Diagnostyka

W poprzedniej części artykułu opisane zostały takie urządzenia do diagnozowania układu napędowego, jak: endoskopy techniczne, przyrządy do pomiaru luzów osiowych i kątowych oraz przyrządy do diagnostyki wibroakustycznej. Tym razem przedstawimy hamownie podwoziowe, które umożliwiają wykonanie kompleksowej diagnostyki pojazdu.

Diagnostyka pojazdów samochodowych obejmuje serię specjalnych pomiarów przeprowadzanych najczęściej wówczas, gdy utracą zdolność eksploatacyjną lub gdy wymagane jest poświadczenie ich sprawności technicznej dla władz administracyjnych. Z tego punktu widzenia diagnostykę samochodów można podzielić na diagnostykę w systemie eksploatacji i na diagnostykę układów odpowiedzialnych za bezpieczeństwo jazdy. Połączenie ich na jednym stanowisku to kompleksowa diagnostyka samochodu. Znaczną część stanowiska do kompleksowej diagnostyki pojazdu zajmują zespoły do pomiaru parametrów układu napędowego. Przykładem takiego stanowiska jest hamownia podwoziowa. Ze względu na sposób odbioru mocy hamownie podwoziowe dzieli się na:

• obciążeniowe (z hamulcami),
• bezwładnościowe (bezhamulcowe),
• obciążeniowo-bezwładnościowe.

W obciążeniowych hamowniach podwoziowych napęd z kół samochodu przekazywany jest przez rolki jezdne do hamulca. Stosowane są hamulce hydrauliczne, elektrowirowe, elektryczne i powietrzne. Pomiary na tego typu stanowiskach w pewnym zakresie przypominają pomiary na hamowniach silnikowych z tą różnicą, że wyniki dotyczą pracy całego układu napędowego i mierzone są na kołach. Dlatego też ważne jest takie opracowanie testów pomiarowych, aby uzyskać rozdzielenie diagnozy dotyczącej silnika i układu przeniesienia napędu (sprzęgła, skrzyni biegów, wału napędowego, mostu i kół jezdnych).
Początkowo w stacjach kontroli i obsługi pojazdów oraz w warsztatach samochodowych stosowano krajowe hamownie podwoziowe z hamulcami hydraulicznymi. Obecnie dostępne są również nowoczesne hamownie podwoziowe z hamulcami elektrowirowymi oraz bezwładnościowe wytwarzane przez producentów polskich (np. Godula Moto Sport, V-tech Dynamometers) i zagranicznych (np. Cartec, Maha, Ryme, Vamag).
Ze względu na rodzaj badanych pojazdów wyróżniamy hamownie podwoziowe do badania:

• pojazdów jednośladowych (motocykli),
• pojazdów typu ATV (czterokołowce, quady),
• samochodów osobowych i dostawczych, 
• samochodów ciężarowych i autobusów.

W dalszej części przedstawiamy wybrane rozwiązania hamowni podwoziowych różnych producentów: hamownie motocyklowe i do pojazdów typu ATV, a także hamownie samochodowe obciążeniowe z hamulcem hydraulicznym i elektrowirowym oraz bezwładnościowe.

Plan sytuacyjny pomieszczenia hamowni podwoziowej typu HPWO-160 z hamulcem hydraulicznym [2]: 1 – układ jezdny, 2 – układ pomiarowo-wskaźnikowy, 3 – uchwyt zdalnego sterowania, 4 – dmuchawa, 5 – podstawki pod koła, 6 – wyciąg spalin, 7, 8 – doprowadzenie i odprowadzenie wody, 9 – doprowadzenie sprężonego powietrza

