Diagnostyka

– metody diagnozowania

Efektywność działania układu napędowego zależy od stanu technicznego jego zespołów, mechanizmów i elementów. Podczas eksploatacji, na skutek oddziaływania złożonych obciążeń, stan techniczny układu napędowego zmienia się (zwiększenie luzów, zmiana regulacji itp.), co wywołuje zmniejszenie efektywności pracy pojazdu.
Do oceny stanu technicznego układu napędowego stosuje się metody:
- organoleptyczne,
- przyrządowe,
- stanowiskowe,
- trakcyjne.

1. Metody organoleptyczne
Metody organoleptyczne opierają się na wykorzystaniu zmysłów człowieka do przeprowadzenia oceny stanu obiektu technicznego bez użycia przyrządów diagnostycznych. Podczas badań organoleptycznych do odbioru i analizy bodźców działających na organizm człowieka wykorzystuje się zmysły: słuchu, wzroku, dotyku, węchu, temperatury i inne. Uzyskiwanie przez człowieka informacji jest realizowane w wyniku procesu percepcji. Spostrzeganie jest doznaniem wielu wrażeń pod wpływem bodźców, które są selekcjonowane w mózgu. Proces spostrzegania powinien być realizowany w sposób celowy i uważny. Diagnosta dokonuje wyboru spośród działających bodźców oraz klasyfikuje doznane wrażenia tak, aby były one sensowne (tzn. zgodne z jego wiedzą i doświadczeniem). Na rys. 1 przedstawiono schemat blokowy badania organoleptycznego dowolnego obiektu technicznego.

Rys. 1. Schemat blokowy badania organoleptycznego obiektu technicznego.

Rys. 2. Schemat pomiarowy luzów w układzie napędowym pojazdu samochodowego.

Każdy człowiek ma określoną przepustowość informacyjną, która zależy od czynników wewnętrznych (np. stan organizmu, nabyta wprawa) i zewnętrznych (jakość i liczba bodźców, zakłócenia itp.). Narządy zmysłów przekazują niepełny obraz otaczającej rzeczywistości, ponieważ człowiek nie ma takiej liczby zmysłów, która umożliwiałaby mu odbiór wszystkich zjawisk.

Zastosowanie zmysłów człowieka podczas procesu diagnozowania obiektu technicznego można scharakteryzować następująco:
- Wykorzystanie zmysłu słuchu w badaniach organoleptycznych najczęściej obejmuje rozróżnienie zmian wysokości i głośności dźwięku oraz określenie położenia źródła dźwięku w przestrzeni.
- W badaniach wzrokowych (oględziny) obserwację należy prowadzić ustawiając wzrok zgodnie z osią widzenia. Przy niedostatecznym oświetleniu obserwację należy rozpocząć po upływie czasu koniecznego do pełnej adaptacji wzroku. Podczas oceny koloru badanego elementu należy uwzględnić rodzaj źródła światła oświetlającego obiekt (unikniemy błędów w ocenie barwy). Przeprowadzenie oględzin miejsc trudno dostępnych (wewnątrz zespołów) umożliwiają endoskopy techniczne.
- Badanie dotykowe pozwala na rozpoznanie jakości powierzchni, jej lepkości, wilgotności i twardości. Można również wykorzystać odbierane wrażenie temperatury (zimno, ciepło). Wrażliwość na bodźce termiczne pozwala w przybliżony sposób określić temperaturę. Jeżeli temperatura elementu przekracza 40OC, to możemy przynajmniej stwierdzić, że obiekt jest ciepły (niezależnie od warunków zewnętrznych). Poniżej tej temperatury należy uwzględnić zjawisko adaptacji (zmysł dotyku szybko adaptuje się do długotrwale działających bodźców).
- Wykorzystując zmysł węchu można określić charakterystyczne zapachy, na przykład woń spalonej izolacji przewodów elektrycznych, przegrzanie oleju i smarów itd. Należy zaznaczyć, że zmysł węchu również podlega zjawisku adaptacji.

