– urządzenia diagnostyczne (2). Urządzenia przeznaczone do badania układu zawieszenia metodą drgań swobodnych opisano w poprzedniej części artykułu. Obecnie zostaną przedstawione urządzenia do kontroli zawieszenia (amortyzatorów) metodą drgań wymuszonych, które działają na podstawie analizy drgań w funkcji czasu (np. Shocktester) lub analizy nacisku koła na płytę stanowiska (TUZ-1, UKA-3,5E i inne). Ta grupa urządzeń diagnostycznych jest powszechnie stosowana w stacjach kontroli pojazdów i stacjach obsługi samochodów.
Badanie zawieszenia (przede wszystkim amortyzatora) ma następujący przebieg. Pojazd wjeżdża kołami badanymi na płyty najazdowe i jest unieruchamiany za pomocą hamulca ręcznego. Każdy amortyzator jest badany oddzielnie. Po włączeniu silnika elektrycznego układ napędowy danej płyty wymusza drgania nieresorowanych mas badanego koła (koło, element sprężysty zawieszenia, amortyzator). Po wyłączeniu napędu występuje rezonans drgań płyty stanowiska i zawieszenia samochodu oraz następuje wytłumienie drgań. Istota pomiaru polega na wykorzystaniu zjawiska, że podczas rezonansu amplituda drgań zależy od współczynnika tłumienia. W związku z tym, jednocześnie z wyłączeniem silnika elektrycznego, jest włączane urządzenie rejestrujące amplitudę drgań w funkcji czasu (za pomocą mechanicznego pisaka na obrotowej tarczy – w starszych wersjach urządzenia). Po porównaniu otrzymanych wykresów z charakterystykami wzorcowymi dla badanego pojazdu można określić stan techniczny amortyzatora.
Nowsze odmiany tego urządzenia, na przykład Shocktester 2000 (wykres 1), Shocktester 3000 oraz Shocktester 300 AFD (fot. 1), wykorzystują obecny poziom techniki komputerowej. Budowa układu napędowego tych stanowisk jest podobna do zastosowanej w pierwszych wersjach urządzenia. Drgania zostają zarejestrowane przez czujnik ultradźwiękowy umieszczony pod ramieniem (wahaczem), przetworzone elektronicznie i przedstawione na ekranie monitora lub wskaźniku LCD, a następnie porównane z wartościami granicznymi, które zostały wprowadzone do pamięci mikroprocesora. Zasilanie i sterowanie urządzeniem realizowane jest z pulpitu sterowniczego, na którym zamontowano urządzenia do wprowadzania danych, wskaźnik LCD oraz drukarkę. Wynik badania jest podawany w formie wydruku (wykres 2) na wielobarwnej papierowej taśmie, dla każdego amortyzatora oddzielnie. Na podstawie uzyskanego wykresu można ocenić czy maksymalna amplituda drgań znajduje się w strefie bezpiecznej (kolor zielony), czy też wchodzi w strefę ryzyka (kolor żółty) lub jest w strefie niebezpiecznej (kolor czerwony). W przypadku wyposażenia stanowiska w monitor na ekranie wyświetlany jest nie przebieg drgań w funkcji czasu, lecz obwiednia przebiegu, to jest linia łącząca szczytowe wartości przemieszczeń. Udokumentowanie wyników pomiaru w formie liczbowej lub na wykresie jest wykonywane na standardowej drukarce. Podstawowe dane techniczne stanowiska do badania układu zawieszenia Shocktester 3000 firmy Boge przedstawiono w tabeli 1. Urządzenie Shocktester 3000 firmy Boge (odmiana z zespołami wibracyjnymi wbudowanymi w posadzkę stanowiska i monitorem) składa się z:
- dwóch zespołów wibracyjnych,
- jednostki sterującej (pulpitu sterowniczego).
W skład zespołu wibracyjnego wchodzą: płyta najazdowa z pokrywą, rama, układ wymuszający drgania oraz czujniki przemieszczenia. Układ wymuszający drgania składa się z silnika elektrycznego, koła zamachowego i mimośrodu. Napęd na płytę najazdową przekazywany jest za pomocą układu dźwigniowego ze sprężyną. Płyty najazdowe są mocowane do zespołów wibracyjnych. Do pomiaru przemieszczenia płyty najazdowej wykorzystywane są czujniki indukcyjne współpracujące z odpowiednim układem elektronicznym. Jednostka sterująca obejmuje: pulpit sterowniczy, komputer PC, monitor kolorowy i drukarkę. Zasilanie i sterowanie urządzeniem następuje z pulpitu sterowniczego. Wyniki pomiarów przedstawiane są na ekranie monitora. Drukarka zapewnia otrzymanie protokołu z badań. Działanie urządzenia polega na wymuszeniu drgań zawieszenia pojazdu. Po ustawieniu pojazdu kołami jednej osi na płytach najazdowych uruchamia się układ wymuszający drgania. Za pomocą układu dźwigniowego i sprężyny pojazd zostaje pobudzony do drgań o częstotliwości około 15 Hz. Po wyłączeniu napędu drgania w układzie zawieszenia gasną przechodząc przez rezonansowy obszar częstotliwości. Wówczas amplituda drgań osiąga maksymalną wartość. Czujnik indukcyjny mierzy pośrednio przemieszczenie płyty najazdowej. Wyniki badań rejestrowane są w funkcji czasu.
Przebieg kontroli skuteczności tłumienia zawieszenia samochodu 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 dla danego pojazdu.