1. Motocyklowe hamownie podwoziowe
Przykładami hamowni motocyklowych obciążeniowych z hamulcem elektrowirowym są stanowiska LPS 500 firmy Cartec oraz LPS 3000 (z zestawem rolek R 50) firmy Maha.
Podczas badań na hamowni LPS 500 przednie koło motocykla jest mocowane za pośrednictwem uchwytu zaciskanego siłownikiem pneumatycznym. Uchwyt ten (zależnie od rozstawu kół motocykla) można przesuwać tak, aby tylne koło ustawić na rolkach. Hamownia pozwala na pomiar mocy silników o wartości do 160 kW. Rolki stykające się z tylnym kołem motocykla umożliwiają jazdę z prędkością do 300 km/h. Hamownia pozwala na pomiar następujących parametrów:

• maksymalnej mocy silnika i na kole motocykla,
• maksymalnego momentu obrotowego silnika i na kole motocykla,
• siły obwodowej występującej na styku opony i rolek hamowni,
• prędkości jazdy motocykla,
• prędkości obrotowej silnika,
• temperatury oleju silnikowego.

Stanowisko LPS 500 standardowo wyposażone jest w ręczny pulpit sterujący z wyświetlaczem ciekłokrystalicznym. Dodatkowo może być wyposażone w program dla komputera PC (umożliwiający sterowanie, prezentację i archiwizację wyników pomiarów), zespół do pomiaru ciśnienia atmosferycznego i temperatury, dmuchawę oraz inne elementy.
Znanym producentem hamowni podwoziowych jest firma Maha, która wytwarza również hamownie obciążeniowe do badania motocykli LPS 3000/R50 (rys. 1). Hamownia umożliwia m.in. pomiar mocy silnika i na kole napędowym, momentu obrotowego silnika, drogi wybiegu (oporów układu przeniesienia napędu), prędkości jazdy. Po podłączeniu analizatora spalin możliwe jest jednoczesne badanie składu spalin (rozszerzenie zakresu stosowania). Hamownia wyposażona jest w pneumatyczne mocowanie koła przedniego. Stanowisko hamowni dostępne jest zarówno w odmianie naposadzkowej, jak i podposadzkowej. Urządzenie to może stanowić element składowy linii diagnostycznej. W ofercie tego producenta występują również hamownie podwoziowe LPS 25, LPS 25-3L i MFP 250 (rys. 2) do kontroli motocykli, małych pojazdów 3-kołowych i 4-kołowych (quady).
Obecnie w Polsce dostępne są także hamownie motocyklowe bezwładnościowe oferowane przez innych wytwórców, np. HPM-B3 firmy Godula Moto Sport.

2. Hamownie podwoziowe z hamulcami hydraulicznymi
Hamownie podwoziowe obciążeniowe z hamulcami hydraulicznymi przedstawiono na przykładzie rozwiązań krajowych, to jest stanowisk do badania samochodów osobowych HPWO-160 oraz do badania pojazdów ciężarowych HPWC-300.
Plan sytuacyjny pomieszczenia hamowni podwoziowej typu HPWO-160 z zaznaczeniem podstawowych wymiarów i rozmieszczenia zasadniczych elementów składowych przedstawiono na rys. 3. Na planie sytuacyjnym uwidoczniono: układ jezdny (1), układ pomiarowo-wskaźnikowy (2), uchwyt zdalnego sterowania (3), dmuchawę (4), podstawki pod koła nienapędzane (5), wyciąg spalin (6), doprowadzenie (7) i odprowadzenie (8) wody oraz doprowadzenie sprężonego powietrza (9). W celu ułatwienia badań oraz zabezpieczenia działania hamowni podwoziowej niezbędne jest wyposażenie pomieszczenia hamowni w różnorodne instalacje i urządzenia. Do najważniejszych zalicza się: instalację wodną, instalację sprężonego powietrza, indywidualny wyciąg spalin zakładany na końcówkę rury wydechowej samochodu, instalację wentylacyjną, zasilanie elektryczne, kanał przeglądowy i podnośnik kanałowy.
Wymienione hamownie podwoziowe przeznaczone są do kompleksowego badania stanu technicznego samochodów (osobowych, ciężarowych) i umożliwiają wykonanie:

• pomiaru mocy na kołach jezdnych pojazdu,
• pomiaru zużycia paliwa w warunkach zbliżonych do rzeczywistych,
• ogólnej oceny stanu technicznego układu przeniesienia napędu na podstawie wartości drogi wybiegu,
• oceny prawidłowości działania prędkościomierza i licznika kilometrów,
• diagnozowania silnika pojazdu pod obciążeniem za pomocą odrębnych przyrządów i zestawów diagnostycznych.

