Diagnostyka

W poprzednich częściach artykułu przedstawiono ogólne informacje dotyczące struktury układu zawieszenia oraz zakres jego diagnozowania. Tym razem opisane zostaną metody (organoleptyczne i przyrządowe) wykorzystywane do oceny stanu technicznego tego układu.

Zawieszenie samochodu jest tym układem, od którego poprawnego działania zależą: bezpieczeństwo jazdy, kierowalność pojazdu, trwałość i niezawodność innych podzespołów, komfort jazdy pasażerów oraz stan przewożonych towarów. Wykorzystywanie samochodu z niezdatnym zawieszeniem znacznie skraca okres jego użytkowania. W celu określenia stanu technicznego układu zawieszenia należy:

• ocenić luzy występujące w połączeniach (przeguby, sworznie, łożyskowanie),
• zweryfikować stan i sztywność elementów sprężystych,
• sprawdzić stan i stopień tłumienia elementów tłumiących (amortyzatorów),
• ocenić opory tarcia związane z ruchem zawieszenia.

Luzy w tym układzie ocenia się w trakcie oględzin zewnętrznych samochodu. Podczas tej czynności sprawdza się również stan zamocowania elementów zawieszenia i jego kompletność. Wykrywanie luzów ułatwiają urządzenia do wymuszania szarpnięć kołami pojazdu.
Sztywność zawieszenia określa się na podstawie pomiaru jego ugięcia pod wpływem obciążenia pionowego. Mierzy się odległość środka koła od krawędzi nadkola. Sztywność zawieszenia oraz różnica sztywności między stroną lewą i prawą nie mogą przekraczać wartości dopuszczalnych, określonych przez wytwórcę pojazdu.
Przed rozpoczęciem badania stanu technicznego elementów tłumiących drgania (amortyzatorów) należy usunąć luzy w zawieszeniu oraz doprowadzić ciśnienie w ogumieniu do wartości zalecanej przez wytwórcę pojazdu.
Do oceny stanu technicznego układu zawieszenia stosuje się następujące metody:

• organoleptyczne (oględziny zewnętrzne, identyfikacja luzów w miejscach połączeń elementów układu zawieszenia),
• przyrządowe (sprawdzanie skuteczności tłumienia amortyzatorów).

1. Metody organoleptyczne
Oględziny zewnętrzne układu zawieszenia obejmują sprawdzenie:

• elementów sprężystych,
• amortyzatorów,
• elementów prowadzących koła,
• elementów ograniczających ugięcie zawieszenia.

Na wstępie powinno się zweryfikować, czy zawieszenie jest skompletowane zgodnie z dokumentacją techniczną pojazdu. Następnie należy ocenić prawidłowość montażu elementów sprężystych, prowadzących i tłumiących drgania. Ocena luzów w połączeniach elementów układu zawieszenia jest czynnością niezbyt skomplikowaną. Wymaga jednak pewnej wiedzy i doświadczenia od osoby wykonującej badanie. Szybką kontrolę luzów w elementach układu zawieszenia (oraz układów kierowniczego i jezdnego) ułatwiają urządzenia do wymuszania szarpnięć kołami jezdnymi pojazdu. Badanie polega na obserwacji sprawdzanych połączeń elementów i organoleptycznej ocenie luzu podczas wymuszania szarpnięć kół jezdnych ustawionych na płytach najazdowych detektora luzów.
Na rys. 1 zaznaczono miejsca w układach zawieszenia i kierowniczym, na które należy zwrócić szczególną uwagę podczas oględzin zewnętrznych. Natomiast w tabeli 1 wymieniono niektóre powszechnie występujące usterki w newralgicznych miejscach tych układów.