Urządzenia do badania układu zawieszenia metodą drgań wymuszonych według testu Boge wytwarzają również inni producenci sprzętu diagnostycznego. Na fot. 2 pokazano przykładowo urządzenie SA 2/FWT 1 firmy Maha. Stanowisko jest przystosowane do zainstalowania wagi. Jest wykonywane w dwóch wersjach: jako element składowy linii diagnostycznej (wyniki pomiarów przedstawiane są na ekranie monitora centralnej jednostki sterującej) lub jako urządzenie samodzielne z kolumną sterowniczą i wyświetlaczami. Urządzenia do badania zawieszenia metodą drgań wymuszonych, działające według testu Boge, oferowane są między innymi przez takich wytwórców, jak: AHS (Screenswing), Maha (SA 2/FWT 1), Boge/Sachs (Shocktester).
2. Urządzenia działające na podstawie analizy nacisku koła na płytę stanowiska (typu Eusama)
Urządzenia analizujące nacisk koła na płytę pomiarową występują najczęściej jako testery wibracyjne o stałej amplitudzie drgań. Pomiar wykonuje się oddzielnie dla każdego koła i związanego z nim zawieszenia. W trakcie badania określany jest stosunek minimalnego nacisku dynamicznego do nacisku statycznego koła (tzw. wskaźnik Eusama). Przed rozpoczęciem badania należy najechać kołami jezdnymi na nieruchome płyty najazdowe urządzenia. Następnie wykonuje się pomiar statycznej siły nacisku koła na płytę. W tym przypadku wartość wskaźnika Eusama wynosi 100%. Po uruchomieniu układu napędowego stanowisko wymusza drgania o stałej amplitudzie i częstotliwości początkowej około 24 Hz. Po rozłączeniu napędu płyta najazdowa drga nadal z malejącą częstotliwością. Dla częstotliwości drgań około 16 Hz mierzy się minimalną siłę nacisku dynamicznego koła na płytę. Jeżeli podczas badania (przy tej częstotliwości) nastąpi oderwanie koła jezdnego od płyty, to wartość wskaźnika Eusama będzie wynosić 0%. Do oceny stanu układu zawieszenia (przede wszystkim amortyzatorów) wystarcza odniesienie wyników pomiaru do wymagań ustalonych przez stowarzyszenie EUSAMA. Wymagania są sformułowane na tyle ogólnie, że nie jest konieczna znajomość wartości granicznych dla poszczególnych marek i modeli pojazdów.
Ocena stanu układu zawieszenia obejmuje następujące etapy:
- pomiar statycznej siły nacisku koła na płytę najazdową,
- pobudzenie układu do drgań,
- wyłączenie napędu,
- pomiar minimalnej siły nacisku koła na płytę,
- wyznaczenie wartości wskaźnika Eusama.
W tabeli 2 przykładowo przedstawiono podstawowe dane techniczne urządzenia TUZ-1 do badania układu zawieszenia metodą drgań wymuszonych (według testu Eusama), wytwarzanego przez firmę Unimetal.
Urządzenie TUZ-1 firmy Unimetal jest zbudowane z dwóch oddzielnych zespołów wibracyjnych i jednostki sterującej (szafy sterowniczej). W skład zespołu wibracyjnego (wykres 3) wchodzą niżej wymienione elementy:
- pokrywa z płytą najazdową,
- rama ruchoma (wahliwa) i rama nośna,
- układ wymuszający drgania (silnik elektryczny, koło zamachowe i wał główny),
- czujniki tensometryczne.
Podstawowym elementem zespołu wibracyjnego jest rama ruchoma, oparta na mimośrodowo osadzonych na wale głównym łożyskach. Ruch ramy ograniczony jest czterema sprężynami naciągowymi. Na ramie umieszczone są dwa czujniki tensometryczne. Do czynnych końców czujników zamocowana jest płyta najazdowa. Napęd z silnika elektrycznego przekazywany jest przez sprzęgło skrętne na wał główny. Silnik oraz obsady łożysk zamontowane są na ramie nośnej wykonanej z profili zamkniętych. Całość konstrukcji osadzona jest bezpośrednio w skrzyni fundamentowej i przykryta pokrywą.
W skład jednostki sterującej (szafy sterowniczej) wchodzą takie elementy, jak (fot. 3):
- komputer PC z odpowiednim oprogramowaniem,
- elementy sterujące,
- monitor kolorowy 19” (21”),
- drukarka atramentowa,
- pilot zdalnego sterowania.
W obudowie komputera zamontowany jest odbiornik radiowy zdalnego sterowania.
Stanowisko umożliwia określenie skuteczności tłumienia zawieszenia samochodu według metody Eusama. Działanie urządzenia polega na wymuszeniu drgań badanego koła od częstotliwości 0 Hz do częstotliwości minimum 24 Hz ze stałą amplitudą 6 mm, a następnie swobodnym tłumieniu tych drgań, podczas którego mierzy się nacisk dynamiczny koła w celu określenia stopnia przylegania koła jezdnego do podłoża za pomocą wskaźnika Eusama. Do pomiaru siły nacisku koła jezdnego na płytę wykorzystano czujniki tensometryczne i odpowiedni układ elektroniczny. Najazd koła pojazdu na powierzchnię płyty najazdowej wywołuje w czujnikach określony stan naprężeń, proporcjonalny do napięcia w układzie mostków tensometrycznych. Sygnał elektryczny z poszczególnych czujników przekazywany jest do karty przetworników A/C. Pomiar wykonywany jest oddzielnie dla każdego koła.
Ogólne zasady przeprowadzenia pomiaru są następujące:
- wyregulować ciśnienie powietrza w ogumieniu do nominalnego; ciśnienie w oponach wpływa na przyczepność kół do płyt najazdowych i tym samym na wynik pomiaru; samochód podczas badania nie powinien być obciążony (może znajdować się w nim kierowca);
- wjechać przednimi kołami na płyty najazdowe, które zostaną automatycznie włączone i wprawione w drgania o odpowiedniej częstotliwości i skoku; płyty po wymuszeniu drgań kół są automatycznie wyłączane;
- odczytać na ekranie kolorowego monitora wynik badania zawieszenia kół przednich dla strony lewej i prawej; wynik jest również zapisywany przez drukarkę i udostępniany w formie protokołu z badań;
- wykonać pomiar dla zawieszenia kół tylnych.
