«Kardangakselen er balansert, så vibrasjonen må komme fra noe annet» er en velkjent påstand – og en delvis sann en. Balansering er den mest utførte og mest kjente jobben på en drivline, og de fleste verksteder og komponentleverandører kan gjøre den godt. Problemet er at balansering bare løser én av flere fysisk forskjellige typer vibrasjon som kan oppstå i en roterende drivline. To av de andre – kritisk bøyeturtall og torsjonssvingninger/kritisk torsjonsturtall – blir sjelden nevnt, til tross for at det ofte er nettopp disse som gir de kraftigste, mest plagsomme og vanskeligst diagnostiserte vibrasjonene.
Dette gjelder i prinsippet alle kjøretøy med en mekanisk drivline, men bobiler peker seg ut som en særlig utsatt kjøretøytype. Uansett om basiskjøretøyet er en Iveco Daily, en Mercedes-Benz Sprinter/Vario eller en Fiat Ducato, bygges det en boenhet rett på rammen, og drivlinjen er ofte modifisert i forhold til fabrikkoppsettet. Denne artikkelen forklarer forskjellen mellom balansering og torsjonssvingninger, hvorfor kritisk torsjonsturtall er et eget fenomen som balansering ikke fanger opp, og hvorfor nettopp bobilkonstruksjonen forsterker problemet.
For å forstå hvorfor en «balansert» drivline likevel kan vibrere kraftig, må vi skille mellom flere fysiske størrelser som hver for seg kan variere rundt omkretsen eller over tid i en roterende aksel: massefordeling, akselens egen bøyestivhet, og momentfordeling.
Ubalanse oppstår når en roterende dels massesenter ikke faller sammen med rotasjonsaksen. Selv en liten avstand mellom massesenter og rotasjonsakse gir en sentrifugalkraft som roterer med akselen, og denne kraften øker med kvadratet av turtallet. Ved høyt turtall kan selv få gram ubalanse gi en kraft som kjennes tydelig som vibrasjon i karosseriet, og som over tid sliter på lager og kryssledd. Balansering – statisk og dynamisk – handler om å tilføre eller fjerne masse i definerte punkter langs akselen slik at massesenteret flyttes tilbake mot rotasjonsaksen, innenfor en toleranse angitt av en balanseringsgrad etter ISO 1940 – Balance quality of rotating rigid bodies. Dette er en velprøvd og effektiv metode – men den korrigerer utelukkende massefordeling.
Ubalanse har også et eget resonansfenomen, uavhengig av hvor stram balanseringsgraden er: kritisk bøyeturtall. En kardangaksel er ikke uendelig stiv i bøy, og som enhver slank stav har den én eller flere egenfrekvenser i tverretning. Nærmer driftsturtallet seg en slik egenfrekvens, forsterkes selv en liten, fullt ut godkjent rest-ubalanse kraftig – omtrent som en vaskemaskintrommel som rister voldsomt gjennom ett bestemt turtall på vei mot sentrifugering. En vanlig tommelfingerregel i drivakselindustrien er at maksimalt tillatt driftsturtall bør ligge med god margin – gjerne i størrelsesorden 20 prosent – under kritisk bøyeturtall. Bøyeturtallet bestemmes i hovedsak av akselens driftslengde, rørets ytre diameter og veggtykkelse, samt hvor stivt akselen er lagret: jo lengre og slankere aksel, og jo mykere lagerstøtte, desto lavere kritisk bøyeturtall. Kritisk bøyeturtall hører fortsatt til «ubalanse-familien» – det handler om radielle krefter og massesentrering, i motsetning til torsjonssvingninger, som handler om vridning og moment – men er likevel et eget fenomen: en aksel balansert helt korrekt kan fortsatt ha et kritisk bøyeturtall som ligger farlig nær driftsturtallet, dersom akselen er for lang, for slank eller for mykt opplagret for den aktuelle bruken.
En drivline overfører ikke et konstant dreiemoment. Motoren leverer moment i pulser bestemt av antall sylindre og tenningsrekkefølge, og et kryssledd (universalledd) som opererer i en vinkel – noe praktisk talt alle kardangaksler med kryssledd gjør – introduserer i tillegg en svingning i vinkelhastigheten to ganger per omdreining, selv om akselen er perfekt balansert i massesenteret. Disse momentpulsene forplanter seg gjennom drivlinjen, og hele systemet – motor, clutch/svinghjul, gearboks, kardangaksel(er), mellomlager, differensial og hjul – oppfører seg som et koblet fjær-masse-system i vridning, med sine egne torsjonsegenfrekvenser. Dette er et helt annet fysisk fenomen enn massens ubalanse, og har ingenting med hvor godt akselen er balansert å gjøre.
