Diagnostyka

Analiza koncepcji konstrukcyjnej współczesnych pojazdów samochodowych dowodzi, że ogólny układ konstrukcyjny tych pojazdów nie uległ zmianie w stosunku do koncepcji opracowanej przez twórców pierwszych samochodów. Podstawa, na której opiera się ogólna koncepcja konstrukcyjna samochodu nie zmieniła się na przestrzeni lat, natomiast rozwój samochodu wyraża się w doskonaleniu konstrukcji silnika spalinowego oraz w powstawaniu nowych rozwiązań układów ruchu. Rozwój konstrukcji tych układów samochodu, który doprowadził do samochodu współczesnego, opierał się głównie na wzroście możliwości technologicznych i produkcyjnych.
Niezmieniony ogólny układ konstrukcyjny współczesnego pojazdu oznacza, że każdy samochód ma własne źródło napędu – silnik oraz układy ruchu: napędowy, jezdny, zawieszenia, kierowniczy i hamulcowy. W skład układów ruchu wchodzą zespoły. Z kolei zespoły składają się z podzespołów i części. Układy ruchu zmontowane są razem w jednej strukturze, nazywanej podwoziem. Na podwozie nałożona jest inna struktura – nadwozie. Niekiedy nadwozie staje się elementem, który łączy wszystkie układy ruchu (np. obecne rozwiązania konstrukcyjne samochodów osobowych). Należy podkreślić, że przedstawiona ogólna koncepcja konstrukcyjna pojazdu dotyczy również najnowszej generacji samochodów posiadających cechy inteligencji.

Dostępne informacje o perspektywach rozwoju motoryzacji pozwalają sądzić, że jej rozwój zmierza w kierunku stworzenia pojazdu inteligentnego oraz specjalnie zorganizowanych systemów ruchu (tzw. infrastruktury zewnętrznej). Obecnie nie ma jednej definicji pojazdu inteligentnego. W jednym z ogólnych określeń stwierdzono, że pojazd inteligentny to taki, który zapewni zwiększone bezpieczeństwo ruchu bez zagrożenia dla środowiska, a te i nowe zadania będą osiągane przez stosowanie najnowszych technik i technologii. Przytoczona definicja formułuje wymagania jakie należy stawiać takiemu pojazdowi od strony użytkowej oraz podaje zastrzeżenia odnośnie sposobu ich uzyskania.

Określenie pojazd inteligentny stawia również pewne wymagania od strony rozwiązań strukturalnych. Samochód inteligentny powinien mieć także możliwość postrzegania, rozumienia oraz zachowań adaptacyjnych, jeśli nie w każdych warunkach ruchu, to przynajmniej w pewnych wybranych warunkach, określonych przez konstruktorów. Nadanie pojazdowi takich cech może nastąpić w wyniku zautomatyzowania działania jego podstawowych układów ruchu.

Wprowadzenie nowych rozwiązań konstrukcyjnych w pojazdach, w których określona jest ich ogólna koncepcja konstrukcyjna, stało się możliwe dzięki zastosowaniu układów elektronicznych. Podstawowe układy elektroniczne, które są stosowane w coraz większej skali w pojazdach samochodowych (rys. 1) i bezpośrednio ingerują w ich działanie, tym samym w przebieg dynamicznych procesów podczas ruchu, to przede wszystkim:
- urządzenia przeciwblokujące (ABS),
- urządzenia przeciwpoślizgowe (ASR),
- urządzenia stabilizujące tor jazdy (ESP),
- elektroniczne sterowanie napędem na wszystkie koła (EC4WD),
- elektroniczne sterowanie skrętem czterech kół (EC4WS),
- aktywne zawieszenie (ASC),
- elektroniczne sterowanie silnikiem (EFI),
- automatyczne sterowanie przełożeniem skrzyni biegów (ATC),
- system utrzymania stałej prędkości (CCS),
- elektroniczne wspomaganie układu kierowniczego (EAS).