Na podstawie zmierzonych wartości sił nacisku wyznaczana jest skuteczność tłumienia zawieszenia – tzw. wskaźnik (liczba) Eusama, który jest parametrem określającym stopień przylegania koła do podłoża. Wskaźnik Eusama jest stosunkiem minimalnej siły dynamicznej do siły statycznej obciążającej płytę najazdową. Jest to wartość bezwymiarowa niezależna od marki i modelu pojazdu. Wyniki uzyskane podczas badania układu zawieszenia umożliwiają ogólną ocenę jego stanu, a przede wszystkim stanu podstawowych elementów tłumiących tego układu – amortyzatorów. Stanowiska do badania układu zawieszenia, wytwarzane przez firmę Unimetal, mogą funkcjonować samodzielnie (TUZ-1) lub stanowić element składowy linii diagnostycznej osobowej lub uniwersalnej (TUZ-1/L). Konstrukcja urządzeń do badania układu zawieszenia metodą Eusama jest podobna do budowy opisanych poprzednio urządzeń typu Boge, rejestrujących przebieg drgań w funkcji czasu. W obu rodzajach stanowisk występuje układ napędowy, płyty najazdowe pobudzane do drgań i odpowiedni układ pomiarowy. Różnice dotyczą sposobu i parametrów wymuszenia drgań. W stanowiskach typu Boge napęd na płytę przekazywany jest za pomocą układu dźwigniowego ze sprężyną. Natomiast w urządzeniach typu Eusama napęd przekazywany jest bezpośrednio z silnika elektrycznego na płytę najazdową. W urządzeniach badających zawieszenie metodą Boge do pomiaru przemieszczenia płyty stanowiska są najczęściej wykorzystywane czujniki indukcyjne współpracujące z odpowiednim układem elektronicznym. W urządzeniach typu Eusama układ pomiarowy stanowi najczęściej zginana belka z naklejonymi na niej czujnikami tensometrycznymi, które współpracują z odpowiednim układem elektronicznym.
Różnice dotyczące parametrów wymuszenia drgań są następujące: w urządzeniu typu Boge następuje wymuszenie drgań zawieszenia o częstotliwości początkowej około 15 Hz i skoku 9 mm, a w stanowiskach typu Eusama częstotliwość początkowa wynosi około 24 Hz przy skoku płyty 6 mm. Ocena stanu technicznego zawieszenia samochodu odbywa się po rozpędzeniu układu napędowego stanowiska do odpowiedniej prędkości obrotowej, następnie następuje jego odłączenie i rejestracja parametrów wynikających z zastosowanej metody: przemieszczenia płyty lub nacisku koła na płytę stanowiska. W najnowszych odmianach urządzeń do badania amortyzatorów wyniki pomiarów są przedstawione w postaci liczbowej i graficznej na kolorowym monitorze oraz istnieje możliwość ich wydrukowania w postaci protokołu z badań. Urządzenia do kontroli układu zawieszenia metodą drgań wymuszonych (wg testu Eusama) wytwarza obecnie wielu producentów sprzętu diagnostycznego. Na przykład w stanowisku do kontroli układu zawieszenia FWT 2010 firmy Cartec (fot. 4) zaprogramowano dwa rodzaje pracy:
- kontrola zawieszenia (amortyzatorów) w trybie pracy Eusama,
- kontrola i wykrywanie stuków w podwoziu i nadwoziu pojazdu (opcja).
Lokalizacja miejsca występowania stuków stała się możliwa dzięki zainstalowaniu generatora drgań, co zapewniło płynną regulację częstotliwości drgań. Kontrolę przeprowadza się przy otwartej pokrywie silnika i bagażnika. Taki sposób funkcjonowania stanowiska ułatwia wykrycie stuków w trudno dostępnych miejscach. Urządzenie zapewnia stopniowe wymuszanie drgań w zakresie częstotliwości od 3 do 29 Hz. Na podstawie doświadczenia niektórych producentów pojazdów przyjmuje się, że optymalny zakres częstotliwości do kontroli stuków wynosi od 10 do 20 Hz. Podczas tej próby pomiar nacisku koła następuje za pomocą dwóch dodatkowych czujników ciśnieniowych. Przykładowy ekran na monitorze jednostki sterującej po włączeniu trybu pracy umożliwiającego wykrywanie stuków pokazano na wyk. 4. Stanowisko do kontroli układu zawieszenia firmy Cartec dostępne jest w dwóch wersjach: jednolitej (kompaktowej) i dzielonej (do zabudowy na obrzeżach kanału przeglądowego). Urządzenia do badania zawieszenia metodą drgań wymuszonych w trybie pracy Eusama oferowane są przez takich producentów, jak na przykład: Beissbarth (TL 640), Bosch (SDL 261), Cartec (FWT 2010), Cemb (DCA3-S3), Fudim-Polmo (UKA-3,5E), Hofmann (Contactest 2100), Maha (SSA 3000), Nussbaum (NTS 520), Saxon (FPS 2000), Unimetal (TUZ-1, TUZ-1/L).
