Практика показывает: да, можно - если
устранить вибрацию,
вызванную дисбалансом вращающихся деталей. А оказывается, в автомобиле
много таких деталей. Причем уже сложился порочный стереотип, что некоторые
автомобили в принципе вибрируют, и ничего тут не сделаешь.
Это касается, в первую очередь, УАЗ, ГАЗ, Нива. Однако и эти автомобили можно исправить в плане вибрации.
Причины возникновения вибраций в автомобиле очень разнообразны. Это: неуравновешенность многих быстро вращающихся деталей
и резонансные явления, неравномерность сгорания в двигателе, некруглость колес и неровность дороги и т. д.
Это большой и сложный комплекс проблем, выходящий за рамки темы данной статьи, поэтому ниже речь пойдет о такой
проблеме, как дисбаланс (неуравновешенность) деталей вращения, и, как следствие, возникновение вибрации.
Наибольший вибрационный вклад вносят несбалансированные детали большого диаметра, вращающиеся с большой угловой скоростью.
На практике такими "лидерами" являются колеса, коленчатый вал, маховик, сцепление,
карданные валы, гидротрансформаторы автоматических трансмиссий. Что такое
дисбаланс? Это поясняет рис.1 У ротора, в результате остаточного прогиба,
или неравномерной плотности материала, или вследствие неточности изготовления,
центр массы не совпадает с осью вращения, а смещен от неё на расстояние
R (так называемый эксцентриситет). В этом случае ротор имеет дисбаланс,
равный произведению его массы M на величину эксцентриситета R D=M*R. При
массе ротора М=1кг и эксцентриситете R=3мм дисбаланс будет равен 3000г*мм.
При вращении такого ротора будет возникать центробежная сила F , вызывающая
вибрацию. Эта вибрация пропорциональна дисбалансу и квадрату угловой скорости
вращения ротора и зависит от жесткости соответствующего узла. Балансировкой
называется создание и присоединение к ротору дисбаланса, равного по величине
(модулю) и противоположного по знаку исходному дисбалансу. Таким образом,
сумма этих дисбалансов (результирующий дисбаланс) будет равна нулю. Наш
ротор сбалансирован, и, значит, при вращении не будет вибрации. Существуют
простейшие практические способы балансировки. При любом способе балансировки
очень важно точно "базировать" балансируемый ротор так, чтобы
ось его вращения (точка подвеса) совпадала с осью вращения при работе этого
ротора. Если у ротора длина много меньше, чем диаметр, например колесо
или ведомый диск сцепления, то подойдет способ, изображенный на рис. 2.
Ротор подвешивается через оправку за точку, лежащую на оси вращения, и
по его отклонению от горизонтали судят о величине и месте дисбаланса. Очевидно,
что корректирующий груз надо устанавливать в самом высоком месте и его
величину (массу) выбрать так, чтобы ротор опять повис горизонтально. Есть
более универсальный и эффективный способ балансировки, он изображен на
рис. 3. Ротор устанавливается в подшипниках с очень малым сопротивлением
вращению, или на две горизонтальные плоскости, или (лучше всего) на два
горизонтальных ножа. Ротор следует слегка качнуть и дать ему остановиться
самостоятельно. Если сопротивление вращению ротора будет достаточно мало,
то под действием неуравновешенности он остановится так, что так называемое
"тяжелое место" окажется внизу. Тогда следует пометить это место и напротив
установить такой корректирующий груз, чтобы ротор в дальнейшем после толчка
занимал произвольное (безразличное) положение, т.е. без выраженного тяжелого
места. Я применял этот способ лет 15 назад при балансировке шлифовального
камня Ф 300мм на точиле, в собственных подшипниках. Тогда пришлось точило
предварительно сильно разогреть, чтобы облегчился ход подшипников, и вместо
установки корректирующего груза я удалял материал самого камня со стороны
тяжелого места. Балансировка, хотя и весьма приблизительная, удалась, вибрация
сильно уменьшилась. Мы рассмотрели простейший вид неуравновешенности -
так называемую "статическую". Соответственно, описанные способы
балансировки называются "статическими" - термин, отражающий то, что при
этом не нужно вращать ротор - достаточно лишь качнуть его. Есть более сложный
случай неуравновешенности - так называемая моментная неуравновешенность.