Ethvert mekanisk system med fjærstivhet og treghetsmasser har én eller flere egenfrekvenser det svinger med hvis det forstyrres. For en drivline i vridning kalles disse torsjonsegenfrekvenser, og turtallet der en av motorens eller kryssleddenes eksitasjonsfrekvenser sammenfaller med en av disse egenfrekvensene, kalles et kritisk torsjonsturtall. I resonans forsterkes selv en liten momentpuls kraftig – amplituden begrenses i praksis bare av systemets egen demping, som i en metallisk drivline typisk er lav. Resultatet kan være markert støy og vibrasjon, unormal slitasje på kryssledd, splines og lager, og i verste fall utmattingsbrudd i akselen selv.
Det avgjørende poenget er dette: kritisk torsjonsturtall er en egenskap ved systemets stivhet og treghet – akselens lengde, diameter, veggtykkelse, antall og plassering av mellomlagre, samt treghetsmomentene til komponentene den kobler sammen. Det er ikke en egenskap ved hvor godt massesenteret er sentrert. Man kan derfor ha en aksel som er balansert til en svært stram toleranse, og som likevel går rett inn i et kraftig torsjonsresonanspunkt et sted i det normale kjøreturtallet.
Dette er kjernen i misforståelsen: balansering og vibrasjonsfrihet er ikke det samme. Balansering reduserer den turtallsavhengige, massedrevne vibrasjonen – en kraft som er proporsjonal med kvadratet av turtallet og som virker radielt. Torsjonssvingninger er moment- og vridningsdrevne, kan opptre selv ved lavt turtall dersom de treffer en egenfrekvens, og virker i akselens rotasjonsretning, ikke radielt. En balanseringsjobb – uansett hvor nøyaktig utført – vil aldri flytte et torsjonsresonanspunkt eller dempe en momentpuls. Når et verksted balanserer akselen på nytt fordi kunden fortsatt opplever vibrasjon, og problemet vedvarer, er det ofte fordi man har løst feil problem: man har jaktet på en ubalanse som kanskje aldri var hovedårsaken.
Ubalanse og torsjonssvingninger sammenlignet (kritisk bøyeturtall, som deler egenskaper med begge, er beskrevet over):
EgenskapUbalanse (balansering)Torsjonssvingninger (kritisk turtall)Fysisk størrelseMassefordeling rundt rotasjonsaksenMomentfordeling / vinkelhastighet over tidKraftretningRadiell (sentrifugal)Tangentiell / i vridningForhold til turtallØker jevnt med turtall²Kan opptre ved ethvert turtall som treffer en egenfrekvens (resonans)Typisk kildeRest-ubalanse i massesenteretMotorens momentpulser, kryssleddvinkel (2. ordens eksitasjon)Løses vedBalansering: tilføre/fjerne masseEndre stivhet/treghet, fasing av kryssledd, demping
Hos Powertrain balanseres kardangaksler i to plan, normalt opp mot systemets eller kjøretøyets maksimale turtall, og til en produksjonsstandard på balansekvalitet G16 – i den strenge enden av det normalområdet som gjelder for kardangaksler (typisk G16–G40), og et helt annet nivå enn for eksempel bilhjul og hjulsett, som normalt balanseres til G40. G16 er altså ikke et tilfeldig tall, men et bevisst kvalitetsvalg.
Det er samtidig verdt å være ærlig om noe balanseringsbransjen sjelden snakker høyt om: den ubalansen som faktisk kan måles i felt, påvirkes av langt mer enn selve balanseringsjobben. Type balanseringsmaskin, målesystemets nøyaktighet, monterings- og oppspenningstoleranser, klaring i kryssledd og eventuell vinkelklaring i lengdeutligningen bidrar alle til det som til slutt måles på et ferdig montert kjøretøy. Summen av slike forhold kan i felt gi avvik på opptil 100 prosent sammenlignet med det som ble målt på balanseringsbenken. Det er derfor vanlig å skille mellom en strengere produksjonsstandard (hos Powertrain: G16) og en noe romsligere kontrollstandard for kundens egen ettermåling (typisk G32) – ikke fordi akselen er dårligere balansert, men fordi målekjeden i felt aldri er identisk med målekjeden på fabrikken.
Dette er også grunnen til at balansekvalitet aldri bør vurderes isolert. Den må ses i sammenheng med nettopp de faktorene denne artikkelen handler om: aksellengde, driftsturtall, kritisk bøyeturtall, lagerklaringer og faktisk oppspenning/flensløp. En strengere balanseringsgrad kan aldri kompensere for dårlig sentrering, skjeve flenser, for stor mekanisk klaring – eller for et bøye- eller torsjonsresonanspunkt midt i driftsområdet.
