Diagnostyka

W dwóch pierwszych częściach artykułu opisane zostały kryteria oceny stanu technicznego układu napędowego oraz metody jego diagnozowania. W aktualnie publikowanym przedstawiamy urządzenia do diagnozowania układu napędowego pojazdu.

Obecnie stosowane przyrządy i urządzenia diagnostyczne umożliwiają praktyczne przeprowadzenie oceny stanu technicznego układu napędowego pojazdu. Wyposażenie do diagnozowania układu napędowego można podzielić na:

• przyrządy pomiarowe ogólnego przeznaczenia,
• endoskopy techniczne,
• przyrządy do pomiaru luzów kątowych i osiowych,
• urządzenia do diagnozowania wibroakustycznego,
• hamownie podwoziowe.

1. Przyrządy pomiarowe ogólnego przeznaczenia
Do tej grupy należą ogólnodostępne przyrządy pomiarowe, na przykład liniały, sprawdziany, suwmiarki, czujniki zegarowe itp. Wykorzystuje się je do pomiaru geometrycznych parametrów stanu technicznego, takich jak: skok jałowy pedału sprzęgła, skok roboczy pedału sprzęgła, luz osiowy wałka atakującego przekładni głównej itp.

2. Endoskopy techniczne
Endoskop techniczny umożliwia obserwację, ocenę stanu i weryfikację przestrzeni niedostępnych: komór spalania silnika, przestrzeni zamkniętych zespołów układu przeniesienia napędu (skrzyń biegów, skrzyń rozdzielczych, mostów napędowych), zamkniętych profili nadwozia oraz odczyt numerów identyfikacyjnych pojazdu.
Wersja podstawowa endoskopu technicznego, pozwalająca na wykonanie badania, składa się z następujących elementów:

• sondy (wziernika),
• źródła światła,
• przewodu światłowodowego (przesyłającego strumień światła oświetlającego badany element),
• przewodów elektrycznych.

Obecnie dostępne są dwie odmiany sond: sztywne i elastyczne. Sondy sztywne wykonane są w postaci metalowego pręta, w którym umieszczony jest układ optyczny, mającego złącze do podłączenia zewnętrznego źródła światła oraz okular umożliwiający obserwację obrazu i podłączenie wyposażenia dodatkowego (np. aparatu cyfrowego). W sondach elastycznych do przesyłania obrazu widzianego przez obiektyw wykorzystuje się wiązkę światłowodową.
Wszystkie rodzaje sond (sztywne i elastyczne) mają w swoim wnętrzu oddzielną wiązkę światłowodową ułożoną obok układu optycznego, która umożliwia doprowadzenie strumienia światła do obszaru obserwacji.
Sonda elastyczna, w porównaniu z sondą sztywną, ma większe możliwości penetracji miejsc trudno dostępnych. Cięgna umieszczone wzdłuż elastycznej osłony światłowodów są połączone z dźwignią, którą porusza osoba wykonująca badanie. Dzięki temu końcówka sondy z obiektywem może zmieniać swoje położenie w jednej lub dwóch płaszczyznach.
Pomimo pewnych ograniczeń w docieraniu do trudno dostępnych miejsc sonda sztywna wystarcza w większości praktycznie spotykanych przypadków badań przestrzeni zamkniętych. Dzięki układowi soczewkowo-pryzmatycznemu zapewnia wyższą jakość obrazu i jest znacznie tańsza od sondy elastycznej.
Nowoczesne endoskopy techniczne mają wymienne elementy zapewniające elastyczność (pamięć kształtu) lub sztywność sondy (obudowa rurowa). Dzięki temu mogą być wykorzystywane jako endoskopy zarówno z sondą sztywną, jak i sondą elastyczną. Endoskopy oferowane w wersji podstawowej mają możliwość dalszej rozbudowy i pozwalają na dowolne kształtowanie zestawu, stosownie do potrzeb użytkownika (np. możliwość dodania wyposażenia do rejestracji obrazu).
Nowymi odmianami endoskopów technicznych są wideoendoskopy przewodowe i bezprzewodowe. Współczesny wideoendoskop składa się z wodoszczelnej głowicy zawierającej kamerę z przetwornikiem obrazu i diody LED oświetlającej miejsce obserwacji oraz połączonego z nią elastycznym wężem monitora z kolorowym ekranem ciekłokrystalicznym. Monitor może być zintegrowany z rękojeścią lub odłączany. Sygnał zawierający dane obrazu jest w pierwszym przypadku przesyłany do monitora przewodem, w drugim zaś drogą radiową.
Na rysunku 1 przedstawiono endoskopy techniczne produkowane przez firmę Elhos (endoskop Okulus i wideo-
endoskop), a na rysunku 2 elementy wideoendoskopu 8807AL firmy Goscam.

