Diagnostyka

Ogólne informacje dotyczące wyważarek (tj. ich klasyfikację, dokładność wyrównoważania kół jezdnych, wyposażenie uzupełniające) opisano w części pierwszej artykułu. Natomiast w części drugiej przedstawiono wyważarki stacjonarne do wyrównoważenia kół wymontowanych z pojazdu. W tej grupie wyważarek wyróżnia się:

- wyważarki z elektrycznym układem pomiarowym,
- wyważarki z elektronicznym układem pomiarowym,
- wyważarki komputerowe.

Stacjonarne wyważarki z elektrycznym układem pomiarowym
Do wyrównoważania kół wymontowanych z samochodu stosowane są wyważarki podrezonansowe (z wałem sztywnym) i nadrezonansowe (z wałem sprężystym). Do niedawna wyważarki stacjonarne były najczęściej wyważarkami z wałem sprężystym. W nowszych konstrukcjach wyważarek stosuje się rozwiązania z wałem sztywnym. W wyważarkach z wałem sprężystym (rys. 1) wał (1) jest ułożyskowany w dwóch łożyskach wahliwych. Łożysko (3) jest umieszczone w obudowie wyważarki, a łożysko drugie - w piaście zamocowanej na sprężynach (2). Wał jest napędzany przez silnik elektryczny. Koło jest mocowane na wale, który pod działaniem sił odśrodkowych pochodzących od niewyrównoważonych mas koła ma możliwość przemieszczania się w płaszczyźnie poziomej. Sprężyny (2) powodują powrót wału do położenia wyjściowego. Koło, wał i sprężyny stanowią układ sprężysty o stosunkowo małej częstotliwości drgań własnych i nieznacznym tłumieniu. Koło na wale mocuje się tak, aby wewnętrzna płaszczyzna obrzeża tarczy koła zawsze przechodziła przez środek wahań. Czujnik (4) rejestruje tylko wystąpienie takich sił, które są przyłożone przed płaszczyzną wewnętrzną obrzeża tarczy koła. Pierwsza operacja dynamicznego wyrównoważenia koła polega na wprawieniu go w ruch obrotowy i określeniu położenia oraz wartości masy niewyrównoważonej. Przyrząd pomiarowy wyważarki rejestruje wystąpienie tylko siły F1, do której zrównoważenia należy przyłożyć na zewnętrznej płaszczyźnie obrzeża tarczy koła masę m1 (rys. 1b). Na powierzchni wewnętrznej koła występuje druga siła F2, której przyrząd nie wykazuje.



Rys. 1. Schemat wyważarki stacjonarnej z wałem sprężystym (a) oraz wyrównoważanie koła (b): 1 – wał, 2 – sprężyna, 3 – łożysko, 4 – czujnik elektryczny.

Siłę F2 likwiduje się w drugiej operacji wyrównoważenia. W tej operacji należy obrócić koło ręcznie, obserwując jego zachowanie. Koło przekręci się wraz z wałem tak, że jego najcięższy punkt zajmie najniższe położenie. W celu ostatecznego wyrównoważenia należy w płaszczyźnie wewnętrznego obrzeża tarczy koła, naprzeciw najcięższego punktu koła, umieścić masę m2. Ulepszoną wersją jest wyważarka o dwóch środkach wahań (rys.2). W pierwszej operacji wyrównoważenia środek wahań znajduje się wówczas w punkcie 1, a w drugiej - w punkcie 2. Umożliwia to wyrównoważenie koła w obu płaszczyznach. Zwiększa się również dokładność wyrównoważenia.

Stacjonarne wyważarki elektroniczne
Wyważarki stacjonarne z elektronicznym układem pomiarowym występują w wersji zarówno do kół samochodów osobowych (np. WK-18, WKC-18), jak i do kół samochodów ciężarowych (np. WK-25).
Budowę i zasadę działania wyważarki elektronicznej opisano na przykładzie krajowej wyważarki stacjonarnej WK-18. Wyważarka służy do dynamicznego wyrównoważania kół o średnicy obręczy 10÷18”, szerokości obręczy 3÷10” i masie do 30 kg. Schemat tej wyważarki przedstawiono na rys.3.



