Diagnostyka

– kryteria oceny stanu i metody diagnozowania

Zakres diagnozowania układu jezdnego obejmuje przede wszystkim sprawdzenie stanu kół jezdnych i ich ogumienia, kontrolę prawidłowego montażu kół, ocenę wielkości luzów w łożyskach piast kół oraz ocenę hałaśliwości pracy piast kół. W przypadku nowych kół jezdnych sprawdzenie ogranicza się do oględzin, w trakcie których powinno się stwierdzić zgodność użytych obręczy i opon z wymaganiami wytwórcy samochodu. Ponadto należy sprawdzić prawidłowość ich wzajemnego ułożenia po zmontowaniu (ułożenie ryski centrującej opony względem obwodu obręczy), wartość ciśnienia powietrza w ogumieniu, określić ewentualne bicie obręczy i opony oraz wyrównoważyć koła statycznie i dynamicznie. W odniesieniu do kół używanych należy ponadto określić stan techniczny (stopień zużycia) opony. Decydują o nim okres ewentualnego przechowywania, głębokość rzeźby bieżnika, liczba, wymiary i rozmieszczenie uszkodzeń na obwodzie, charakter zużycia bieżnika.

Kryteria oceny stanu technicznego

1. Ogólne warunki techniczne dotyczące opon i kół

Opony:
- Pojazd powinien być wyposażony w ogumienie pneumatyczne o parametrach określonych przez producenta pojazdu (dopuszczalne jest krótkotrwałe użycie koła zapasowego, znajdującego się w wyposażeniu fabrycznym pojazdu, o parametrach innych niż zastosowane koła jezdne).
- Wymiary i konstrukcja opon muszą uwzględniać takie cechy konstrukcyjne pojazdu, jak: obciążenie opony (nośność dostosowana do nacisku koła) i prędkość maksymalną pojazdu.
- Opony na jednej osi - jednakowa konstrukcja i rzeźba bieżnika (dla osi składowej dopuszcza się różną rzeźbę bieżnika pomiędzy poszczególnymi osiami wchodzącymi w jej skład).
- Niedopuszczalne są: graniczne zużycie bieżnika - pokazują wskaźniki TWI lub głębokość rzeźby bieżnika jest mniejsza niż 1,6 mm (dla autobusów o dopuszczalnej prędkości na drodze ekspresowej lub autostradzie 100 km/h, głębokość rzeźby bieżnika co najmniej 3 mm), widoczne uszkodzenia, pęknięcia obnażające lub naruszające osnowę, pokrycie opony siatką pęknięć starzeniowych lub rozwarstwieniami, umieszczone na zewnątrz (trwale) elementy przeciwpoślizgowe.
- Na pojeździe samochodowym o dwóch osiach nie mogą być zamontowane opony:
- diagonalne lub diagonalne z opasaniem na kołach tylnej osi, jeżeli na kołach przedniej osi znajdują się opony radialne,
- diagonalne na kołach tylnej osi, jeżeli na kołach przedniej osi znajdują się opony diagonalne z opasaniem (obowiązuje zasada stosowania opon nowszej konstrukcji na kołach tylnych).
- Zamontowanie opon na obręczach kół jest prawidłowe (zgodne z oznakowaniem lub układem rzeźby bieżnika).
- Nie zaleca się użytkowania opon pojazdów samochodowych po upływie 7 lat od daty ich produkcji (guma traci swoje pierwotne właściwości).
- Ciśnienie w oponie jest zgodne z instrukcją, dopuszczalne odchyłki od ciśnienia nominalnego wynoszą:
- 0,01 MPa przy ciśnieniu do 0,3 MPa,
- 0,02 MPa przy ciśnieniu powyżej 0,3 MPa.

Koła jezdne:
- Obręcze i tarcze kół nie powinny być uszkodzone lub pogięte.
- W tarczach kół muszą być wszystkie nakrętki (śruby) mocujące.
- Wszystkie nakrętki (śruby) mocujące tarcze kół winny być dokręcone momentem podanym przez producenta.
- W łożyskach piast kół i sworzniach zwrotnicy powinny być prawidłowe luzy.