W sumie takich układów może być znacznie więcej. Działania wielu z nich zazębiają się wzajemnie. Aktualnie trwają intensywne prace badawcze nad stworzeniem jednego zintegrowanego systemu sterowania układami ruchu pojazdu. Automatyczne sterowanie układami ruchu powoduje, że pojazd ma możliwość zachowań adaptacyjnych podczas rozpędzania i hamowania (ASR, ABS), polepszają się jego własności trakcyjne (EC4WD, ATC), poprawia się stateczność ruchu podczas jazdy na zakręcie z danymi prędkościami (EC4WS, ESP), zwiększona zostaje ekonomiczność silnika oraz zmniejszona toksyczność spalin (EFI), następuje również zwiększenie komfortu jazdy (ASC, EAS). Automatyczne sterowanie układami ruchu przyczynia się do eliminowania błędów w działaniu kierowcy i w wielu przypadkach zastępuje kierowcę w jego działaniu. Bez istnienia takiego sterowania nie byłoby możliwości tworzenia inteligentnych pojazdów samochodowych. Dla pełnego wykorzystania cech pojazdów inteligentnych konieczne jest stworzenie odpowiednich warunków, to jest infrastruktury zewnętrznej. Warunki takie mogą być obecnie realizowane między innymi przez systemy nawigacyjne, systemy analizy otoczenia oraz systemy parkowania.

Od współczesnych pojazdów samochodowych oczekuje się ciągłego wzrostu ich osiągów, przy równoczesnym zmniejszeniu kosztów ich wytwarzania i eksploatacji oraz zwiększeniu trwałości i niezawodności. Wytwarzane obecnie pojazdy samochodowe charakteryzują się znacznym wytężeniem, to jest dużym nasileniem oddziaływań czynników cieplnych, mechanicznych i chemicznych, co prowadzi do znacznej intensywności procesów starzenia i zużycia. Podczas użytkowania pojazdów występują także zmienne prędkości jazdy, różne warunki atmosferyczne i drogowe (terenowe), które wymuszają duże zmiany obciążenia zasadniczych układów i zespołów. W procesie eksploatacji pojazdów działają różnorodne czynniki zewnętrzne (zarówno obiektywne, jak i subiektywne), a także czynniki wewnętrzne. Czynniki te mają charakter losowy, co sprawia, że pojazdy, które przepracowały ten sam czas, mogą znajdować się w różnym stanie technicznym. Wynika stąd konieczność profilaktycznych kontroli stanu pojazdów samochodowych. Nowoczesny system eksploatacji pojazdów uwzględnia chwilowe ich stany i zmiany tych stanów, zatem podstawą jego funkcjonowania są metody i środki diagnostyki technicznej. Zasadniczym narzędziem zapewniającym właściwe funkcjonowanie racjonalnego systemu eksploatacji pojazdów samochodowych jest podsystem diagnostyczny, w którym jest realizowany proces diagnozowania obejmujący: badania i ocenę stanu pojazdów, ustalenie przyczyn zaistniałych stanów oraz przewidywanie rozwoju zmian stanów pojazdu. Ustalenie stanu obiektu technicznego, jakim jest pojazd samochodowy, może mieć miejsce tylko w wyniku przeprowadzenia mniej lub bardziej złożonych jego badań diagnostycznych. Im struktura pojazdu bardziej rozbudowana, tym trudniejszy, bardziej pracochłonny i kosztowny jest proces diagnostyczny jego badania. Należy racjonalnie zorganizować taki proces oraz sterować jego przebiegiem. Proces badań diagnostycznych pojazdu samochodowego polega na wykonaniu określonego zbioru sprawdzeń i analizie uzyskanych wyników. Zrealizowanie procesu diagnozowania daje wynik, czyli diagnozę. Wynik sprawdzenia zależy od stanu w jakim znajduje się pojazd i może być pozytywny lub negatywny.

Diagnozowanie pojazdów samochodowych dotyczy: bieżącej oceny stanu technicznego pojazdów funkcjonujących w określonym systemie eksploatacji lub okresowego przeprowadzania badań technicznych tych pojazdów. Bieżąca ocena stanu pojazdu umożliwia między innymi wykrywanie (lokalizację) usterek i uszkodzeń, ustalenie zakresu czynności niezbędnych do wykonania, kontrolę wykonanej obsługi lub naprawy czy też prognozowanie stanu technicznego. Okresowe przeprowadzanie badań technicznych wynika z aktów prawnych obowiązujących w danym kraju i ma na celu określenie, czy pojazd może być dopuszczony do ruchu drogowego z uwagi na jego stan techniczny.