Rys. 2. Schemat wyważarki do wyrównoważania koła w dwóch płaszczyznach.

Wyważarka składa się z następujących zasadniczych układów:
- mechanicznego - przetwarzającego siły odśrodkowe od mas niewyrównoważonych na drgania podpór sprężystych w płaszczyźnie poziomej,
- elektrycznego - przetwarzającego przemieszczenia podpór na proporcjonalny sygnał elektryczny,
- elektronicznego - określającego wartość i położenie masy niewyrównoważonej w płaszczyznach wewnętrznej i zewnętrznej koła,
- napędowego - wprawiającego w ruch obrotowy wał z zamontowanym kołem jezdnym,
- bębna z podziałką kątową, osadzonego na wale i służącego do ustalenia miejsca niewyrównoważenia na obwodzie koła,
- elementów sterujących, sygnalizacyjnych i nastawiających,
- obudowy i wyposażenia (tarcze do mocowania kół, uchwyt samocentrujący, szczypce do zakładania i zdejmowania ciężarków, ciężarki korekcyjne itp.).

Zasada działania wyważarki jest następująca. Niewyrównoważona masa w obracającym się kole jezdnym wywołuje siłę odśrodkową, prostopadłą do osi obrotu i proporcjonalną do wartości tego niewyrównoważenia. Ta siła odśrodkowa wywołuje reakcje w łożyskach wału wyważarki. Reakcje przenoszą się na elementy sprężyste podpierające łożyska, powodując ich ugięcia (drgania). Drgania te zostają przetworzone w czujnikach magnetoindukcyjnych na sygnały elektryczne. Układ elektroniczny przetwarza sygnały z czujników i w efekcie wskaźniki pokazują parametry niewyrównoważenia dla obu płaszczyzn koła. Parametry niewyrównoważenia mierzone są dla każdej płaszczyzny oddzielnie w jednym cyklu pomiarowym. Układy pamięciowe zachowują uzyskane wskazania po wyłączeniu napędu wyważarki. Do pomiarów niewyrównoważenia kół tego samego typu nastawy wyważarki pozostają bez zmian. Ponowne włączenie napędu wyważarki powoduje kasowanie wartości zmierzonych w poprzednim pomiarze.

Stacjonarne wyważarki komputerowe
Najnowszą generację wyważarek elektronicznych stanowią wyważarki komputerowe. W tych wyważarkach układy pomiarowe z wahliwym ułożyskowaniem wału i czujnikami magnetoindukcyjnymi zostały zastąpione układami z łożyskami stałymi i czujnikami piezoelektrycznymi. Zastosowano mikroprocesorowe sterowanie procesem pomiarowym, z zapisywaniem w pamięci danych dotyczących niewyrównoważenia. Nowoczesne układy pomiarowe umożliwiły obniżenie prędkości obrotowej wału wyważarek z wartości 800÷900 obr./min do 200÷400 obr./min, co skróciło czas rozbiegu koła, pomiaru i wyhamowania. Znane są układy pomiarowe wyważarek, pozwalające rejestrować niewyrównoważenie przy jeszcze mniejszych prędkościach, to jest 60÷100 obr./min. Pozwala to na eliminację napędu elektrycznego wału i zastosowanie napędu ręcznego, co wykorzystano w niektórych wersjach wyważarek. Współczesna wyważarka do kół samochodowych składa się z: obudowy, mechanizmu napędowego wału, uchwytu do mocowania koła, czujników do pomiaru wartości niewyrównoważenia, układu optoelektrycznego do pomiaru prędkości obrotowej i położenia miejsca niewyrównoważenia oraz układu wskazań mierzonych parametrów (najczęściej monitor kolorowy lub wskaźnik ciekłokrystaliczny).
Niezależnie od rodzaju wyważarki podstawowe czynności związane z wyrównoważaniem koła są następujące:
- usunąć zanieczyszczenia osadzone na kole jezdnym oraz ciężarki zamocowane podczas poprzedniego wyrównoważania;
- prawidłowo zamocować koło w uchwycie wyważarki;
- ustawić wartości parametrów koła (szerokość i średnica obręczy, odległość koła od układu pomiarowego wyważarki); dane te wprowadza obsługujący urządzenie lub mierzone są automatycznie;
- ustawić inne dane zależne od konstrukcji wyważarki (np. określenie dokładności wyrównoważania, wybranie programu odpowiedniego do rodzaju używanych ciężarków, uruchomienie programów pomocniczych);
- wykonać wyrównoważanie koła, to jest określić wartość mas korekcyjnych (wagę ciężarków) i miejsca korekcji na kole (zamocowania ciężarków) z uwzględnieniem rodzaju obręczy.

