W poprzednich częściach serii opisano znaczenie geometrii kół i osi jezdnych dla bezpieczeństwa jazdy i ekonomii eksploatacji pojazdu, ogólne zasady pomiaru kątów ustawienia kół oraz urządzenia do kontroli ustawienia kół jezdnych samochodu (m.in. komputerowe z głowicami elektronicznymi wyposażonymi w kamery CCD mocowanymi do kół pojazdu i komputerowe 3D w wersji z kamerami umieszczonymi przed pojazdem). Tym razem przedstawione zostaną urządzenia komputerowe systemu 3D w wersji z kamerami umieszczonymi z boku samochodu. 

1. Wprowadzenie
Konstruktorzy samochodów starają się nadawać kołom jezdnym właściwe ustawienie (płaszczyzna symetrii koła ma być równoległa do toru jazdy pojazdu i prostopadła do nawierzchni jezdni). Ustawienie koła jezdnego jest zwykle charakteryzowane kątem pochylenia i zbieżnością kół danej osi. Koła kierowane są dodatkowo charakteryzowane kątem pochylenia i wyprzedzenia osi zwrotnicy. Parametrami wpływającymi na prawidłową kinematykę toczenia się kół kierowanych są kontrolne i maksymalne kąty skrętu. Również pozostałe parametry decydują o poprawnym działaniu układów kierowniczego i jezdnego oraz mają wpływ na bezpieczeństwo ruchu.
Stan techniczny układów kierowniczego i jezdnego ma bardzo istotny wpływ na bezpieczeństwo ruchu i stopień zmęczenia kierowcy. Podczas eksploatacji pojazdu na skutek zużywania i osłabienia mocowania elementów następuje pogorszenie stanu technicznego tych układów. Utrzymanie podczas eksploatacji zalecanych przez producenta pojazdu parametrów ustawienia kół i osi jezdnych zapewnia ich stabilizację, stateczność i kierowalność pojazdu, zmniejsza zużycie ogumienia, elementów osi i paliwa. 
W ostatnich latach producenci proponują nowe odmiany przyrządów komputerowych, które wykonują pomiary ustawienia kół i osi w systemie 3D. W tych urządzeniach nie występują elektroniczne, wrażliwe na uszkodzenia zespoły pomiarowe (głowice) zakładane na koła pojazdu. Zamiast nich stosowane są ekrany refleksyjne (pasywne), które nie zawierają układów optycznych ani elektronicznych i nie są źródłem emisji własnych, wytwarzanych przez siebie sygnałów. Są to zespoły bezprzewodowe. Ekrany pasywne mocuje się za pomocą uchwytów na kołach jezdnych, tak aby były zwrócone stroną, która pokryta jest odpowiednim wzorem (figury geometryczne), w kierunku kamer cyfrowych umieszczonych przed pojazdem lub obok niego. Niepotrzebne jest wykonywanie czasochłonnej kompensacji bicia tarcz kół, często związanej z unoszeniem pojazdu. Nie jest konieczne spełnienie wymagań odnoszących się do wypoziomowania stanowiska kontrolnego. Innymi zaletami tych przyrządów są: szybkość pomiaru, mały zakres czynności koniecznych do wykonania i duża wygoda dla obsługującego.
Pierwsze rozwiązania konstrukcyjne urządzeń komputerowych z ekranami refleksyjnymi (3D) opracowały firmy amerykańskie. Obecnie mają je w swojej ofercie także producenci europejscy. Przyrządy do pomiaru ustawienia kół i osi pojazdu w systemie 3D można stosować na stanowiskach kontrolnych zarówno podnośnikowych, jak i kanałowych. 
Urządzenia komputerowe 3D oferowane są w dwóch wersjach: z kamerami umieszczonymi przed pojazdem i z kamerami umieszczonymi z boku pojazdu. Opis urządzeń 3D z kamerami umieszczonymi przed pojazdem przedstawiono w poprzednim numerze „Nowoczesnego Warsztatu”. W dalszej części tekstu omówiono rozwiązania konstrukcyjne urządzeń systemu 3D w wersji z kamerami umieszczonymi z boku samochodu. 

