Diagnostyka

Metody diagnozowania

Poważne zadania, jakie ma do spełnienia w samochodzie układ zawieszenia oraz jego wpływ na bezpieczeństwo jazdy sprawia, że ocena stanu technicznego tego układu ma duże znaczenie dla właściwej eksploatacji pojazdu.

Przed przystąpieniem do kontroli układu zawieszenia należy doprowadzić ciśnienie w ogumieniu do zalecanego przez wytwórcę samochodu oraz usunąć luzy w zawieszeniu. Do badania skuteczności tłumienia zawieszenia pojazdu o dopuszczalnej masie całkowitej (dmc) do 3,5 t wykorzystuje się dwie metody: drgań swobodnych i drgań wymuszonych. Pierwsza z tych metod polega na ocenie drgań swobodnych nadwozia wywołanych wytrąceniem ze stanu spoczynkowego bryły nadwozia. W nowszych odmianach tej metody mierzy się siłę nacisku koła na podłoże. Metoda drgań wymuszonych polega na rejestracji zmiennej amplitudy drgań w funkcji czasu (test Boge) i porównaniu otrzymanych wykresów z charakterystykami wzorcowymi dla badanego samochodu. W przypadku stosowania drugiej odmiany tej metody (test Eusama) dokonuje się analizy nacisku koła na płytę stanowiska. Następnie porównuje się wyniki pomiaru z wymaganiami ustalonymi przez Europejskie Stowarzyszenie Producentów Amortyzatorów. Amortyzatory wchodzą w skład elementów tłumiących układu zawieszenia pojazdu. Niezdatność amortyzatorów decyduje o zachowaniu się pojazdu w czasie jazdy, powoduje zmniejszenie bezpieczeństwa (mniejsza przyczepność kół do drogi, wydłużenie drogi hamowania) oraz wpływa na trwałość pojazdu. Dokładniejsze rozpoznanie niezdatnego amortyzatora jest możliwe dopiero na stanowiskach kontrolnych. W diagnostyce wykonywanej w stacjach kontroli i obsługi pojazdów najczęściej stosuje się badanie amortyzatorów w stanie zamontowanym w pojeździe, z uwagi na łatwość i szybkość wykonania pomiaru. Metoda drgań wymuszonych znalazła powszechne zastosowanie do określania stanu technicznego układu zawieszenia samochodów osobowych, osobowo-terenowych i dostawczych. Urządzenia do badania zawieszenia w pełni wykazują swoją przydatność w stacjach kontroli i obsługi pojazdów oraz w warsztatach samochodowych. Aktualnie produkowane urządzenia do badania układu zawieszenia (amortyzatorów) wykonywane są w wersji stacjonarnej lub mobilnej (z rampami najazdowymi). Mogą być stosowane tylko do kontroli w samochodach osobowych i dostawczych. Diagnozowanie zawieszenia samochodów ciężarowych i autobusów nadal jest wykonywane metodami organoleptycznymi.