Этот случай показан на рис. 4. В результате наиболее часто встречающегося
на практике случая неуравновешенности возникают силы, которые можно привести
к трем силам F1, F2 и F3. Силы F1 и F2 равны по модулю и противоположны
по направлению. Так как приложены они не в одной плоскости, при вращении
ротора будет возникать крутящий момент, стремящийся поворачивать ось вращения
ротора. Этот момент будет вращаться синхронно с ротором. А значит, также
будет возникать вибрация, причем гораздо более опасная. Если сила F3 =0,
то это в чистом виде моментная неуравновешенность. На практике не бывает
в чистом виде статического или моментного дисбаланса - всегда какое-то
их сочетание. Такие балансировочные задачи можно решать только путем так
называемой "динамической" балансировки. Этот термин отражает
то, что при "статической" балансировке не нужно вращать ротор,
требуется лишь качнуть его - при "динамической" балансировке
нужно вращать балансируемый ротор и находить, как минимум, пару "тяжелых"
мест и создавать, соответственно, пару корректирующих дисбалансов. Этот
метод уже требует применения специального оборудования – станков для динамической
балансировки. Существует несколько способов балансировки, реализованных
в станках для динамической балансировки. По частоте вращения, относительно
собственной резонансной частоты, соответственно есть дорезонансный, резонансный
и зарезонансный принципы. По способу нахождения «тяжелого места»: круговым
обходом (и его вариации) фазовый метод (при котором определяют не только
амплитуду, но и фазу сигнала с датчиков вибрации). По измеряемой величине
– два: измерение амплитуды перемещения (скорости, ускорения) ротора при
вибрации и измерение центробежной силы, вызванных дисбалансом. При всех
способах важно устанавливать ротор так, чтобы ось его вращения точно совпадала
с осью вращения в том узле, где он должен работать. Метод измерения амплитуды
(скорости, ускорения) перемещения может давать неоднозначность результатов
из-за паразитных резонансных явлений. Процесс балансировки карданного вала
на станке СБД-20-3-К включает в себя подготовительные операции: осмотр
вала, выявление люфтов в сочленениях, деформации, коррозии, заедания подшипников
и крестовин, прочих дефектов. Далее вал устанавливается на станок, подобно
тому, как он установлен на автомобиле, закрепляется и оператор осуществляет
первый пуск. Кардан начинает вращаться, при этом возникают центробежные
силы от «тяжелых мест», датчики силы, установленные в опорных модулях станка,
воспринимают эти силы, датчик положения дает информацию о мгновенном положении
вала. В ходе первого пуска определяется исходное состояние вала, т.е. величина
и фаза дисбалансов. Если компьютер станка уже «обучен» работе с такими
валами, после остановки вала компьютер сразу выдаст информацию о массе
и расположении корректирующих грузов. Оператору останется только их взять
и приварить. После приварки грузов рекомендуется повторно проверить вал,
и, если дисбаланс его находится в поле допуска, вал можно снимать со станка,
красить и устанавливать на автомобиль (иногда, в случаях очень разбалансированных
валов, приходится повторять описанные операции). Если станок такой вал
«видит» первый раз в жизни, его необходимо обучить. Процесс обучения несложен
– последовательно в каждой плоскости устанавливается пробный груз определенной
массы, под определенным углом от «нуля», делают пуск, замеряют результирующий
дисбаланс, после чего останавливают вал, груз снимают и переходят к следующей
плоскости. Этот процесс повторяют по числу плоскостей коррекции дисбаланса
(в наших случаях 2 или 3 раза). После этого компьютер станка уже «обучился»
работать с таким валом, и валы такого типа уже будет балансировать совсем
просто. В процессе «обучения» станок каждый раз самокалибруется, что исключает
возможность ошибочных показаний.
Но, как известно, "голь на выдумку
хитра" и вот, в 1988 году один мой друг отбалансировал карданный вал
на своей "Волге" ГАЗ-21 таким способом. Он поднял машину, снял
задние колеса и тормозные барабаны, чтобы устранить влияние их дисбалансов,
надежно зафиксировал автомобиль в поднятом состоянии. Включил прямую передачу,
завел двигатель, довел обороты примерно до 3500 об/мин и померил на ощупь
вибрацию заднего конца КПП, заглушил двигатель, поставил корректирующий
груз (пластина, прижатая хомутом у переднего конца карданного вала) и повторил
замер. В следующий раз он сместил груз с хомутом на 30 град. и так повторил
замер 11 раз (обошел полный круг). Потом выбрал то место, где при установке
груза вибрация была наименьшая, таким образом, место установки корректирующего
груза в плоскости 1 (передний конец карданного вала) было найдено. После
проведения ещё ряда опытов с подбором оптимальной массы этого груза он
перешел на 2-ю плоскость (задний конец карданного вала), где повторил все
вышеописанные операции, потом ещё раз сбалансировал 1-ю плоскость, чтобы
устранить изменения от влияния 2-ой плоскости на 1-ую, и, аналогично, ещё
раз 2-ю плоскость. Потом приварил подобранные грузы к кардану. В результате,
провозившись целый день, он все-таки отбалансировал свой кардан, тем самым
значительно уменьшив вибрацию машины. Здесь мы видим балансировку т.н.