2. Dopuszczalne bicie promieniowe i osiowe obręczy i opon
Niejednorodność kształtu obręczy i opony może występować w kierunku promieniowym lub osiowym. Z tego powodu bicie koła może być promieniowe lub osiowe. Bicie mierzy się dla obręczy i opony koła. Bicie promieniowe jest to odchyłka od kształtu kołowego, natomiast biciem osiowym nazywamy odchylenie od płaszczyzny prostopadłej do osi obrotu.
Bicie koła należy sprawdzić przed jego wyrównoważeniem. Nadmierne odkształcenie uniemożliwia bowiem prawidłowe wyrównoważenie dynamiczne koła. Bicie promieniowe i bicie osiowe kół jezdnych nie może przekraczać wartości podanych w tabeli 1.



Tabela 1. Dopuszczalne bicie promieniowe i osiowe obręczy koła i opony (według BN-75/3621-01).

W przypadku kół jezdnych z oponami radialnymi przystosowanymi do użytkowania przy prędkościach większych od 170 km/h (symbole prędkości S, T, U, H, V, W) wskazane jest, aby sumaryczne bicie promieniowe opony (zamontowanej na obręczy) nie przekraczało wartości około 1 mm. Z danych publikowanych przez niektóre firmy (Haweka, Hofmann) wynika, że koła z biciem promieniowym przekraczającym 2 mm nie można skutecznie wyrównoważyć (nadmierne drgania w czasie jazdy). Często stosowanym sposobem ograniczenia bicia promieniowego koła jest odpowiednie przesunięcie opony względem obręczy koła. Przyczynami nadmiernego bicia osiowego są najczęściej deformacja tarczy (obręczy) koła lub niewłaściwe zamontowanie opony na obręczy. W niektórych przypadkach bicie, zwłaszcza osiowe, można ograniczyć w wyniku prostowania obręczy za pomocą specjalnego przyrządu.

3. Wielkości graniczne iewyrównoważenia kół
Niejednorodność masy to nieregularny jej rozkład na obwodzie opony i obręczy. Niejednorodność masy nazywana jest niewyrównoważeniem. Rozróżnia się niewyrównoważenie statyczne i dynamiczne. W praktyce spotykamy najczęściej oba przypadki równocześnie. Niewyrównoważenie statyczne występuje, gdy środek masy koła nie pokrywa się z osią jego obrotu. Niewyrównoważenie dynamiczne jest wtedy, gdy główna oś bezwładności koła nie pokrywa się z osią jego obrotu. Niewyrównoważenie koła zależy od dokładności wykonania poszczególnych jego elementów, ich wzajemnego ułożenia, dokładności ustawienia na piaście i odpowiedniego umocowania. Niewyrównoważenie może powstawać także podczas eksploatacji kół uprzednio wyrównoważonych. Powstaje ono w rezultacie naruszenia połączeń między elementami koła jezdnego lub miejscowego zwiększonego zużycia opony. Dopuszczalne niewyrównoważenie kół jezdnych samochodów określone jest wartościami podanymi w normach. Największe wartości niewyrównoważenia kół jezdnych samochodów nie powinny przekraczać:
- 0,1÷0,11 Nm dla samochodów osobowych,
- 0,5÷1,1 Nm dla samochodów ciężarowych.
Jeżeli koło jezdne samochodu rozpatrywać jako zespół składający się z trzech podstawowych grup części, to jest ogumienia, tarczy z obręczą i piasty z bębnem lub tarczą hamulcową, to można ustalić stopień wpływu każdej z wymienionych grup części na niewyrównoważenie koła. Na ogumienie przypada 55÷75 proc., tarczę koła z obręczą 10÷25 proc. i piastę z bębnem lub tarczą hamulcową 10÷30 proc.
W szczególnych przypadkach może się okazać, że niewyrównoważenie poszczególnych elementów składowych koła jezdnego sumuje się podczas montażu koła. Aby ograniczyć ilość i masę ciężarków niezbędnych do wyrównoważenia koła, należy obrócić poszczególne elementy składowe względem siebie. Przede wszystkim oponę względem obręczy. Wtedy może powstać układ bardziej wyrównoważony.

Metody diagnozowania
Do oceny stanu technicznego układu jezdnego stosuje się następujące metody:
- organoleptyczne,
- przyrządowe,
- trakcyjne.