3. Przyrządy do pomiaru luzów osiowych i kątowych
Do pomiaru sumarycznych luzów kątowych i osiowych w zespołach i mechanizmach układu napędowego pojazdu służą różne przyrządy. Dwa z nich zostaną przedstawione bardziej szczegółowo.

3.1. Przyrząd do pomiaru skoku jałowego     (roboczego, całkowitego) pedału sprzęgła
Przyrząd ma bardzo prostą budowę i jest wygodny w użyciu. Liniał metalowy (produkowany seryjnie) został umocowany wahliwie do podstawki i zaopatrzony w dwa suwaki samohamowne. Przyrząd ustawia się na podłodze pojazdu tak, aby dolny suwak dotykał spodu stopki pedału, liniał był równoległy do płaszczyzny ruchu pedału i styczny do zataczanego przez niego łuku. Naciskanie na pedał powoduje jego przesunięcie o żądany skok, razem z dolnym suwakiem. Po odjęciu przyrządu od podłogi odczytuje się odległość między suwakami na skali liniału.

3.2. Przyrząd do pomiaru luzu kątowego w układzie napędowym
Rozwiązania konstrukcyjne przyrządów do pomiaru luzu kątowego w układach napędowych samochodów zostały opisane w literaturze. Taki przyrząd składa się z dwóch zasadniczych elementów: tarczy pomiarowej i uchwytu z wymiennymi szczękami płaskimi (rys. 3). 
W skład uchwytu wchodzą: śruba pociągowa z górną szczęką pryzmową, ruchoma dolna szczęka pryzmowa, pręt ustalający położenie szczęk oraz pokrętło śruby pociągowej. W szczękach pryzmowych są otwory, w których można mocować szczęki płaskie. Ponadto w dolnej szczęce znajduje się gniazdo do mocowania klucza dynamometrycznego. Zespół pomiarowy jest mocowany do szczęki dolnej i składa się z wieszaka oraz tarczy pomiarowej. Na obwodzie tarczy znajdują się kanalik częściowo wypełniony cieczą i podziałka kątowa. Do wykonania pomiaru potrzebny jest klucz dynamometryczny, służący do przyłożenia określonego momentu przez uchwyt przyrządu na wybrane zespoły układu napędowego samochodu.
Schemat pomiaru luzu kątowego za pomocą takiego przyrządu przedstawiono na rys. 4. Przyrząd mocuje się na przegubie krzyżakowym (szczęki płaskie) lub na rurze wału napędowego (szczęki pryzmowe). Punkt mocowania dzieli układ napędowy na dwie grupy zespołów. Po unieruchomieniu końcowego elementu każdej z grup można zmierzyć sumaryczne luzy kątowe w zespołach danej grupy. Unieruchomienie to odbywa się: za pomocą silnika (włączone sprzęgło i bieg w skrzyni przekładniowej), za pomocą hamulca ręcznego umieszczonego na wale napędowym lub za pomocą zahamowanych kół napędowych. Jednocześnie elementy niesprawdzanej w danej chwili grupy muszą mieć swobodny obrót większy od mierzonego luzu. W tym celu podnosi się jedno koło napędzane (podczas pomiaru luzu grupy pierwszej), wyłącza sprzęgło lub włącza bieg neutralny w skrzyni przekładniowej – podczas pomiaru luzu grupy drugiej. Kąt swobodnego obrotu w ramach luzu kątowego sprawdzanej grupy jest mierzony na tarczy z podziałką kątową względem poziomu, jaki tworzy ciecz w kanaliku w dwóch skrajnych położeniach przyrządu.
Przyrząd umożliwia pomiar luzu kątowego całego układu napędowego, wybranych grup zespołów oraz poszczególnych zespołów, zależnie od punktu jego zamocowania.