методом "кругового обхода", при котором сначала подбирают "круговым
обходом" место корректирующего груза, а потом его массу. Для облегчения
подобной задачи возможно применение индикатора часового типа или, даже,
куска мела. Индикатором меряют амплитуду вибрации, например хвостовика
КПП, а с помощью куска мела можно приблизительно найти точку наибольшего
биения. Вот такими нехитрыми способами в некоторых случаях удается снизить
вибрацию, связанную с неуравновешенностью. Ещё более сложна ситуация с
роторами, имеющими более 2-х опор, например кардан Жигулей или Газели.
И еще более сложно балансировать гибкие роторы; таковые, при неправильной
балансировке, на разных скоростях вращения будут вести себя по-разному.
Теперь посмотрим, как наличие несбалансированных деталей влияет на поведение
автомобиля. Вибрация отнюдь не безобидна. Она не только вызывает дискомфорт.
Это и многократное ускорение износа узлов автомобиля, вред для здоровья,
ускорение утомляемости, а значит - снижение безопасности движения. Неуравновешенность
передних колес особенно опасна, т.к. это не только приводит к вибрации
колес, а следовательно, подвески и всего автомобиля, но и к потере управляемости.
Но про эту проблему почти все знают, и с ней относительно легко бороться:
заехал почти в любой шиномонтаж - и тебе с той или иной степенью точности
колеса отбалансируют. С балансировкой коленчатых валов несколько хуже.
Не все мастера, берущиеся за ремонт двигателей, не говоря об их клиентах,
знают, что коленчатый вал надо балансировать и как и где это делать. Но,
все же, кое-где это знают, в некоторых мастерских вам это предложат, и
даже можно найти места, где умеют коленчатые валы балансировать. Достаточно
плохо обстоит дело с гидротрансформаторами АКП, их тоже необходимо балансировать
после ремонта, но фирмы, осуществляющие ремонт АКП, этого не делают. С
карданными валами ситуация почти катастрофическая. Мало кто знает, что
кардан вообще надо балансировать и почему это нужно. А уж места, где это
сделать, совсем трудно найти. В таблице 1 приведена собранная нами статистика
состояния сбалансированности карданных валов, как новых, так и ремонтированных.
Таблица 1.
Марка а/м
Дисбаланс, нов.
Дисбаланс, рем.
Допуск на дисбаланс
УАЗ
1130-2120 г*мм
1430-2570 г*мм
250 г*мм
ГАЗ-груз
нет данных
1420-6480 г*мм
350 г*мм
Волга, Газель, Соболь
370-1110 г*мм
740-1840 г*мм
250 г*мм
ВАЗ 2101-07
350-1220 г*мм
330-2450 г*мм
200 г*мм
Нива
310-1620 г*мм
870-2520 г*мм
200 г*мм
Ford, MB, BMW
нет данных
320-2380 г*мм
150 г*мм
Валы производства «Карданбаланс»
340-1120 г*мм (до балансировки)
25-40 г*мм (после балансировки)
40 г*мм
Почему необходимо балансировать карданные валы? Здесь довольно много
причин. Одна из них - снизившееся за последнее время качество изготовления карданов. Так, мы вообще не встречали
ни одного хоть сколько-нибудь терпимо сбалансированного УАЗовского кардана - ни нового заводского (из запчастей),
ни из числа установленных на автомобили на заводе. Далее, места на "пьедестале почета" по величине дисбаланса
занимают ГАЗ, Нива, ВАЗ-2101-07. Другая причина - катастрофически снизившееся качество крестовин и прочих запчастей.
Здесь больше всего проблем у ВАЗ-2101-07, так как рынок сейчас буквально наводнен "левыми" запчастями,
да и заводские очень часто бывают бракованными. Что мы имеем в виду под
браком? Это, в первую очередь, асимметрия, то есть нарушение равенства
размеров a=b=c=d. Нам встречались экземпляры с асимметрией до 5,8мм. Также
браком является нарушение размеров e и f и диаметров шипов g, т.к. эти
дефекты приводят к люфтам в сочленениях. Для справок: асимметрия или люфт
задней крестовины карданного вала (ВАЗ- 2101-07) в сочленении всего в 0,1мм
приводят к появлению дополнительного дисбаланса в 287г*мм, что уже в 1.44
раза превышает допуск на точность балансировки. Измерить асимметрию можно
так: крестовину струбциной несильно прижимают к ровной шлифованной толстой
(не менее10мм) пластине и микрометром измеряют размер, как показано на
рис. 5. Измерение повторяют с другими шипами, после чего полученные результаты
сравнивают. При расхождении более 0,02мм крестовину бракуют. Еще одна причина
появления дисбаланса - несоблюдение технологии ремонта карданного вала.
