W poprzednich częściach artykułu opisaliśmy strukturę układu jezdnego pojazdu, zakres jego diagnozowania, kryteria oceny stanu technicznego oraz metody jego diagnozowania. Przedstawiliśmy również wybrane przyrządy i urządzenia do oceny stanu technicznego układu jezdnego, to jest: detektory luzów, urządzenia do wykrywania uszkodzeń wewnętrznych opon, przyrządy do pomiaru bicia koła i przystawki napędowe (rozpędzarki do kół). W tej części artykułu opisujemy rodzaje i cechy urządzeń do wyważania kół jezdnych (wyważarek).

Wyważanie kół jezdnych przeprowadza się za pomocą specjalnych urządzeń zwanych wyważarkami. Urządzenia te pozwalają na określenie kątowej lokalizacji niewyważenia, jak również na określenie wartości tego niewyważenia.
Wyważanie kół jezdnych pojazdu powinno się przeprowadzić w następujących przypadkach:
- drgań koła kierownicy lub nadwozia,
- nierównomiernego zużycia bieżnika opon,
- wymiany opon,
- naprawy ogumienia,
- uszkodzenia koła.

Klasyfikacja wyważarek
Podział urządzeń do wyważania kół jezdnych pojazdu można przeprowadzić w oparciu o różne kryteria. Do najczęściej przyjmowanych kryteriów klasyfikacyjnych wyważarek należą: sposób wyważania, częstość drgań własnych układu drgającego, zakres zastosowania i konstrukcja układu pomiarowego.
Ze względu na sposób wyważania koła wyważarki dzieli się na:
- stacjonarne (do kół zdemontowanych z pojazdu),
- dostawne (do kół zamontowanych na pojeździe),
- aktywne (aplikatury proszku).

Zaletą wyważarek stacjonarnych jest duża dokładność pomiarów. Do wad należą: nieuwzględnienie niewyważenia piasty koła i tarczy lub bębna hamulcowego oraz niewłaściwego centrowania koła w samochodzie, a także większa pracochłonność pomiarów i większy koszt wyważarek. Zaletami wyważarek dostawnych są: mniejsza pracochłonność pomiarów, uwzględnienie niewyważenia wszystkich elementów wirujących wraz z kołem jezdnym (piasty i tarczy lub bębna hamulcowego) oraz mniejszy koszt wyważarek. Zasadniczą wadą jest brak możliwości dokładnego ustalenia wielkości masy wyważającej.
Podczas wyważania koło ma możliwość wykonywania ruchu obrotowego. Wraz z wałem wyważarki (wyważarki stacjonarne) lub piastą (wyważarki dostawne) jest podparte sprężyście i stanowi układ drgający wymuszany bezwładnościowo niewyważeniem koła. W zależności od wzajemnego stosunku prędkości kątowej koła i częstości drgań własnych układu drgającego wyróżnia się wyważarki: podrezonansowe, rezonansowe i nadrezonansowe. Do kół zdemontowanych z pojazdu najczęściej stosuje się wyważarki podrezonansowe (rys. 1), w których mierzy się dynamiczne reakcje łożysk wału wyważarki. Do kontroli stanu wyważenia koła zamontowanego w pojeździe używa się obecnie podrezonansowe wyważarki dostawne (rys. 2).
Innym, mniej rozpowszechnionym, sposobem wyważania kół jest wyważanie aktywne (proszkowe) stosowane w samochodach terenowych i ciężarowych. Odpowiednią porcję proszku do wyważania wsypuje się do opony przed jej zamontowaniem na obręczy lub wtłacza przez zawór specjalnym urządzeniem (tzw. aplikatorem proszku). W czasie jazdy proszek, w wyniku działania siły odśrodkowej, przemieszcza się w odpowiednie miejsce w oponie, co skutkuje wyważeniem koła. Po zatrzymaniu pojazdu proszek gromadzi się w dolnej części opony.
Ze względu na zakres zastosowania rozróżnia się wyważarki: motocyklowe, do kół samochodów osobowych, do kół samochodów ciężarowych i uniwersalne. Ze względu na rozwiązanie konstrukcyjne układu pomiarowego wyważarki dzieli się na: elektryczne, elektroniczne i komputerowe. W wyważarkach elektrycznych drgania wału powodują zmiany napięcia w układach elektrycznych i są rejestrowane na odpowiednio wyskalowanych woltomierzach.
Wyważarki elektroniczne wyposażone są w układ elektryczny przetwarzający drgania wału na proporcjonalny sygnał elektryczny oraz układ elektroniczny określający wartość i położenie niewyważenia w płaszczyźnie wewnętrznej i zewnętrznej koła.