4. Przyrządy do diagnostyki wibroakustycznej
Diagnostyczne sygnały wibroakustyczne analizuje się za pomocą przyrządów umożliwiających obiektywną ocenę badanych obiektów. Do badań stanu technicznego zespołów układu przeniesienia napędu metodami wibroakustycznymi wykorzystuje się przyrządy podobne do tych przeznaczonych do badań silników spalinowych.
Mimo prostszej budowy głównych zespołów układu przeniesienia napędu (w porównaniu do silnika spalinowego) wydzielenie użytecznych składowych z sygnału wibroakustycznego rejestrowanego podczas badań nie jest łatwe. Dlatego opracowanych zostało niewiele zasad oceny stanu technicznego, przydatnych do praktycznego zastosowania. Niemniej jednak istnieją przyrządy, za pomocą których można określić stan techniczny układu przeniesienia napędu na podstawie analizy sygnału wibroakustycznego.

4.1. Podstawowy układ pomiaru i analizy procesów wibroakustycznych
Wibroakustyczny sygnał diagnostyczny może być rejestrowany za pomocą czujnika, który umieszcza się bezpośrednio na obiekcie badań, lub za pomocą mikrofonu umieszczonego w pobliżu badanego zespołu. W pierwszym przypadku sygnał diagnostyczny jest opisywany za pomocą wielkości charakteryzujących ruch drgający, w drugim za pomocą wielkości charakteryzujących zjawiska akustyczne. Aby przekształcić sygnał wibroakustyczny w równoważny sygnał elektryczny, a następnie dokonać jego pomiaru, analizy i rejestracji, niezbędne jest zastosowanie odpowiednich typów przyrządów, które tworzą wspólnie pewien układ pomiarowy. Na rys. 5 przedstawiono blokowy schemat funkcjonalny takiego układu.
Przetworniki (czujniki) przetwarzają jedną formę energii (np. mechaniczną, akustyczną) w drugą (elektryczną). Z punktu widzenia elektrycznego można je podzielić na dwie kategorie: przetworniki aktywne (generacyjne) i przetworniki bierne (parametryczne). W przetwornikach aktywnych następuje bezpośrednia zamiana wielkości mierzonej na wielkość elektryczną, a niezbędną do tego, znikomą energię pobierają z obiektu będącego przedmiotem pomiarów. W przetwornikach biernych wielkość mierzona (np. ciśnienie akustyczne) powoduje równocześnie zmiany innych wielkości (np. w mikrofonie pojemnościowym – chwilową zmianę pojemności między okładkami). Do przetworzenia zmian tej wielkości na sygnał elektryczny niezbędne jest zasilenie przetwornika dodatkową energią elektryczną.
Układ dopasowujący jest elementem pośrednim, którego zadaniem jest zapewnienie właściwych warunków pracy dla przetwornika i wzmocnienie jego sygnału do poziomu niezbędnego do dalszej obróbki. Sygnały elektryczne uzyskane z przetworników są na ogół bardzo słabe, zaś bezpośrednie sprzężenie przetwornika z procesorem sygnałów jest niemożliwe z powodu niedopasowania energetycznego i informacyjnego.
Baza danych. W wielu przypadkach, zwłaszcza poza laboratorium, pełna analiza drgań lub hałasu jest niemożliwa. Wówczas nieodzowne jest magazynowanie informacji w postaci zapisu całego procesu.
Sygnał drganiowy nagrany za pomocą magnetofonu pomiarowego (na taśmę magnetyczną) może być dalej szczegółowo analizowany na dokładnych przyrządach laboratoryjnych lub też w komputerach typu PC (laptopach) z odpowiednim oprogramowaniem. Zastosowanie komputera umożliwia dodatkowo przejęcie wielu czynności personelu diagnostycznego w zakresie opracowania danych pomiarowych i prognozowania stanu.
Kolejny sposób zapisu przez rejestrację na dysku elastycznym lub twardym umożliwia otrzymanie wyniku pomiaru bezpośrednio przy badanym obiekcie w formie cyfrowej. Wynik ten jest następnie przesyłany do mikrokomputera w celu dalszego opracowania. Sposób ten jest obecnie coraz częściej stosowany.
Należy podkreślić, że wprowadzenie do powszechnego użytku przenośnych pamięci analogowych (magnetofon pomiarowy) i cyfrowych (dysk elastyczny lub twardy) oraz mikrokomputerów spowodowało prawdziwy przewrót w możliwościach diagnozowania stanu technicznego obiektów technicznych.
Procesor sygnałów. Właściwe przetwarzanie informacji zawartej w sygnale odbywa się w bloku nazywanym procesorem. Może to być jedno urządzenie lub zestaw kilku. Niezależnie od sposobu przetwarzania procesor sygnałów mierzy takie liczbowe miary sygnału, jak wartość szczytowa, wartość średnia, wartość skuteczna, i dokonuje analizy częstotliwościowej procesu lub inaczej mówiąc, określa jego widmo. Można również rozpatrywać zagadnienia związane z przekroczeniem zadanego poziomu lub progu amplitudowego. Większość tych miar funkcyjnych dotyczących rozkładu amplitudowego procesu ma zastosowanie w diagnostyce wibroakustycznej.