3. Urządzenia o zmiennej częstotliwości drgań wymuszających (typu Eusama plus)
Najbardziej zaawansowanymi technicznie urządzeniami do badania zawieszenia metodą drgań wymuszonych są stanowiska płytowe o zmiennej częstotliwości drgań. Przykładem takiego stanowiska jest Micro-SAT 6600 firmy Beissbarth (fot. 5). Jeżeli ustawiony na płytach najazdowych stanowiska samochód zostanie wprawiony w drgania o częstotliwości zmieniającej się w dość szerokim zakresie, wystąpią charakterystyczne miejsca rezonansu (wykres 5). Odpowiadające im częstotliwości 1÷3 Hz oraz 8÷18 Hz dają się identyfikować z drganiami własnymi głównych elementów konstrukcji samochodu (mas resorowanych i nieresorowanych). Z punktu widzenia diagnozowania amortyzatorów, szczególnie interesujące są częstotliwości wywołujące rezonans masy nieresorowanej. Znaczna różnica między tymi częstotliwościami pozwala traktować towarzyszące im drgania rezonansowe jako w znacznym stopniu od siebie niezależne. Analiza drugiego obszaru rezonansowego (związanego z masami nieresorowanymi) pozwala na określenie wartości współczynnika tłumienia (x) zawieszenia, zależnego w znacznym stopniu od stanu amortyzatora. W urządzeniu do badania amortyzatorów Micro-SAT 6600 występują dwa etapy pomiaru: faza wstępna i pomiar współczynnika tłumienia.
Faza wstępna (rozgrzewania amortyzatora)
Uzyskanie właściwej lepkości oleju w amortyzatorze ma istotny wpływ na ocenę jego zdatności. Faza wstępna przebiega przy niskiej częstotliwości drgań i trwa około 10 sekund. W tej fazie oceniany jest również wpływ stałej sprężystości ogumienia (k) na charakterystykę zawieszenia. Na podstawie kontaktu opony z płytą stanowiska urządzenie określa ciśnienie w ogumieniu. Jeżeli odchyłka ciśnienia powietrza od wartości nominalnej przekracza 0,05 MPa, to następuje przerwanie procesu pomiarowego, co jest sygnalizowane odpowiednim komunikatem. Obliczona stała sprężystości ogumienia jest uwzględniana w dalszej części procesu pomiarowego.
Pomiar współczynnika tłumienia
Po zakończeniu fazy wstępnej urządzenie Micro-SAT 6600 rozpoczyna właściwy proces pomiarowy. Sygnał z komputera uruchamia napęd płyt najazdowych stanowiska. Pomiar rozpoczyna się od częstotliwości 30 Hz. Częstotliwość drgań płyt jest stopniowo zmniejszana przez przetworniki (co 1 Hz). Jednocześnie na czas niezbędny do pomiaru przetworniki stabilizują każdą zmienioną częstotliwość. Najbardziej dokładnie analizowany jest przedział częstotliwości odpowiadający rezonansowi masy nieresorowanej. W przetwornikach zastosowano dwa czujniki optoelektroniczne, z których jeden rejestruje pozycję płyt najazdowych, a drugi prędkość obrotową silnika elektrycznego stanowiska. Dla każdego zakresu częstotliwości mierzone są siły nacisku na płytę stanowiska zarówno podczas ściskania, jak i rozciągania amortyzatora. Pozwala to ocenić wielkość masy resorowanej (mr) i masy nieresorowanej (mn). Następnie urządzenie określa stosunek tych mas (a):
Oszacowanie stanu zawieszenia, zależnego w znacznym stopniu od funkcjonowania amortyzatora, następuje na podstawie wartości obliczonego współczynnika tłumienia zawieszenia (x):
Po wyliczeniu obu parametrów i ustaleniu relacji między nimi następuje wykreślenie zależności współczynnika tłumienia (x) w funkcji stosunku (a) masy resorowanej do masy nieresorowanej (wykres 6), opisującej stan zawieszenia zarówno podczas ściskania, jak i rozciągania amortyzatora (niezależnie od typu pojazdu). Ostatnim etapem pomiaru jest ocena uzyskanych wyników. Na podstawie otrzymanego wykresu można ocenić, czy wartość współczynnika tłumienia znajduje się w strefie:
- zielonej (powyżej 80%) - stan zawieszenia dobry,
- żółtej (50% ÷ 80%) - średni,
- czerwonej (poniżej 50%) - zły.
Przebieg pomiaru i prezentacja wyników są bardzo czytelne i przejrzyste dla użytkownika. Wprowadzenie fazy rozgrzewania amortyzatorów wpływa korzystnie na dokładność pomiarów. Precyzyjnie zmieniana częstotliwość drgań płyty stanowiska i uwzględnienie stałej sprężystości ogumienia świadczą o nowoczesności tego sposobu oceny stanu układu zawieszenia (amortyzatorów).
4. Urządzenia wykorzystujące metodę Eusama z analizą fazową
Dalsze zmiany w metodzie Eusama zastosowała amerykańska firma Hunter. Wprowadzono pomiar kąta przesunięcia fazowego pomiędzy sinusoidalnymi sygnałami przemieszczenia masy resorowanej (płyty najazdowej) i przemieszczenia masy nieresorowanej (siły nacisku koła na płytę) – wykres 7. Wartość kąta przesunięcia fazowego φ jest parametrem charakteryzującym wielkość tłumienia. Przemieszczenie masy nieresorowanej jest proporcjonalne do siły nacisku koła wywieranego na płytę najazdową. Dlatego osiąga wartość maksymalną, gdy kąt fazowy jest równy zero.