Wyważarki komputerowe stanowią najnowszą odmianę wyważarek do kół jezdnych. W tego rodzaju wyważarkach zastosowano mikroprocesorowe sterowanie procesem pomiarowym. Dane dotyczące niewyważenia zapisywane są w pamięci. Wartość niewyważenia podawana jest w sposób cyfrowy, a miejsce niewyważenia wskazywane jest w sposób graficzny na ekranie monitora lub wyświetlaczach. Proces pomiarowy jest w pełni zautomatyzowany. Wyważarki te charakteryzują się bardzo dużą dokładnością pomiaru.

Cechy stacjonarnych wyważarek komputerowych
W wyważarkach komputerowych układy pomiarowe z wahliwym ułożyskowaniem wału i czujnikami magnetoindukcyjnymi zostały zastąpione układami z łożyskami stałymi i czujnikami piezoelektrycznymi. Zastosowano mikroprocesorowe sterowanie procesem pomiarowym z zapisywaniem w pamięci danych dotyczących parametrów niewyważenia. Nowoczesne układy pomiarowe umożliwiły obniżenie prędkości obrotowej wału wyważarek z wartości 800÷900 obr./min do 200÷400 obr./min, co skróciło czas rozbiegu koła, pomiaru i wyhamowania. Znane są układy pomiarowe wyważarek pozwalające rejestrować niewyważenie przy jeszcze mniejszych prędkościach, to jest 60÷100 obr./min. Pozwala to na eliminację napędu elektrycznego wału i zastosowanie napędu ręcznego, co wykorzystano w niektórych rozwiązaniach konstrukcyjnych wyważarek.
Współczesna stacjonarna wyważarka do kół jezdnych najczęściej składa się z: obudowy, mechanizmu napędowego wału, uchwytu do mocowania koła, czujników do pomiaru wartości niewyważenia, układu optoelektrycznego do pomiaru prędkości obrotowej i położenia miejsca niewyważenia oraz układu wskazań mierzonych parametrów (kolorowy monitor lub wskaźnik ciekłokrystaliczny).
Niezależnie od rodzaju wyważarki należy wykonać następujące czynności związane z wyważaniem koła:
- usunąć zanieczyszczenia osadzone na kole jezdnym oraz ciężarki zamocowane podczas poprzedniego wyważania;
- prawidłowo zamocować koło w uchwycie wyważarki;
- ustawić wartości parametrów koła (szerokość i średnica obręczy, odległość koła od układu pomiarowego wyważarki); dane te wprowadza obsługujący urządzenie lub mierzone są automatycznie;
- ustawić inne dane zależne od konstrukcji wyważarki (np. określenie dokładności wyważania, wybranie programu odpowiedniego do rodzaju używanych ciężarków, uruchomienie programów pomocniczych);
- wykonać wyważanie koła, to jest określić wartość mas korekcyjnych (wagi ciężarków) i miejsca korekcji na kole (zamocowania ciężarków) z uwzględnieniem rodzaju obręczy.

W większości współczesnych wyważarek są stosowane takie programy pomocnicze, jak: system wspomagania wyważania, programy pomiaru parametrów koła i bicia obręczy/opony, program uwzględniający zmiany płaszczyzn korekcji z funkcją ukrytego ciężarka. Pierwszy z nich analizuje błędy pomiarowe i informuje komunikatami słownymi o czynnościach, które należy wykonać w celu likwidacji tych błędów (np. zmiana masy ciężarka lub jego przesunięcie).
Ultradźwiękowy program pomiaru parametrów koła skraca cykl pomiarowy i poprawia dokładność pomiaru niewyważenia. Program jest wykonywany automatycznie podczas zamykania osłony koła. Inny czujnik ultradźwiękowy mierzy bicie promieniowe i osiowe koła (umożliwia ocenę jakości obręczy i opony oraz wykonanie programu minimalizacji).
Odmienne rodzaje obręczy stosowane we współczesnych pojazdach powodują konieczność używania różnych rodzajów ciężarków. Z tego powodu większość nowych wyważarek posiada program uwzględniający zmiany płaszczyzn korekcji (ALU), przeznaczony do wyważania kół z różnymi rodzajami obręczy, także ze stopów lekkich (aluminiowe, magnezowe). Najczęściej stosuje się równocześnie podprogram ukrytego ciężarka, który umożliwia dla obręczy aluminiowych automatyczne podzielenie masy zewnętrznego ciężarka na dwie równoważne, ukryte za szprychami.
Stacjonarne wyważarki komputerowe charakteryzują się przede wszystkim następującymi cechami:
- możliwością pomiaru oraz wyświetlania parametrów niewyważenia jednocześnie dla obu płaszczyzn koła (wewnętrznej i zewnętrznej);
- pokazywaniem na ekranie monitora lub na wyświetlaczu LCD lokalizacji niewyważenia za pomocą diod świetlnych lub przez zmianę barwy wskaźnika niewyważenia;
- dużą dokładnością pomiaru niewyważenia regulowaną dwustopniowo lub trzystopniowo (do 1 g – wyważanie dokładne, do 5 g – wyważanie średnio dokładne, do 10 g – wyważanie zgrubne) i dokładnością wskazań miejsca niewyważenia dochodzącą do 1,50;
- niską prędkością obrotową wału wyważarki, co dało w efekcie skrócenie czasu rozpędzania koła, czasu pomiaru (do 3 s) i czasu wyhamowania oraz zwiększenie trwałości wyważarki;
- możliwością zatrzymania koła po wyhamowaniu w takim położeniu, aby miejsce niewyważenia znalazło się u góry (automatyczny hamulec wału);
- możliwością wyważenia kół z tarczami ze stopów lekkich i różnym systemie mocowania ciężarków;
- zastosowaniem ręcznego napędu wału (w niektórych odmianach wyważarek); w wyważarkach z napędem ręcznym nie instaluje się osłony koła (nie trzeba jej zamykać i otwierać); wyróżniają się także mniejszą masą i wymiarami.
Najnowocześniejsze wersje wyważarek komputerowych umożliwiają dodatkowo przeprowadzenie następujących czynności: wykonanie programu kalibracji, realizację programu optymalizacji, wykonanie programu minimalizacji i realizację programu optymalizacji spokojnego biegu.