1. Metody organoleptyczne
Metody organoleptyczne polegają na wykonaniu oględzin zewnętrznych układu jezdnego, ocenie wartości luzów w poszczególnych parach kinematycznych (w łożyskach piast kół i sworzniach zwrotnicy), ocenie hałaśliwości pracy piast kół.

Oględziny zewnętrzne
Zasadniczym celem oględzin zewnętrznych jest sprawdzenie kompletności układu, pewności połączeń, stanu zewnętrznego elementów. Pęknięcia oraz nadmierne odkształcenia elementów, wycieki smaru z piast kół są niedopuszczalne.

Podczas oględzin kół należy zwrócić uwagę na:
- zgodność użytych opon i obręczy z wymaganiami wytwórcy pojazdu,
- prawidłowość wzajemnego ułożenia opon i obręczy po zmontowaniu,
- głębokość rzeźby bieżnika,
- charakter zużycia bieżnika,
- liczbę, wymiary i rozmieszczenie uszkodzeń na obwodzie opon,
- uszkodzenia i deformacje obręczy i tarcz kół.
Dobór właściwych opon do pojazdu jest bardzo istotną sprawą dla bezpieczeństwa, komfortu i ekonomiczności eksploatacji. Dlatego na każdej oponie jest trwałe oznakowanie zawierające informacje umożliwiające dokonanie wyboru optymalnych opon do pojazdu w przewidywanych warunkach eksploatacji. Oceniając prawidłowość doboru ogumienia do samochodu, nie wystarczy zwrócenie uwagi na zgodność wymiarową opon. Należy sprawdzić również konstrukcję opony, nośność, zakres prędkości i rodzaj bieżnika. Istotna jest także data jej produkcji.
Zgodnie z wymaganiami norm międzynarodowych, podstawowe oznakowanie opony powinno zawierać (rys. 1) następujące elementy:
- Określenie rozmiaru i konstrukcji opony, na przykład:



gdzie:
a - szerokość przekroju opony podawana w calach lub mm;
b - wskaźnik przekroju opony wyrażany w procentach; wskaźnik ten określa stosunek wysokości do szerokości przekroju opony; jest na ogół pomijany w oznakowaniu opony, gdy jego wartość jest równa około 80 proc.;
c - kod konstrukcji opony: R - opona radialna, D lub bez oznaczenia - opona diagonalna, B - opona diagonalna z opasaniem;
d - średnica osadzenia opony na obręczy podawana w calach (niekiedy w mm).
- Indeks nośności podawany jako kod dwucyfrowy lub trzycyfrowy, określający dopuszczalne obciążenie opony przy maksymalnej prędkości i ciśnieniu. Na przykład indeks nośności 75 oznacza, że opona może być obciążona maksymalnie masą 387 kg. W indeksie nośności opon do samochodów dostawczych i ciężarowych, na przykład 106/104, pierwszy człon dotyczy opony pojedynczej, drugi natomiast opisuje nośność opony w kole bliźniaczym. Nośność opony może być również opisana liczbą PR (Ply Rating), na przykład 14 PR, określającą umowną liczbę warstw kordu bawełnianego odpowiadającą wytrzymałości osnowy oznakowanej opony.
- Symbol prędkości podawany jest jako kod jednoliterowy, określający maksymalną prędkość, przy której opona może być eksploatowana. Na przykład symbol L oznacza maksymalną prędkość eksploatacji opony 120 km/h, S – 180 km/h, H – 210 km/h, V - 240 km/h.
- Określenie charakterystyki opony: Tubeless - opona bezdętkowa, Tube Type - opona dętkowa, Regroovable - opona przeznaczona do pogłębiania rzeźby bieżnika, Radial - dodatkowe oznaczenie opony radialnej, All Steel lub Monoply - opona całostalowa jednowarstwowa. Dodatkowe oznaczenia i napisy to: symbol rzeźby bieżnika, znak homologacji, nazwa handlowa, nazwa producenta, miejsce umieszczenia wskaźnika TWI, kierunek obrotów opony i inne oznakowania (np. opis budowy osnowy i opasania, wartości dopuszczalnego obciążenia i ciśnienia eksploatacji, kod daty produkcji itp.). W Polskich Normach przewidziano następujące najważniejsze rodzaje rzeźb bieżnika i ich symbole: D - drogowa, T - terenowa, U - uniwersalna, S - specjalna, ANP - prowadząca, AN - napędowa oraz AM - nośna. Kod daty produkcji (numer opony) zawiera kolejny tydzień roku produkcji i ostatnią cyfrę roku produkcji. Na przykład 216 oznacza, że oponę wyprodukowano w 21 tygodniu 2006 roku. Producenci opon podają w katalogach wykazy obręczy zalecanych i dopuszczalnych dla każdego rozmiaru opony. Eksploatacja opony na innej obręczy jest niedopuszczalna i może być niebezpieczna dla użytkownika.