W zakresie częstotliwości rezonansowej masy resorowanej, gdy brak jest tłumienia w zawieszeniu, wartość kąta fazowego wynosi 180O pomiędzy maksymalnymi amplitudami przemieszczeń mas nieresorowanej i resorowanej. Kiedy zawieszenie pojazdu ma odpowiednią wartość tłumienia (po zastosowaniu właściwego amortyzatora), to minimalny kąt przesunięcia fazowego pomiędzy częstotliwościami rezonansowymi mas resorowanej i nieresorowanej uzyska wartość powyżej 90O.
dr inż. Kazimierz Sitek
1. Urządzenia działające na podstawie analizy drgań w funkcji czasu (typu Boge)
Przykładem urządzenia wykorzystującego metodę drgań wymuszonych badanego koła i elementów jego zawieszenia (w tym amortyzatora) oraz tłumienia tych drgań po usunięciu siły wymuszającej jest stanowisko Shocktester firmy Boge. Urządzenie zbudowane jest z płyt najazdowych, wprawianych w ruch przez układ wymuszający drgania składający się z silnika elektrycznego, koła zamachowego i mechanizmu mimośrodowego. Aby skompensować wpływ na wynik pomiaru sprężystości ogumienia i oporów ruchu urządzenia, w układzie zostały umieszczone sprężyny o odpowiedniej sztywności.
Badanie zawieszenia (przede wszystkim amortyzatora) ma następujący przebieg. Pojazd wjeżdża kołami badanymi na płyty najazdowe i jest unieruchamiany za pomocą hamulca ręcznego. Każdy amortyzator jest badany oddzielnie. Po włączeniu silnika elektrycznego układ napędowy danej płyty wymusza drgania nieresorowanych mas badanego koła (koło, element sprężysty zawieszenia, amortyzator). Po wyłączeniu napędu występuje rezonans drgań płyty stanowiska i zawieszenia samochodu oraz następuje wytłumienie drgań. Istota pomiaru polega na wykorzystaniu zjawiska, że podczas rezonansu amplituda drgań zależy od współczynnika tłumienia. W związku z tym, jednocześnie z wyłączeniem silnika elektrycznego, jest włączane urządzenie rejestrujące amplitudę drgań w funkcji czasu (za pomocą mechanicznego pisaka na obrotowej tarczy – w starszych wersjach urządzenia). Po porównaniu otrzymanych wykresów z charakterystykami wzorcowymi dla badanego pojazdu można określić stan techniczny amortyzatora.
Nowsze odmiany tego urządzenia, na przykład Shocktester 2000 (wykres 1), Shocktester 3000 oraz Shocktester 300 AFD (fot. 1), wykorzystują obecny poziom techniki komputerowej. Budowa układu napędowego tych stanowisk jest podobna do zastosowanej w pierwszych wersjach urządzenia. Drgania zostają zarejestrowane przez czujnik ultradźwiękowy umieszczony pod ramieniem (wahaczem), przetworzone elektronicznie i przedstawione na ekranie monitora lub wskaźniku LCD, a następnie porównane z wartościami granicznymi, które zostały wprowadzone do pamięci mikroprocesora. Zasilanie i sterowanie urządzeniem realizowane jest z pulpitu sterowniczego, na którym zamontowano urządzenia do wprowadzania danych, wskaźnik LCD oraz drukarkę. Wynik badania jest podawany w formie wydruku (wykres 2) na wielobarwnej papierowej taśmie, dla każdego amortyzatora oddzielnie. Na podstawie uzyskanego wykresu można ocenić czy maksymalna amplituda drgań znajduje się w strefie bezpiecznej (kolor zielony), czy też wchodzi w strefę ryzyka (kolor żółty) lub jest w strefie niebezpiecznej (kolor czerwony). W przypadku wyposażenia stanowiska w monitor na ekranie wyświetlany jest nie przebieg drgań w funkcji czasu, lecz obwiednia przebiegu, to jest linia łącząca szczytowe wartości przemieszczeń. Udokumentowanie wyników pomiaru w formie liczbowej lub na wykresie jest wykonywane na standardowej drukarce. Podstawowe dane techniczne stanowiska do badania układu zawieszenia Shocktester 3000 firmy Boge przedstawiono w tabeli 1. Urządzenie Shocktester 3000 firmy Boge (odmiana z zespołami wibracyjnymi wbudowanymi w posadzkę stanowiska i monitorem) składa się z:- dwóch zespołów wibracyjnych,
- jednostki sterującej (pulpitu sterowniczego).
W skład zespołu wibracyjnego wchodzą: płyta najazdowa z pokrywą, rama, układ wymuszający drgania oraz czujniki przemieszczenia. Układ wymuszający drgania składa się z silnika elektrycznego, koła zamachowego i mimośrodu. Napęd na płytę najazdową przekazywany jest za pomocą układu dźwigniowego ze sprężyną. Płyty najazdowe są mocowane do zespołów wibracyjnych. Do pomiaru przemieszczenia płyty najazdowej wykorzystywane są czujniki indukcyjne współpracujące z odpowiednim układem elektronicznym. Jednostka sterująca obejmuje: pulpit sterowniczy, komputer PC, monitor kolorowy i drukarkę. Zasilanie i sterowanie urządzeniem następuje z pulpitu sterowniczego. Wyniki pomiarów przedstawiane są na ekranie monitora. Drukarka zapewnia otrzymanie protokołu z badań. Działanie urządzenia polega na wymuszeniu drgań zawieszenia pojazdu. Po ustawieniu pojazdu kołami jednej osi na płytach najazdowych uruchamia się układ wymuszający drgania. Za pomocą układu dźwigniowego i sprężyny pojazd zostaje pobudzony do drgań o częstotliwości około 15 Hz. Po wyłączeniu napędu drgania w układzie zawieszenia gasną przechodząc przez rezonansowy obszar częstotliwości. Wówczas amplituda drgań osiąga maksymalną wartość. Czujnik indukcyjny mierzy pośrednio przemieszczenie płyty najazdowej. Wyniki badań rejestrowane są w funkcji czasu.
Przebieg kontroli skuteczności tłumienia zawieszenia samochodu 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 dla danego pojazdu.