W większości współczesnych wyważarek stosowane są programy pomocnicze, takie jak: system wspomagania wyważającego, program pomiaru bicia obręczy/opony, program uwzględniający zmiany płaszczyzn korekcji z funkcją ukrytego ciężarka. Pierwszy z nich analizuje błędy pomiarowe i informuje komunikatami słownymi o czynnościach, które należy wykonać w celu likwidacji tych błędów (np. zmiana masy ciężarka lub jego przesunięcie).



Rys. 3. Schemat stacjonarnej wyważarki elektronicznej: 1 – obudowa, 2 – silnik elektryczny, 3 – przekładnia pasowa, 4 – sprężyny, 5, 8 – czujniki magnetoindukcyjne, 6 – wskaźnik masy niewyrównoważonej, 7 – wskaźnik położenia niewyrównoważenia, 9 – bęben z podziałką, 10 – wał z uchwytem do mocowania koła jezdnego, 11 – łożyska wahliwe, 12 – koło jezdne.

Ultradźwiękowy program pomiaru parametrów koła skraca cykl pomiarowy i poprawia dokładność pomiaru niewyrównoważenia. Program wykonywany jest automatycznie podczas zamykania osłony koła. Inny czujnik ultradźwiękowy mierzy bicie promieniowe i osiowe koła (umożliwia ocenę jakości obręczy i opony oraz wykonanie programu minimalizacji). Odmienne rodzaje obręczy stosowane we współczesnych pojazdach powodują konieczność używania różnych rodzajów ciężarków. Z tego powodu większość nowych wyważarek posiada program uwzględniający zmiany płaszczyzn korekcji (ALU), przeznaczony do wyrównoważania kół z różnymi rodzajami obręczy, także ze stopów lekkich (aluminiowe, magnezowe). Najczęściej stosuje się równocześnie podprogram ukrytego ciężarka, który umożliwia dla obręczy aluminiowych automatyczne podzielenie masy zewnętrznego ciężarka na dwie równoważne, ukryte za szprychami.
Stacjonarne wyważarki komputerowe charakteryzują się między innymi:
- możliwością pomiaru i wyświetlania parametrów niewyrównoważenia jednocześnie dla obu płaszczyzn koła (wewnętrznej i zewnętrznej);
- pokazywaniem na ekranie monitora (tablicy) lokalizacji niewyrównoważenia za pomocą diod świetlnych lub przez zmianę barwy wskaźnika niewyrównoważenia;
- wysoką dokładnością pomiaru niewyrównoważenia regulowaną dwustopniowo lub trzystopniowo (do 1 g - wyrównoważenie dokładne, do 5 g - średnio dokładne, do 10 g - zgrubne) i dokładnością wskazań miejsca niewyrównoważenia dochodzącą do 1,50;
- niską prędkością obrotową wału wyważarki, co dało w efekcie skrócenie czasu rozpędzania koła, czasu pomiaru (do 3 s) i czasu wyhamowania oraz zwiększenie trwałości wyważarki;
- możliwością zatrzymania koła po wyhamowaniu w takim położeniu, aby miejsce niewyrównoważenia znalazło się u góry (automatyczny hamulec wału);
- możliwością wyrównoważania kół z tarczami ze stopów lekkich i różnym systemie mocowania ciężarków;
- zastosowaniem ręcznego napędu wału (w niektórych odmianach wyważarek); w wyważarkach z napędem ręcznym nie instaluje się osłony koła (nie potrzeba jej zamykać i otwierać); wyróżniają się także mniejszą masą i wymiarami.



Rys. 4. Sposób wykonania optymalizacji dynamicznej kompletnego koła: 1 – zawór do pompowania, 2 – znak kredą na oponie, 3 – znak niewyrównoważenia obręczy, 4 – znak niewyrównoważenia opony.