Hamownia podwoziowa składa się z dwóch podstawowych układów, to jest układu jezdnego (zespołu dynamometrycznego) i układu pomiarowo-
-wskaźnikowego. Ponadto zastosowano wyposażenie pomocnicze obejmujące: dmuchawę do chłodzenia silnika badanego samochodu, podstawki blokujące pod koła, dźwignię do skalowania wraz z obciążnikami, przewody i złączki do pomiaru zużycia paliwa.
Jednym z zespołów układu jezdnego jest rama, w której wnętrzu zabudowane są pozostałe elementy układu. Kolejnym zespołem są rolki jezdne hamowane i podpierające. Między rolkami jezdnymi znajduje się belka osadzona na dwóch pneumatycznych dźwignikach i połączona z linkami do blokowania rolek. Hamulec hydrauliczny połączony jest współosiowo za pomocą sprzęgła z rolkami jezdnymi hamowanymi. Osadzony jest na łożyskach kulkowych i przez ramię przekazuje moment obrotowy na czujnik dynamometryczny. Mierzone wielkości mechaniczne po przetworzeniu na impulsy elektryczne przekazywane są na odpowiednio wyskalowane wskaźniki umieszczone w obudowie z układem pomiarowo-wskaźnikowym.

Układ pomiarowo-wskaźnikowy zawiera następujące zespoły:

• obudowę osadzoną na przesuwnym podwoziu,
• mierniki pomiaru mocy i prędkości,
• przyrząd do pomiaru zużycia paliwa,
• licznik pomiaru drogi i licznik różnicowy,
• elementy sterowania i regulacji: uchwyt zdalnego sterowania, lampki kontrolne, przełączniki klawiszowe itp.

Podczas badań na hamowni podwoziowej pojazd jest nieruchomy. Na skutek tego silnik i zespoły podwozia mogą się przegrzewać, zwłaszcza podczas badań przy dużych obciążeniach i prędkościach obrotowych silnika. W związku z tym hamownia wyposażona jest w dmuchawę wymuszającą ruch powietrza wokół badanego samochodu.
Koła napędowe pojazdu przekazują moment obrotowy na rolki jezdne hamowni, przy czym pokonywany jest moment oporu wytworzony przez hamulec hydrauliczny. Hamulec służy do odwzorowania oporów ruchu, czyli do tzw. obciążenia pojazdu. Regulacja stopnia napełnienia hamulca umożliwia zmianę obciążenia rolek jezdnych, a tym samym układu przeniesienia napędu i silnika pojazdu. Hamowanie odbywa się na skutek przemieszczania wody między obudową i wirnikiem hamulca, a także dzięki tarciu wirnika o ciecz. Wytwarzana przy tym energia zamienia się na ciepło, które jest odprowadzane za pomocą wymienników ciepła.
Do odwzorowania sił bezwładności, które występują podczas próby rozbiegu i wybiegu, służy koło zamachowe. Wymiary koła zamachowego są dobierane tak, aby energia kinetyczna wirujących mas hamowni podwoziowej była równa energii kinetycznej wirujących mas pojazdu. Pomiar zużycia paliwa przeprowadzany jest za pomocą miernika objętościowego. Obciążenie hamulca i prędkość jazdy podczas pomiaru zużycia paliwa są regulowane odpowiednio do zakresu mocy badanego samochodu.
Odmiana ciężarowa hamowni podwoziowej w wersji oferowanej przez producenta jest przeznaczona do kompleksowego diagnozowania pojazdów z napędem na jedną oś. Istnieje możliwość rozszerzenia jej stosowania również do diagnozowania samochodów wieloosiowych, po dodaniu zestawu rolek obrotowych (cztery komplety rolek obrotowych należy dobudować do układu jezdnego hamowni). Rolki obrotowe, jako wyposażenie uzupełniające do wersji standardowej hamowni, zastosowano w niektórych stacjach obsługi i warsztatach samochodowych. Na rys. 4 przedstawiono stanowisko hamowni podwoziowej HPWC-300 przystosowanej do kompleksowego badania pojazdów ciężarowych wieloosiowych (z zestawem rolek obrotowych).