Urządzenia do badania układu zawieszenia metodą drgań wymuszonych według testu Boge wytwarzają również inni producenci sprzętu diagnostycznego. Na fot. 2 pokazano przykładowo urządzenie SA 2/FWT 1 firmy Maha. Stanowisko jest przystosowane do zainstalowania wagi. Jest wykonywane w dwóch wersjach: jako element składowy linii diagnostycznej (wyniki pomiarów przedstawiane są na ekranie monitora centralnej jednostki sterującej) lub jako urządzenie samodzielne z kolumną sterowniczą i wyświetlaczami. Urządzenia do badania zawieszenia metodą drgań wymuszonych, działające według testu Boge, oferowane są między innymi przez takich wytwórców, jak: AHS (Screenswing), Maha (SA 2/FWT 1), Boge/Sachs (Shocktester).
2. Urządzenia działające na podstawie analizy nacisku koła na płytę stanowiska (typu Eusama)Urządzenia analizujące nacisk koła na płytę pomiarową występują najczęściej jako testery wibracyjne o stałej amplitudzie drgań. Pomiar wykonuje się oddzielnie dla każdego koła i związanego z nim zawieszenia. W trakcie badania określany jest stosunek minimalnego nacisku dynamicznego do nacisku statycznego koła (tzw. wskaźnik Eusama). Przed rozpoczęciem badania należy najechać kołami jezdnymi na nieruchome płyty najazdowe urządzenia. Następnie wykonuje się pomiar statycznej siły nacisku koła na płytę. W tym przypadku wartość wskaźnika Eusama wynosi 100%. Po uruchomieniu układu napędowego stanowisko wymusza drgania o stałej amplitudzie i częstotliwości początkowej około 24 Hz. Po rozłączeniu napędu płyta najazdowa drga nadal z malejącą częstotliwością. Dla częstotliwości drgań około 16 Hz mierzy się minimalną siłę nacisku dynamicznego koła na płytę. Jeżeli podczas badania (przy tej częstotliwości) nastąpi oderwanie koła jezdnego od płyty, to wartość wskaźnika Eusama będzie wynosić 0%. Do oceny stanu układu zawieszenia (przede wszystkim amortyzatorów) wystarcza odniesienie wyników pomiaru do wymagań ustalonych przez stowarzyszenie EUSAMA. Wymagania są sformułowane na tyle ogólnie, że nie jest konieczna znajomość wartości granicznych dla poszczególnych marek i modeli pojazdów.
Ocena stanu układu zawieszenia obejmuje następujące etapy:
- pomiar statycznej siły nacisku koła na płytę najazdową,
- pobudzenie układu do drgań,
- wyłączenie napędu,
- pomiar minimalnej siły nacisku koła na płytę,
- wyznaczenie wartości wskaźnika Eusama.
W tabeli 2 przykładowo przedstawiono podstawowe dane techniczne urządzenia TUZ-1 do badania układu zawieszenia metodą drgań wymuszonych (według testu Eusama), wytwarzanego przez firmę Unimetal.
Urządzenie TUZ-1 firmy Unimetal jest zbudowane z dwóch oddzielnych zespołów wibracyjnych i jednostki sterującej (szafy sterowniczej). W skład zespołu wibracyjnego (wykres 3) wchodzą niżej wymienione elementy:
- pokrywa z płytą najazdową,
- rama ruchoma (wahliwa) i rama nośna,
- układ wymuszający drgania (silnik elektryczny, koło zamachowe i wał główny),
- czujniki tensometryczne.
Podstawowym elementem zespołu wibracyjnego jest rama ruchoma, oparta na mimośrodowo osadzonych na wale głównym łożyskach. Ruch ramy ograniczony jest czterema sprężynami naciągowymi. Na ramie umieszczone są dwa czujniki tensometryczne. Do czynnych końców czujników zamocowana jest płyta najazdowa. Napęd z silnika elektrycznego przekazywany jest przez sprzęgło skrętne na wał główny. Silnik oraz obsady łożysk zamontowane są na ramie nośnej wykonanej z profili zamkniętych. Całość konstrukcji osadzona jest bezpośrednio w skrzyni fundamentowej i przykryta pokrywą.
W skład jednostki sterującej (szafy sterowniczej) wchodzą takie elementy, jak (fot. 3):
- komputer PC z odpowiednim oprogramowaniem,
- elementy sterujące,
- monitor kolorowy 19” (21”),
- drukarka atramentowa,
- pilot zdalnego sterowania.
W obudowie komputera zamontowany jest odbiornik radiowy zdalnego sterowania.
Stanowisko umożliwia określenie skuteczności tłumienia zawieszenia samochodu według metody Eusama. Działanie urządzenia polega na wymuszeniu drgań badanego koła od częstotliwości 0 Hz do częstotliwości minimum 24 Hz ze stałą amplitudą 6 mm, a następnie swobodnym tłumieniu tych drgań, podczas którego mierzy się nacisk dynamiczny koła w celu określenia stopnia przylegania koła jezdnego do podłoża za pomocą wskaźnika Eusama. Do pomiaru siły nacisku koła jezdnego na płytę wykorzystano czujniki tensometryczne i odpowiedni układ elektroniczny. Najazd koła pojazdu na powierzchnię płyty najazdowej wywołuje w czujnikach określony stan naprężeń, proporcjonalny do napięcia w układzie mostków tensometrycznych. Sygnał elektryczny z poszczególnych czujników przekazywany jest do karty przetworników A/C. Pomiar wykonywany jest oddzielnie dla każdego koła.
Ogólne zasady przeprowadzenia pomiaru są następujące:
- wyregulować ciśnienie powietrza w ogumieniu do nominalnego; ciśnienie w oponach wpływa na przyczepność kół do płyt najazdowych i tym samym na wynik pomiaru; samochód podczas badania nie powinien być obciążony (może znajdować się w nim kierowca);
- wjechać przednimi kołami na płyty najazdowe, które zostaną automatycznie włączone i wprawione w drgania o odpowiedniej częstotliwości i skoku; płyty po wymuszeniu drgań kół są automatycznie wyłączane;
- odczytać na ekranie kolorowego monitora wynik badania zawieszenia kół przednich dla strony lewej i prawej; wynik jest również zapisywany przez drukarkę i udostępniany w formie protokołu z badań;
- wykonać pomiar dla zawieszenia kół tylnych.