Zakres diagnozowania podwozi pojazdów samochodowych obejmuje określenie stanu technicznego układów: napędowego, jezdnego, zawieszenia, kierowniczego oraz hamulcowego. Podstawowe parametry charakteryzujące stan układu napędowego (np. moc na kołach napędowych, drogę wybiegu) można badać na hamowniach podwoziowych. Ocenę stanu technicznego pozostałych układów podwozia wykonuje się obecnie najczęściej za pomocą urządzeń kontrolnych wchodzących w skład linii diagnostycznych. Wymagania dotyczące warunków badań pojazdów samochodowych wymusiły określony zakres wyposażenia stanowisk kontrolnych. Rozwój technik pomiarowych, a zwłaszcza coraz szersze wykorzystanie elektroniki, pozwoliło na wprowadzenie nowej generacji urządzeń diagnostycznych w postaci skomputeryzowanych linii diagnostycznych, zbudowanych systemem modułowym, z automatycznym centralnie sterowanym przebiegiem kontroli. Stanowiska takie umożliwiają kompleksowe badanie układów podwozia pojazdu istotnie wpływających na bezpieczeństwo jazdy, w krótkim czasie i przy najbardziej ekonomicznym wykorzystaniu wspólnych modułów. Wyniki pomiarów i obliczeń, po elektronicznym przetworzeniu, są wyświetlane na ekranie monitora w postaci liczbowej i graficznej. Stan techniczny pojazdu ocenia się na podstawie obszernego zbioru wartości parametrów diagnostycznych, porównywanych z ich wartościami nominalnymi. Istnieje możliwość archiwizacji wyników badań. Drukarka umożliwia otrzymanie protokołu z każdego badania. Stosowanie tej klasy urządzeń pozwala uzyskać dużą pewność wyników badań oraz całkowitą zgodność z obowiązującymi wymaganiami prawnymi.

Budowa osobowych linii diagnostycznych
Linią diagnostyczną nazywamy zespół kilku urządzeń pomiarowo-kontrolnych, zainstalowanych w ciągu technologicznym jednego stanowiska kontrolnego i podłączonych do jednej wspólnej jednostki centralnej, która spełnia funkcję zespołu wskaźnikowo-sterującego tych urządzeń. Linie diagnostyczne są przeznaczone do badania różnych rodzajów pojazdów, to jest: samochodów osobowych (również z nierozłączalnym napędem na cztery koła), samochodów ciężarowych (także wieloosiowych), autobusów, ciągników rolniczych, motocykli, przyczep i naczep.

Najczęściej spotyka się następujące odmiany linii diagnostycznych:
- do badania pojazdów o dopuszczalnej masie całkowitej do 3,5 t (wersja osobowa),
- do badania pojazdów o dopuszczalnej masie całkowitej powyżej 3,5 t (wersja ciężarowa),
- do badania pojazdów o dopuszczalnej masie całkowitej zarówno do 3,5 t, jak i powyżej 3,5 t (wersja uniwersalna).

Początkowo na rynku krajowym dostępne były wyłącznie linie diagnostyczne wytwarzane przez producentów zagranicznych. Obecnie oferowane są również linie diagnostyczne do kontroli pojazdów samochodowych wytwarzane przez polskich wytwórców (Fudim-Polmo, Unimetal, WSOP). Najbardziej rozbudowane odmiany linii do badania pojazdów o dopuszczalnej masie całkowitej do 3,5 t (wersje osobowe) zawierają niżej wymienione zespoły składowe:
- centralną jednostkę sterującą CJS (komputer klasy PC, kolorowy monitor, drukarka, pilot zdalnego sterowania, szafka przyłączeniowa);
- urządzenie płytowe (najazdowe) do oceny prawidłowości ustawienia kół jezdnych pojazdu;
- urządzenie do kontroli skuteczności tłumienia drgań zawieszenia pojazdu o dopuszczalnej masie całkowitej do 3,5 t (z wagą);
- urządzenie rolkowe do kontroli działania hamulców z odpowiednim wyposażeniem standardowym (miernik siły nacisku na pedał hamulca, nakładki do badania motocykli) oraz wyposażeniem dodatkowym (dodatkowy wyświetlacz lub monitor, waga, wyposażenie do badania samochodów z nierozłączalnym napędem 4x4 z funkcją automatycznego rozpoznawania tego napędu);
- urządzenie do wymuszania szarpnięć kołami jezdnymi pojazdu w celu kontroli luzu w elementach zawieszenia, układu jezdnego i układu kierowniczego (z napędem pneumatycznym lub hydraulicznym);
- inne urządzenia, z którymi linia diagnostyczna może współpracować, na przykład: obrotnice do pomiaru kątów skrętu kół kierowanych, wieloskładnikowy analizator spalin silników o zapłonie iskrowym, dymomierz, przyrząd do pomiaru ustawienia i światłości świateł pojazdu, podnośnik diagnostyczny (nożycowy lub kolumnowy).

