Diagnostyka

Zawieszenie samochodu jest tym układem, od którego poprawnego działania zależą: 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 poprzednich tekstach opisaliśmy strukturę układu zawieszenia oraz metody jego diagnozowania. Tym razem przedstawimy parametry diagnostyczne i kryteria oceny stanu zawieszenia.
Parametry diagnostyczne wykorzystywane do oceny stanu układu zawieszenia można pogrupować w następujący sposób: wymiary geometryczne i luzy w miejscach połączeń elementów, własności sprężyste, parametry drgań mas resorowanych i nieresorowanych oraz szczelność podzespołów (rys. 1). Z analizy tych parametrów wynika, że bez demontażu można dokonać pomiaru luzów, własności sprężystych, charakterystyki drgań itp. Natomiast pomiar wymiarów geometrycznych części wymaga demontażu. Dąży się do tego, aby badania tak ważnego zespołu układu zawieszenia, jakim jest amortyzator, przeprowadzać również bez jego demontażu. Zadanie to nie jest jednak łatwe do zrealizowania, ponieważ amortyzatory pracują równocześnie z elementami sprężystymi zawieszenia. Z pomiaru drgań nie zawsze można precyzyjnie wnioskować o ich stanie technicznym. Najlepiej byłoby odłączyć amortyzator od elementów sprężystych i dokonać pomiaru strzałki ugięcia (pod odpowiednim obciążeniem), długości sprężyny w stanie swobodnym itp. Jeżeli uzyskane wartości mieszczą się w dopuszczalnych granicach, kolejną czynnością powinno być badanie amortyzatorów zamontowanych w pojeździe (w układzie zawieszenia). Jednak ze względów praktycznych w stacjach kontroli i stacjach obsługi pojazdów bada się amortyzatory zamontowane w pojeździe. Dokonuje się tego, wywołując drgania swobodne lub drgania wymuszone nadwozia pojazdu na zawieszeniu.
Przykładowe zestawienie parametrów diagnostycznych układu zawieszenia z metalowymi elementami sprężystymi (sprężyny śrubowe i resory) samochodu dostawczego przedstawiono w tabeli 1.
W dalszej części przedstawiamy parametry diagnostyczne i kryteria oceny stanu układu zawieszenia wykorzystywane w stosowanych obecnie metodach badawczych: metodzie drgań swobodnych i metodzie drgań wymuszonych (Boge i Eusama).

Kryteria oceny stanu technicznego – metoda drgań swobodnych
W przypadku stosowania do badania amortyzatorów metody drgań swobodnych uzyskuje się wykres swobodnych drgań tłumionych nadwozia. Miarą oceny stanu technicznego amortyzatora są liczba oraz amplituda drgań.
Z wykresu przemieszczeń [A] drgań swobodnych nadwozia w funkcji czasu (t, rys. 2) należy wyznaczyć średnie tłumienie [r], jako stosunek drugiej do pierwszej zaobserwowanej amplitudy drgań:

gdzie:
r - średnie tłumienie drgań,
Z1 - amplituda pierwszego wahnięcia nadwozia,
Z0 - amplituda wychylenia początkowego,
T1 - średni okres drgań.

Wartości amplitud początkowych nie powinny się różnić o więcej niż 7%. Linię zerową wyznacza się według końcowego fragmentu wykresu.
Stopień napełnienia amortyzatora ma duży wpływ na wartość amplitudy drgań, zwłaszcza pierwszej półfali. Ustalono, że przy napełnieniu mniejszym niż 80% pojemności praca amortyzatora pogarszają się gwałtownie (nadwozie zaczyna uderzać o ograniczniki). Działanie amortyzatora znacznie się pogarsza w przypadku uszkodzenia sprężyny zaworu zwrotnego, zużycia talerzyka zaworu przelewowego i zaworu dławiącego itp. Natomiast uszkodzona sprężyna oraz zacieranie się zaworów przelewowego i odciążającego tylko nieznacznie zmieniają charakterystyki amortyzatorów [3].

