Website van Martin

Balanceren van een (eenvoudige) kruk-drijfstang mechanisme :

Wanneer andere zuiger(s) en / of bijvoorbeeld andere drijfstang(en) in een motor worden gemonteerd die een ander gewicht hebben dan origineel, dan kan het zijn dat de desbetreffende motor meer gaat trillen. Vaak is het jammer genoeg niet mogelijk om genoemde zuiger(s) en / of drijfstangen aan te passen zodat ze net zo zwaar zijn als de originele onderdelen. 
Wil je proberen dit trillen te beperken dan is het goed dat je iets afweet van het balanceren van een kruk-drijfstang mechanisme.

Met name 1-cilindermotoren en 2-cilindermotoren waarbij de zuigers gelijk op en neer gaan (deze laatste zijn qua balanceren gelijk aan 1-cilindermotoren) en die niet zijn voorzien van een balanceerinrichting, zijn in dat opzicht nogal kritisch. Dat komt omdat dergelijke motoren zo wie zo niet goed zijn uit te balanceren, er is altijd een compromis getroffen om overlast door trillingen zoveel mogelijk te beperken.
Om inzicht te krijgen in deze materie is het daarom handig om een 1-cilindermotor als voorbeeld te nemen.

De trillingen in een kruk-drijfstang mechanisme wordt veroorzaakt door de heen en weer gaande beweging van de zuiger en (een gedeelte van) de drijfstang. De ronddraaiende beweging van krukas en big-end gedeelte van de drijfstang zijn perfect uit te balanceren, maar het trillingsloos balanceren van de heen-en weer gaande beweging van de zuiger en de rest van de drijfstang is bij dergelijke motoren onmogelijk.


In de linker afbeelding hiernaast zie je een krukas met een zuiger die in het BDP
(Bovenste Dode Punt) staat. 
In eerste instantie zou je zeggen “maak het contragewicht van de krukas net zo zwaar als het gewicht van de zuiger en van het heen-en weer gaande gedeelte van de drijfstang en het probleem is opgelost,  hoe moeilijk kan zoiets nou zijn !” 

In de afbeelding rechts zie je dat wanneer dezelfde krukas 90 graden is verdraaid het onbelans net zo groot is als voorheen.  Het probleem is niet opgelost,  het is verschoven van het vertikale vlak naar het horizontale vlak. 





Door het contragewicht te halveren (men spreekt dan van een 50% balansfactor) worden de trillingen in het vertikale vlak gehalveerd en zijn de trillingen in het horizontale vlak ook de helft.  Zie de afbeeldingen rechts.

In de praktijk is gebleken dat bij motorfietsen trillingen in het vertikale vlak veel meer als hinderlijk wordt ervaren dan trillingen in het horizontale vlak. 
Construkteurs kiezen daarom vaak voor een balansfactor ergens tussen de 50 en 80% (we hebben het dan over 1 en 2 cilinders met "staande" cilinder(s).
Een acceptabele balansfactor is door de fabrikant  proefondervinderlijk vastgesteld en wordt zelfs beïnvloed door de manier waarop de motor in het frame is bevestigd.
Het kan dus voorkomen dat wanneer een vrijwel trillingsvrije motor in een ander type frame wordt gemonteerd er ineens meer trillingen zijn !


Heb je veel overlast door trillingen (door andere zuiger, drijfstang of frame) dan is het dus mogelijk om het contragewicht van de krukas aan te passen in een poging het trillen tegen te gaan.
Het contragewicht aanpassen zodat de originele balansfactor weer wordt toegepast hoeft niet de oplossing te zijn, het is best mogelijk dat er nu een niet standaard balansfactor nodig is om de trillingen binnen de perken te houden.


Het statisch balanceren van een krukas zonder drijfstang(en) op 50%:

Betreft krukassen die uit 1 stuk zijn gemaakt en zijn voorzien van demontabele drijfstangen. Bij een dergelijke krukas moet er een balanceergewicht worden gemaakt, passend op het big-end(s) en met een vooraf berekend gewicht.

Het berekenen van het benodigd balanceergewicht bij een balansfactor van 50%:

A          Ronddraaiend gewicht:
Zoals eerder gezegd wordt de ronddraaiende beweging van krukas en big-end gedeelte van de drijfstang voor de volle 100% uitgebalanceerd. 
Als eerste moeten we dus zien te achterhalen welk gewicht van de drijfstang (compleet met lagerschaaltjes, lagerkap, bouten en moeren) tot het ronddraaiende beweging moet worden gerekend. Hiertoe gaan we de drijfstang aan big-end zijde wegen (compleet met lagerschaaltjes, lagerkap, bouten en moeren). 
Op 1 gram nauwkeurig.  Zie de afbeelding hiernaast.
Stel je meet als Big-end gewicht (compleet met lagerschaaltjes, lagerkap, bouten en moeren) 300 gram dan is het te balanceren gewicht dus 100% van 300 gram = 300 gram.