Na rys. 2 pokazano przykładowy schemat osobowej linii diagnostycznej Eurosystem firmy Maha z urządzeniami kontrolnymi wbudowanymi w posadzkę stanowiska i podnośnikiem nożycowym. Natomiast na rys. 3 przedstawiono schemat osobowej linii diagnostycznej Uniline Quantum 2000 firmy Unimetal z urządzeniami pomiarowymi usytuowanymi w posadzce na obrzeżach kanału przeglądowego.
Odmienną budowę mają linie diagnostyczne do badania pojazdów o dmc do 3,5 t z zainstalowanymi urządzeniami płytowymi (najazdowymi). Znanym wytwórcą takich urządzeń jest niemiecka firma Heka. Na rys. 4 przedstawiono schemat stanowiska Univers TXV tego producenta. Linia diagnostyczna firmy Heka jest elektronicznym, płytowym urządzeniem przeznaczonym do kontroli układu hamulcowego, prawidłowości ustawienia kół jezdnych i układu zawieszenia (amortyzatorów) samochodów osobowych, dostawczych, ciągników rolniczych i busów o dmc do 3,5 t. Linia Univers TXV jest wersją najbardziej rozbudowaną i składa się z niżej wymienionych głównych zespołów:
- jednostki sterująco-wskaźnikowej,
- czterech niezależnych płyt najazdowych do pomiaru sił hamowania i kontroli zawieszenia (amortyzatorów),
- testera płytowego do wstępnej oceny prawidłowości ustawienia kół jezdnych pojazdu,
- miernika siły nacisku na pedał hamulca (z bezprzewodową transmisją danych do jednostki centralnej).

Badanie pojazdu na urządzeniu firmy Heka jest procesem dynamicznym, odpowiadającym rzeczywistym warunkom jazdy. Sterowanie procesem badania odbywa się za pomocą pilota o zasięgu do 200 m. Zastosowanie nowoczesnej, energooszczędnej tablicy 16:9 o grubości 3,5 cm pozwala na odczyt wyników badań ze znacznej odległości. Tablice zostały przystosowane do montażu w ścianie i/lub na stelażu. Płyty diagnostyczne montowane są w podłodze, a ich grubość wynosi zaledwie 4 cm. Urządzenie Univers TXV zapewnia bardzo krótki czas diagnozowania pojazdu – 30 s. Zastosowanie czujników typu High-Speed umożliwia wykonywanie badań pojazdów ze wspomaganiem układu hamulcowego. Jednostka sterująco-wskaźnikowa zapewnia rejestrację wyników pomiaru i drukowanie protokołu z badań. Wyniki pomiaru mogą być przedstawione w formie liczbowej i wykreślnej. Stanowiska kontrolne z osobową linią diagnostyczną są często wyposażone w podnośnik całopojazdowy (nożycowy, kolumnowy), który wykorzystuje się również do przeprowadzania czynności pomiarowo-kontrolnych. Umożliwiają to, wbudowane w płyty najazdowe podnośnika, obrotnice do pomiaru kontrolnych i maksymalnych kątów skrętu kół kierowanych oraz urządzenie do wymuszania szarpnięć kołami jezdnymi pojazdu.

Zakres badań osobowych linii diagnostycznych
Skompletowane, w sposób przedstawiony wyżej, osobowe linie diagnostyczne w wersjach najbardziej rozbudowanych pozwalają na wykonanie następujących pomiarów i ocen:
1) oceny wstępnej prawidłowości ustawienia kół jezdnych pojazdu – po zmierzeniu poprzecznego przesunięcia płyty pomiarowej podczas przejazdu jednego koła badanej osi przez płytę. Na tej podstawie obliczane są takie parametry diagnostyczne, jak:
- poślizg boczny koła, tj. wartość poprzecznego przesunięcia płyty pomiarowej odniesiona do długości płyty. Wielkość ta (podawana w mm/m lub m/km) określa tendencję koła do zbaczania z wyznaczonego kierunku jazdy pod wpływem siły bocznej działającej w punkcie styku opony z jezdnią,
- wskaźnik prawidłowości ustawienia kół, który jest poślizgiem bocznym koła przeliczonym na umowną średnicę tarczy koła. Parametr ten określa się w mm lub stopniach;