Układ obserwacji i rejestracji. Dane uzyskane z informacji przetworzonych przez procesor mają charakter liczbowy lub funkcyjny. W związku z tym do ich rejestracji i obserwacji wykorzystywane są:

• wskaźniki analogowe lub cyfrowe do odczytu wartości liczbowych,
• oscyloskopy katodowe do obserwacji zmian procesu lub jego miar funkcyjnych,
• oscyloskopy z pamięcią lub oscylografy pętlicowe do rejestracji fotograficznej procesu lub jego miar funkcyjnych,
• rejestratory poziomu do zapisu zmian w czasie: wartości średniej, skutecznej lub szczytowej,
• rejestratory X-Y do zapisu postaci widma, rozkładu amplitud lub funkcji korelacji,
• monitory komputerów traktowane jako końcówki procesorów do bieżącej prezentacji informacji, wykresów itp.,
• drukarki i plotery jako środki utrwalania informacji z monitora,
• pamięci cyfrowe jako środki rejestracji i bezpośredniej transmisji do komputera.

Wymagania dotyczące poziom hałasu zewnętrznego [dB (A)] pojazdów na postoju

4.2. Przykłady układów pomiarowych
W zależności od zadań badawczych w skład układu pomiarowego wchodzi mniej lub więcej podukładów zawartych w podstawowych blokach. W przypadku pomiarów uproszczonych (prędkości dopuszczalnej, poziomu hałasu i innych) wszystkie opisane bloki zawarte są w jednym przyrządzie, zwanym miernikiem drgań (rys. 6) lub miernikiem poziomu hałasu. Natomiast w złożonych badaniach diagnostycznych zachodzi konieczność wykorzystania całego układu pomiarowego.
Obowiązujące w Polsce rozwiązania prawne wprowadzają obowiązek przeprowadzenia pomiaru hałasu zewnętrznego podczas postoju pojazdu jedynie w przypadku negatywnego wyniku oględzin układu wylotowego. Pełna kontrola poziomu hałasu zewnętrznego podczas postoju pojazdu obejmuje dwa etapy: ocenę organoleptyczną i pomiar poziomu hałasu miernikiem poziomu dźwięku. Podczas kontroli organoleptycznej sprawdza się układ wylotowy pojazdu i ocenia jego stan techniczny. Niedopuszczalne są wyraźnie zauważalne nieszczelności układu wylotowego, jego niekompletność i uszkodzenia mechaniczne, mające wpływ na swobodny przepływ spalin.
W przypadku negatywnego wyniku kontroli organoleptycznej należy dodatkowo wykonać pomiar poziomu hałasu zewnętrznego podczas postoju samochodu. Przygotowanie pojazdu do badań, warunki i przebieg pomiaru określają obowiązujące przepisy, zawarte w dziale III załącznika nr 1 do rozporządzenia o zakresie i sposobie badań [1]. Instrukcja opisująca sposób pomiaru poziomu hałasu zewnętrznego określa:

• wymagane warunki atmosferyczne oraz maksymalny poziom hałasu otoczenia,
• wymogi w odniesieniu do miejsca pomiarowego,
• wymogi ogólne w stosunku do przyrządu pomiarowego,
• sposób przygotowania pojazdu do badań,
• sposób ustawienia mikrofonu,
• procedurę wykonania pomiaru,
• ustalenie i ocenę wyników pomiaru.

Zachowanie warunków pomiaru i dokładne przestrzeganie odpowiednich procedur zależy w dużej mierze od sumienności diagnosty wykonującego badania.

Każdy pojazd powinien być tak zbudowany i utrzymany, aby poziom hałasu zewnętrznego mierzony podczas postoju pojazdu z odległości 0,5 m nie przekraczał:

• wartości ustalonej podczas badań homologacyjnych powiększonej o 5 dB (A) w odniesieniu do pojazdów, które były poddane badaniom homologacyjnym,
• wartości podanych w tabeli w odniesieniu do pozostałych pojazdów.

Pełny zakres kontroli sygnału dźwiękowego obejmuje również dwa etapy, tj. ocenę organoleptyczną i pomiar poziomu dźwięku. Badania organoleptyczne polegają na sprawdzeniu działania sygnału dźwiękowego i ocenie jego stanu technicznego. Niedopuszczalne są brak lub wyraźnie zauważalna nieciągłość działania sygnału i wyraźnie zauważalne zmiany jego tonacji. Wytyczne dotyczące oceny usterek zawarto w dziale I załącznika nr 1 do rozporządzenia o zakresie i sposobie badań.
W przypadku negatywnej oceny organoleptycznej sygnału dźwiękowego należy wykonać pomiar poziomu dźwięku podczas postoju pojazdu. Pojazd powinien być wyposażony w sygnał dźwiękowy o ciągłym i nieprzeraźliwym tonie, o poziomie dźwięku mierzonym podczas postoju z odległości 3 m nie mniejszym niż 87 dB (A) dla motocykli i 90 dB (A) dla pozostałych pojazdów. Dla ciągnika rolniczego rejestrowanego po raz pierwszy po 31 marca 2011 r. poziom dźwięku z odległości 7 m powinien wynosić 93-112 dB (A). Motorower ma być wyposażony w dzwonek lub inny sygnał ostrzegawczy o nieprzeraźliwym tonie.
Obecnie obowiązujące przepisy prawne nakazują wyposażenie urzędowych stacji kontroli pojazdów w miernik poziomu dźwięku. Do tego celu można wykorzystać przyrząd DLM-101S (rys. 7) produkowany przez firmę Sonopan, który umożliwia wykonanie pomiarów ciśnienia akustycznego, poziomu dźwięku i prędkości obrotowej silnika.

Główne elementy przyrządu DLM-101S to:

• miernik poziomu dźwięku o zakresie pomiarowym 50-135 dB, mikrofon pomiarowy z osłoną przeciwwietrzną i przedwzmacniacz mikrofonowy;
• sondy tachometryczne (indukcyjna w odniesieniu do silników o zapłonie iskrowym i piezoelektryczna w odniesieniu do silników o zapłonie samoczynnym).