B          Heen en weer gaand gewicht:
Van alle heen en weer gaande delen gaan we 50% (balansfactor) nemen:
Weeg de drijfstang nu aan zuigerpenzijde,  bijvoorbeeld 100 gram (zie afb. hiernaast). 
Weeg de zuiger (compleet met pen circlips en veren) bijvoorbeeld 350 gram 
Totaal heen en weer gaand gewicht dus 100 + 350 = 450 gram
Het gewicht hiervoor moet dus zijn 50% van 450 gram = 225 gram.

Het benodigd totaal balanceergewicht bij een balansfactor van 50% is dus A + B = 300 + 225 = 525 gram  (per cilinder).

Maak nu een balanceergewicht van 525 gram.
Balanceergewichten kunnen gemaakt worden uit een stuk rondstaal, sommige foto's staan ook dergelijke balanceergewichten afgebeeld. Echter het is beter om "universele" balanceergewichten te maken. Die van mij zijn geschikt voor big-ends van 30 tot 48 mm en kunnen naar believen worden verzwaard met extra moeren, ringen, of extra stukken platstaal. Zie de foto hieronder:



Monteer de balanceerhelften op het big-end van de krukas.
De krukas in zijn eigen lagers op bijvoorbeeld een paar Y-blokken laten draaien is niet nauwkeurig genoeg, lagers hebben meestal teveel weerstand.
Maak daarom een stuk gereedschap waarin de krukas op een tweetal onbeschadigde rechte assen kan rollen (meestal worden hier speciale geharde zogenaamde "messen" voor gebruikt. 2 ronde assen kan ook, haaks op een ronde krukastap geeft dat immers ook een puntbelasting).
Mijn balanceer gereedschap is passend gemaakt voor mijn draaibank, zie onderstaande foto. Een draaibank geeft immers een stabiele ondergrond zodat je alleen de eerste keer het gereedschap goed horizontaal hoeft af te stellen. Daarnaast zijn op deze manier korte, maar ook zeer lange krukassen eenvoudig statisch te balanceren. Dit werkt zo nauwkeurig dat het plaatsen van een magneetje van slechts 2 gram al een duidelijk verschil geeft !

De krukas wordt stilstaand (= statisch) gemeten. De krukas mag nu geen enkel zwaar punt vertonen, hij moet op ieder willekeurige positie volledig stil blijven staan. Zo niet, dan moet er materiaal worden verwijderd van het zwaarste punt door bijvoorbeeld iets van een krukwang weg te halen (slijpen of boren). Wanneer er bijvoorbeeld 2 krukwangen zijn (1 cilinder motor) er voor zorgen dat van ieder krukwang dezelfde hoeveelheid materiaal wordt weggehaald.
(gereedschap is ook te gebruiken voor het balanceren van bijvoorbeeld slijpstenen, of de geslepen messen van een grasmaaimachine enz).


Het statisch balanceren van een krukas met gemonteerde drijfstang(en) op 50%:
Bij in elkaar geperste krukassen is het niet mogelijk de drijfstang(en) te demonteren. Alleen wanneer het big-end lager erg gemakkelijk draait dan is statisch balanceren ook van een dergelijke krukas mogelijk.
In plaats van een balanceergewicht om het big-end wordt hierbij gebruik gemaakt van een balanceergewicht die aan het kleine drijfstangoog wordt gehangen, zie onderstaande afbeelding.

Omdat de drijfstang is gemonteerd houden we bij de berekening alleen rekening met het heen en weer gaand gewicht:

Heen en weer gaand gewicht:
Van alle heen en weer gaande delen gaan we 50% (balansfactor) nemen:
Weeg de drijfstang aan zuigerpenzijde,  bijvoorbeeld 100 gram (zie afb. verder naar boven). 
Weeg de zuiger (compleet met pen circlips en veren) bijvoorbeeld 350 gram 
Totaal heen en weer gaand gewicht dus 100 + 350 = 450 gram
Het gewicht hiervoor moet dus zijn 50% van 450 gram = 225 gram.

Omdat de drijfstang al is gemonteerd is het benodigd balanceergewicht bij een balansfactor van 50%
225 - 100 gram = 125 gram (per cilinder).

Maak een gewicht van 125 gram en hang dit aan het kleine drijfstangoog volgens onderstaande afbeelding.
De krukas wordt stilstaand (= statisch) gemeten. De krukas mag nu geen enkel zwaar punt vertonen, hij moet op ieder willekeurige positie volledig stil blijven staan. Zo niet, dan moet er materiaal worden verwijderd van het zwaarste punt door bijvoorbeeld iets van een krukwang weg te halen (slijpen of boren). Wanneer er bijvoorbeeld 2 krukwangen zijn (1 cilinder motor) er voor zorgen dat van ieder krukwang dezelfde hoeveelheid materiaal wordt weggehaald.


Statisch  versus dynamisch  balanceren:

Het verschil tussen statisch en dynamisch balanceren is het beste toe te lichten met behulp van een paar schetsjes:

 

Op de schets hiernaast zie je een as die op 2 lagers draait en die aan 1 zijde is voorzien van een stuk staal van 100 gram. Wanneer deze as snel wordt rondgedraaid zorgt dit voor trillingen, vooral in lager B.