Так, очень часто кардан разбирают, не пометив взаимное расположение деталей,
и собирают, сместив части друг относительно друга. Бывает, при разборке-сборке
молотком кардан гнут. Посему, предлагаю при ремонте карданного вала обратить
внимание на следующее: 1. Перед разборкой помечать взаимное расположение
частей, чтобы собрать потом кардан таким же образом. 2. После сборки кардана
проверить наличие люфтов в сочленениях и при обнаружении устранить. Торцевой люфт в крестовинах устраняют подбором более
толстых запорных колец (иногда бывают в продаже). Люфт в шлицевом соединении устраняют заменой изношенных
деталей. 3. При разборке-сборке карданного вала пользоваться не молотками и кувалдами, а специальными приспособлениями.
Еще одна причина появления дисбаланса - естественная. При ремонте неизбежно, даже при соблюдении всех
технологических требований, появляется дисбаланс, это связано с тем, что
замененные детали-то никто заранее не балансировал, да и "садятся"
на свои места они всегда неоднозначно. Это относится в первую очередь к
эластичным муфтам и карданным валам с так называемыми "несменными"
крестовинами. Иногда возникает необходимость изготовить карданный вал в
единичном экземпляре (для ретро автомобилей, самоделок, спецтехники, секретных военных разработок, при
переоборудовании автомобилей с заменой агрегатов, взамен пришедших в негодность
валов от иномарок, когда ремонт уже нецелесообразен и т.д.). Естественно,
такие валы тоже необходимо балансировать. Карданные валы с "несменными"
крестовинами - это тема для отдельного разговора, т.к. их качественный
ремонт без специального оборудования вообще нереален. А такие валы стоят
на Mercedes, BMW, Ford. Даже на фирменных станциях их не ремонтируют, а
меняют на новые (600-1800$). Такие валы ремонтируют на заводах по ремонту
автоагрегатов. В кустарных условиях успешный ремонт невозможен. Вот и ездят
по нашим дорогам машины с лихорадочно трясущимися карданными валами. Многие из вас, наверное, видели такую картину: стоит
на дороге УАЗ, а кардан отвалился от КП и передним концом лежит на дороге. Кто виноват? Опять вибрация виновата.
При такой аварии кардан может воткнуться в дорогу, а машина перевернуться. Привожу случай из нашей практики.
Наш служебный УАЗ-31512 тоже страдал вибрацией, и до пробега в 50 тысяч км. мы считали это неотъемлемым свойством
этой марки автомобиля (кардан тоже, естественно отваливался). Однако, по мере износа, вибрация стала совсем
невыносимой – стало невозможно ехать на скорости выше 75 км/ч. Тогда решили сбалансировать карданные валы. Ощутимая
вибрация осталась только от двигателя – Волговские и УАЗовские двигатели славятся своей несбалансированностью.
Но и эта проблема разрешима, правда, сложнее – ведь нужно разбирать двигатель для балансировки коленчатого вала.
Но такие затраты окупаются – вибрация исчезает, а значит уменьшается утомляемость водителя и пассажиров, сокращается
интенсивность утечки масла через сальники, снижается скорость износа двигателя и т.д. И вот, после балансировки мы
наш "Козел" не узнали – можно ехать на любой скорости и разговаривать, не повышая голос.
Современное положение с оборудованием. Даже раньше, в советские
времена, мы были небогаты балансировочным оборудованием, а с развалом многих предприятий очень много оборудования или
пришло в негодность, или было порезано на металлолом по неразумии управленев.
Сейчас реально можно приобрести балансировочное оборудование для карданных валов Минского машиностроительного завода или
научно- производственного объединения "Карданбаланс". Также балансировочное оборудование производят
зарубежные фирмы, такие, как Shenck, Hines, Hofmann, но цены на них уж
совсем заоблачные. Краткие характеристики белорусского оборудования для
балансировки карданных валов приведены в таблице.
Для решения вышеописанных балансировочных задач мы создали необходимое
оборудование.
Так, универсальный станок для динамической балансировки
СБД-20-3-К пригоден для балансировки роторов массой до 60 кг, длиной до 3,2м и с
числом опор до 3. По потребности возможно создание оборудования с почти
любыми другими характеристиками. Наше балансировочное оборудование выполнено
на современном уровне с микропроцессорным управлением, имеет развитый сервис
и широкие возможности. Также мы ремонтируем, балансируем коленчатые, карданные
валы, гидротрансформаторы и т.д., можем изготовить на заказ карданный вал,
оборудование для балансировки любых деталей, которые имеет смысл балансировать,
или приборы для балансировки роторов в собственных опорах (без разборки).
Еще оно направление деятельности – ремонт и модернизация существующего
балансировочного оборудования с заменой датчиков, узлов подвеса и электроники.
Рад выразить благодарность Александру Владимировичу Салимону и Анне Никандровне
Сиваковой за помощь в подготовке статьи.