Badania organoleptyczne pojazdu samochodowego umożliwiają opracowanie diagnozy w przypadku, gdy brak jest odpowiednich urządzeń, a wystarczą do tego celu informacje organoleptyczne. Pozwalają wprawnemu diagnoście na proste i trafne dokonanie oceny stanu obiektu. Często można również określić wielkość zużycia badanego obiektu i podjąć decyzję o konieczności zastosowania metody przyrządowej lub skierowania go do naprawy. W przypadku oceny stanu zespołów układu przeniesienia napędu metody organoleptyczne polegają na wykonaniu oględzin zewnętrznych, sprawdzeniu działania elementów układu na postoju i sprawdzeniu działania elementów układu w czasie jazdy próbnej. Podczas oględzin zewnętrznych sprawdza się: kompletność układu, poprawność mocowania elementów, stan zewnętrzny zespołów i elementów oraz szczelność zespołów. Sprawdzenie działania elementów układu napędowego na postoju jest wykonywane po umieszczeniu pojazdu na odpowiednim podnośniku. Jazda próbna może być wykonana na hamowni podwoziowej lub na drodze. Podczas tych prób kontroluje się: łatwość i prawidłowość włączania i wyłączania poszczególnych elementów, hałaśliwość pracy oraz intensywność nagrzewania się zespołów (temperaturę obudowy skrzyń przekładniowych, mostów napędowych).

2. Metody przyrządowe
Metody przyrządowe diagnozowania układu napędowego dotyczą:
- pomiarów wartości luzów osiowych i kątowych,
- diagnozowania wibroakustycznego.

Rys. 3. Schemat funkcjonalny podstawowego systemu pomiarowego i analizy procesów wibroakustycznych.

Pomiar wartości luzów osiowych i kątowych
Stan techniczny układu napędowego ocenia się na podstawie pomiarów: luzu kątowego całego układu napędowego, wybranych grup zespołów (rys. 2), poszczególnych zespołów, skoku jałowego i skoku roboczego pedału sprzęgła, luzu osiowego wałka atakującego przekładni głównej, luzów w przegubach i połączeniach wielowypustowych wałów napędowych itp. Istotną trudnością w praktycznym zastosowaniu tej metody diagnostycznej jest brak kryteriów oceny stanu technicznego układu napędowego za pomocą luzu kątowego. Dopiero przypisanie konkretnemu elementowi, na przykład przekładni głównej, odpowiedniej wartości luzu kątowego pozwala na praktyczne zastosowanie opisanej metody. Na przykład zależność między sumarycznym luzem kątowym w układzie napędowym i przebiegiem pojazdu samochodowego można wyrazić równaniem:

L = a · x + b

gdzie:
L - sumaryczny luz kątowy [0],
b - początkowy luz kątowy [0],
a - średnia intensywność wzrostu sumarycznego luzu kątowego [0/1000 km],
x - przebieg samochodu [tys. km].

Znajomość tego modelu daje możliwość oceny luzu kątowego, jak również prognozowania jego zmian w czasie eks-ploatacji samochodu. Badania wykazały, że dla samochodu ciężarowego średniej ładowności zmianę luzów kątowych całego układu napędowego, skrzyni biegów oraz przekładni głównej mostu można przedstawić równaniami linii prostej:

LUN = 0,06 · x + 8,5 [0]

LSB = 0,004 · x + 1,6 [0]

LMN = 0,06 · x + 6,1 [0]

Stwierdzono, że przekładnia główna wraz z mechanizmem różnicowym wywiera największy wpływ na wartości luzu kątowego układu napędowego rozpatrywanych samochodów w procesie użytkowania. Ustalono dwie graniczne wartości luzu kątowego dla tylnego mostu tych pojazdów. Dolna granica luzu (2,5÷5O) pozwala ocenić poprawność montażu tylnego mostu, górna granica (18O) odpowiada osiągnięciu przez główne elementy przekładni tylnego mostu granicznych wartości zużycia powie-rzchni współpracujących. Zaproponowano również, aby przekładnię główną regulować po stwierdzeniu wartości luzów kątowych w zakresie 12÷14O, co odpowiada przebiegowi około 96 000÷120 000 km. Ponieważ pomiar luzu kątowego należy do czynności kontrolnych, po wykonaniu przez rozpatrywane pojazdy przebiegu 96 000 km (w ramach obsługiwania tech-nicznego) jest możliwa bieżąca kontrola stanu technicznego przekładni głównej, co pozwala reagować w chwili najbardziej odpowiedniej.
Przedstawiona analiza wyników badań luzów kątowych w układach napędowych rozpatrywanych pojazdów pozwala stwierdzić, że opisana metoda pomiaru jest przydatna do oceny stanu technicznego układu napędowego samochodu.