1. Program kalibracji
Kalibracja jest procesem pomiarowym realizowanym dla upewnienia się, że wskazania wyważarki są prawidłowe. Każda wyważarka podlega kalibracji bezpośrednio po zainstalowaniu na stanowisku, a następnie w pewnych odstępach czasu. W celu wykonania kalibracji na wał wyważarki należy założyć koło wzorcowo wyważone lub normalne koło z ciężarkiem o wzorcowej masie. Najczęściej kalibracja może być wykonana samodzielnie przez użytkownika urządzenia. W niektórych typach wyważarek kalibracja musi być wykonana przez doświadczonego pracownika, który do tego celu wykorzystuje zewnętrzny komputer i płytę CD producenta z odpowiednim oprogramowaniem. Nowe rozwiązania wyważarek komputerowych wyposażone są w systemy samokalibracji, używane w każdym przypadku, gdy zachodzi podejrzenie, że wskazania urządzenia są nieprawidłowe. Znane są rozwiązania konstrukcyjne wyważarek, które umożliwiają także kalibrację uchwytu mocującego i nastawnika wymiarów koła.

2. Program optymalizacji
Nowoczesne wyważarki sterowane mikroprocesorowo zapewniają dużą dokładność pomiarów. Jednak sam proces wyważania dynamicznego nie spowoduje usunięcia drgań koła, jeśli wynikają one z wady kształtu obręczy i opony lub nierównomiernej sprężystości opony. Z tego powodu wyważarki wyposaża się w programy optymalizacji i minimalizacji, które umożliwiają prawidłowe zamontowanie opony na obręczy oraz minimalizację masy ciężarków korekcyjnych.
Optymalizacja może być przeprowadzona metodami dynamicznymi lub statycznymi (np. firmy polskie i niemieckie powszechnie stosują optymalizację dynamiczną, a większość wytwórców włoskich – optymalizację statyczną). Optymalizację należy traktować jako czynność wstępną przed wyważaniem koła ciężarkami. Optymalizacja dynamiczna (wagowa) sprowadza się do takiego przesunięcia opony na obwodzie obręczy, aby niewyważenia występujące w tych elementach rekompensowały się wzajemnie. Program optymalizacji dynamicznej realizowany jest w przypadku, gdy niewyważenie badanego koła przekracza wartość 30 g.
Znane są dwie wersje programu optymalizacji dynamicznej. Pierwsza wersja dotyczy kompletnego koła i wymaga wykonania następujących czynności (rys. 3):
- po pierwszym pomiarze niewyważenia należy nanieść znak kredą na oponie (a) i przesunąć oponę na obręczy o 180o (b),
- powtórzyć pomiar i oznaczyć kredą miejsca niewyważenia obręczy i opony wskazane przez wyważarkę (c), a następnie obrócić oponę na obręczy do „zgrania” znaków (d),
- przeprowadzić właściwe wyważanie dynamiczne.

Druga wersja programu optymalizacji dynamicznej sprowadza się do wykonania następujących czynności:
- zdjęcia opony z obręczy koła i sprawdzenia wyważenia samej obręczy (jeżeli wartość niewyważenia nie przekracza 10 g, to wykonanie optymalizacji jest nieopłacalne),
- wyważenia obręczy koła z dowolnie założoną oponą,
- korekcji położenia opony względem obręczy,
- przeprowadzenia właściwego wyważania dynamicznego.