Zakres diagnozowania
Zawieszenie samochodu jest tym układem, od którego poprawnego działania zależy: bezpieczeństwo jazdy, kierowalność pojazdu, trwałość i niezawodność innych zespołów, komfort jazdy pasażerów oraz stan przewożonych towarów. Wykorzystywanie samochodu z niezdatnym zawieszeniem znacznie skraca okres jego użytkowania. W skład układu zawieszenia pojazdu wchodzą następujące grupy elementów:
- elementy sprężyste (sprężyny śrubowe, resory piórowe, drążki skrętne, miechy zawieszenia pneumatycznego);
- elementy tłumiące (amortyzatory, tłumiki cierne);
- elementy prowadzące (wahacze, drążki reakcyjne);
- ograniczniki ruchu (dla fazy uginania i rozprężania).
Dobór rodzaju zawieszenia oraz charakterystyk jego elementów sprężystych i tłumiących jest zadaniem trudnym. Obecnie w samochodach osobowych elementy te posiadają charakterystyki nieliniowe. Elementami sprężystymi w samochodach osobowych są najczęściej stalowe sprężyny śrubowe. Nieliniową charakterystykę sztywności sprężyn otrzymuje się przez zmianę średnicy zewnętrznej, zmianę skoku lub średnicy drutu. W samochodach ciężarowych elementami sprężystymi są z reguły resory piórowe, drążki skrętne i miechy zawieszenia pneumatycznego. Elementami tłumiącymi drgania w samochodach osobowych są amortyzatory teleskopowe o charakterystyce komfortowej (miękkiej) lub sportowej (twardej). Konstruktorzy dobierając charakterystykę tłumienia amortyzatora najczęściej przyjmują rozwiązanie kompromisowe. Charakterystyki stosowanych amortyzatorów są nieliniowe oraz niesymetryczne. W samochodach ciężarowych do tłumienia drgań nadwozia stosuje się także inne elementy tłumiące. Na tłumienie drgań oprócz amortyzatorów mają wpływ: opony, sprężyny, przeguby kuliste, tuleje metalowo-gumowe i stabilizatory. Jednak w największym stopniu o wartości tłumienia decydują amortyzatory. Podczas eksploatacji pojazdu charakterystyki elementów sprężystych i tłumiących zawieszenia ulegają zmianie. W zawieszeniu pojawiają się luzy wpływające na bezpieczeństwo jazdy. Objawami niezdatności układu zawieszenia (amortyzatorów) są:
- duże amplitudy drgań nadwozia samochodu,
- powiększone przechyły pojazdu wpływające na komfort jazdy i stabilność ruchu,
- odrywanie się kół od nawierzchni drogi,
- wydłużenie drogi hamowania.
W czasie jazdy występują wówczas w zawieszeniu nadmierne siły dynamiczne, powodujące szybsze zużycie elementów pojazdu i niszczenie nawierzchni drogi. Z tego powodu konieczne są badania okresowe stanu technicznego układu zawieszenia. Stacje diagnostyczne i stacje obsługi pojazdów nie dysponują obecnie urządzeniami pozwalającymi na przeprowadzenie badań kontrolnych całego układu zawieszenia. Badania te przeprowadza się obecnie metodami organoleptycznymi. Jedynie amortyzatory mogą być sprawdzane na specjalnych stanowiskach kontrolnych. Oględziny zewnętrzne układu zawieszenia obejmują sprawdzenie ukompletowania, prawidłowości montażu oraz stanu technicznego elementów sprężystych, prowadzących i tłumiących drgania (amortyzatorów). Podczas oględzin samochodu ocenia się także luzy w układzie zawieszenia. Określenie stanu technicznego amortyzatorów metodami przyrządowymi wykonuje się na podstawie analizy drgań w funkcji czasu lub analizy nacisku koła na podłoże.

Metody diagnozowania
W celu określenia stanu technicznego układu zawieszenia należy:
- ocenić luzy występujące w połączeniach (przeguby, sworznie, łożyskowanie),
- ocenić stan i sztywność elementów sprężystych zawieszenia,
- sprawdzić stan i stopień tłumienia elementów tłumiących (amortyzatorów),
- ocenić opory tarcia związane z ruchem zawieszenia.
Luzy w układzie zawieszenia ocenia się w trakcie oględzin zewnętrznych samochodu. Podczas tej czynności ocenia się również stan zamocowania elementów zawieszenia i sprawdza jego kompletność. Wykrywanie luzów ułatwiają urządzenia do wymuszania szarpnięć kołami jezdnymi pojazdu. Sztywność zawieszenia określa się na podstawie pomiaru jego ugięcia pod wpływem obciążenia pionowego. Mierzy się odległość środka koła od krawędzi nadkola. Sztywność zawieszenia i różnica sztywności między stroną lewą i prawą nie może przekraczać wartości dopuszczalnych, określonych przez wytwórcę pojazdu. Przed rozpoczęciem badania stanu technicznego amortyzatorów należy usunąć luzy w zawieszeniu oraz doprowadzić ciśnienie w ogumieniu do wartości zalecanej przez wytwórcę pojazdu.

Do oceny stanu technicznego zawieszenia stosuje się następujące metody:
- metody organoleptyczne (oględziny zewnętrzne, identyfikacja luzów w zawieszeniu),
- metody przyrządowe (sprawdzanie działania amortyzatorów).

Metody organoleptyczne
Oględziny zewnętrzne układu zawieszenia obejmują sprawdzenie:
- elementów sprężystych,
- amortyzatorów,
- elementów prowadzących koła i ograniczających ugięcie zawieszenia.
Na wstępie należy sprawdzić czy zawieszenie jest skompletowane zgodnie z dokumentacją techniczną pojazdu. Ocenić
prawidłowość montażu elementów sprężystych, prowadzących i tłumiących drgania.






Rys. 1. Możliwe miejsca pojawienia się luzów (źródło: Escon): a – w układzie zawieszenia, b – w układzie kierowniczym.