3. Hamownie podwoziowe z hamulcami elektrowirowymi
Nowe rozwiązania obciążeniowych hamowni podwoziowych oferowane przez producentów polskich i zagranicznych są wyposażone w hamulce elektrowirowe, które można bardzo łatwo automatyzować do realizacji zaprogramowanych cykli obciążeń. Hamulce elektrowirowe (podobnie jak hydrauliczne) służą do odbioru mocy oraz do dokładnego pomiaru momentu obciążającego obiekt badań. Pracują na zasadzie zamiany odbieranej energii kinetycznej na ciepło. Pozwalają na precyzyjne utrzymanie parametrów podczas badań.
Przykładowo w tabeli 1 przedstawiono podstawowe dane techniczne hamowni podwoziowych z hamulcami elektrowirowymi typu LPS 3000 firmy Maha (wersje do badania samochodów osobowych, ciężarowych i motocykli).
Zasada działania hamulca elektrowirowego jest następująca. Obudowa hamulca ułożyskowana jest wahliwie w łożyskach zamontowanych w ramie. Na wale osadzony jest wirnik w postaci tarczy zębatej. W obudowie znajduje się uzwojenie wzbudzenia. Przepływ prądu przez uzwojenie wzbudzenia powoduje powstanie pola magnetycznego, wirującego wraz z tarczą. Obracanie się tarczy wirnika powoduje pulsacyjne oddziaływanie pola magnetycznego na ścianki obudowy z częstotliwością, z jaką przemieszczają się zęby tarczy. W ściankach obudowy powstają prądy wirowe, które tworzą przeciwdziałające ruchowi pole magnetyczne i wywołują w ten sposób hamujące oddziaływanie na wirnik. Energia hamowania zamieniona na ciepło jest odprowadzana przez powietrzny system chłodzenia. Sposób pomiaru momentu za pomocą dźwigni reakcyjnej jest identyczny jak dla hamulców hydraulicznych.
Układ jezdny hamowni podwoziowej (rys. 5) zamknięty jest ramą wykonaną ze stalowych kształtowników. Wewnątrz ramy zabudowane są pozostałe zespoły i podzespoły układu. W przestrzeni pomiędzy rolkami jezdnymi znajduje się belka posadowiona na dźwigniku pneumatycznym. Hamulec elektrowirowy połączony jest współosiowo przez sprzęgło z rolką jezdną hamowaną. Napęd na drugą rolkę jezdną przenoszony jest za pomocą wału napędowego. Koła napędowe samochodu przekazują moment obrotowy na rolki jezdne hamowni podwoziowej i pokonują przy tym regulowany opór hamulca elektrowirowego. Obrotowo ułożyskowana obudowa przekazuje moment obrotowy za pomocą ramienia reakcyjnego do układu pomiarowego. System pomiarowy hamowni jest elektroniczny, sterowanie realizowane jest automatycznie lub ręcznie. Prezentacja wyników pomiarów w postaci wykreślnej lub liczbowej – na monitorze.
Ogólny widok stanowiska pomiarowego hamowni podwoziowej typu LPS 3000 PKW (odmiana do badania samochodów osobowych z rolkami R100) przedstawiono na rys. 6.
Innym rozwiązaniem konstrukcyjnym obciążeniowych hamowni podwoziowych z hamulcem elektrowirowym są hamownie jednorolkowe, na przykład MSR 1000 (rys. 7), produkowane przez firmę Maha. Opracowano je na podstawie doświadczeń uzyskanych podczas użytkowania hamowni przemysłowych, stosowanych przez producentów samochodów. Te hamownie stwarzają możliwość długotrwałych badań samochodów pod obciążeniem, są one bardzo dobrym narzędziem dla stacji i warsztatów o dużym natężeniu pracy. Nadają się również dla warsztatów zajmujących się tuningiem pojazdów. W wersji 4x4 można dokonywać pomiarów w pojazdach o mocy silnika ponad 1000 kW i z maksymalną prędkością 320 km/h. Hamownia MSR 1000 umożliwia między innymi symulację obciążenia oraz ocenę elastyczności silnika. Można realizować pomiar w sposób ciągły i dyskretny oraz sprawdzać działanie prędkościomierza i drogomierza. Zastosowane oprogramowanie pozwala na logiczne i bezpieczne prowadzenie badań oraz umożliwia przedstawienie wyników w formie liczbowej i wykreślnej (pakiet graficzny).
Przykładowo na rys. 8 zaprezentowano schemat rozmieszczenia na stanowisku kontrolnym urządzeń hamowni podwoziowych: motocyklowych LPS 3000/R50 (wersja naposadzkowa), jednorolkowych MSR 1000 Allrad do badania samochodów osobowych z napędem na wszystkie koła i LPS 3000/R200 z rolkami wolnobieżnymi do kontroli samochodów ciężarowych.
Również firma Cartec wytwarza hamownie podwoziowe obciążeniowe LPS 2020, 2510 i 2810 umożliwiające badanie pojazdów samochodowych o mocach silników odpowiednio do 260, 360 i 460 kW w wersji jednoosiowej oraz dwuosiowej do badania pojazdów z układem napędowym 4x4. Polskie hamownie podwoziowe z hamulcami elektrowirowymi wytwarza firma Godula Moto Sport. Aktualnie produkowane są dwie odmiany hamowni do badania samochodów osobowych: z napędem na jedną oś (HPS-03) i z napędem na dwie osie (HPS-03 4x4).