 


 

Op de tweede schets is dezelfde as statisch uitgebalanceerd zoals eerder omschreven door een tweede stuk staal van 100 gram te bevestigen. Het was op het oog zichtbaar waardoor het onbalans werd veroorzaakt dus daarom werd het tweede stuk staal recht tegenover het eerste stuk staal bevestigd. Wanneer de as snel wordt rondgedraaid zijn er geen trillingen meer. Probleem opgelost !



Bij een krukas is op het oog echter niet zichtbaar waardoor het onbalans wordt veroorzaakt. Bij statisch  balanceren ga je er vanuit dat het onbalans in het midden zit. Je brengt daarom het tweede stuk staal in het midden van de as aan,  zie de derde schets. Statisch gezien is de as ook nu perfect uitgebalanceerd, in welke positie dat je de as ook draait hij blijft overal stil staan. Het is echter duidelijk zichtbaar dat er wel degelijk onbalans is,  er zullen zowel in lager A alsook lager B trillingen optreden wanneer de as snel wordt rondgedraaid.

 

Dynamisch  balanceren:
Bij dynamisch balanceren wordt de krukas op een speciaal daarvoor gemaakte machine gelegd die de krukas laat draaien (= dynamisch) en de trillingen meet in lager A en lager B. De electronica van de balanceermachine geeft aan waar het onbalans zit, hoeveel onbalans er zit en of het bij lager A of bij lager B zit.
Dynamisch  balanceren met een daarvoor gemaakte machine is veel nauwkeuriger dan statisch balanceren, het gaat door het gebruik van de electronica veel sneller, en is daarom te prefereren. Deze machine's zijn echter voor de hobby-ist meestal veel te duur.

Het kan echter ook anders. Ik balanceer mijn krukassen dynamisch op een volledig mechanische manier, zonder electronica. Op een dergelijke manier balanceren kost veel tijd, maar tijd heb ik genoeg, terwijl mijn machine nog geen 25 euro heeft gekost! Daarnaast is het leuk om te doen !
Gereedschap gemaakt wat op mijn draaibank past zodat elke lengte krukas dynamisch gebalanceerd kan worden. De te balanceren krukas wordt aangedreven door de draaibank, er zijn dus ook vele toerentallen beschikbaar.

De te balanceren krukas staat als het ware op 2 rechtop staande strookjes plat ijzer, zie de foto's en een filmpje helemaal onderaan. Hierdoor kan lager A en lager B onafhankelijk van elkaar (alleen) naar voren en naar achteren worden bewogen. De te balanceren krukas wordt van onderen door een (op lengte gemaakte) o-ring aangedreven zodat aandrijfkrachten geen invloed hebben op eventueel onbalans.
Om te beginnen de draaibank laten draaien op een lage snelheid. Wanneer het toerental van de draaibank vervolgens wordt verhoogd dan zie je op den duur dat lager A en lager B beginnen te "slingeren". Deze beweging (de amplitude) wordt gemeten met 2 meetklokjes, 1 voor lager A en 1 voor lager B. De amplitudes in lager A en lager B zijn meestal verschillend, en de plaats van het onbalans vrijwel altijd ook.
Wanneer het toerental en daarmee de amplitude goed wordt gekozen dan is de amplitude met behulp van de meetklokjes goed te zien, al is het toerental ook 700 omwentelingen per minuut !
Ik kies een toerental waarop de amplitude 0,2 a 0,5 mm is. Bij een krukas met een groot rond vliegwiel kun je tijdens het draaien van de krukas een magneetje tegen het draaiende vliegwiel gooien (letterlijk) en verplaatsen (al draaiende !) totdat de laagste amplitude wordt weergegeven in lager A of B. Hierna de draaibank stoppen, het magneetje verplaatsen naar de desbetreffende krukwang en experimenteren met diverse grootte magneetjes totdat de amplitude zo laag mogelijk is. Hetzelfde voor het andere lager.

Hierna het toerental verhogen totdat weer een amplitude wordt weergegeven van 0,2 a 0,5 mm en weer experimenteren met het gewicht van de magneetjes. Enz. Toerentallen hoger dan 700 omwentelingen wil niet zo goed, de magneetjes vliegen dan alle kanten op! Deze manier van werken kost tijd en vereist wat handigheid, maar het is goed te doen!

Het resultaat is een krukas die zelfs bij 700 omwentelingen per minuut vrijwel niet meer "slingert", dus dynamisch redelijk goed in balans is! Het resultaat vergeleken met een professionele machine zal minder zijn, maar een krukas die statisch gezien goed in balans is kan op bovenstaande manier vrijwel altijd worden verbeterd.

Nog even een paar foto's en helemaal onderaan een filmpje van een krukas die dynamisch gezien niet in balans is en waarvan het onbalans vrijwel allemaal in 1 lager zit:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

© www.mijn-eigen-website.nl (design)