Najbardziej nowoczesne wyważarki komputerowe umożliwiają dodatkowo następujące funkcje:
1. Wykonanie programu kalibracji
Kalibracja jest procesem pomiarowym realizowanym dla upewnienia się, że wskazania wyważarki są prawidłowe. Każda wyważarka podlega kalibracji bezpośrednio po zainstalowaniu na stanowisku, a następnie w pewnych odstępach czasu. W celu wykonania kalibracji na wał wyważarki należy założyć koło wzorcowo wyważone lub normalne koło z ciężarkiem o wzorcowej masie. Najczęściej kalibracja może być wykonana samodzielnie przez użytkownika urządzenia. W niektórych typach wyważarek kalibracja musi być wykonana przez doświadczonego pracownika, który do tego celu wykorzystuje zewnętrzny komputer klasy PC i dyskietkę producenta z odpowiednim oprogramowaniem. Nowe rozwiązania wyważarek komputerowych wyposażone są w systemy samokalibracji, używane w każdym przypadku, gdy zachodzi podejrzenie, że wskazania urządzenia są nieprawidłowe. Znane są rozwiązania konstrukcyjne wyważarek, które umożliwiają także kalibrację uchwytu mocującego i nastawnika wymiarów koła.
2. Realizację programu optymalizacji
Optymalizacja może być przeprowadzona metodami dynamicznymi lub statycznymi (np. firmy niemieckie i polskie powszechnie stosują optymalizację dynamiczną, a większość wytwórców włoskich – optymalizację statyczną). Optymalizację należy traktować jako czynność wstępną przed wyrównoważeniem koła ciężarkami. Optymalizacja dynamiczna (wagowa) sprowadza się do takiego przesunięcia opony na obwodzie obręczy, aby niewyrównoważenia występujące w tych elementach rekompensowały się wzajemnie. Program optymalizacji dynamicznej realizowany jest w przypadku, gdy niewyrównoważenie badanego koła przekracza 30 g. Znane są dwie wersje programu optymalizacji dynamicznej.

Pierwsza wersja dotyczy kompletnego koła i wymaga wykonania następujących czynności (rys. 4):
- po pierwszym pomiarze niewyrównoważenia należy nanieść znak kredą na oponie (a) i przesunąć oponę na obręczy o 1800 (b),
- powtórzyć pomiar i oznaczyć kredą miejsca niewyrównoważenia obręczy i opony wskazane przez wyważarkę (c), a następnie obrócić oponę na obręczy do “zgrania” znaków (d),
- przeprowadzić właściwe wyrównoważenia dynamiczne.

Druga wersja programu optymalizacji dynamicznej sprowadza się do:
- zdjęcia opony z obręczy i sprawdzenia wyrównoważenia samej obręczy (jeżeli wynik pomiaru nie przekracza 10 g, to wykonanie optymalizacji jest nieopłacalne),
- wyrównoważenia obręczy koła z dowolnie założoną oponą,
- korekcji położenia opony względem obręczy,
- przeprowadzenia właściwego wyrównoważenia dynamicznego.



Rys. 5. Wyważarka z czujnikiem do określania bicia promieniowego koła (opony i obręczy) realizująca program minimalizacji (źródło: Cemb).

Można spotkać wyważarki wykonujące obie wersje programu optymalizacji dynamicznej. Wyniki pomiarów otrzymywane podczas realizacji procesu optymalizacji pokazywane są na monitorze lub wyświetlaczu. W celu odróżnienia od wyników pomiarów uzyskiwanych podczas tradycyjnego wyrównoważania, są one oznaczane w odmienny sposób. Niektóre rozwiązania konstrukcyjne wyważarek wykonują jeszcze inny rodzaj optymalizacji, nazywany optymalizacją statyczną. Polega ona na zminimalizowaniu szczątkowego niewyrównoważenia statycznego. Wyważarka po wykonaniu programu optymalizacji statycznej wskazuje automatycznie optymalną wielkość ciężarków do założenia zależnie od ich lokalizacji, po lewej lub prawej stronie koła. Efektem optymalizacji dynamicznej i statycznej jest korzystne zamontowanie opony na obręczy i zmniejszenie wielkości ciężarków użytych do wyrównoważenia koła.