Rys. 2. Charakterystyka amortyzatora hydraulicznego: a – zależność siły tłumiącej P od przemieszczenia tłoka amortyzatora S dla amortyzatora w stanie zdatności, b – przebieg wykresu dla amortyzatora z ubytkiem oleju.

Ocena luzów w połączeniach elementów układu zawieszenia jest czynnością niezbyt skomplikowaną. Szybką kontrolę luzów w elementach układu zawieszenia, układu jezdnego i układu kierowniczego (rys.1) ułatwiają urządzenia do wymuszania szarpnięć kołami jezdnymi pojazdu. Badanie polega na obserwacji sprawdzanych połączeń elementów i organoleptycznej ocenie luzu podczas wymuszania szarpnięć kół jezdnych ustawionych na płytach najazdowych urządzenia.

1) Sprawdzanie elementów sprężystych
W resorach piórowych należy z uwagą obejrzeć obie boczne powierzchnie każdego resoru i sprawdzić czy pióra nie są pęknięte. Następnie trzeba obejrzeć powierzchnię piór w miejscach przylegania piór krótszych. W przypadku stwierdzenia zużycia tych powierzchni na głębokość powyżej 0,5 mm resor należy zakwalifikować do wymiany. Z kolei sprawdza się obejmy piór i strzemiona mocujące resor do osi (mostu napędowego) oraz elementy mocujące resor do ramy (nadwozia) samochodu. Wyraźnie widoczne luzy i uszkodzenia mechaniczne są niedopuszczalne. W resorach sprężynowych sprawdzić należy zwoje sprężyn oraz śruby mocujące sprężyny do wahaczy, osi lub elementów nadwozia. Luzy i pęknięcia są niedopuszczalne. Jeżeli elementami sprężystymi są drążki skrętne, oględzinom podlegają ich powierzchnie oraz piasty. Niedopuszczalne są pęknięcia, zużycie piast, luzy w piastach, znaczne skorodowanie. Starannym oględzinom należy poddać stabilizatory, zwracać uwagę na ich zamocowanie do osi pojazdu i nadwozia. Niedopuszczalne jest jakiekolwiek mechaniczne uszkodzenie drążka stabilizatora (skrzywienie, pęknięcie), jak również luzy i zużycie połączeń z nadwoziem i osią. Niedopuszczalne jest również osłabienie elementów sprężystych powodujące nadmierne uginanie się ich przy gwałtownym, maksymalnym obciążeniu. Aby stwierdzić, czy taki przypadek nie występuje, należy kilkakrotnie z dużą siłą obciążyć pojazd po stronie kontrolowanego resoru tak, aby każde kolejne obciążenie przypadało na odchylenie w dół sprawdzanego resoru. Jeżeli po 4 lub 5 takich wahaniach ich amplituda nie wzrasta i nie wyczuwa się osiągnięcia oporu, pracę resoru można uważać za prawidłową. Powyższa czynność ze względu na sposób wykonywania może być przeprowadzana tylko w samochodach osobowych.

2) Sprawdzanie amortyzatorów
Oględzinom należy poddać przede wszystkim elementy mocujące amortyzatory do ramy (nadwozia) i osi pojazdu oraz obudowy amortyzatorów. Niedopuszczalne są luzy w elementach mocujących amortyzator, zgięcia, pęknięcia obudowy, wycieki. W przypadku amortyzatorów dźwigniowych trzeba zwrócić uwagę na ewentualne wycieki z gniazd osi dźwigni w obudowie amortyzatora, w przypadku amortyzatorów teleskopowych - na wycieki wzdłuż obudowy. Sprawdzanie działania amortyzatorów bez przyrządów (w samochodach osobowych) polega na gwałtownym obciążeniu kontrolowanego amortyzatora zamontowanego w pojeździe i obserwacji jego działania. Obciążenie wywołuje się przez mocne i gwałtowne naciśnięcie na błotnik (zderzak), a po uzyskaniu maksymalnego ugięcia resorów należy je nagle usunąć. Jeżeli amortyzator działa sprawnie, nadwozie po wykonaniu 1 lub 2 wahnięć powinno wrócić do pozycji początkowej.



Rys. 3. Schemat ideowy zastosowania zapadni do badania amortyzatorów metodą drgań swobodnych.

