Балансировка

Давайте постараемся разобраться в теме "балансировка", вернее в той её части, которая касается механически вращающихся тел. Здесь и далее все вращающиеся тела и системы, состоящих из нескольких таких вращающихся тел будем называть "роторами".

В автомобиле балансируются большинство вращающихся деталей, начиная от колёс заканчивая валом турбины и ротором моторчика печки. И если как балансируют колёса в шиномонтажной мастерской (этот процесс практически всегда производится в присутствии клиента) хорошо известен, то, как балансируются коленчатые и тем более карданные валы, имеют представление гораздо меньшее число автовладельцев. А уж о необходимости проведения подобных работ многие просто не знают и списывают некоторые поломки на всякие разные причины, не полагая, о, истиной, природе вещей

Немного отвлечёмся. Когда колонна военных, следующая строем, на своём пути перемещается по мосту, то старший дает строю команду "сбить шаг" (могу ошибаться в военной терминологии). Делается это для того, чтоб частота ударов военных сапог о пролетное строение моста не совпала с частотой колебаний самого моста. Если такое произойдёт, то амплитуда колебаний может значительно увеличиться, что может привести к разрушению моста и как вариант, к гибели наших защитников. Это явление (совпадение частот) называется резонансом. В двигателе может происходить почти то - же самое.

Коленчатый вал с деталями кривошипно-шатунного механизма, маховиком и присоединенными к нему элементами образует упругую систему, так как материалы вала и всех присоединенных к нему деталей не могут быть абсолютно жесткими. Приложенный к коленчатому валу крутящий момент при очередном рабочем ходе в цилиндре вызывает его закручивание в пределах упругих деформаций. После прекращения действия крутящего момента или его уменьшения (в период между очередными рабочими ходами) вал раскручивается, проходит равновесное состояние и закручивается в обратном направлении, то есть вал совершает колебательные движения определенной частоты, которые возникают под действием сил упругости материала и сил инерции его масс.

Колебания масс упругой системы, вызывающие периодическое закручивание и раскручивание ее участков, носят название крутильных.

Колебания, возникающие от действия упругих сил материала вала и сил инерции его масс после прекращения действия внешних сил, называют свободными, или собственными, колебаниями.

Колебания, которые коленчатый вал и присоединенная к нему кинематическая система, испытывают под действием непрерывно меняющегося крутящего момента двигателя, называют вынужденными.

Совпадение частот собственных и вынужденных колебаний называют резонансом.

Резонанс крутильных колебаний для двигателя является опасным явлением, так как вызывает в нем вибрации, местные нагревы и дополнительные напряжения, являющиеся иногда причиной поломок коленчатого вала, образования трещин блоков цилиндров. Поэтому частоты вращения коленчатого вала, при которых происходит явление резонанса, называют критическими. Резонанс может возникнуть при одной или нескольких частотах вращения.

При критических частотах вращения резко возрастает амплитуда колебаний вала.

Критическую частоту вращения определяют с помощью специального прибора - торсиографа с автоматической записью частот и амплитуд крутильных колебаний на бумажной ленте.

На ряде типов силовых установок переход через критическую частоту вращения допускается, поэтому обслуживающий персонал должен стремиться вывести её на заданный режим через критическую зону частоты как можно быстрее. Диапазон частот вращения, находящихся вблизи критической частоты вращения, называют запретной зоной работы двигателя, его указывают в формуляре двигателя. Это справедливо, например, для тяжёлых судовых дизельных двигателей или стационарных силовых установок работающих на определённом мощьностном режиме.

Двигатели основной массы автомобилей сконструированы таким образом, что критическая частота вращения находится за пределами максимальных оборотов двигателя, а также для снижения собственных крутильных колебаний до приемлемого уровня применяются специальные устройства - демпферы.

Погрешности в изготовлении или сборки роторов влекут за собой неизбежное смещение центров масс ротора относительно оси вращения. И, даже, если все центры масс находятся в оси вращения, это не гарантирует отсутствие дисбаланса и как следствие - вибрации. И для устранения данных погрешностей роторы необходимо отбалансировать.

Но опять отвлечёмся от теории и общих фраз, и перейдём к суровым будням. Неточность изготовления: например неправильное распределение металла при ковке коленчатого вала, или дефекты при литье, биение коленных опор, получаемое на стадии механической обработки, или ещё хуже, балансировка, в заводских условиях на станках-автоматах, как раз и вызывает смещение центров масс. Нарушение технологического процесса иногда превращает вроде бы нормальное изделие просто в груз, по форме напоминающий коленчатый вал и лишённый возможности стать сбалансированной автомобильной деталью. И если при прогибе вала 0,05мм. этим смещением можно пренебречь, в силу ничтожности величины, то в случае капитального ремонта двигателя где "застучал" коленчатый вал, биение может быть в разы больше. И этим уже пренебрегать не то, что нельзя, с этим нужно бороться и устранять. Устранив прогиб (способы устранения опустим) получим ровную геометрическую ось, в идеале совпадающую с осью вращения. Но центры масс не попадут, ни на одну из осей - это точно. В итоге и получили дисбаланс и все вытекающие последствия. Вывод - при проведении работ с роторами, связанных с изменением форм и размеров последних, проверка дисбаланса и при его обнаружении, балансировка - процедура обязательная! Также при замене любого ротора на новый, проверка его сбалансированности обязательна! Приходилось сталкиваться с такими явлением: при балансировке нового коленчатого вала (ГАЗ-53, ПАЗ и их модификаций, ЗИЛ-130) дисбаланс был вне зоны балансировки, из за того, что вал прошёл "балансировку" на заводе. Балансировочные отверстия в противовесах находились в таких местах и были таких размеров, что требовалось изготовление дополнительных грузов, для их заполнения. После этих процедур вал возвращался к "жизни". Из 10 новых валов примерно половина требует определенной доработки, а не просто балансировки.

Различают следующие виды балансировки

1. Статическая балансировка - балансировка, при которой определяется и уменьшается его статическую неуравновешенность. Статическая балансировка является достаточной для роторов дискообразной формы, масса которых размещена приблизительно в одной плоскости. Обычно это допустимо для роторов, у которых отношение длины к диаметру меньше 1 / 5.
2. Моментная балансировка - балансировка, при которой определяется и уменьшается главный момент дисбалансов ротора, характеризующий его моментную неуравновешенность
3. Динамичесая балансировка - балансировка, при которой определяются и уменьшаются дисбалансы ротора, характеризующие его динамическую неуравновешенность

Наибольшее распространение для деталей автомобильной темы имеет динамическая балансировка.

На практике, "отбалансировать" ротор (повторюсь, в данном случае может иметься в виду и колесо, и карданный, и коленчатый вал, в сборе с маховиком и тормозной диск) означает добавить или удалить определенную массу для компенсации дисбаланса. Иногда (но это очень старый дедовский метод балансировки карданных валов) для балансировки приходилось деформировать вал в нужном месте, тем самым смещая массу к оси вращения и уменьшая дисбаланс.

Рассматриваемый выше случай - последствия, так скажем, экстремальной ситуации для мотора. Но подобное может так же происходить на стадии производства, что вызывает такие же последствия.