1. Newralgiczne miejsca niezależnego zawieszenia kół przednich i układu kierowniczego (źródło: TRW)

Tabela 1. Najczęstsze usterki występujące w niezależnym zawieszeniu kół przednich i układzie kierowniczym

1.1. Kontrola elementów sprężystych
W resorach piórowych należy uważnie obejrzeć obie boczne powierzchnie każdego resoru i sprawdzić, czy pióra nie są pęknięte. Następnie trzeba zweryfikować powierzchnię piór w miejscach przylegania piór krótszych. W przypadku stwierdzenia zużycia tych powierzchni na głębokość powyżej 0,5 mm resor należy zakwalifikować do wymiany.
Następnie sprawdza się obejmy piór i strzemiona mocujące resor do osi (mostu napędowego) oraz elementy mocujące resor do ramy (nadwozia) samochodu. Wyraźnie widoczne luzy oraz uszkodzenia mechaniczne są niedopuszczalne. W resorach sprężynowych sprawdzić należy zwoje sprężyn oraz śruby mocujące sprężyny do wahaczy, osi lub elementów nadwozia. Luzy i pęknięcia są niedopuszczalne. Jeżeli elementami sprężystymi są drążki skrętne, oględzinom podlegają ich powierzchnie oraz piasty. Niedopuszczalne są pęknięcia, zużycie piast, luzy w piastach, znaczne skorodowanie. Starannym oględzinom trzeba poddać także stabilizatory, zwracając uwagę na ich zamocowanie do osi pojazdu i nadwozia. Niedopuszczalne jest jakiekolwiek mechaniczne uszkodzenie drążka stabilizatora (skrzywienie, pęknięcie), luzy i zużycie połączeń z nadwoziem czy osią.
Niedopuszczalne jest również osłabienie elementów sprężystych powodujące nadmierne uginanie się przy gwałtownym, maksymalnym obciążeniu. Aby stwierdzić, czy taki przypadek nie występuje, należy kilkakrotnie z dużą siłą obciążyć pojazd po stronie kontrolowanej, tak aby każde kolejne obciążenie przypadało na odchylenie w dół sprawdzanego resoru (sprężyny). Jeżeli po 4 lub 5 takich wahaniach ich amplituda nie wzrasta i nie wyczuwa się osiągnięcia oporu, pracę elementu sprężystego można uważać za prawidłową. Czynność ta ze względu na sposób wykonywania może być przeprowadzana tylko w samochodach osobowych.
Podczas oględzin zawieszenia powietrznego (rys. 2) należy zwrócić szczególną uwagę na: szczelność przewodów pneumatycznych, zanieczyszczenie miechów, wolną przestrzeń wokół miecha, wysokość nadwozia (ocena działania zaworu sterującego), czystość tłoka nurnikowego (dolnej podstawy).
Najczęstsze przyczyny uszkodzeń miechów zawieszenia to:

• nadmierne rozciągnięcie i oddzielenie miecha od płyty górnej lub tłoka (np. z powodu braku ogranicznika skoku),
• uszkodzenie gumy miecha przez środki chemiczne (smar, olej),
• wytarcie gumy miecha przez zanieczyszczenia na tłoku lub przez znajdujący się zbyt blisko inny element pojazdu,
• korozja elementów metalowych,
• zużycie zmęczeniowe w wyniku długotrwałej eksploatacji,
• zastosowanie typu miecha niezgodnego z zaleceniami wytwórcy zawieszenia.

W samochodach z układem zawieszenia hydropneumatycznego (rys. 3) czynności diagnostyczne wykonywane metodami bezprzyrządowymi można przeprowadzić wzrokowo lub słuchowo przy uruchomionym silniku. Ocena stanu takiego zawieszenia z użyciem oględzin elementów składowych umożliwia wykrycie:

• uszkodzeń mechanicznych (zgięcia i pęknięcia przewodów, przecięcia elementów gumowych itp.),
• nieszczelności instalacji hydraulicznej (wycieków płynu hydraulicznego),
• luzów występujących w miejscach połączeń elementów składowych (np. mocowania siłowników hydraulicznych).

W ramach kontroli instalacji hydraulicznej (zespołów hydraulicznych) zawieszenia najczęściej wykonuje się następujące czynności:

• oględziny zewnętrzne w celu ustalenia, czy elementy instalacji odpowiadają tym wymaganiom technicznym, których spełnienie może być stwierdzone bez użycia przyrządów kontrolnych,
• sprawdzenie szczelności zewnętrznej,
• weryfikacja zastosowanych materiałów i pokryć ochronnych (powinny być zgodne z wymaganiami dokumentacji technicznej badanego zespołu).