2. Urządzenia komputerowe 3D z kamerami umieszczonymi z boku samochodu
Najnowszą odmianą przyrządów do kontroli ustawienia kół i osi jezdnych są urządzenia komputerowe 3D z kamerami umieszczanymi z boku pojazdu. Do takich urządzeń z oryginalnym, trójwymiarowym systemem pomiaru geometrii ustawienia kół i osi należą m.in.: Easy 3D firmy Beissbarth (rys. 1), FWA 4630 firmy Bosch (rys. 2) i niedawno wprowadzone na rynek Quantum 3D oferowane przez firmę Unimetal.
W skład takich urządzeń wchodzą następujące zespoły (rys. 3):
- centralna jednostka sterująco-wskaźnikowa umieszczona na wózku (PC, pulpit sterujący, monitor i drukarka),
- głowice refleksyjne (pasywne) z uchwytami mocowane na kołach,
- zespoły pomiarowe (wyposażone w kamery CCD i nadajniki promieniowania podczerwonego) umieszczane z boku pojazdu,
- obrotnice do pomiaru kątów skrętu kół,
- wyposażenie dodatkowe.

Urządzenia te są przeznaczone przede wszystkim do stacji kontroli pojazdów i stacji obsługi samochodów o dużej przepustowości. Zastosowano w nich innowacyjne rozwiązania [1]:
- precyzyjne kamery cyfrowe o dużej szybkości działania do pomiaru kątów ustawienia kół i osi oraz poprzeczne kamery CCD, które kontrolują wzajemne położenie obu zespołów pomiarowych w płaszczyźnie pionowej i poziomej, 
- możliwość obsługiwania przez jedną osobę nawet podczas kompensacji bicia tarcz kół, którą wykonuje się za pomocą przetaczania lub podczas wjazdu na stanowisko,
- uzyskanie gotowości do pracy nie wymaga przeprowadzania skomplikowanej kalibracji przyrządu przed każdym pomiarem.

Ta odmiana urządzeń charakteryzuje się dużą powtarzalnością wyników pomiaru, łatwą kompensacją bicia tarcz kół i zajmuje mało miejsca na stanowisku kontrolnym. Pomiar jest wykonywany równocześnie na wszystkich kołach. Są to w pełni mobilne urządzenia do kontroli kątów ustawienia kół i osi pojazdu pracujące w systemie realnego 3D, służące do bardzo dokładnego i szybkiego pomiaru. Zastosowano w nich precyzyjne kamery cyfrowe o dużej rozdzielczości oraz poprzeczne kamery CCD kontrolujące wzajemne położenie obu zespołów pomiarowych, co sprawia, że stały montaż i kalibracja zespołów pomiarowych (nowość w tego rodzaju urządzeniach) nie są konieczne.
Czas pomiaru kątów ustawienia kół i osi wynosi około 5÷7 minut i jest o połowę krótszy niż w urządzeniach konwencjonalnych. Z powodu bardzo dużej częstotliwości próbkowania można dokonywać pomiaru w czasie rzeczywistym. Urządzenia są proste w obsłudze i nie wymagają od diagnosty dużej wiedzy z zakresu pomiaru geometrii podwozia. Pomiar kątów ustawienia każdego z kół jest wykonywany za pomocą kamer skierowanych na ekrany pasywne umocowane na obręczy lub oponie. W każdym zespole pomiarowym (głowicy) umieszczono wahadłowe czujniki do pomiaru kątów i poprzeczne kamery CCD do kontroli wzajemnego położenia obu zespołów. To zapewnia niezawodność i powtarzalność wyników pomiaru bez konieczności wykonywania kalibracji wstępnej. Taka konstrukcja umożliwia umieszczenie zespołów pomiarowych na stanowisku kontrolnym obok samochodu. Pomiary można przeprowadzać na stanowisku podnośnikowym lub kanałowym. Zespoły pomiarowe urządzenia nie muszą być na stałe zamontowane do podnośnika (do mocowania należy wykorzystać specjalne wsporniki). Po zakończeniu pomiaru zespoły można zdejmować, a podnośnik wykorzystać do innych celów. W przypadku wykonywania badań na stanowisku kanałowym zespoły pomiarowe ustawia się na posadzce. Obudowy podzespołów urządzenia są wykonane z elastycznego tworzywa sztucznego odpornego na uszkodzenia mechaniczne oraz na działanie oleju i paliwa. Umożliwia to ochronę zarówno badanych pojazdów, jak i elektronicznych systemów pomiarowych urządzenia przed przypadkowymi uszkodzeniami.
Dalej bardziej szczegółowo opisano urządzenie komputerowe Quantum 3D oferowane przez firmę Unimetal (rys. 4). Przyrząd jest przeznaczony do kontroli geometrii ustawienia kół i osi pojazdów o dmc do 3,5 t, średnicach obręczy kół od 8” do 24” i dopuszczalnym nacisku koła 10 kN. Nadaje się do samochodów osobowych, osobowo-terenowych i lekkich pojazdów dostawczych o rozstawie osi od 1800 do 4700 mm. Odpowiednie parametry kątowe są wyznaczane przez dwa zespoły pomiarowe umieszczane obok pojazdu między przednimi i tylnymi kołami. Każdy zespół pomiarowy wyposażono w kamery cyfrowe, które wykrywają położenie przestrzenne ekranów refleksyjnych zamocowanych za pomocą uchwytów na kołach jezdnych. Do przekazywania informacji o ustawieniu kół i osi jezdnych wykorzystuje się promieniowanie podczerwone. Komunikacja między zespołami pomiarowymi i komputerem odbywa się za pomocą fal radiowych. Po badaniach w Instytucie Transportu Samochodowego przyrząd uzyskał certyfikat zgodności z wymaganiami i może być używany w stacjach kontroli pojazdów.
Urządzenie służy do pomiaru wszystkich wymaganych parametrów związanych z geometrią ustawienia kół i osi pojazdów, to jest: 
- zbieżności całkowitej kół jezdnych,
- kąta pochylenia kół jezdnych,
- kąta pochylenia i kąta wyprzedzenia osi zwrotnicy,
- kontrolnego i maksymalnego kąta skrętu kół jezdnych,
- nierównoległości osi kół jezdnych,
- śladowości kół jezdnych.

