỏ những rung động này, đảm bảo xe vận hành êm ái hơn, giảm áp lực lên các bộ phận và ngăn ngừa hư hỏng hoặc thời gian chết máy tốn kém.

Những triệu chứng phổ biến của trục truyền động không cân bằng là gì?

Các triệu chứng điển hình của trục truyền động mất cân bằng hoặc bị lỗi bao gồm rung lắc hoặc rung lắc đáng chú ý ở sàn xe hoặc ghế ngồi, đặc biệt là khi tăng tốc. Bạn cũng có thể nghe thấy tiếng gõ hoặc tiếng lạch cạch khi sang số hoặc khi tăng tốc và giảm tốc. Trong một số trường hợp, khớp vạn năng có thể bị quá nhiệt do mất cân bằng. Nếu bạn quan sát thấy những dấu hiệu này, có thể trục truyền động cần được cân bằng hoặc sửa chữa.

Làm thế nào để cân bằng trục truyền động?

Việc cân bằng trục truyền động thường được thực hiện bằng máy cân bằng chuyên dụng. Trục truyền động được lắp và quay ở tốc độ cao trong khi các cảm biến phát hiện bất kỳ sự mất cân bằng nào. Sau đó, kỹ thuật viên sẽ gắn các vật nặng nhỏ vào trục truyền động (hoặc loại bỏ vật liệu) tại các vị trí cụ thể dựa trên thông số của máy. Quá trình này được lặp lại cho đến khi trục truyền động quay mà không bị rung lắc đáng kể. Các hệ thống hiện đại như Balanset-4 có thể hướng dẫn quá trình này và tính toán chính xác vị trí và khối lượng cần thêm để cân bằng chính xác.

Conclusion

Tóm lại, việc cân bằng trục truyền động đúng cách là điều cần thiết để đảm bảo an toàn, hiệu suất và tiết kiệm chi phí. Bằng cách phát hiện và điều chỉnh sự mất cân bằng, bạn có thể ngăn ngừa hao mòn không cần thiết trên các bộ phận, tránh hư hỏng và duy trì hiệu suất máy tối ưu. Các hệ thống cân bằng hiện đại như thiết bị Balanset-1 và Balanset-4 của chúng tôi giúp quy trình vận hành hiệu quả, giúp ngay cả các xưởng nhỏ cũng đạt được kết quả chuyên nghiệp.

Nếu bạn đang gặp phải tình trạng rung động liên tục ở trục truyền động hoặc cần một giải pháp cân bằng đáng tin cậy, đừng ngần ngại hành động. Hãy áp dụng các bước được nêu trong hướng dẫn này hoặc tham khảo ý kiến chuyên gia của chúng tôi để được hỗ trợ. Với phương pháp và thiết bị phù hợp, bạn có thể đảm bảo trục truyền động của mình hoạt động trơn tru và đáng tin cậy trong nhiều năm tới. Liên hệ với chúng tôi để tìm hiểu thêm hoặc khám phá thiết bị cân bằng trục truyền động tốt nhất cho nhu cầu của bạn.