3) Sprawdzanie elementów prowadzących koła i ograniczających ugięcie zawieszenia
Oględziny wahaczy mają na celu stwierdzenie czy nie posiadają one dyskwalifikujących uszkodzeń mechanicznych (pęknięć, skrzywień). Zauważalne luzy świadczą o nadmiernym zużyciu sworzni, tulei wahaczy i są niedopuszczalne. Podczas oględzin drążków reakcyjnych należy sprawdzić ich zamocowanie do nadwozia i mostu napędowego, zwracać uwagę na luzy w połączeniach sworzniowych oraz zabezpieczenie nakrętek. Sprawdzenie elementów ograniczających skok zawieszenia polega na ocenie ich zamocowania, stanu zderzaków gumowych, linek zabezpieczających mosty. Uszkodzenia elementów gumowych, pęknięcia linek, kwalifikują te części do wymiany.

Diagnozowanie zawieszenia metodami przyrządowymi
Ocena stanu technicznego układu zawieszenia (przede wszystkim amortyzatorów) metodami przyrządowymi jest bardziej złożona. Stosowane w praktyce przyrządowe metody oceny stanu technicznego amortyzatorów zależą od tego czy jest on wymontowany z samochodu, czy też jest zamontowany w samochodzie.



Rys. 4. Schemat ideowy metody drgań wymuszonych (stanowisko typu Boge): 1 – układ wymuszający drgania, 2 – sprężyna, 3 – czujnik, 4 – płyty najazdowe.

1) Określenie stanu technicznego amortyzatora wymontowanego z pojazdu
Najdokładniej stan techniczny amortyzatora można określić po wymontowaniu go z samochodu. Na stanowisku badawczym z mechanizmem korbowym o regulowanej prędkości obrotowej i skoku otrzymuje się wykres pracy amortyzatora hydraulicznego (rys. 2). Układ piszący rejestruje zmianę siły tłumiącej P w funkcji przemieszczenia tłoka amortyzatora S lub zmianę siły tłumiącej P w funkcji prędkości ruchu tłoka amortyzatora V (charakterystyka prędkościowa). Powszechnie stosowane są amplitudowe wskaźniki oceny stanu amortyzatorów. Dobre cechy diagnostyczne wykazuje moc tłumienia, którą uzyskuje się przez całkowanie wykresów otrzymanych podczas badań. Po porównaniu wykresu pracy amortyzatora badanego z wykresem wzorcowym można wykryć podstawowe niesprawności amortyzatorów, jak na przykład uszkodzenie zaworu, nieszczelność, brak oleju, odkształcenia. Takie pomiary są wykonywane u producenta lub w zakładzie naprawy amortyzatorów.

2) Badanie stanu technicznego amortyzatorów zamontowanych w pojeździe
Amortyzatory, jako elementy odpowiedzialne za prawidłowe tłumienie drgań nadwozia, badane są na stacjach kontroli i stacjach obsługi pojazdów metodami bezdemontażowymi. Podstawową wadą tych metod jest brak informacji o rodzaju powstającego uszkodzenia i stopniu jego zaawansowania w trakcie eksploatacji samochodu. Często występującymi usterkami amortyzatorów są wycieki płynu i ubytki uszczelnienia tłoczków. Uszkodzenia te są trudne do diagnozowania pod względem ilościowym. W przypadku amortyzatorów zamontowanych w samochodzie do ich oceny mogą być stosowane dwie metody:
a) metoda drgań swobodnych (wymuszenie impulsowe),
b) metoda drgań wymuszonych (wymuszenie sinusoidalne).

Metoda drgań swobodnych
Metoda drgań swobodnych polega ogólnie na spowodowaniu ruchu nadwozia (wymuszenie impulsowe) oraz obserwacji jego zanikających drgań i należy do prostszych sposobów badania amortyzatorów. O stanie technicznym amortyzatora decyduje liczba i amplituda drgań. W nowszych odmianach tej metody mierzy się siłę nacisku koła na podłoże. Charakterystyki swobodnych drgań tłumionych można uzyskać następującymi sposobami:
- opuścić samochód z pewnej wysokości na koła (z podstawek),
- zastosować zapadnię,
- wymusić ruch nadwozia w dół przez ugięcie elementów sprężystych,
- na stanowisku płytowym wykorzystać wymuszenie niskoczęstotliwościowe występujące w czasie hamowania.
Pierwszy sposób polega na najechaniu kołami danej osi na podstawki, z których koła spadną swobodnie i wzbudzą drgania nadwozia, możliwe do zarejestrowania przez urządzenie pomiarowe.
W drugim przypadku (rys. 3.) drgania przedniej lub tylnej części pojazdu są wywołane przez opuszczenie podstawki, płyty najazdowej lub ramy. Koła danej osi spadają i pobudzają do drgań swobodnych bryłę nadwozia. W trzecim przypadku, po zablokowaniu kół przednich lub tylnych, na przykład za pomocą specjalnego urządzenia ściąga się nadwozie do określonego położenia. Po zwolnieniu urządzenia dociążającego nadwozie drga swobodnie, a rejestrator kreśli wykres swobodnych drgań tłumionych. Czwarty sposób polega na pełnym wyhamowaniu samochodu na stanowisku płytowym, gdzie następuje maksymalne ugięcie nadwozia pojazdu jako reakcja od sił hamowania, a następnie zanikanie drgań, aż do osiągnięcia stanu równowagi. Analizuje się uzyskane wykresy oscylacji zawieszenia.