4. Bezwładnościowe hamownie podwoziowe
W hamowniach podwoziowych bezwładnościowych (inercyjnych) nie stosuje się hamulca, a używana metoda pomiarowa wykorzystuje założenie, że stan techniczny układu napędowego można badać za pomocą rozpędzania silnika na biegu luzem (bez obciążenia). Po gwałtownym zwiększeniu dawki paliwa podczas rozpędzania silnika występuje dynamiczna równowaga między momentem obrotowym rozwijanym przez silnik oraz momentem pochodzącym od bezwładności mas będących w ruchu obrotowym związanych kinematycznie z wałem korbowym silnika.
Bezwładnościowe hamownie podwoziowe oferowane są przez różnych producentów krajowych i zagranicznych. Na przykład polska firma Godula Moto Sport wytwarza kilka rodzajów hamowni podwoziowych do badania samochodów osobowych i motocykli:

• samochodowe bezwładnościowe, jednoosiowe i dwuosiowe,
• motocyklowe bezwładnościowe,
• bezwładnościowe do badania pojazdów typu ATV (quady).

W tabeli 2 przedstawiono podstawowe dane techniczne wybranych hamowni podwoziowych wytwarzanych przez firmę Godula Moto Sport (bezwładnościowych i obciążeniowych).
Podczas badania pojazdu samochodowego na bezwładnościowej hamowni podwoziowej wyróżnia się dwa etapy: 

• rozpędzanie rolek jezdnych hamowni kołami napędowymi pojazdu (obliczenie mocy na kołach napędowych),
• stopniowe zmniejszanie (po rozłączeniu napędu) prędkości kół napędowych pojazdu i rolek hamowni (obliczenie mocy oporów toczenia).