Podczas oględzin należy sprawdzić stan zewnętrzny przewodów. W przypadku przewodów sztywnych typowymi uszkodzeniami są pęknięcia, wady powłoki ochronnej i ogniska korozji. Charakterystyczne uszkodzenia przewodów elastycznych stanowią przetarcia i przerwania mechaniczne oraz pęknięcia wynikające ze starzenia się gumy. Uszkodzenia przewodów są zwykle najczęstszą i najprostszą do określenia przyczyną nieszczelności układów hydraulicznych. Oprócz tego powinno się zweryfikować połączenia metalowe (kontrola ich dokręcenia) oraz elastyczne (sprawdzenie opasek zaciskowych).
Istotną cechą przewodów elastycznych jest oznaczenie kolorystyczne, które określa ich zastosowanie do połączeń o danych ciśnieniach roboczych. Na przykład firma Citroën do oznaczania przewodów i innych elementów instalacji hydraulicznych stosuje następujące kolory:

• czerwony – wysokie ciśnienie (14,5 ≤ p ≤ 17,0 MPa),
• pomarańczowy: ciemny, średni, jasny – ciśnienia malejące (pa < p < 14,5 MPa),
• żółty – ciśnienie zasysania i powrotu płynu (p ~ pa),
• zielony – powrót przecieków (p ~ pa),
• niebieski – gaz (azot).

W następnej kolejności należy dokonać oceny stanu osłon przeciwpyłowych wraz z opaskami zaciskowymi. Uszkodzenia osłon mogą spowodować widoczne z zewnątrz przecieki. W sprawnym układzie hydraulicznym przecieki kierowane są do zbiornika płynu (z pewnymi wyjątkami).
Przed wykonaniem próby szczelności zewnętrznej trzeba starannie oczyścić zewnętrzne ścianki badanego zespołu oraz odpowietrzyć całą instalację. Przeważnie szczelność sprawdza się przez doprowadzenie do wnętrza obudowy zespołu cieczy roboczej o ciśnieniu minimalnym oraz o ciśnieniu przekraczającym o 50% maksymalne ciśnienie robocze. Wymienione wartości ciśnień należy utrzymać przez pewien czas, określony w dokumentacji technicznej, nie krótszy niż 60 s. W trakcie tej próby nie powinny wystąpić przecieki cieczy roboczej przez uszczelnienia, ścianki i miejsca połączeń.
W części końcowej oględzin zewnętrznych trzeba obserwować zachowanie pojazdu po wyłączeniu silnika. Jeżeli wystąpi szybkie zmniejszanie się prześwitu (przy braku wycieków płynu hydraulicznego), świadczy to o dużej nieszczelności wewnętrznej regulatorów prześwitu lub o dużym zużyciu uszczelnień w cylindrach elementów resorujących.

1.2. Sprawdzanie amortyzatorów
Oględzinom należy poddać przede wszystkim elementy mocujące amortyzatory do ramy (nadwozia) i osi pojazdu oraz ich obudowy. Niedopuszczalne są luzy w elementach mocujących amortyzator, zgięcia, pęknięcia obudowy i wycieki. W przypadku amortyzatorów dźwigniowych trzeba zwrócić uwagę na ewentualne wycieki z gniazd osi dźwigni w obudowie, a w przypadku amortyzatorów teleskopowych – na wycieki wzdłuż obudowy.
Warto podkreślić, że stan amortyzatorów ma bardzo duży wpływ na żywotność miechów zawieszenia. Po zakończeniu jazdy amortyzator powinien być ciepły; jeżeli jest inaczej, to należy dokładnie zdiagnozować elementy tłumiące.
Bezprzyrządowe sprawdzanie ich działania (dotyczy samochodów osobowych) polega na gwałtownym obciążeniu kontrolowanego amortyzatora zamontowanego w pojeździe i obserwacji. Obciążenie wywołuje się przez mocne i gwałtowne naciśnięcie na błotnik (zderzak), a po uzyskaniu maksymalnego ugięcia elementów sprężystych należy je nagle usunąć. Jeżeli amortyzator działa sprawnie, po wykonaniu 1 lub 2 wahnięć nadwozie powinno wrócić do pozycji początkowej.
 