Rys. 4. Przykłady układów do pomiarów procesów wibroakustycznych: a – układ najprostszy (przetwornik wejściowy i miernik), b – do analizy i rejestracji widma sygnału, c - do wyznaczania i rejestracji funkcji korelacji; P – przetwornik wejściowy, UD – układ dopasowujący, OSC – oscyloskop, M – miernik, AW – analizator, K – korelator, R - rejestrator.

Diagnozowanie wibroakustyczne
Diagnostyka wibroakustyczna jest procesem diagnostycznym wykorzystującym do wypracowania diagnozy sygnały wibroakustyczne, to jest drgania i hałas, towarzyszące funkcjonowaniu obiektów technicznych podczas pracy.

Informacje o stanie technicznym zespołów układu napędowego zawierają również wytwarzane podczas ich pracy sygnały wibroakustyczne. Podczas pracy obiektów technicznych, w wyniku zachodzących w nich procesów roboczych, wzbudzają się drgania, dla których ośrodkiem przenoszenia się są elementy samego obiektu i otaczające go środowisko. Efektem zewnętrznym drgań w pierwszym przypadku są wibracje, a w drugim hałas. Drgania stanowią odzwierciedlenie najistotniejszych procesów fizycznych zachodzących w obiekcie (zespole, mechanizmie). Parametry drgań charakteryzują zarówno ogólne właściwości obiektu, jak i właściwości poszczególnych jego elementów. Źródłami drgań w pojazdach są na przykład procesy gazodynamiczne, regularne zderzenia części w skojarzeniach na skutek luzów i niewyrównoważenia mas, drgania wywołane procesami tarcia między współpracującymi elementami. Drgania te, choć z reguły niekorzystne dla pracy obiektu, są cennym symptomem diagnostycznym, ponieważ wyróżniają się dużą pojemnością informacyjną. Charakteryzujące je wielkości (amplituda, częstotliwość itp.) są bardzo wrażliwe na zmiany wywołujących je procesów oraz na zmiany parametrów struktury, determinujących sposób rozchodzenia się drgań.

Drgania elementów pojazdu są możliwe do zmierzenia w normalnych warunkach pracy i cechuje je szerokie widmo, umożliwiające dokładną analizę rejestrowanych sygnałów. Diagnostykę wibroakustyczną wykorzystuje się do oceny stanu technicznego silnika, zespołów układu przeniesienia napędu (zwłaszcza przekładni zębatych i ułożyskowań wałów), elementów zawieszenia samochodu itp. Wibroakustyczny sygnał diagnostyczny może być rejestrowany za pomocą czujnika umieszczonego bezpośrednio na obiekcie badań lub za pomocą mikrofonu umieszczonego w pobliżu badanego urządzenia. W pierwszym przypadku sygnał diagnostyczny jest opisywany za pomocą wielkości charakteryzujących ruch drgający (np. przemieszczenie, prędkość, przyspieszenie), w drugim za pomocą wielkości charakteryzujących zjawiska akustyczne (ciśnienie akustyczne, natężenie dźwięku, moc akustyczna itp.). Miarami tych wielkości są najczęściej: amplituda, poziom (w odniesieniu do wielkości akustycznych), częstotliwość, a także charakterystyki częstotliwościowe, charakterystyki statystyczne i ich estymatory. Na rys. 3 pokazano schemat funkcjonalny podstawowego systemu pomiaru i analizy procesów wibroakustycznych. Sygnał wibroakustyczny jest jednak najczęściej sygnałem złożonym, pochodzącym z wielu źródeł, a bogactwo niesionych przez niego informacji stwarza poważne trudności z właściwą ich interpretacją. Dlatego najważniejszym problemem diagnostyki wibroakustycznej jest znalezienie sposobu na rozdzielenie sygnału na takie składowe lub wyznaczenie takich charakterystyk, które można by było jednoznacznie przyporządkować określonym źródłom i które umożliwiłyby dokonanie jakościowej i ilościowej oceny zmiany określonych parametrów struktury obiektu. Służą do tego specjalnie opracowane metody analizy sygnałów, wykorzystujące analizatory oraz metody komputerowe.