Znormalizowane oznaczenia obręczy składają się z liczby, litery, znaku łączącego i kolejnej liczby, na przykład 4.00 B x 13. Pierwsza liczba (4.00) oznacza szerokość obręczy wyrażoną w calach. Litera określa rodzaj profilu (typ obrzeża). Znak “x” oznacza obręcz wgłębioną, a znak ’’–’’ obręcz płaską. Ostatnia liczba (13) określa średnicę obręczy w calach. W niektórych przypadkach występują na obręczy dodatkowe oznaczenia (np. oznaczenia obręczy dla opon bezdętkowych: H, H2, FH, FH2, CH). Liczby wchodzące w skład oznaczenia wymiarowego opon i obręczy określają ich wymiary w sposób przybliżony. Dokładne wymiary opon i obręczy oraz wartości dopuszczalnych obciążeń i maksymalnych prędkości opon, odpowiadające poszczególnym oznaczeniom, są podawane w normach i katalogach fabrycznych. Oprócz umiejętności scharakteryzowania opony i obręczy na podstawie ich oznakowania diagnosta powinien umieć ocenić charakter zużycia ogumienia, gdyż na tej podstawie można wnioskować o stanie technicznym układu jezdnego, zawieszenia i kierowniczego.

Nierównomierne zużycie bieżnika opony wskazuje na występowanie następujących nieprawidłowości (rys. 2):
- za niskie ciśnienie powietrza w ogumieniu (a),
- za wysokie ciśnienie powietrza w ogumieniu (b),
- za mały kąt pochylenia koła (c),
- za duży kąt pochylenia koła (d),
- za mała zbieżność kół (e),
- niewyrównoważenie statyczne koła (f),
- niewyrównoważenie dynamiczne koła (g).

Sprawdzenie luzów w poszczególnych parach kinematycznych
Należy podnieść badany pojazd, uchwycić koło oburącz u góry i u dołu opony i próbować je poruszyć poprzecznie do pojazdu:
- ruchy zwrotnicy względem elementów osadzenia sworznia zwrotnicy wskazują na występowanie nadmiernego luzu w łożyskach sworznia zwrotnicy;
- ruchy wahaczy względem belki zawieszenia lub łącznika wahaczy świadczą o istnieniu nadmiernych luzów w zawieszeniu;
- ruchy bębna lub tarczy względem zwrotnicy świadczą o istnieniu nadmiernych luzów w łożyskach piasty koła.
Luzy w łożyskach piast kół nienapędzanych można również ocenić na podstawie oporu przy obracaniu kół. Jeżeli wartość luzu jest właściwa, to uniesione koło obrócone ręką (jednorazowy impuls) powinno wykonać 8÷10 obrotów.



Rys. 1. Oznaczenie opony (źródło: Dębica S.A.): 1 – rozmiar opony, 2 – producent, 3 – opona bezdętkowa, 4 – znak homologacji międzynarodowej, 5 – indeks nośności, 6 – symbol prędkości, 7 – opona radialna, 8 – oznaczenie rzeźby bieżnika, 9 – oznaczenie klasy jakości opony według norm USA, 10 – opis budowy wewnętrznej opony, 11 – maksymalne ciśnienie powietrza, 12 – maksymalna nośność, 13 – wartości maksymalnego ciśnienia i nośności (podane w nawiasach dotyczą Kanady i USA), 14 – znak towarowy, 15 – wyrób wykonany w Polsce, 16 – kod zgodności opony z wymaganiami norm USA, 17 – wyrób wykonany zgodnie z PN, 18 – gatunek wyrobu, 19 – międzynarodowe oznaczenie gatunku, 20 – numer opony (kod daty produkcji), 21 – numer formy, w której wykonano oponę, 22 – wskaźnik zużycia bieżnika.