Ponadto za pomocą tego przyrządu można mierzyć parametry dodatkowe związane z ustawieniem kół i osi pojazdu, takie jak:
- zbieżność połówkowa kół jezdnych,
- kąt sumaryczny pochylenia koła i osi zwrotnicy,
- kąt odchylenia geometrycznej osi jazdy od osi symetrii,
- rozstaw kół jezdnych przednich i tylnych.

Urządzenie Quantum 3D firmy Unimetal do pomiaru geometrii ustawienia kół i osi pojazdu składa się z następujących elementów:
- jednostki sterująco-wskaźnikowej (laptop lub PC z monitorem, klawiaturą i myszą, drukarka laserowa A4, moduł Bluetooth, wózek),
- zespołów pomiarowych z elementami do ich ustawienia i unieruchomienia na stanowisku kontrolnym (metalowe podstawy lub wsporniki – w zależności od rodzaju stanowiska kontrolnego), 
- ekranów refleksyjnych (pasywnych) z uchwytami na koła mocowanymi na oponie, 
- wyposażenia pomocniczego (obrotnice mechaniczne, płyty wyrównawcze, blokada koła kierownicy, blokada pedału hamulca). 

Jednostka sterująco-wskaźnikowa to metalowy wózek. Na górnej półce umieszcza się laptop lub PC, monitor, klawiaturę i mysz oraz urządzenie do ładowania baterii zespołów pomiarowych. Na środkowej półce znajduje się drukarka laserowa A4. Na powierzchni podstawy ustawiono zespoły (głowice) pomiarowe. Po obu stronach wózka umieszczono zaczepy do mocowania uchwytów na koła z ekranami refleksyjnymi. Z tyłu znajdują się uchwyty do zawieszenia blokad koła kierownicy i pedału hamulca.
Sterowanie pomiarem może być realizowane za pomocą klawiatury komputera, klawiatury umieszczonej na zespole pomiarowym lub opcjonalnie za pomocą urządzenia przenośnego i systemu Android. Dodatkowy panel wskaźników składający się z diod LED pokazuje status pomiaru i tolerancje podczas wykonywania regulacji ustawienia kół. Komunikacja zespołów pomiarowych z komputerem odbywa się bezprzewodowo za pośrednictwem modułu Bluetooth.
Umieszczone w obudowach z tworzywa sztucznego zespoły pomiarowe (rys. 5) zostały wyposażone w kamery cyfrowe o wysokiej rozdzielczości, które służą do odczytywania położenia geometrycznego ekranów refleksyjnych, i w poprzeczne kamery CCD przeznaczone do ustalania wzajemnego położenia głowic. Nadajnikami promieniowania podczerwonego są diody LED. Do unieruchomienia zespołów pomiarowych na stanowisku kontrolnym służą wsporniki mocowane do podnośnika lub metalowe podstawy montowane na posadzce stanowiska obok kanału. 
Ekrany refleksyjne służą do wyznaczania położenia geometrycznego kół jezdnych podczas pomiaru. Obudowa ekranu została wykonana z tworzywa sztucznego. Wewnątrz niej umieszczone są pokryte odblaskową farbą kule ułożone przestrzennie w trzech rzędach (rys. 6). Uchwyty koła z ekranami refleksyjnymi są mocowane na oponie zamiast na obręczy jak w przypadku uchwytów konwencjonalnych, chociaż ich położenie na kole jest ustalane względem obręczy. Konstrukcja uchwytów zapewnia możliwość płynnej zmiany rozstawu łap chwytających za oponę i płynnego rozsuwania trzpieni ustalających uchwyt na obręczy koła. 
Obrotnice mechaniczne używa się do pomiarów wymagających skręcenia kołami pojazdu. Obrotnica jest wyposażona we wkładki wypełniające wykonane z tworzywa sztucznego. Może być także umieszczona na podstawie metalowego najazdu (wersja na stanowisku kanałowym). Płyty wyrównawcze wykorzystuje się do rozprężenia elementów sprężystych zawieszenia kół tylnych i do wyrównania poziomu kół tylnych względem kół przednich, ustawionych na obrotnicach.
Blokadę koła kierownicy stosuje się do unieruchomienia koła kierownicy podczas regulacji kątów ustawienia kół jezdnych. Natomiast blokada pedału hamulca służy do zablokowania pedału hamulca w pozycji wciśniętej w celu uniemożliwienia toczenia się kół jezdnych w czasie pomiarów wymagających obracania kołem kierownicy.