Oprócz tego w jego skład wchodzą: kalibrator akustyczny, przymiar, statyw mikrofonowy, przedłużacz do mikrofonu, przewody połączeniowe i walizka. Wytwórca dostarcza również odpowiednie oprogramowanie.
Kalibrator akustyczny służy do wzorcowania miernika przed pomiarem. Zadaniem osłony przeciwwietrznej jest ograniczenie wpływu wiatru oraz ochrona mikrofonu przed pyłem, kurzem i spalinami. Przymiar ułatwia ustawienie mikrofonu we właściwym położeniu względem wylotu rury wylotowej (w odległości 0,5 m, pod kątem 450). Pomiar prędkości obrotowej silnika odbywa się automatycznie po zamontowaniu sondy pomiarowej i połączeniu wtyczki sondy z odpowiednim gniazdem miernika. Złącze RS232 służy do przesłania zmierzonych danych do komputera zewnętrznego i wydruku protokołu z pomiarów. Wewnętrzny akumulator umożliwia wykonywanie długotrwałych pomiarów bez konieczności ładowania.
W celu umożliwienia wykonywania pomiarów przez jedną osobę przewidziano wyposażenie zestawu w statyw i przedłużacz do mikrofonu. Statyw pozwala umieścić mikrofon we właściwym położeniu względem rury wylotowej pojazdu. Przedłużacz umożliwia osobie przeprowadzającej pomiar zajęcie miejsca kierowcy i obsługiwanie pojazdu.
Przykład umieszczenia elementów przyrządu DLM-101S na stanowisku zewnętrznym w przypadku pomiaru hałasu zewnętrznego pojazdu pokazano na rysunku 8a, a w przypadku pomiaru poziomu dźwięku sygnału dźwiękowego – na rysunku 8b.
Przed pomiarem należy wykonać wzorcowanie miernika. W odległości 3 m od badanego pojazdu nie może być przeszkód akustycznych. Temperatura otoczenia powinna wynosić od +50C do +400C, a prędkość wiatru nie powinna przekraczać 5 m/s. Przed rozpoczęciem pomiaru należy określić poziom hałasu otoczenia, który powinien być mniejszy od poziomu hałasu wytwarzanego przez pojazd co najmniej o 10 dB.
Pomiar poziomu hałasu zewnętrznego pojazdu należy przeprowadzić w krótkim okresie pracy silnika od chwili uzyskania prędkości obrotowej równej 75% prędkości obrotowej mocy maksymalnej do momentu osiągnięcia prędkości obrotowej biegu jałowego. W przypadku motocykli, których prędkość obrotowa mocy maksymalnej jest większa od 5000 obr./min, należy do pomiarów przyjąć 50% prędkości obrotowej mocy maksymalnej.
Powinno się wykonać co najmniej trzy pomiary następujące po sobie, nieróżniące się od siebie o więcej niż 2 dB. Jako wynik końcowy należy przyjąć największą zmierzoną wartość z trzech pomiarów pomniejszoną o 1 dB. Poprawność przeprowadzenia pomiarów miernik sprawdza automatycznie.
Stacje kontroli pojazdów pomiar hałasu pojazdu powinny wykonywać na odpowiednio przystosowanym stanowisku zewnętrznym do pomiarów akustycznych. Lokalizacja tego stanowiska, wymiary oraz rodzaj nawierzchni są określone w rozporządzeniu w sprawie szczegółowych wymagań w stosunku do stacji.
Powszechnie znanym producentem urządzeń do diagnozowania metodami wibroakustycznymi jest duńska firma Brüel & Kjaer. Natomiast przyrządy do pomiarów i analizy dźwięku (hałasu) są wytwarzane między innymi przez firmę Sonopan z Białegostoku.

dr inż. Kazimierz Sitek

Literatura
1. Rozporządzenie Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej z 26 czerwca 2012 r. w sprawie zakresu i sposobu przeprowadzania badań technicznych pojazdów oraz wzorów dokumentów stosowanych przy tych badaniach (Dz.U. z 2015 r., poz. 776, z późn. zm.).
2. Sitek K.: Diagnostyka samochodowa. Układy odpowiedzialne za bezpieczeństwo jazdy. Wydawnictwo Auto, Warszawa 1999.
3. Żółtowski B.: Podstawy diagnostyki maszyn. Wydawnictwo Uczelniane ATR, Bydgoszcz 1996.