Rys. 5. Hamownia podwoziowa typu LPS 3000 firmy Maha z hamulcem elektrowirowym (wersja osobowa): a – widok kompletnego stanowiska , b – układ jezdny, c – jednostka sterująca.

Najczęściej stosuje się następujące rodzaje analizatorów (rys. 4): urządzenia do analizy statystycznej, urządzenia do analizy korelacyjnej oraz urządzenia do analizy widmowej. Analizatory mogą być instalowane na końcu toru pomiarowego zamiast rejestratora lub równolegle do niego. Wówczas analiza sygnałów odbywa się w sposób ciągły. Innym rozwiązaniem jest na przykład nagrywanie sygnałów pomia-rowych na taśmie rejestratora magnetycznego i następnie odtwarzanie ich w wa-runkach laboratoryjnych, co umożliwia ich obróbkę za pomocą analizatora. Podstawową wyjściową charakterystyką odbieranego od obiektu sygnału wibroakustycznego jest jego realizacja czasowa, to znaczy zmiana wartości amplitudy dowolnego parametru sygnału (przemiesz-czenia, przyspieszenia, ciśnienia akustycznego itp.) w funkcji czasu. Jest to funkcja losowa i jej bezpośrednie wykorzystanie do diagnozowania stanu technicznego obiektów jest ograniczone. Celem maksymalnego wytłumienia zakłóceń oraz uściślenia obserwacji sygnał wibroakustyczny jest rejestrowany w możliwie wąskim paśmie częstotliwości charakterystycznym dla danego skojarzenia. Najczęściej jednak realizacja czasowa sygnału jest przetwarzana na inną charakterystykę (np. postać widmową, funkcję korelacyjną itd.). Jednym ze sposobów jest analiza spektralna drgań polegająca na pogrupowaniu składowych sygnału według częstotliwości. Uzyskane w ten sposób widmo amplitudowo-częstotliwościowe umożliwia uwypuklenie zmian zachodzących w składowych sygnału, pochodzących od poszczególnych par części. Wyznaczenie funkcji korelacyjnej umożliwia zaobserwowanie zmian zachodzących w mechanizmie, przez porównanie jej z wzorcami charakterystycznymi dla poszczególnych stanów bądź przez wydzielenie z sygnału składowych okresowych.

Rys. 6. Przykładowe przebiegi: 1 – momentu obrotowego silnika, 2 – mocy silnika (wg normy DIN 70020), 3 – mocy na kołach napędowych, 4 – mocy strat w układzie przeniesienia napędu od prędkości obrotowej silnika otrzymane na hamowni podwoziowej z hamulcem elektrowirowym typu LPS 3000 (źródło: Maha).

Wibroakustyczne metody badań stanu technicznego zespołów układu przeniesienia napędu (skrzyń biegów, skrzyń rozdzielczych, przekładni głównych mostów napędowych) mają na celu diagnozowanie stopnia zużycia elementów, wykruszeń zębów kół zębatych, pęknięć, uszkodzeń łożysk, nadmiernych luzów itp. na podstawie zmian w widmie badanego sygnału diagnostycznego. Sygnałami takimi mogą być na przykład przyspieszenia mierzone w wybranych punktach obudowy zespołu, poziom ciśnienia akustycznego mierzony za pomocą mikrofonów ustawionych w pobliżu badanego zespołu itp. Z uwagi na złożoność zjawisk składających się na ostateczną postać sygnału wyjściowego wnioskowanie takie jest bardzo trudne i praktycznie nie ma uniwersalnych metod, umożliwiających szybkie sformułowanie diagnozy dla dowolnego zespołu. Pozytywne rezultaty uzyskuje się dla konkretnych rozpoznanych obiektów, w wyniku zastosowania często złożonych metod analizy sygnału (metod korelacyjnych, analizy widmowej) w celu wydzielenia z rejestrowanych sygnałów tych jego składowych, które są nośnikami poszukiwanych informacji.