Przyrząd Quantum 3D zapewnia realizację następujących funkcji:
- pomiaru wszystkich wymaganych parametrów związanych z geometrią ustawienia kół jezdnych i osi pojazdów, bez względu na kształt i materiał tarczy koła oraz kształt elementów nadwozia,
- wskazania i zatrzymania wskazań mierzonych parametrów do momentu rozpoczęcia nowego pomiaru, z możliwością zapisania ich w bazie danych na dysku komputera i późniejszego przeglądu,
- automatycznej kompensacji bicia poprzecznego na skutek odkształcenia tarczy koła lub niedokładnego zamocowania zespołu pomiarowego na kole (zastosowana metoda pomiaru nie wymaga wykonywania odrębnej procedury kompensacji bicia tarcz kół),
- wydruku protokołu pomiarowego za pomocą drukarki zewnętrznej podłączonej do komputera sterującego.

Instalacja urządzenia na stanowisku kontrolnym wymaga wykonania następujących czynności: zamocowania ekranów refleksyjnych na uchwytach koła (pod kątem 20°), montażu wsporników zespołów pomiarowych na podnośniku lub podstaw pod zespoły pomiarowe na powierzchni obok kanału (rys. 7), kalibracji układów pomiarowych na danym stanowisku i konfiguracji programu sterującego. W ramach czynności wstępnych należy sprawdzić stan elementów układu zawieszenia, układu kierowniczego oraz wykonać kontrolę i ewentualnie regulację ciśnienia powietrza w ogumieniu. Następne czynności to: ustawienie pojazdu przednimi kołami na obrotnicach, nałożenie uchwytów z ekranami refleksyjnymi na koła, umieszczenie zespołów pomiarowych na stanowisku (rys. 8) i zablokowanie obrotnic.
Przed pomiarem istnieje możliwość wyboru pojazdu z bazy danych, co ułatwia ocenę prawidłowości ustawienia kół i osi samochodu lub pominięcie tego wyboru, jeżeli pojazdu nie ma w bazie danych. Można również uzupełnić bazę danych o nowe pojazdy i w razie potrzeby zmienić ją. Procedura pomiarowa podczas kontroli geometrii kół na urządzeniu Quantum 3D sprowadza się do wykonania kilku czynności, zgodnie z zaleceniami komunikatów przedstawianych w formie tekstowej i graficznej na ekranie monitora jednostki centralnej. 
Ogólny sposób postępowania podczas kontroli geometrii kół i osi jezdnych obejmuje następujące czynności [2]:
1) wybranie marki i modelu pojazdu z obszernej bazy danych zapisanych w pamięci komputera,
2) wyświetlenie strony zawierającej wzorcowe wartości mierzonych parametrów i ich tolerancje określone przez producenta,
3) przetoczenie pojazdu o około 15° do przodu i do tyłu w celu kompensacji bicia tarcz kół (tę czynność można pominąć),
4) odblokowanie obrotnic pod przednimi kołami i płyt wyrównawczych pod tylnymi kołami oraz zablokowanie pedału hamulca,
5) ustawienie kół do jazdy na wprost (centrowanie układu kierowniczego), co umożliwia obserwację ekranów w nowym położeniu – pomiar zbieżności kół jezdnych, kątów pochylenia kół, nierównoległości osi kół i śladowości kół jezdnych,
6) wykonanie obrotu kołami kierowanymi ustawionymi na obrotnicach (pomiar kątów pochylenia i wyprzedzenia osi zwrotnic, kątów sumarycznych oraz kontrolnych i maksymalnych kątów skrętu kół jezdnych),
7) prezentacja wyników pomiaru (rys. 9) i ich analiza, ewentualna regulacja kątów ustawienia kół i wydrukowanie protokołu z badań.