1.3. Kontrola elementów prowadzących koła i ograniczających ugięcie zawieszenia
Oględziny wahaczy mają pozwolić na stwierdzenie, czy nie posiadają dyskwalifikujących je uszkodzeń mechanicznych (pęknięć, skrzywień). Zauważalne luzy świadczą o nadmiernym zużyciu sworzni, tulei wahaczy i są niedopuszczalne.
W zawieszeniu wielowahaczowym (rys. 4) organoleptycznie sprawdza się stan przegubów kulowych, tulei metalowo-gumowych i osłon. Następnie należy zweryfikować, czy w układzie nie występują luzy. Kontrolę luzów w zawieszeniu ułatwiają urządzenia szarpiące. Stan zawieszenia wielowahaczowego sprawdza się pod obciążeniem (bez podnoszenia kół), ponieważ podczas podnoszenia pojazdu oddziałują siły sprężyn, co powoduje obciążenie elementów i uniemożliwia wykrycie luzów. Ewentualne luzy wyczuwa się ręką przyłożoną do sprawdzanego elementu. Jedynie dolny wahacz poprzeczny kontroluje się po uniesieniu koła, ponieważ sprężyna dociska jego dolny przegub. Pod podłużnicę lub belkę poprzeczną zawieszenia należy podłożyć dźwignik i unieść koło nad posadzkę. Stan dolnego sworznia sprawdza się w trakcie wymuszania ruchów pionowych koła. Podczas oceny zużycia tulei metalowo-gumowych należy mieć na uwadze, że w niektórych rodzajach zawieszeń, w dolnych tylnych wahaczach występują podpory hydrauliczne (łożyska pływające), które umożliwiają dość duże ruchy.
Dokonując oględzin drążków reakcyjnych, należy sprawdzić ich zamocowanie do nadwozia i mostu napędowego, zwrócić uwagę na luzy w połączeniach sworzniowych oraz zabezpieczenie nakrętek.
Weryfikacja elementów ograniczających skok zawieszenia polega na ocenie ich zamocowania, stanu zderzaków gumowych i linek zabezpieczających mosty. Uszkodzenia elementów gumowych, pęknięcia linek kwalifikują te części do wymiany.

2. Diagnozowanie zawieszenia metodami przyrządowymi
Ocena stanu technicznego układu zawieszenia (przede wszystkim amortyzatorów) metodami przyrządowymi jest bardziej złożona. Stosowane w praktyce sposoby diagnozowania zależą od tego, czy amortyzator jest wymontowany, czy też zamontowany w pojeździe.

2.1. Badanie stanu amortyzatora wymontowanego z pojazdu
Najdokładniej stan techniczny amortyzatora można określić po wymontowaniu go z samochodu. Na stanowisku badawczym z mechanizmem korbowym o regulowanej prędkości obrotowej i skoku otrzymuje się wykres pracy amortyzatora hydraulicznego. Rejestruje się zmianę siły tłumiącej w funkcji przemieszczenia tłoka amortyzatora lub zmianę siły tłumiącej w funkcji prędkości ruchu tłoka amortyzatora (charakterystyka prędkościowa). Powszechnie stosowane są amplitudowe wskaźniki oceny stanu amortyzatorów. Dobre cechy diagnostyczne wykazuje moc tłumienia, którą uzyskuje się przez całkowanie wykresów otrzymanych podczas badań. Po porównaniu wykresu pracy badanego amortyzatora z wykresem wzorcowym można wykryć podstawowe niesprawności, jak: uszkodzenie zaworu, nieszczelność, brak oleju, odkształcenia. Takie pomiary są wykonywane u producenta lub w zakładzie naprawy amortyzatorów.

5. Klasyfikacja metod diagnozowania i parametrów diagnostycznych układu zawieszenia [2]

2.2. Diagnozowanie amortyzatorów zamontowanych w pojeździe
Amortyzatory, jako elementy odpowiedzialne za prawidłowe tłumienie drgań nadwozia, badane są na stacjach kontroli pojazdów i stacjach obsługi samochodów metodami bezdemontażowymi. Podstawową wadą tych metod jest brak informacji o rodzaju powstającego w trakcie eksploatacji pojazdu uszkodzenia i stopniu jego zaawansowania. Częstymi usterkami amortyzatorów są wycieki płynu i ubytki uszczelnienia tłoczków. Uszkodzenia te są trudne do diagnozowania pod względem ilościowym.
W przypadku amortyzatorów zamontowanych w samochodzie do ich oceny mogą być stosowane dwie metody (rys. 5):

• drgań swobodnych (wymuszenie impulsowe),
• drgań wymuszonych (wymuszenie sinusoidalne).