W celu pokazania możliwości posługiwania się metodami wibroakustycznymi do diagnozowania zespołów układu przeniesienia napędu przedstawiono wyniki badań dotyczące eksploatacyjnej oceny stanu przekładni głównej tylnego mostu samochodu specjalnego. Niżej opisano w skrócie podstawowe założenia tej metody.

Tabela 1. Kryteria oceny stanu technicznego przekładni głównej tylnego mostu napędowego samochodu specjalnego.

Warunki badań
Badanie stanu przekładni głównej mostu napędowego prowadzono na stanowisku hamowni podwoziowej wyposażonym dodatkowo w zestaw rolek obrotowych. Pojazd ustawiono kołami jezdnymi tylnego mostu na rolkach obrotowych. Następnie włączono drugi bieg i ustalono prędkość jazdy pojazdu na równą 30 km/h (prędkość obrotowa silnika równa 3400 obr./min).

Metoda oceny stanu
Dla badanej przekładni hipoidalnej mostu napędowego jako parametry stanu przyjęto: przebieg pojazdu, bicie koła tale-rzowego oraz luz międzyzębny. Sygnał diagnostyczny odbierany był za pomocą penetratora z czujnikiem, gdyż informacja diagnostyczna była zawarta w zakresie częstotliwości do 2 kHz. W trakcie badań mierzono drgania w dwu wybranych eksperymentalnie punktach pomiarowych. W punkcie I otrzymywano informacje o zużyciu łożysk stożkowych wałka atakującego przekładni, o deformacji zazębienia, a więc o biciu, niewyrównoważeniu i ogólnie o luzie międzyzębnym. W punkcie II otrzymywano informacje o stanie łożysk obudowy mechanizmu różnicowego, o udarach występujących w zazębieniu przekładni oraz niestabilności pracy przekładni. Dobre własności diagnostyczne mają miary amplitudowe sygnału wibroakustycznego, cechujące się dużą wrażliwością na zmiany stanu obiektu oraz prostotą pomia-ru. Najczęściej używane miary amplitudy to: wartość skuteczna, wartość średnia oraz wartość szczytowa. W pomiarach wielkości drganiowych definiuje się także ilorazy tych miar, aby otrzymać: współczynnik szczytu, współczynnik kształtu oraz współczynnik impulsowości. W opisywanym przykładzie miarami sygnału wibroakustycznego dla obu punktów pomiarowych były: wartość skuteczna amplitudy sygnału (Usk), współczynnik impulsowości (Jv), definiowany ilorazem wartości szczytowej i średniej, oraz współczynnik harmoniczności (Hv), charakteryzujący rozrzut (szerokość) widma wokół częstotliwości Rice’a. Wszystkie te miary mierzono bezpo-średnio przyrządem diagnostycznym.

Kryteria klasyfikacji przekładni
Przedstawiona metoda dotyczy dwu-stanowej oceny przekładni głównej mostu napędowego: zdatna – niezdatna. W metodzie tej porównuje się nie parametry stanu badanej przekładni, lecz odpowiadające im miary sygnałów wibroakustycznych. Ustalone wstępne kryteria oceny stanu przekładni głównej zamieszczono w tabeli 1.

Przyrząd diagnostyczny
Przyrząd diagnostyczny do pomia-ru wartości wskazanych wyżej miar jest wyposażony we wskaźniki analogowe, co umożliwia bezpośrednią ocenę stanu przekładni głównej mostu napędowego.