3. Realizację programu minimalizacji
Program minimalizacji umożliwia pomiar bicia promieniowego obręczy i opony oraz takie wzajemne ułożenie tych elementów, aby zminimalizować bicie promieniowe. Wyważarka jest wyposażona w czujnik do określania bicia promieniowego koła (rys.5). Najpierw mierzone jest bicie obręczy, potem bicie opony. Następnie odczytuje się kąt o jaki należy przesunąć oponę względem obręczy, aby zminimalizować wzajemne bicie promieniowe tych elementów. Po wykonaniu tej czynności sprawdza się poprawność zamontowania opony. Proces minimalizacji powinien być wykonany przede wszystkim dla kół nowych (na początku ich eksploatacji) oraz po każdej naprawie lub zmianie wzajemnego położenia elementów.

4. Wykonanie programu optymalizacji spokojnego biegu
Niektóre firmy (np. Hofmann, Hunter) stosują w swoich wyważarkach optymalizację spokojnego biegu, pozwalającą usunąć ewentualne wibracje wyrównoważonego koła, wynikające z wady kształtu i nierównomiernej sprężystości opony. Ten rodzaj optymalizacji jest szczególnie przydatny podczas wyrównoważania kół z tarczami ze stopów lekkich. Metoda opatentowana przez firmę Hofmann zakłada, że twarde miejsce opony jest najczęściej również miejscem ciężkim oraz że wadę kształtu tarczy koła można skompensować twardością opony. Podczas realizacji programu optymalizacji wyważarka w kilku cyklach pomiarowych (rys. 6) tak ustawia oponę względem tarczy, że najwyższe miejsce zowalizowanej tarczy znajdzie się przy miękkim miejscu opony. Podczas jazdy, gdy najwyższe miejsce tarczy koła znajdzie się od strony jezdni, to koło ugnie się na miękkim miejscu opony, kompensując w ten sposób bicie promieniowe. Taki rodzaj optymalizacji spokojnego biegu można nazwać optymalizacją za pomocą pomiaru niewyrównoważenia. Po jej wykonaniu należy przeprowadzić właściwe wyrównoważenie dynamiczne koła. Wyżej opisany program optymalizacji spokojnego biegu może wykonać między innymi wyważarka Geodyna 6800p firmy Hofmann.



Rys. 6. Program optymalizacji spokojnego biegu (według firmy Hofmann): a – pomiar niewyrównoważenia tarczy koła bez opony, b – pomiar niewyrównoważenia tarczy koła z zamontowaną oponą, c – pomiar niewyrównoważenia tarczy koła z oponą przesuniętą o 1800, d – zamontowanie opony na tarczy koła zgodnie ze wskazaniem wyważarki.

Firma Hunter w niektórych wyważarkach zastosowała specjalny program, który pozwala usunąć ewentualne wibracje wyważonego koła, spowodowane wadą kształtu lub nierównomierną sprężystością opony. Wyważarki wyposażono w dodatkową rolkę oraz funkcję testu drogowego. Dociskana rolka tocząc się po oponie pozwala ocenić zmiany wartości siły promieniowej, wywołane nierównomierną sprężystością opony i błędem jej kształtu (biciem opony). Dodatkowe czujniki umożliwiają rejestrację bicia promieniowego i osiowego obu stron obręczy. Po badaniu obsługujący na ekranie monitora otrzymuje informację, w jaki sposób należy obrócić oponę względem obręczy, aby zminimalizować wielkość siły promieniowej. Stacjonarne wyważarki komputerowe są produkowane przez takie firmy, jak: Beissbarth, Cemb, Corghi, Haweka, Hofmann, Schenck, Space, Uni–Trol i inne. W kolejnej części artykułu zostanie przedstawiony ogólny opis wyważarek komputerowych Troll firmy Uni-Trol, wyważarek z funkcją testu drogowego firmy Hunter oraz wybranych wyważarek wytwarzanych przez firmy Hofmann (Geodyna 6800p/Geodyna Optima) i Haweka (Balco).

dr inż. Kazimierz Sitek