Parametry diagnostyczne układu zawieszenia można pogrupować w następujący sposób: wymiary geometryczne i luzy, 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 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 stanie technicznym amortyzatorów. 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 obsługi pojazdów bada się amortyzatory zamontowane w samochodzie. Dokonuje się tego wywołując drgania swobodne lub wymuszone nadwozia pojazdu na zawieszeniu. Przykładowe zestawienie parametrów diagnostycznych układu zawieszenia (z metalowymi elementami sprężystymi) samochodu dostawczego przedstawiono w tabeli 1. Niżej przedstawiono parametry diagnostyczne i kryteria oceny stanu zawieszenia, które obowiązują w stosowanych metodach badawczych tego układu: metodzie drgań swobodnych i metodzie drgań wymuszonych (test Boge oraz test Eusama).
1. 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 jest liczba oraz amplituda drgań.
Z wykresu przemieszczeń A drgań swobodnych nadwozia w funkcji czasu t (rys. 2) można wyznaczyć średnie tłumienie, jako stosunek drugiej do pierwszej zaobserwowanej amplitudy drgań:
Z1
r =
Z0
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 między sobą więcej niż o 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 pogarsza 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 zaworu przelewowego i zaworu odciążającego nieznacznie zmieniają charakterystyki amortyzatorów.
2. 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.
2.1. 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).
Ocena 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 trakcie badania. 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.
2.2. Kryteria oceny stanu technicznego
Określenia stanu technicznego amortyzatora badanego metodą drgań wymuszonych (test Boge) dokonuje się na podstawie wartości następujących parametrów.
1. Podwójnej wartości amplitudy drgań (największej różnicy przemieszczeń) Amax (patrz rys. 3):
Amax < Agr - amortyzator zdatny,
Amax ≥ Agr - amortyzator niezdatny.
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 producenta urządzenia kontrolnego. Jeżeli zmierzona podwójna wartość amplitudy jest mniejsza od wartości granicznej, amortyzator uznaje się za zdatny. Jeżeli zmierzona wartość Amax w rezonansie jest równa lub większa od wartości granicznej należy uznać, że skuteczność tłumienia drgań przez amortyzator jest niewystarczająca i amortyzator powinien zostać wymieniony na nowy.
2. Różnicy wartości podwójnej amplitudy drgań DAmax amortyzatorów jednej osi:
DAmax = Amax1 – Amax2 < 15 % - amortyzatory zdatne (jednej osi),
DAmax = Amax1 – Amax2 ≥ 15 % - amortyzatory niezdatne (jednej osi).
W celu wyeliminowania przypadków współpracy na jednej osi amortyzatorów o bardzo zróżnicowanych charakterystykach uwzględnia się dodatkowy parametr diagnostyczny DAmax, 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 niekiedy 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 należy 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. Do innych czynników zakłócających zalicza się: 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. 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 diagnostycznych) i wykreślnej wyników pomiaru zawieszenia pojazdu na urządzeniu SA 2/FWT 1 firmy Maha (badanie metodą Boge).
3. 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 Europejskie Stowarzyszenie Producentów Amortyzatorów (EUSAMA).
3.1. Wskaźnik Eusama
Europejskie Stowarzyszenie Producentów Amortyzatorów opracowało metodę oceny efektywności tłumienia zawieszenia (amortyzatorów). Zasada pomiaru polega na procentowym określeniu siły przylegania koła do podłoża (płyty stanowiska). Skuteczności tłumienia zawieszenia określa wartość tzw. wskaźnika (liczby) Eusama.
Wskaźnik Eusama jest to parametr określający stopień przylegania koła samochodu do podłoża podczas jego drgań, który oblicza się z zależności:
NDmin
E = × 100 [%]
Nst
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 Eusama 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. Względną różnicę wartości wskaźników Eusama oblicza się z zależności:
EL – EP
DW = × 100 [%] jeżeli EL > EP
EL
EP – EL
DW = × 100 [%] jeżeli EP > EL
EP
gdzie:
DW – względna różnica wartości wskaźników Eusama (różnica stopni przylegania kół do podłoża) [%],
EL – wskaźnik Eusama koła lewego tej samej osi [%],
EP – wskaźnik Eusama koła prawego tej samej osi [%].
Bezwzględną różnicę wartości wskaźników Eusama oblicza się z zależności:
Db = EL – EP [%] jeżeli EL > EP
Db = EP – EL [%] jeżeli EP > EL
gdzie:
Db – bezwzględna różnica wartości wskaźników Eusama (różnica stopni przylegania kół do podłoża) [%],
EL – wskaźnik Eusama koła lewego tej samej osi [%],
EP – wskaźnik Eusama koła prawego tej samej osi [%].
Na rys. 6 i rys. 7 pokazano przykłady prezentacji liczbowej i graficznej wyników pomiaru zawieszenia osi przedniej i tylnej samochodu 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 i wyznaczenie minimalnej skuteczności tłumienia.
Ta koncepcja pomiaru 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.
3.2. Kryteria oceny stanu technicznego
Kryterium oceny stanu układu zawieszenia (amortyzatorów) ustalone przez Europejskie Stowarzyszenie Producentów Amortyzatorów 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 strony lewej i strony 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. rozporządzeniu ministra infrastruktury w sprawie zakresu i sposobu przeprowadzania badań technicznych pojazdów oraz wzorów dokumentów stosowanych przy tych badaniach.
Zgodnie z wymaganiami prawnymi 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
Komentarze (1)