3. Metody stanowiskowe
Najbardziej przydatnym sposobem oceny stanu technicznego układu napędowego za pomocą parametrów efektywności pracy są badania stanowiskowe, wykonywane na rolkowych hamowniach podwoziowych (rys. 5). Podstawowymi wielkościami mie-rzonymi na hamowni są moc na kołach napędowych (NK) oraz kontrolne zużycie paliwa (QK). W celu określenia mocy na kołach przyjmuje się zazwyczaj warunki ustalone, to znaczy prędkość jazdy V = constans, kąt wzniesienia a = 0O, przyspieszenie a = 0. Na hamowni odwzorowuje się opory powietrza i toczenia. Badania mogą być wykonywane również w warunkach ruchu nieustalonego (V ¹ const, a ¹ 0). Na hamowni należy wówczas odwzorować opory toczenia, powietrza oraz bezwładności. Badania w ruchu nieustalonym pozwalają określić efektywność pracy układu napędowego za pomocą rozpędzania oraz próby wybiegu. W przypadku próby wybiegu mierzoną wielkością jest droga wybiegu (Sw). Wartość tego parametru świadczy o stratach w zespołach układu napędowego (jezdnego).
Badania stanu technicznego samochodu na hamowni podwoziowej obejmują sprawdzenia wstępne (przygotowawcze) i zasadnicze (pomiarowe).

Do sprawdzeń wstępnych są zaliczane:
- oględziny zewnętrzne, których celem jest ocena szczelności, stopnia skompletowania oraz prawidłowości mocowania poszczególnych zespołów układu napędowego,
- ocena ilości płynu chłodzącego w układzie chłodzenia i oleju w układzie smarowania,
- określenie ciśnienia powietrza w oponach i stanu ogumienia kół,
- próba funkcjonowania silnika i zespołów układu przeniesienia napędu przy różnych prędkościach obrotowych i obciążeniach.

Sprawdzenia zasadnicze, wykonywane podczas kontroli stanu technicznego, obejmują pomiary:
- mocy na kołach napędowych (rys. 6),
- drogi wybiegu (oporów wewnętrznych w układzie napędowym i jezdnym),
- zużycia paliwa.

W czasie badań, których celem jest lokalizacja uszkodzeń, są dodatkowo wykonywane pomiary:
- parametrów oceny działania silnika (układu zapłonowego, układu zasilania, układu wydechowego, mechanizmu korbowego i mechanizmu rozrządu),
- parametrów wibroakustycznych silnika i zespołów układu przeniesienia napędu,
- prędkości i przebytej drogi.
Pomiary poszczególnych parametrów są wykonywane przy ustalonym stanie cieplnym pojazdu i hamowni podwoziowej.

4. Próby drogowe (metody trakcyjne)
W badaniach drogowych efektywność pracy układu napędowego można określić za pomocą intensywności rozpędzania lub przez pomiar przyspieszenia maksymalnego. Intensywność rozpędzania samochodu determinuje minimalny czas na pokonanie odcinka drogi o określonej długości. Parametrem świadczącym o stratach w zespołach układu napędowego i układu jezdnego jest droga wybiegu określona w czasie próby wybiegu (próby swobodnego toczenia się samochodu). Przed próbą należy skontrolować ciśnienie w ogumieniu, obciążyć całkowicie pojazd oraz zamknąć szyby boczne. Próbę przeprowadza się na drodze płaskiej, poziomej, asfaltowej lub betonowej, o długości około 2,5 km, przy pogodzie bezwietrznej (prędkość wiatru < 3 m/s). Na początku próby należy rozpędzić samochód osobowy do prędkości 50 km/h, a ciężarowy do 30 km/h. W chwili mijania punktu pomiarowego dźwignię zmiany biegów ustawia się w położenie neutralne i wyłącza zapłon. Pojazd toczy się swobodnie. Po zatrzymaniu należy zmierzyć drogę przebytą od punktu pomiarowego i powtórzyć taką samą próbę podczas jazdy w kierunku przeciwnym. Do wnioskowania przyjmuje się średnią arytmetyczną wyników z obu pomiarów. Badania drogowe umożliwiają też ocenę działania zespołów układu napędowego w czasie jazdy, hałaśliwości pracy (drgań) oraz sprawdzenie temperatury obudowy zespołów. Stwierdzenie za wysokiej temperatury obudowy skrzyni biegów, skrzyni rozdzielczej lub mostu napędowego świadczy o zbyt małej ilości oleju w tych zespołach lub o niewłaściwych wartościach luzów między współpracującymi elementami (konieczność regulacji).

dr inż. Kazimierz Sitek