Kryteria oceny stanu – metoda drgań wymuszonych (test Boge)
Sposób oceny jakości tłumienia drgań przy stosowaniu metody drgań wymuszonych zależy od konstrukcji urządzenia kontrolnego. W urządzeniach działających na podstawie analizy drgań w funkcji czasu (np. Shocktester firmy Boge/Sachs, SA2/FWT1 firmy Maha) otrzymane wykresy należy porównać z charakterystykami wzorcowymi dla badanego samochodu.

1. Wykres wzorcowy
Zarejestrowany wykres drgań płyty stanowiska (nadwozia) w funkcji czasu charakteryzuje się trzema podstawowymi zakresami (rys. 3):
1 - drgań przy malejącej częstotliwości i rosnącej amplitudzie, bezpośrednio po wyłączeniu układu napędowego stanowiska (faza rozpędzania);
2 - drgań w obszarze rezonansu układu zawieszenia, kiedy przemieszczenia kół jezdnych/płyty stanowiska osiągają największe wartości (faza pomiaru); największa różnica przemieszczeń (podwójna wartość amplitudy drgań) Amax jest wielkością charakteryzującą stan amortyzatora;
3 - wygasania drgań, kiedy maleje zarówno częstotliwość drgań, jak i przemieszczenie, aż do ich całkowitego zaniknięcia (faza wybiegu).

Dokonanie oceny stanu zawieszenia na podstawie maksymalnych wartości przemieszczenia wymaga znajomości granicznych wartości parametrów, po których przekroczeniu stan zawieszenia uznaje się za niezdatny. W praktyce występują trudności z uzyskaniem aktualnych danych na skutek zmieniających się parametrów konstrukcyjnych pojazdów, różnych wersji zawieszenia oraz modernizacji istniejących rozwiązań.
Problem ten nie występuje w przypadku badania amortyzatorów na podstawie analizy nacisku koła na podłoże, gdzie zastosowano określony algorytm pomiaru i przeliczania wartości parametrów uzyskanych w jego trakcie. Wartości zarejestrowane podczas testu diagnostycznego (a więc wartości dynamiczne) odnosi się do umownie przyjętych wartości statycznych, na przykład ugięcia płyty stanowiska po najechaniu kołami badanej osi. Umożliwia to dokonanie oceny stanu technicznego zawieszenia bez korzystania z bazy danych parametrów granicznych.
    
2. Kryteria oceny stanu technicznego
Określenia stanu technicznego zawieszenia (amortyzatora) badanego metodą drgań wymuszonych (test Boge) dokonuje się na podstawie wartości wymienionych parametrów.
1) Podwójnej wartości amplitudy drgań Amax (największej różnicy przemieszczeń):

W tej metodzie podwójna wartość amplitudy drgań [Amax] (rezonansowa) jest parametrem diagnostycznym. Zmierzoną wartość Amax porównuje się z wartością graniczną [Agr] dla amortyzatorów danej osi. Wartości graniczne amplitud dla poszczególnych typów pojazdów powinny być określone przez producenta pojazdu lub urządzenia kontrolnego. Jeżeli zmierzona podwójna wartość amplitudy nie przekracza wartości granicznej, amortyzator uznaje się za zdatny. Jeżeli zmierzona wartość Amax w rezonansie jest większa od wartości granicznej, należy uznać, że skuteczność tłumienia drgań przez amortyzator jest niewystarczająca i powinien on zostać wymieniony.

2) Różnicy wartości podwójnej amplitudy drgań ΔAmax amortyzatorów jednej osi:

W celu wyeliminowania przypadków współpracy na jednej osi amortyzatorów o bardzo zróżnicowanych charakterystykach uwzględnia się dodatkowy parametr diagnostyczny ΔAmax, umożliwiający szybką ocenę stanu zawieszenia całej osi. Z praktyki wiadomo, że podczas jazdy na nierównych nawierzchniach trudności z utrzymaniem zadanego kierunku ruchu wywołane wadliwą pracą amortyzatorów występują, jeżeli skuteczność działania jednego amortyzatora względem drugiego różni się o więcej niż 15%.
3) Nieregularności przebiegu wykresu
Podczas rejestracji przebiegu drgań występują czasem dodatkowe czynniki zakłócające przebieg wykresu. Wpływ ich jest istotny wówczas, kiedy występują one w obszarze rezonansu. Niekiedy na wykresie występują dwa wychylenia rezonansowe w niewielkiej odległości od siebie. Zjawisko to spowodowane jest wpływem elastycznego zawieszenia silnika i nie należy traktować go jako wyniku nieprawidłowego przeprowadzenia pomiaru lub wadliwego działania zawieszenia. W takim przypadku trzeba dokonać pomiaru wartości amplitudy pierwszego wychylenia rezonansowego na wykresie.
Podczas wykonywania pomiarów mogą pojawić się czynniki zakłócające, które potrafią zmienić przebieg wykresu. Przykładem takiego zakłócenia jest poruszanie się osoby wewnątrz pojazdu podczas badania. Zalicza się do nich także: zbyt szybkie rozpoczęcie pomiaru (wpływ drgań drugiej części badanej osi pojazdu), wsiadanie bądź wysiadanie z samochodu podczas badania, zatrzaskiwanie drzwi pojazdu w czasie pomiarów itp.
Przebieg kontroli skuteczności tłumienia drgań zawieszenia pojazdu metodą Boge obejmuje następujące etapy:
- najechanie kołami danej osi na płyty najazdowe,
- pobudzenie układu do drgań,
- wyłączenie napędu i pomiar (w trakcie tłumienia drgań) przemieszczenia płyty najazdowej w funkcji czasu,
- porównanie otrzymanych przebiegów drgań z charakterystykami wzorcowymi danego pojazdu.

Wyniki pomiaru skuteczności tłumienia zawieszenia mogą być przedstawione w postaci liczbowej i wykreślnej na ekranie monitora lub na wyświetlaczach oraz w formie wydruku. Na rys. 4 pokazano przykład prezentacji liczbowej (zmierzone i graniczne wartości parametrów) i wykreślnej wyników pomiaru skuteczności tłumienia drgań zawieszenia pojazdu na urządzeniu SA 2/FWT 1 firmy Maha (badanie metodą Boge).
    
Kryteria oceny stanu – metoda drgań wymuszonych (test Eusama)
W przypadku stosowania urządzeń działających na podstawie analizy nacisku koła na podłoże (tester wibracyjny o stałej amplitudzie drgań, np. SDL 261 firmy Bosch, TUZ-1 firmy Unimetal) otrzymane wyniki odnosi się do kryteriów ustalonych przez EUSAMA (Europejskie Stowarzyszenie Producentów Amortyzatorów).

1. Wskaźnik Eusama
Europejskie Stowarzyszenie Producentów Amortyzatorów opracowało metodę oceny efektywności tłumienia zawieszenia (amortyzatorów). Zasada pomiaru opiera się na procentowym określeniu siły przylegania koła do podłoża (płyty stanowiska). Skuteczność tłumienia zawieszenia określa wartość, tzw. wskaźnika (liczby) Eusama, czyli parametr określający stopień przylegania koła samochodu do podłoża podczas jego drgań, który oblicza się z zależności:

gdzie:
E - wskaźnik Eusama (stopień przylegania koła do podłoża) [%],
NDmin – minimalna dynamiczna siła przylegania koła do podłoża, tj. najmniejszy nacisk koła na podłoże, zmierzony przy częstotliwości rezonansowej podczas swobodnego tłumienia drgań koła od częstotliwości minimum 24 Hz do 0 Hz [N],
Nst - statyczna siła przylegania koła do podłoża, tj. nacisk koła na podłoże, zmierzony w stanie spoczynku koła [N].

Interpretacja graficzna wskaźnika została przedstawiona na rys. 5. Ze względu na stateczność i kierowalność samochodu istotna jest również różnica wartości wskaźników Eusama (względna i bezwzględna), którą określa się dla tej samej osi pojazdu.

2. Względna różnica wartości wskaźników Eusama
Względną różnicę wartości wskaźników Eusama oblicza się z zależności:

gdzie:
ΔW - względna różnica wartości wskaźników Eusama (stopni przylegania kół do podłoża) [%],
EL – wskaźnik Eusama koła lewego tej samej osi [%],
EP - wskaźnik Eusama koła prawego tej samej osi [%].