Metoda drgań wymuszonych
W stacjach kontroli pojazdów i stacjach obsługi samochodów powszechnie stosuje się do badania amortyzatorów metodę drgań wymuszonych. Metodę drgań wymuszonych można zrealizować na dwóch typach testerów wibracyjnych:
- o zmiennej amplitudzie drgań,
- o stałej amplitudzie drgań.
Metoda ta polega na wymuszeniu drgań pionowych badanego koła powyżej częstotliwości rezonansowej (koło znajduje się na płycie najazdowej włączonego urządzenia – wzbudnika drgań). Po usunięciu siły wymuszającej następuje zanikanie drgań na skutek ich tłumienia przez amortyzator, elementy zawieszenia i elastyczną oponę. W miarę obniżania się częstotliwości drgań w pewnej chwili następuje rezonans, którego amplituda charakteryzuje stan amortyzatora (przy rezonansie amplituda drgań zależy od współczynnika tłumienia). Jakość tłumienia amortyzatora ocenia się na podstawie analizy:
- drgań w funkcji czasu (tzw. metoda Boge),
- nacisku koła na podłoże (tzw. metoda Eusama).
Schemat ideowy metody Boge przedstawiono na rys. 4. W przypadku tej metody (rejestracja zmiennej amplitudy drgań w funkcji czasu) miarą jakości amortyzatora jest podwójna amplituda drgań rezonansowych. Wartość tej amplitudy porównuje się z amplitudą wzorcową dla badanego samochodu. Ten sposób pomiaru wymaga posiadania bazy danych wartości wzorcowych amplitud. Zastosowanie metody pomiaru dekrementu tłumienia jest w pełni słuszne dla układów liniowych. Schemat ideowy metody Eusama pokazano na rys. 5. Czujniki 2 i przetwarzający układ elektroniczny 3 służą do pomiaru nacisku koła jezdnego na płytę 1 stanowiska. Zastosowanie tej metody (tester o stałej amplitudzie drgań) wymaga odniesienia wyników pomiaru do wartości wymaganych ustalonych przez Europejskie Stowarzyszenie Producentów Amortyzatorów (EUSAMA).



Rys. 5. Schemat ideowy metody drgań wymuszonych (stanowisko typu Eusama): 1 – płyta najazdowa, 2 – czujniki, 3 – przetwarzający układ elektroniczny, 4 – zespół napędowy.

Należy podkreślić, że na wynik pomiaru mają wpływ nie tylko stan techniczny amortyzatora, ale również inne czynniki, na przykład typ ogumienia i ciśnienie powietrza, obciążenie pojazdu oraz stosunek masy resorowanej do masy nieresorowanej dla badanej osi. W związku z tym, uzyskane w wyniku badań tą metodą wskaźniki Eusama mają charakter orientacyjny. Przyjęcie stałej (około 16 Hz) częstotliwości rezonansowej ogranicza możliwości metody. Poszczególne koła mogą mieć takie same wartości wskaźnika (na przykład 50 proc.), ale uzyskane przy różnej częstotliwości rezonansowej. Wymienione ograniczenia tej metody mają wpływ na bezpieczeństwo jazdy. Stało się to powodem opracowania zmodyfikowanych metod badań:
- metody Eusama plus (urządzenie o zmiennej częstotliwości drgań wymuszających),
- metody Eusama z analizą fazową (pomiar kąta przesunięcia fazowego między sinusoidalnymi sygnałami przemieszczenia płyty i siły nacisku koła na płytę).

dr inż. Kazimierz Sitek