Alle kjøretøy med kardangaksel kan i prinsippet rammes av torsjonsresonans. Men bobiler har to egenskaper som gjør at problemet både oppstår oftere og merkes langt sterkere enn i det opprinnelige basiskjøretøyet.
I en vanlig varebil er kupeen adskilt fra rammen med gummifester, og karosseriet er formet og avstivet for å dempe og bryte opp vibrasjonsoverføring. I en bobil er boenheten derimot som regel skrudd og limt direkte på rammebjelkene, ofte med relativt stive festepunkter for å tåle vekten og de dynamiske kreftene under kjøring. Boenheten selv er en stor, lett og i stor grad flat sandwichkonstruksjon – akkurat den typen struktur som er svært effektiv til å ta imot strukturbåren vibrasjon fra rammen og stråle den videre som hørbar støy og følbar vibrasjon i hele boarealet. En vibrasjon fra drivlinjen som knapt ville vært merkbar i en tom lastebil- eller varebilramme, kan dermed oppleves som kraftig og ubehagelig inne i bobilen – fordi boenheten fungerer omtrent som lydkassen på et instrument. Samtidig endrer boenheten kjøretøyets totale masse og massefordeling vesentlig sammenlignet med det basiskjøretøyet produsenten opprinnelig er utviklet og NVH-tunet for, noe som i seg selv kan flytte systemets egenfrekvenser.
Et originalt chassis fra Iveco, Mercedes-Benz eller Fiat er sjelden det bobilen til slutt kjører på. Påbyggere forlenger ofte hjulbasen for å få plass til boenheten, noe som krever en lengre kardangaksel – gjerne delt opp i flere seksjoner med ett eller flere mellomlagre. Kjørehøyden endres ofte når boenheten monteres, noe som endrer driftsvinkelen på kryssleddene. I noen tilfeller endres også bakakseleksling, eller det bygges inn en ekstra aksel. Hver av disse endringene – lengre eller flere akselseksjoner, nye mellomlagre, endrede kryssleddvinkler, endret fasing mellom leddene – påvirker direkte drivlinjens stivhet, treghetsfordeling og eksitasjonsmønster, og dermed hvor i turtallsregisteret de kritiske turtallene havner. En modifikasjon som er helt ukritisk for massebalansen, kan fint flytte et resonanspunkt rett inn i kjøretøyets normale marsjturtall.
Dette rammer også kritisk bøyeturtall spesifikt: fabrikkens turtall-/vinkelgrenser og bøyeturtallsdiagrammer forutsetter normalt stive lageropplagringer plassert nær flensen. Et mellomlager som en påbygger fester til et forlenget bobilchassis er ikke alltid forankret like stivt som i et fabrikkoppsett – og en mykere opplagring gir et lavere kritisk bøyeturtall enn katalogverdien skulle tilsi. Tilsvarende øker en driftsvinkel over noen få grader – gjerne en konsekvens av endret kjørehøyde – hastighetsvariasjonen i kryssleddet, og dermed både den generelle belastningen og risikoen for bøyesvingninger, særlig kombinert med den økte aksellengden en hjulbaseforlengelse gir. Ingen av disse effektene fanges opp av en balanseringsjobb.
Iveco, Mercedes-Benz og Fiat validerer støy, vibrasjon og driftskomfort (NVH) og drivlinjedynamikk på kjøretøyet slik det leveres fra fabrikk – som komplett varebil eller chassis med førerhus. Når en uavhengig påbygger deretter forlenger rammen, bygger på en tung boenhet og eventuelt endrer drivlinjen, opererer kjøretøyet utenfor det parameterområdet basisprodusenten har validert og optimalisert for. Det er en viktig grunn til at basisprodusenten ofte ikke kan reprodusere eller forklare en vibrasjonsklage på en ferdig bobil – klagen oppstår i et samspill mellom komponenter og en konstruksjon produsenten aldri testet i den kombinasjonen. Det er også derfor standardresponsen «balanser akselen på nytt» så ofte ikke løser problemet permanent: den adresserer et symptom som kan ha en helt annen årsak.
For verksteder og påbyggere som står overfor en vedvarende vibrasjon i en bobil – særlig etter forlenget hjulbase, ny mellomlagerplassering, endret kjørehøyde eller andre drivlinjeinngrep – er følgende relevant utover ren balansering.