2) pomiaru nacisku statycznego osi i kół jezdnych;
3) oceny skuteczności tłumienia drgań zawieszenia pojazdu o dmc do 3,5 t (metoda drgań wymuszonych):
- jeżeli badanie wykonuje się za pomocą testera wibracyjnego analizującego nacisk koła na podłoże (typu Eusama), to wielkością mierzoną jest siła nacisku dynamicznego koła na podłoże podczas swobodnego tłumienia drgań tego koła wywołanych w trakcie badań. Umożliwia to obliczenie następujących parametrów diagnostycznych:
- liczby (wskaźnika) Eusama, to jest stosunku minimalnej dynamicznej siły nacisku koła na podłoże do statycznej siły nacisku koła na podłoże (wyrażonego w procentach),
- względnej różnicy liczb Eusama określonej dla tej samej osi pojazdu,
- bezwzględnej różnicy liczb Eusama określonej dla tej samej osi pojazdu,
- w przypadku, gdy do oceny skuteczności tłumienia drgań zawieszenia stosuje się testery wibracyjne analizujące drgania w funkcji czasu (typu Boge), to mierzy się podwójną amplitudę drgań płyty najazdowej w strefie rezonansu (największą wartość przemieszczenia). Ponadto, oblicza się różnicę wartości tego parametru dla tej samej osi pojazdu;

4) oceny stanu technicznego układu hamulcowego na podstawie:
- pomiaru:
- oporu toczenia kół jezdnych,
- sił hamowania kół jezdnych,
- siły nacisku na pedał hamulca (dot. hydraulicznych układów hamulcowych),
- obliczenia:
- wskaźnika skuteczności hamowania (stosunek sumarycznej siły hamowania uzyskanej ze wszystkich kół do siły ciężkości od dopuszczalnej masy całkowitej badanego pojazdu, wyrażony w %),
- różnicy sił hamowania (dot. hamulca roboczego) – różnica zmierzonych sił hamowania kół po obu stronach osi pojazdu, odniesiona do siły większej i wyrażona w % (ocena równomierności hamowania),
- współczynnika stabilności siły hamowania – jest to różnica największej i najmniejszej siły hamowania, zmierzonych podczas jednego obrotu koła, przy stałym nacisku na pedał hamulca i wyrażona w % siły większej (ocena owalizacji bębnów hamulcowych lub zmian grubości tarczy hamulcowej na jej obwodzie);

5) pomiaru:
- kontrolnych kątów skrętu kół kierowanych (ocena poprawności działania trapezu kierowniczego),
- maksymalnych kątów skrętu kół kierowanych (ocena minimalnego promienia skrętu i działania ograniczników skrętu);

6) oceny organoleptycznej stanu luzów w układach: jezdnym, zawieszenia oraz kierowniczym (np. w piastach kół, na sworzniach zwrotnic, w połączeniach kulistych drążków kierowniczych);

7) pomiaru parametrów fotometrycznych i geometrycznych świateł, to jest:
- światłości świateł drogowych,
- natężenia oświetlenia światłami mijania,
- ustawienia świateł w płaszczyźnie pionowej i poziomej;

8) pomiaru:
- stężenia w spalinach tlenku węgla CO, węglowodorów CH, dwutlenku węgla CO2, tlenu O2, tlenków azotu NOx (opcja) oraz wartości współczynnika nadmiaru powietrza l (dot. silników o zapłonie iskrowym),
- stopnia zadymienia spalin (dot. silników o zapłonie samoczynnym).

Współczesne linie diagnostyczne charakteryzują się nowoczesnym rozwiązaniem konstrukcyjnym, niezawodnością działania oraz łatwością obsługiwania. Nowe wersje linii diagnostycznych oferowane przez czołowych producentów mogą współpracować z siecią komputerową stacji kontroli pojazdów i siecią zewnętrzną, a także pracować metodą diagnozy zdalnej. Najnowsze linie diagnostyczne oraz obiekty stacji kontroli pojazdów uwzględniają nie tylko innowacyjne rozwiązania konstrukcyjne, ale także wymogi estetyki, ergonomii i nowoczesnego wzornictwa.

dr inż. Kazimierz Sitek