Oprogramowanie przyrządu zapewnia wydruk protokołu pomiarowego za pomocą drukarki zewnętrznej, przyłączonej do komputera sterującego. Dostępne są dwa rodzaje protokołów z badań:
- protokół tekstowy z wynikami przeprowadzonych pomiarów i wartościami tolerancji fabrycznych mierzonych parametrów dla samochodu wybranego z bazy danych,
- protokół graficzny, na którym umieszczono wyniki pomiarów parametrów podstawowych i dodatkowych (rozstaw osi, rozstaw kół przednich i tylnych, nierównoległość osi i śladowość kół) na tle schematycznego rysunku pojazdu.

Istotnymi zaletami urządzenia Quantum 3D oferowanego przez firmę Unimetal są: mobilność dzięki zastosowaniu bezprzewodowych i przenośnych zespołów pomiarowych, lekkie ekrany pasywne z samocentrującymi zaciskami montowane na oponie, precyzyjne pomiary parametrów z pominięciem kompensacji bicia tarcz kół przez przetaczanie (w uzasadnionych przypadkach jest możliwość wykonania tej czynności). Inne ważne cechy tego urządzenia to: bezprzewodowe sterowanie pomiarem i regulacją parametrów za pomocą klawiatury znajdującej się na zespołach pomiarowych, umieszczenie z boku zespołów pomiarowych panelu z dodatkowymi diodami LED umożliwiającego przeprowadzenie regulacji bez wychodzenia z kanału, odporność na zakłócenia optyczne oraz intuicyjny program prowadzący diagnostę krok po kroku przez procedurę.

3. Podsumowanie
Podstawowym powodem wyboru urządzeń komputerowych z głowicami pasywnymi jest najczęściej bardzo szybka i łatwa kompensacja bicia tarcz kół (przez przetaczanie), istotne zalety ekranów refleksyjnych (nie zawierają elementów elektronicznych, znacznie mniejsza możliwość ich uszkodzenia) oraz nieskomplikowana procedura pomiarowa. Do głównych wad tego rodzaju urządzeń należy wyższy koszt ich zakupu (również w wersji podstawowej) w porównaniu z konwencjonalnymi urządzeniami komputerowymi z kamerami CCD. Cena urządzenia rośnie w zależności od liczby zastosowanych kamer, rodzaju belki (stała, ruchoma) i rodzaju stanowiska (nieprzelotowe, przelotowe). Ze względu na wymienione zalety, mimo wyższej ceny, urządzenia do pomiaru geometrii kół jezdnych w technologii 3D są stopniowo wprowadzane do stacji kontroli pojazdów i coraz większa liczba producentów ma je w swojej ofercie.
Przy wyborze urządzenia do kontroli kątów ustawienia kół i osi należy uwzględnić długość posiadanego stanowiska kontrolnego. Wytwórcy urządzeń dążą do tego, aby można je było zastosować w jak najmniejszym pomieszczeniu. W przypadku stanowisk podnośnikowych istotny jest prawidłowy dobór podnośnika, zwłaszcza długości płyt najazdowych. Minimalna wartość długości płyt najazdowych musi być powiązana z procedurą kompensacji bicia tarczy koła, która jest wykonywana przez przetaczanie pojazdu na płytach podnośnika. Im mniejszy jest kąt obrotu koła wymagany podczas kompensacji, tym krótszy może być podnośnik. W najnowszych urządzeniach z ekranami pasywnymi wymagany kąt obrotu koła podczas przetaczania wynosi od 15° do 30°. Istotny jest także rodzaj podnośnika. Do pracy z urządzeniami typu 3D najbardziej odpowiednie są podnośniki nożycowe ze względu na mniejsze odkształcenia płyt najazdowych. 

dr inż. Kazimierz Sitek

Literatura:
1.    Materiały informacyjne firm produkujących urządzenia do pomiaru kątów ustawienia kół jezdnych i osi pojazdu.
2.    Dokumentacja techniczno-ruchowa urządzenia Quantum 3D. Unimetal, Złotów 2018.
3.    Sitek K., Syta S.: Badania stanowiskowe i diagnostyka. WKŁ, Warszawa 2011.