Po wykonaniu badań na hamowni bezwładnościowej możliwe jest także określenie mocy i momentu obrotowego silnika oraz innych parametrów (np. temperatury oleju w silniku, ciśnienia w kolektorze dolotowym, składu spalin, składu mieszanki).
W celu zapewnienia uniwersalności hamownie podwoziowe do badania pojazdów typu ATV (czterokołowce) i motocykli umożliwiają płynną regulację rozstawu osi, wysokości i szerokości mocowania przedniego koła oraz blokowanie przedniej osi.
Odpowiednie oprogramowanie znacznie ułatwia obsługę hamowni inercyjnej. Wyniki badań mogą być przedstawione w postaci wykreślnej lub tabelarycznej. Istotną częścią oprogramowania jest rozbudowana baza danych (umożliwia zapisanie danych identyfikacyjnych pojazdu i klienta oraz uzyskanych wyników). W bazie danych zawarto podstawowe dane techniczne i parametry diagnostyczne kilku tysięcy pojazdów. Konstrukcja hamowni uwzględnia bezwładność elementów wirujących pojazdu (rolka o dużej masie zastępczej zmniejsza wpływ bezwładności elementów wirujących pojazdu związanych kinematycznie z wałem korbowym silnika na wyniki badań). Zastosowany program uwzględnia zależność między wymiarami elementów (np. średnica obręczy, rozmiar opony, pojemność skokowa silnika) a ich momentem bezwładności, co jest wykorzystywane podczas obliczania mocy i momentu obrotowego silnika oraz powoduje wzrost dokładności badań.
W naszym kraju oferowane są również inne rodzaje hamowni podwoziowych. Przykładowo na rys. 9 przedstawiono bezwładnościową hamownię podwoziową firmy V-tech Dynamometers do badania pojazdów ze stałym napędem 4x4. W urządzeniu zastosowano mechaniczną synchronizację obu osi (prędkość rolek poszczególnych osi wyrównywana jest za pomocą systemu synchronicznych pasków zębatych).
Natomiast na rysunku 10 pokazano widok stanowiska hamowni inercyjnej FPS 2700/FPS 5500 firmy Maha. Urządzenie można zamontować na posadzce lub pod nią (tylko FPS 2700 – niezbędny jest wtedy fundament). Hamownia przeznaczona jest przede wszystkim do warsztatów montujących instalację LPG w nowoczesnych samochodach osobowych, osobowo-terenowych i dostawczych.

5. Dodatkowe wyposażenie hamowni podwoziowej
Aby hamownia podwoziowa mogła być należycie wykorzystana do równoczesnego sprawdzenia kilku układów samochodu dla różnych obciążeń silnika, wymagane jest wyposażenie stanowiska w dodatkowe przyrządy diagnostyczne. Umożliwia to wykorzystanie jej w procesie dynamicznego diagnozowania silnika (w tym określania zawartości składników toksycznych w spalinach dla różnych obciążeń) i układu przeniesienia napędu.
Diagnozowanie układu przeniesienia napędu opiera się obecnie najczęściej na ocenach organoleptycznych. Można przypuszczać, że w przyszłości szerzej używane będą metody diagnozowania wibroakustycznego. Możliwość zastosowania służącego do tego celu wyposażenia od wytwórców krajowych i zagranicznych (np. Brüel & Kjaer) zwiększa znacznie zakres wykorzystania hamowni podwoziowych.
Wykorzystywanie hamowni podwoziowych do diagnozowania silnika (przy różnych obciążeniach) wymaga wyposażenia stanowiska w dodatkowe urządzenia diagnostyczne umożliwiające określanie jego stanu technicznego. Zaleca się wyposażenie hamowni podwoziowej w zestawy diagnostyczne do badania silników o zapłonie iskrowym i samoczynnym oraz analizatory spalin i dymomierze.

dr inż. Kazimierz Sitek

Literatura
1. Materiały informacyjne firm produkujących urządzenia diagnostyczne.
2. Praca zbiorowa (red. S. Niziński): Diagnostyka samochodów osobowych i ciężarowych. Dom Wydawniczy Bellona, Warszawa 1999.
3. Sitek K., Syta S.: Pojazdy samochodowe. Badania stanowiskowe i diagnostyka . WKŁ, Warszawa 2011.