Rys. 2. Charakterystyczne przykłady zużycia bieżnika opony: a – za niskie ciśnienie powietrza w ogumieniu, b – za wysokie ciśnienie powietrza w ogumieniu, c – za mały kąt pochylenia koła, d – za duży kąt pochylenia koła, e – za mała zbieżność kół, f – niewyrównoważenie statyczne koła, g – niewyrównoważenie dynamiczne koła.



Rys. 3. Schemat pomiaru bicia koła jezdnego: a – pomiar bicia promieniowego opony, b – pomiar bicia osiowego opony, c – pomiar bicia osiowego obręczy, d – pomiar bicia promieniowego obręczy.



Rys. 4. Schematyczne przedstawienie niewyrównoważenia kół jezdnych: a – statycznego, b – dynamicznego, c – jednocześnie statycznego i dynamicznego.

Ocena hałaśliwości pracy piast kół
Wystąpienie słyszalnego hałasu przy obracaniu koła jezdnego wskazuje na uszkodzenie łożysk piasty lub pierścienia uszczelniającego. Wprawione w ruch koło jezdne powinno obracać się swobodnie bez zacięć.

2. Metody przyrządowe
Metody przyrządowe sprawdzania stanu technicznego układu jezdnego sprowadzają się do oceny bicia promieniowego i osiowego obręczy i opony, oceny niewyrównoważenia i ewentualnego wyrównoważenia kół.

Sprawdzenie promieniowego oraz osiowego bicia obręczy i opon

Bicie koła jezdnego sprawdza się przed jego wyrównoważeniem. Sprawdzenie polega na określeniu ewentualnych odchyłek od kształtu kołowego kompletnego koła mierzonych na oponie i obręczy (bicie promieniowe) oraz określeniu ewentualnego odchylenia boku koła mierzonego na oponie i obręczy od płaszczyzny prostopadłej do osi obrotu (bicie osiowe). Czynności te wykonuje się za pomocą rysika zamocowanego na podstawce lub przyrządem z czujnikiem zegarowym. Rozwiązania konstrukcyjne nowoczesnych wyważarek komputerowych umożliwiają automatyczny pomiar bicia opony i obręczy. Na rys. 3 przedstawiono schemat pomiaru bicia koła jezdnego. Bicie koła przekraczające dopuszczalne wartości wskazuje na wady opony, wady jej montażu lub zdeformowanie obręczy koła. Bicie opony może być też spowodowane zawulkanizowanymi uszkodzeniami ogumienia.

Ocena niewyrównoważenia kół jezdnych

Istota i rodzaje niewyrównoważenia
Schematyczne przedstawienie niewyrównoważenia kół jezdnych pojazdu pokazano na rys. 4. Przedstawiono przypadek niewyrównoważenia statycznego, niewyrównoważenia dynamicznego i oba rodzaje razem. Przy niewyrównoważeniu statycznym oś obrotu koła i jego główna oś bezwładności się nie pokrywają, ale są do siebie równoległe. Przy niewyrównoważeniu dynamicznym oś obrotu koła i jego główna oś bezwładności przecinają się w środku masy koła. Niewyrównoważenie statyczne określa się iloczynem siły ciężkości masy wyrównoważającej i promienia, na którym umieszcza się tę masę (promień obrzeża obręczy koła).



gdzie:
Nst - wartość niewyrównoważenia statycznego [Nm],
Gc - siła ciężkości masy wyrównoważającej [N],
r - promień obrzeża obręczy koła [m].