Metoda drgań swobodnych
Metoda drgań swobodnych polega na spowodowaniu ruchu nadwozia (wymuszenie impulsowe) oraz obserwacji jego zanikających drgań; zalicza się ją do prostszych sposobów badania amortyzatorów. O stanie technicznym amortyzatora decyduje liczba drgań i ich amplituda. W najnowszych odmianach tej metody mierzy się siłę nacisku koła na podłoże. Charakterystyki swobodnych drgań tłumionych można uzyskać następującymi sposobami:

• opuścić pojazd z pewnej wysokości na koła (zrzut z klina),
• zastosować zapadnię,
• wykorzystać metodę wychyłową (wymusić ruch nadwozia w dół przez ugięcie elementów sprężystych),
• na płytowym stanowisku do badania hamulców wykorzystać wymuszenie niskoczęstotliwościowe występujące podczas hamowania.

Pierwszy z wymienionych sposobów polega na najechaniu kołami danej osi na podstawki w kształcie klina (rys. 6), z których koła spadną swobodnie i wzbudzą drgania nadwozia, możliwe do zarejestrowania przez urządzenie pomiarowe. W drugim przypadku (rys. 7) drgania przedniej lub tylnej części pojazdu są wywołane przez opuszczenie zapadni (podstawki, płyty najazdowej, ramy). Koła danej osi spadają i pobudzają do drgań swobodnych bryłę nadwozia. W trzecim przypadku do błotnika nad badanym kołem mocuje się odpowiedni tester. Na posadzce przy kole kładzie się nadajnik ultradźwięków. Następnie należy krótko i silnie nacisnąć na błotnik, co spowoduje ugięcie zawieszenia i swobodne drgania nadwozia. Czujniki ultradźwiękowe znajdujące się w dolnej części przyrządu rejestrują sygnały odbite od nadajnika. Wewnętrzny mikroprocesor testera oblicza dane niezbędne do oceny stanu zawieszenia. Rzeczywisty przebieg drgań swobodnych nadwozia oraz ocenę sprawności amortyzatorów otrzymuje się na wyświetlaczu ciekłokrystalicznym przyrządu.
Czwarty sposób polega na pełnym wyhamowaniu samochodu na stanowisku płytowym do badania hamulców, następuje wówczas maksymalne ugięcie nadwozia pojazdu jako reakcja od sił hamowania, a następnie zanikanie drgań, aż do osiągnięcia stanu równowagi. Analizuje się uzyskane wykresy oscylacji zawieszenia.

Metoda drgań wymuszonych
W stacjach kontroli pojazdów i stacjach obsługi samochodów do badania zawieszenia (amortyzatorów) powszechnie stosuje się metodę drgań wymuszonych. Można ją zrealizować na dwóch typach testerów wibracyjnych:

• o zmiennej amplitudzie drgań,
• o stałej amplitudzie drgań.

Metoda ta polega na wymuszeniu drgań pionowych badanego koła powyżej częstotliwości rezonansowej. Koło znajduje się na płycie najazdowej włączonego urządzenia (wzbudnika drgań). Po usunięciu siły wymuszającej następuje zanikanie drgań na skutek ich tłumienia przez amortyzator, elementy zawieszenia i elastyczną oponę. W miarę obniżania się częstotliwości drgań następuje rezonans, którego amplituda charakteryzuje stan amortyzatora (podczas rezonansu amplituda drgań zależy od współczynnika tłumienia). Jakość tłumienia ocenia się na podstawie analizy:

• drgań w funkcji czasu (tzw. metoda Boge),
• nacisku koła na płytę stanowiska (tzw. metoda Eusama).