3. Bezwzględna różnica wartości wskaźników Eusama
Bezwzględną różnicę wartości wskaźników Eusama oblicza się z zależności:

gdzie:
Δb - bezwzględna różnica wartości wskaźników Eusama (stopni przylegania kół do podłoża) [%],
EL - wskaźnik Eusama koła lewego tej samej osi [%],
EP - wskaźnik Eusama koła prawego tej samej osi [%].

Przykładowo na rys. 6 pokazano prezentację liczbową i graficzną wyników pomiaru skuteczności tłumienia drgań zawieszenia osi przedniej samochodu osobowego na urządzeniu TUZ-1 firmy Unimetal (badanie metodą Eusama).
Badanie metodą Eusama obejmuje następujące etapy:
- pomiar nacisku statycznego koła do podłoża,
- wymuszenie drgań zawieszenia o częstotliwości około 25 Hz i skoku około 6 mm,
- pomiar nacisku dynamicznego w trakcie wygasania drgań,
- wyznaczenie minimalnej skuteczności tłumienia.

Ta koncepcja jest przejrzysta i nie wymaga bazy danych wartości wzorcowych. Wadą metody jest wrażliwość na sztywność opony i obciążenie pojazdu. Sztywność opony zależy między innymi od ciśnienia w ogumieniu. Wysokie ciśnienie obniża, a niskie ciśnienie podwyższa wartość wskaźnika Eusama. Natomiast duże obciążenie statyczne podwyższa, a małe obniża wartość tego wskaźnika [1].

4. Kryteria oceny stanu technicznego
Ogólne kryterium oceny stanu technicznego układu zawieszenia (amortyzatorów) ustalone przez EUSAMA jest następujące:
- wskaźnik Eusama E = 0 ÷ 20% – niedostateczna skuteczność tłumienia,
- wskaźnik Eusama E = 21÷ 40% – dostateczna,
- wskaźnik Eusama E = 41 ÷ 60% – dobra,
- wskaźnik Eusama E > 60% – bardzo dobra.

Różnica pomiędzy wartościami wskaźnika Eusama dla stron lewej i prawej jednej osi nie powinna być większa niż 15% (wartość bezwzględna) lub 30% (wartość względna).
Kryteria oceny są jednakowe dla wszystkich pojazdów, z wyjątkiem małych samochodów osobowych z przednim napędem, dla których obniża się wymagania dla osi tylnej. Rozwiązanie tego problemu zaproponowała firma Hofmann, dzieląc samochody na trzy grupy w zależności od masy własnej.
Kryteria oceny stanu technicznego układu zawieszenia podane są również w obowiązujących stacje kontroli pojazdów przepisach, tj. w Rozporządzeniu Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej w sprawie zakresu i sposobu przeprowadzania badań technicznych pojazdów oraz wzorów dokumentów stosowanych przy tych badaniach. Zgodnie z wymaganiami prawnymi [2] stan układu zawieszenia uznajemy za niezadowalający, gdy:
1) Stopień przylegania koła do podłoża (wskaźnik Eusama) jest mniejszy niż:
- 15% – dla pojazdu o masie własnej nie większej niż 900 kg,
- 20% – dla pojazdu o masie własnej większej niż 900 kg i nie większej niż 1500 kg,
- 25% – dla pojazdu o masie własnej większej niż 1500 kg;

2) Względna wartość różnicy stopnia przylegania kół (wskaźnika Eusama) na tej samej osi jest większa niż 30%, w przypadku gdy mniejszy stopień przylegania koła na tej samej osi nie przekracza 35%;
3) Bezwzględna wartość różnicy stopnia przylegania kół (wskaźnika Eusama) na tej samej osi jest większa niż 15%, w przypadku gdy mniejszy stopień przylegania koła na tej samej osi przekracza 35%.

dr inż. Kazimierz Sitek

Literatura
1. Praca zbiorowa: Badania kontrolne samochodów. WKŁ, Warszawa 2000.
2. Rozporządzenie Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej w sprawie zakresu i sposobu przeprowadzania badań technicznych pojazdów (t.j. Dz. U. z 2015 r., poz. 776).
3. Sitek K.: Diagnostyka samochodowa. Wydawnictwo Auto, Warszawa 1999.