Na podstawie zmierzonych wartości sił nacisku wyznaczana jest skuteczność tłumienia zawieszenia – tzw. wskaźnik (liczba) Eusama, który jest parametrem określającym stopień przylegania koła do podłoża. Wskaźnik Eusama jest stosunkiem minimalnej siły dynamicznej do siły statycznej obciążającej płytę najazdową. Jest to wartość bezwymiarowa niezależna od marki i modelu pojazdu. Wyniki uzyskane podczas badania układu zawieszenia umożliwiają ogólną ocenę jego stanu, a przede wszystkim stanu podstawowych elementów tłumiących tego układu – amortyzatorów. Stanowiska do badania układu zawieszenia, wytwarzane przez firmę Unimetal, mogą funkcjonować samodzielnie (TUZ-1) lub stanowić element składowy linii diagnostycznej osobowej lub uniwersalnej (TUZ-1/L). Konstrukcja urządzeń do badania układu zawieszenia metodą Eusama jest podobna do budowy opisanych poprzednio urządzeń typu Boge, rejestrujących przebieg drgań w funkcji czasu. W obu rodzajach stanowisk występuje układ napędowy, płyty najazdowe pobudzane do drgań i odpowiedni układ pomiarowy. Różnice dotyczą sposobu i parametrów wymuszenia drgań. W stanowiskach typu Boge napęd na płytę przekazywany jest za pomocą układu dźwigniowego ze sprężyną. Natomiast w urządzeniach typu Eusama napęd przekazywany jest bezpośrednio z silnika elektrycznego na płytę najazdową. W urządzeniach badających zawieszenie metodą Boge do pomiaru przemieszczenia płyty stanowiska są najczęściej wykorzystywane czujniki indukcyjne współpracujące z odpowiednim układem elektronicznym. W urządzeniach typu Eusama układ pomiarowy stanowi najczęściej zginana belka z naklejonymi na niej czujnikami tensometrycznymi, które współpracują z odpowiednim układem elektronicznym.
Różnice dotyczące parametrów wymuszenia drgań są następujące: w urządzeniu typu Boge następuje wymuszenie drgań zawieszenia o częstotliwości początkowej około 15 Hz i skoku 9 mm, a w stanowiskach typu Eusama częstotliwość początkowa wynosi około 24 Hz przy skoku płyty 6 mm. Ocena stanu technicznego zawieszenia samochodu odbywa się po rozpędzeniu układu napędowego stanowiska do odpowiedniej prędkości obrotowej, następnie następuje jego odłączenie i rejestracja parametrów wynikających z zastosowanej metody: przemieszczenia płyty lub nacisku koła na płytę stanowiska. W najnowszych odmianach urządzeń do badania amortyzatorów wyniki pomiarów są przedstawione w postaci liczbowej i graficznej na kolorowym monitorze oraz istnieje możliwość ich wydrukowania w postaci protokołu z badań. Urządzenia do kontroli układu zawieszenia metodą drgań wymuszonych (wg testu Eusama) wytwarza obecnie wielu producentów sprzętu diagnostycznego. Na przykład w stanowisku do kontroli układu zawieszenia FWT 2010 firmy Cartec (fot. 4) zaprogramowano dwa rodzaje pracy:
- kontrola zawieszenia (amortyzatorów) w trybie pracy Eusama,
- kontrola i wykrywanie stuków w podwoziu i nadwoziu pojazdu (opcja).
Lokalizacja miejsca występowania stuków stała się możliwa dzięki zainstalowaniu generatora drgań, co zapewniło płynną regulację częstotliwości drgań. Kontrolę przeprowadza się przy otwartej pokrywie silnika i bagażnika. Taki sposób funkcjonowania stanowiska ułatwia wykrycie stuków w trudno dostępnych miejscach. Urządzenie zapewnia stopniowe wymuszanie drgań w zakresie częstotliwości od 3 do 29 Hz. Na podstawie doświadczenia niektórych producentów pojazdów przyjmuje się, że optymalny zakres częstotliwości do kontroli stuków wynosi od 10 do 20 Hz. Podczas tej próby pomiar nacisku koła następuje za pomocą dwóch dodatkowych czujników ciśnieniowych. Przykładowy ekran na monitorze jednostki sterującej po włączeniu trybu pracy umożliwiającego wykrywanie stuków pokazano na wyk. 4. Stanowisko do kontroli układu zawieszenia firmy Cartec dostępne jest w dwóch wersjach: jednolitej (kompaktowej) i dzielonej (do zabudowy na obrzeżach kanału przeglądowego). Urządzenia do badania zawieszenia metodą drgań wymuszonych w trybie pracy Eusama oferowane są przez takich producentów, jak na przykład: Beissbarth (TL 640), Bosch (SDL 261), Cartec (FWT 2010), Cemb (DCA3-S3), Fudim-Polmo (UKA-3,5E), Hofmann (Contactest 2100), Maha (SSA 3000), Nussbaum (NTS 520), Saxon (FPS 2000), Unimetal (TUZ-1, TUZ-1/L).