W przypadku metody Boge stan techniczny amortyzatora określa się przez porównanie otrzymanych wykresów drgań z charakterystykami wzorcowymi dla danego pojazdu, wprowadzonymi do pamięci komputera. Rejestrowana jest amplituda drgań w funkcji czasu, oceniana podwójna amplituda drgań rezonansowych (w mm) i różnica amplitud między stroną lewą i prawą (w %). Schemat ideowy metody Boge przedstawiono na rys. 8. Ten sposób pomiaru wymaga posiadania bazy danych wzorcowych wartości amplitud.
Rozwinięciem metody Boge jest metoda o nazwie Theta, którą zastosowano m.in. w urządzeniu do badania zawieszenia Contactest 3800 firmy Hoffman. Na stanowisku mierzy się przemieszczenie płyty stanowiska, a następnie oblicza bezwymiarowy współczynnik tłumienia theta (υ) ze wzoru Lehra. Schemat testera zawieszenia działającego w oparciu o tę metodę przedstawiono na rys. 9. Konstrukcja urządzeń typu Theta jest bardzo podobna do wcześniej stosowanych testerów typu Boge. W obu mierzy się przemieszczenie płyty drgającej. W metodzie Boge maksymalne przemieszczenie płyty porównuje się z wartością graniczną, a w metodzie Theta wylicza się niemianowany współczynnik tłumienia, którego wartość musi być wyższa niż 0,1. Konstrukcja testera działającego zgodnie z metodą Theta różni się od urządzeń typu Eusama. Pomiędzy płytą drgającą a napędem płyty znajduje się sprężyna o parametrach dobranych przez wytwórcę urządzenia. Koła badanego pojazdu znajdują się w stałym kontakcie z płytami drgającymi. Głównym celem metody Theta nie jest symulacja warunków jazdy (jak w metodzie Eusama) lecz badanie tłumienia zawieszenia w szerokim zakresie częstotliwości drgań.
W przypadku metody Eusama urządzenie wymusza drgania badanego koła od częstotliwości 0 Hz do minimum 24 Hz ze stałą amplitudą 6 mm, a po jego wyłączeniu następuje swobodne tłumienie tych drgań. Mierzy się stosunek nacisku dynamicznego do nacisku statycznego koła w celu określenia skuteczności tłumienia drgań zawieszenia za pomocą wskaźnika (liczby) Eusama.
Schemat ideowy tej metody pokazano na rys. 10. Czujniki (2) i przetwarzający układ elektroniczny (3) służą do pomiaru nacisku koła na płytę najazdową (1) stanowiska. Zastosowanie tej metody (tester o stałej amplitudzie drgań) wymaga odniesienia wyników pomiaru do wymagań ustalonych przez Europejskie Stowarzyszenie Producentów Amortyzatorów – EUSAMA (European Shock Absorbers Manufactures Association). Jej zaletą jest to, że nie wymaga znajomości wartości granicznych dla konkretnego pojazdu (nie ma potrzeby aktualizacji bazy danych wzorcowych).
Należy podkreślić, że na wynik pomiaru mają wpływ nie tylko stan techniczny amortyzatora, ale również inne czynniki, takie jak: typ ogumienia i ciśnienie powietrza w nim, obciążenie pojazdu oraz stosunek masy resorowanej do masy nieresorowanej dla badanej osi. W związku z tym uzyskane w wyniku badań tą metodą wskaźniki Eusama mają charakter orientacyjny. Przyjęcie stałej (około 16 Hz) częstotliwości rezonansowej ogranicza możliwości metody. Poszczególne koła mogą mieć takie same wartości wskaźnika Eusama (na przykład 50%), ale uzyskane przy różnej częstotliwości rezonansowej. Wymienione ograniczenia mają wpływ na bezpieczeństwo jazdy. Ograniczenia metody Eusama stały się powodem opracowania zmodyfikowanych metod badania układu zawieszenia:

• metody Eusama z analizą fazową (pomiar kąta przesunięcia fazowego między sinusoidalnymi sygnałami przemieszczenia płyty najazdowej i siły nacisku koła na płytę),
• metody Eusama plus (zastosowano urządzenie o zmiennej częstotliwości drgań wymuszających).

dr inż. Kazimierz Sitek

Literatura
1. Praca zbiorowa (red. Bocheński C.): Badania kontrolne samochodów. WKŁ, Warszawa 2000.
2. Sitek K.: Badania techniczne pojazdów. Poradnik diagnosty. WKŁ, Warszawa 2020.
3. Woźniak J.: Badanie amortyzatorów – metoda Theta w porównaniu do metody Eusama. XIV Konferencja Szkoleniowa – Badania Techniczne Pojazdów w Świetle Obowiązujących Przepisów. ITS, Mikołajki 2013.