Niektóre rodzaje wyważarek mogą wykonać obie wersje programu optymalizacji dynamicznej. Wyniki pomiarów otrzymywane podczas realizacji procesu optymalizacji pokazywane są na ekranie monitora lub na wyświetlaczu. W celu odróżnienia od wyników pomiarów uzyskiwanych podczas tradycyjnego wyważania są one oznaczane w odmienny sposób.
Znane są również takie rozwiązania konstrukcyjne wyważarek komputerowych, które wykonują jeszcze inny rodzaj optymalizacji, nazywany optymalizacją statyczną. Polega ona na zminimalizowaniu szczątkowego niewyważenia statycznego. Wyważarka, po wykonaniu programu optymalizacji statycznej, wskazuje automatycznie optymalną masę ciężarków do założenia zależnie od ich lokalizacji (po lewej lub prawej stronie koła).
W wyniku optymalizacji dynamicznej i optymalizacji statycznej uzyskuje się korzystne zamontowanie opony na obręczy i zmniejszenie masy ciężarków użytych do wyważania koła.

3. Program minimalizacji
Ten program umożliwia pomiar bicia promieniowego obręczy i opony oraz takie wzajemne ułożenie tych elementów, aby zminimalizować bicie promieniowe. Wyważarka jest wyposażona w czujnik do określania bicia promieniowego koła (rys. 4). Najpierw mierzone jest bicie na całym obwodzie obręczy, a następnie na obwodzie opony zamontowanej na obręczy. Z wyważarki uzyskujemy informację, o jaki kąt należy przesunąć oponę względem obręczy, aby zminimalizować wzajemne bicia promieniowe tych elementów. Po zrealizowaniu tej czynności sprawdza się poprawność zamontowania opony (kontrola efektów wykonanych działań). Do przeprowadzenia programu minimalizacji wyważarki wyposaża się w specjalizowane czujniki ultradźwiękowe (rys. 5) lub czujniki laserowe i wysokiej rozdzielczości kamery, które mierzą nie tylko bicie promieniowe i osiowe koła, ale także inne parametry. Proces minimalizacji powinien być wykonany przede wszystkim dla kół nowych (na początku ich eksploatacji) oraz po każdej naprawie lub zmianie wzajemnego położenia elementów.

4. Program optymalizacji spokojnego biegu
Niektórzy producenci (np. firmy Hofmann, Hunter) stosują w wyważarkach optymalizację spokojnego biegu, która umożliwia usunięcie ewentualnych drgań wyważonego koła wynikających z wady kształtu i nierównomiernej sprężystości opony. Ten rodzaj optymalizacji jest szczególnie przydatny podczas wyważania kół z tarczami ze stopów lekkich. Metoda opatentowana przez firmę Hofmann zakłada, że twarde miejsce opony jest również miejscem ciężkim oraz że wadę kształtu obręczy (tarczy) koła można skompensować twardością opony. Podczas realizacji programu optymalizacji spokojnego biegu wyważarka w kilku cyklach pomiarowych (rys. 6) tak ustawia oponę względem obręczy, że najwyższe miejsce zowalizowanej obręczy znajdzie się przy miękkim miejscu opony. Podczas jazdy, gdy najwyższe miejsce obręczy koła znajdzie się od strony jezdni, to koło ugnie się na miękkim miejscu opony, kompensując w ten sposób bicie promieniowe. Taki rodzaj optymalizacji spokojnego biegu można nazwać optymalizacją za pomocą pomiaru niewyważenia. Po jej wykonaniu należy przeprowadzić właściwe wyważanie dynamiczne koła. Wyżej opisany program optymalizacji spokojnego biegu mogą wykonać m.in. wyważarki Geodyna 6800p i Geodyna Optima firmy Hofmann.
Natomiast firma Hunter w niektórych wyważarkach zastosowała specjalny program, który umożliwia usunięcie ewentualnych wibracji wyważonego koła spowodowanych wadą kształtu lub nierównomierną sprężystością opony. Wyważarki wyposażono w dodatkową rolkę (rys. 7) oraz program testu drogowego (Road Test). Dociskana rolka, tocząc się po oponie, pozwala ocenić zmiany wartości siły promieniowej wywołane nierównomierną sprężystością opony i błędem jej kształtu (biciem opony). Dodatkowe czujniki umożliwiają rejestrację bicia promieniowego i osiowego obu stron obręczy. Po sprawdzeniu obsługujący na ekranie monitora otrzymuje informację, w jaki sposób należy obrócić oponę względem obręczy, aby zminimalizować wielkość siły promieniowej.
Stacjonarne wyważarki komputerowe są produkowane przez takie firmy, jak: Bosch, Beissbarth, Cemb, Corghi, Haweka, Hunter, Hofmann, Schenck, Space, Uni-Trol i inne.

dr inż. Kazimierz Sitek