3. Urządzenia o zmiennej częstotliwości drgań wymuszających (typu Eusama plus)
Najbardziej zaawansowanymi technicznie urządzeniami do badania zawieszenia metodą drgań wymuszonych są stanowiska płytowe o zmiennej częstotliwości drgań. Przykładem takiego stanowiska jest Micro-SAT 6600 firmy Beissbarth (fot. 5). Jeżeli ustawiony na płytach najazdowych stanowiska samochód zostanie wprawiony w drgania o częstotliwości zmieniającej się w dość szerokim zakresie, wystąpią charakterystyczne miejsca rezonansu (wykres 5). Odpowiadające im częstotliwości 1÷3 Hz oraz 8÷18 Hz dają się identyfikować z drganiami własnymi głównych elementów konstrukcji samochodu (mas resorowanych i nieresorowanych). Z punktu widzenia diagnozowania amortyzatorów, szczególnie interesujące są częstotliwości wywołujące rezonans masy nieresorowanej. Znaczna różnica między tymi częstotliwościami pozwala traktować towarzyszące im drgania rezonansowe jako w znacznym stopniu od siebie niezależne. Analiza drugiego obszaru rezonansowego (związanego z masami nieresorowanymi) pozwala na określenie wartości współczynnika tłumienia (x) zawieszenia, zależnego w znacznym stopniu od stanu amortyzatora. W urządzeniu do badania amortyzatorów Micro-SAT 6600 występują dwa etapy pomiaru: faza wstępna i pomiar współczynnika tłumienia.
Faza wstępna (rozgrzewania amortyzatora)
Uzyskanie właściwej lepkości oleju w amortyzatorze ma istotny wpływ na ocenę jego zdatności. Faza wstępna przebiega przy niskiej częstotliwości drgań i trwa około 10 sekund. W tej fazie oceniany jest również wpływ stałej sprężystości ogumienia (k) na charakterystykę zawieszenia. Na podstawie kontaktu opony z płytą stanowiska urządzenie określa ciśnienie w ogumieniu. Jeżeli odchyłka ciśnienia powietrza od wartości nominalnej przekracza 0,05 MPa, to następuje przerwanie procesu pomiarowego, co jest sygnalizowane odpowiednim komunikatem. Obliczona stała sprężystości ogumienia jest uwzględniana w dalszej części procesu pomiarowego.
Pomiar współczynnika tłumienia
Po zakończeniu fazy wstępnej urządzenie Micro-SAT 6600 rozpoczyna właściwy proces pomiarowy. Sygnał z komputera uruchamia napęd płyt najazdowych stanowiska. Pomiar rozpoczyna się od częstotliwości 30 Hz. Częstotliwość drgań płyt jest stopniowo zmniejszana przez przetworniki (co 1 Hz). Jednocześnie na czas niezbędny do pomiaru przetworniki stabilizują każdą zmienioną częstotliwość. Najbardziej dokładnie analizowany jest przedział częstotliwości odpowiadający rezonansowi masy nieresorowanej. W przetwornikach zastosowano dwa czujniki optoelektroniczne, z których jeden rejestruje pozycję płyt najazdowych, a drugi prędkość obrotową silnika elektrycznego stanowiska. Dla każdego zakresu częstotliwości mierzone są siły nacisku na płytę stanowiska zarówno podczas ściskania, jak i rozciągania amortyzatora. Pozwala to ocenić wielkość masy resorowanej (mr) i masy nieresorowanej (mn). Następnie urządzenie określa stosunek tych mas (a):
Oszacowanie stanu zawieszenia, zależnego w znacznym stopniu od funkcjonowania amortyzatora, następuje na podstawie wartości obliczonego współczynnika tłumienia zawieszenia (x):
Po wyliczeniu obu parametrów i ustaleniu relacji między nimi następuje wykreślenie zależności współczynnika tłumienia (x) w funkcji stosunku (a) masy resorowanej do masy nieresorowanej (wykres 6), opisującej stan zawieszenia zarówno podczas ściskania, jak i rozciągania amortyzatora (niezależnie od typu pojazdu). Ostatnim etapem pomiaru jest ocena uzyskanych wyników. Na podstawie otrzymanego wykresu można ocenić, czy wartość współczynnika tłumienia znajduje się w strefie:
- zielonej (powyżej 80%) - stan zawieszenia dobry,
- żółtej (50% ÷ 80%) - średni,
- czerwonej (poniżej 50%) - zły.
Przebieg pomiaru i prezentacja wyników są bardzo czytelne i przejrzyste dla użytkownika. Wprowadzenie fazy rozgrzewania amortyzatorów wpływa korzystnie na dokładność pomiarów. Precyzyjnie zmieniana częstotliwość drgań płyty stanowiska i uwzględnienie stałej sprężystości ogumienia świadczą o nowoczesności tego sposobu oceny stanu układu zawieszenia (amortyzatorów).
4. Urządzenia wykorzystujące metodę Eusama z analizą fazową
Dalsze zmiany w metodzie Eusama zastosowała amerykańska firma Hunter. Wprowadzono pomiar kąta przesunięcia fazowego pomiędzy sinusoidalnymi sygnałami przemieszczenia masy resorowanej (płyty najazdowej) i przemieszczenia masy nieresorowanej (siły nacisku koła na płytę) – wykres 7. Wartość kąta przesunięcia fazowego φ jest parametrem charakteryzującym wielkość tłumienia. Przemieszczenie masy nieresorowanej jest proporcjonalne do siły nacisku koła wywieranego na płytę najazdową. Dlatego osiąga wartość maksymalną, gdy kąt fazowy jest równy zero.
W zakresie częstotliwości rezonansowej masy resorowanej, gdy brak jest tłumienia w zawieszeniu, wartość kąta fazowego wynosi 180O pomiędzy maksymalnymi amplitudami przemieszczeń mas nieresorowanej i resorowanej. Kiedy zawieszenie pojazdu ma odpowiednią wartość tłumienia (po zastosowaniu właściwego amortyzatora), to minimalny kąt przesunięcia fazowego pomiędzy częstotliwościami rezonansowymi mas resorowanej i nieresorowanej uzyska wartość powyżej 90O.
dr inż. Kazimierz Sitek
Komentarze (0)