Kryssleddenes driftsvinkler bør kontrolleres opp mot komponentleverandørens toleranser, og ved flere akselseksjoner bør leddene være riktig faseplassert i forhold til hverandre, slik at vinkelhastighetssvingningene fra hvert ledd i størst mulig grad opphever hverandre i stedet for å forsterke hverandre. Drivlinjens torsjonsegenfrekvenser bør vurderes opp mot motorens dominerende eksitasjonsordener og kryssleddenes 2.-ordens eksitasjon over hele det normale driftsturtallet – ikke bare ved ett fast turtall.
I tillegg til kryssleddvinkler og torsjonsegenfrekvenser bør kritisk bøyeturtall kontrolleres for den faktiske akselutførelsen etter ombygging: rørdimensjon, driftslengde, lagerstøttens stivhet, og om det er behov for å dele opp en lang aksel med ett eller flere mellomlagre. Som praktisk tommelfingerregel bør maksimalt driftsturtall holdes med god margin – i størrelsesorden 20 prosent – under beregnet kritisk bøyeturtall. Balansering, kritisk bøyeturtall og kritisk torsjonsturtall er tre atskilte kontroller som utfyller hverandre, ikke tre navn på det samme.
Det er også verdt å se på selve emnekvaliteten, ikke bare det ferdige balanseringsresultatet – særlig ved aksler satt sammen av flere friksjonssveiste seksjoner, slik det ofte blir ved forlenget hjulbase. Sentrering og runout ved flensene bør sjekkes som egen sjekkpost. Er det behov for uvanlig mye korreksjonsvekt for å nå ønsket balansekvalitet, er det som regel et tegn på at et rør eller en sveiseskjøt ikke er sentrert, og at oppdreiing/resentrering av delen kan være en mer robust løsning enn ytterligere balanseringslodd.
Dersom beregning eller måling viser at et kritisk torsjonsturtall faller innenfor normalt kjøreturtall, er de aktuelle tiltakene enten å endre systemets stivhet eller treghet (akseldimensjoner, mellomlagerplassering, komponentvalg) slik at egenfrekvensen flyttes ut av driftsområdet, eller å tilføre torsjonsdemping. Balansering og torsjonsanalyse bør behandles som atskilte og komplementære kontroller – den ene erstatter ikke den andre, og en drivline bør ideelt sett vurderes for alle tre når hjulbase, mellomlager eller akselkonfigurasjon endres fra fabrikkoppsettet.
Balansering korrigerer massefordelingen i en roterende aksel og reduserer den turtallsavhengige vibrasjonen dette gir – hos Powertrain til en produksjonsstandard på G16. Men balansering er bare én av flere kontroller en drivline bør gjennom, og den bør helst løse et marginalt avvik – ikke maskere et rør eller en friksjonssveist skjøt som i utgangspunktet ikke er sentrert. Store korreksjonslodd kan få en aksel innenfor riktig G-tall uten at den er reelt sentrert; i flere tilfeller har oppdreiing og resentrering av delene løst problemet der balansering alene ikke gjorde det. Kritisk bøyeturtall er et beslektet, men eget resonansfenomen knyttet til akselens lengde, rørdimensjon og lagerstivhet. Torsjonssvingninger og kritisk torsjonsturtall er et helt separat fenomen knyttet til drivlinjens vridningsstivhet, treghet og momentbelastning. Begge kan gi kraftig resonans helt uavhengig av hvor godt akselen er balansert.
I en bobil forsterkes konsekvensene av dette av at boenheten er montert direkte på rammen og fungerer som en effektiv forsterker av strukturbåren vibrasjon, og av at drivlinjen – uavhengig av om basiskjøretøyet er en Iveco Daily, Mercedes-Benz Sprinter/Vario eller Fiat Ducato – ofte er modifisert langt utover det produsenten har validert, med mykere mellomlager og endrede kryssleddvinkler som direkte kan flytte både kritisk bøyeturtall og kritisk torsjonsturtall. En vibrasjon som vedvarer etter ny balansering, bør derfor ikke automatisk tolkes som «fortsatt ikke balansert godt nok» – det er ofte nettopp signalet om at bøye- eller torsjonsdynamikken bør undersøkes.
Powertrain balanserer kardangaksler til G16 som produksjonsstandard, og arbeider med drivlinjeanalyse og -dimensjonering utover dette – inkludert vurdering av kritisk bøyeturtall og torsjonssvingninger ved ombygging og forlengelse av drivlinjer. Står du overfor en vibrasjon som ikke forsvinner etter balansering, er det ofte bøye- eller torsjonsdynamikken – ikke massebalansen – som er neste sted å se. Ta kontakt med oss for en vurdering av din drivline.