Niewyrównoważenie statyczne powoduje podczas ruchu koła powstanie siły odśrodkowej F o wartości:



gdzie:
m - masa niewyrównoważonego koła [kg],
r - przesunięcie środka masy koła względem osi obrotu [m],
ω - predkość kątowa ruchu obrotowego koła [rad/s].
Składowe (pionowa i pozioma) tej siły odśrodkowej wywołują drgania koła w kierunku prostopadłym do jego osi oraz okresowo zmienne (co obrotu) dociskanie łożysk piasty koła, elementów zawieszenia oraz opony, co znacznie przyspiesza ich zużycie. Niewyrównoważenie statyczne (rys. 4a), wywołujące pionowe drgania koła, można usunąć bez konieczności wprawiania koła w ruch obrotowy. Ułożyskowane koło ustawi się w taki sposób, że najcięższy jego punkt zajmie położenie najniższe. Ciężarki wyrównoważające należy wówczas umieścić naprzeciwko najcięższego punktu, po obu stronach tarczy koła. Masę ciężarków dobiera się tak, aby koło pozostawało w bezruchu w każdym położeniu. Niewyrównoważenie dynamiczne określa się wartością momentu sił odśrodkowych.



Niewyrównoważenie dynamiczne koła powoduje powstawanie podczas jazdy momentów od sił odśrodkowych, które wywołują drgania koła w kierunku równoległym do jego osi oraz okresowo zmienne (co obrotu) dociskanie łożysk piasty koła, elementów zawieszenia i układu kierowniczego. W miarę powiększania się luzu w zawieszeniu koła i łożyskach, rośnie amplituda poprzecznych ruchów koła i wzrastają dynamiczne obciążenia wszystkich współdziałających z nim elementów oraz nierównomierne zużywanie się opony. Niewyrównoważenie dynamiczne (rys. 4b), powodujące głównie poziome drgania koła (dla zawieszenia tylnego sztywnego – drgania pionowe), usuwa się po wprawieniu koła w ruch obrotowy w wyniku równoważenia ciężarkami powstających wówczas sił i momentów. Szczególnie niekorzystny i najczęściej występujący jest przypadek jednoczesnego występowania niewyrównoważenia statycznego i dynamicznego (rys. 4c).

Przyczyny niewyrównoważenia kół jezdnych:
- Błędy wykonawcze (nierównomierne rozłożenie masy z powodu odchyleń od wartości nominalnych).
- Niejednorodność materiału (niejednakowa gęstość w różnych miejscach).
- Nierównomierne zużycie współpracujących części w czasie eksploatacji (np. gniazd nakrętek tarcz kół).
- Wadliwe ułożenie opony na obręczy koła (np. po naprawie ogumienia).

Objawy i skutki niewyrównoważenia
Łatwo zauważalnymi objawami niewyrównoważenia kół są:
- drgania kół, zwłaszcza przy większych prędkościach jazdy,
- plackowate zużywanie się bieżnika ogumienia.
Drgania kół występują szczególnie wyraźnie po przekroczeniu prędkości jazdy 60 km/h. W przypadku niewyrównoważenia kół przednich drgania te przenoszą się na mechanizm zwrotniczy i kierowniczy – przez co wyraźnie są wyczuwalne na kole kierownicy. Niewyrównoważenie kół tylnych objawia się miarowym odgłosem w tyle samochodu oraz drganiem całego nadwozia. Drgania te mają charakter szkodliwy ze względu na przyspieszone zużycie wymienionych zespołów samochodu. Ponadto drgania oddziaływają na kierowcę i pasażerów, ponieważ zmniejszają komfort jazdy i przyspieszają zmęczenie, co w przypadku kierowcy ma wpływ na bezpieczeństwo jazdy. Drugim objawem niewyrównoważenia kół jest plackowate zużywanie się bieżnika opon. Podczas oględzin widoczne są miejsca mniejszego i większego zużycia bieżnika. Objaw ten może wystąpić dostatecznie wyraźnie dopiero po przebiegu 3÷4 tys. km. To nierównomierne i przyspieszone zużycie ogumienia ma duży wpływ na bezpieczeństwo jazdy i rzutuje bezpośrednio na koszty eksploatacji samochodu.

3. Próby drogowe (metody trakcyjne)
Jazda próbna i obserwacja zachowania się pojazdu na drodze ma znaczenie uzupełniające do określenia stanu technicznego układu jezdnego. Wystąpienie drgań i hałasu świadczy o nadmiernych luzach między elementami układu jezdnego lub o niewyrównoważeniu kół. W przypadku skrzywienia osi przedniej w płaszczyźnie poziomej samochód ma skłonność do skręcania, a prowadzenie pojazdu jest utrudnione.

dr inż. Kazimierz Sitek