Diagnostyka

W poprzednich częściach artykułu przedstawiono strukturę układu zawieszenia i metody jego diagnozowania. Tym razem opisano parametry diagnostyczne i kryteria oceny stanu technicznego zawieszenia.

Tabela 1. Parametry diagnostyczne układu zawieszenia samochodu dostawczego (przykład)

Parametry diagnostyczne wykorzystywane do oceny stanu technicznego 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 samochodzie (w układzie zawieszenia). Jednak ze względów praktycznych w stacjach kontroli pojazdów i stacjach obsługi samochodów bada się amortyzatory zamontowane w pojeździe. Dokonuje się tego, wywołując drgania swobodne lub drgania wymuszone nadwozia na zawieszeniu. 
Przykładowe zestawienie parametrów diagnostycznych układu zawieszenia pojazdu z metalowymi elementami sprężystymi (sprężyny śrubowe i resory) samochodu dostawczego przedstawiono w tabeli 1.

W dalszej części artykułu przedstawione zostały parametry diagnostyczne i kryteria oceny stanu technicznego układu zawieszenia wykorzystywane w stosowanych obecnie metodach badawczych: metodzie drgań swobodnych i metodzie drgań wymuszonych (Boge, Theta i Eusama).

1. Kryteria oceny stanu – 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 i amplituda drgań.
Z wykresu przemieszczeń (A) drgań swobodnych nadwozia w funkcji czasu (t) należy wyznaczyć średnie tłumienie (r), jako stosunek drugiej do pierwszej zaobserwowanej amplitudy drgań (rys. 2):

Wykres przemieszczeń (A) drgań swobodnych nadwozia w funkcji czasu (t) [3]

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 pogarsza się gwałtownie (nadwozie zaczyna uderzać o ograniczniki). Działanie amortyzatora znacznie pogarsza się 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].

Przebieg drgań wymuszonych płyty stanowiska (nadwozia) w funkcji czasu na stanowisku Shocktester (źródło: Boge/Sachs): 1 – faza rozpędzania, 2 – faza pomiaru, 3 – faza wybiegu

2. Kryteria oceny stanu – metoda drgań wymuszonych (test Boge)
Sposób oceny jakości tłumienia drgań przy zastosowaniu metody drgań wymuszonych zależy od konstrukcji stanowiska kontrolnego. W urządzeniach działających w oparciu o analizę drgań w funkcji czasu (np. Certus 3 CSA firmy WSOP, 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 zawieszenia, kiedy przemieszczenia kół jezdnych (płyty stanowiska) osiągają największe wartości (faza pomiaru); największa różnica przemieszczeń (podwójna wartość amplitudy drgań – Amax) jest wówczas wielkością charakteryzującą stan amortyzatora;
3 – wygasania drgań, kiedy częstotliwość drgań i przemieszczenie maleją, aż do ich całkowitego zaniknięcia (faza wybiegu).

Dokonanie oceny stanu układu 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 (test Eusama), 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.
    
2.2. Kryteria oceny stanu technicznego
Określenia stanu technicznego zawieszenia (głównie amortyzatora) badanego metodą drgań wymuszonych (test Boge) dokonuje się na podstawie wartości następujących parametrów:
1) Podwójnej wartości amplitudy drgań – Amax (największej różnicy przemieszczeń):

Amax ≤ Agr – amortyzator zdatny,
Amax > Agr – amortyzator niezdatny.

W tej metodzie podwójna wartość amplitudy drgań (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:

ΔAmax = Amax1 - Amax2 ≤ 15% 
– amortyzatory zdatne (jednej osi),
ΔAmax = 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 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
Bywa, że podczas rejestracji przebiegu drgań występują dodatkowe czynniki zakłócające przebieg wykresu. Wpływ ich jest istotny wówczas, kiedy występują w obszarze rezonansu. Niekiedy na wykresie występują dwa wychylenia rezonansowe w niewielkiej odległości od siebie. Zjawisko to spowodowane jest wpływem elastycznego zawieszenia silnika, więc 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 przeprowadzania pomiarów mogą pojawić się czynniki zakłócające, które zmieniają przebieg wykresu. Przykładem takiego zakłócenia jest poruszanie się diagnosty 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 stanowiska,
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 drgań zawieszenia mogą być prezentowane w postaci liczbowej i graficznej na ekranie monitora lub na wyświetlaczach oraz w formie wydruku. Na rys. 4 i 5 przedstawiono przykładowe prezentacje wyników pomiaru (zmierzone i graniczne wartości parametrów diagnostycznych) skuteczności tłumienia drgań zawieszenia samochodu na urządzeniu Certus 3 CSA firmy WSOP i SA 2/FWT 1 firmy Maha (badanie metodą Boge). 

Przykładowa prezentacja wyników badania skuteczności tłumienia drgań zawieszenia samochodu na urządzeniu Certus 3 CSA (typu Boge) – źródło: WSOP

Przykład prezentacji wyników badania skuteczności tłumienia zawieszenia osi przedniej samochodu na urządzeniu SA 2/FWT 1 (typu Boge) – źródło: Maha

3. Kryteria oceny stanu – metoda drgań wymuszonych (Theta)
Rozwinięciem metody Boge jest metoda o nazwie Theta, którą zastosowano między innymi w urządzeniach do badania zawieszenia MSD 3000 firmy Maha i Contactest 3800 firmy Hofmann (wchodzi w skład linii diagnostycznej Safelane 204-RP). Na stanowisku mierzy się przemieszczenie płyty najazdowej, a następnie oblicza współczynnik tłumienia theta (υ) zgodnie ze wzorem Lehra

gdzie:
υ – bezwymiarowy współczynnik tłumienia (0÷1) zgodnie ze wzorem Lehra (dla pojedynczego koła),
fBody – częstotliwość rezonansowa urządzenia [1/s] zmierzona w trakcie badań,
mBody – masa pojazdu [kg] zmierzona w trakcie badań ( mBody = 0,9 mstat),
kDamping – współczynnik tłumienia obliczany ze wzoru (uwzględnia parametry związane z testerem).

Bezwymiarowy współczynnik tłumienia dla nowych pojazdów najczęściej mieści się w zakresie od 0,2 do 0,35. Wartości współczynnika tłumienia w zakresie od 0,1 do 0,4 są dopuszczalne i nie świadczą o niewłaściwym tłumieniu w układzie zawieszenia. Jeżeli wartość tego współczynnika jest poniżej 0,1, to amortyzator uznaje się za niesprawny i należy go wymienić. Graniczna wartość współczynnika tłumienia (0,1) została określona doświadczalnie przez producenta urządzenia.
Układ pomiarowy mierzy przemieszczenie płyty najazdowej [mm] wraz z badanym kołem w całym zakresie częstotliwości drgań (od 0 do 16 Hz). Jednostka sterująca oblicza wartość bezwymiarowego współczynnika tłumienia zawieszenia dla każdego koła. W trakcie pomiaru koła badanego pojazdu znajdują się w stałym kontakcie z płytami drgającymi. Metoda Theta umożliwia kontrolę układu zawieszenia (głównie amortyzatorów) w warunkach bardzo zbliżonych do warunków drogowych i upraszcza przebieg całego badania. Zmiana ciśnienia w ogumieniu, zmiana obciążenia oraz masa własna samochodu nie mają większego wpływu na uzyskane wartości współczynnika tłumienia. 
Konstrukcja urządzeń typu Theta jest bardzo podobna do wcześniej stosowanych testerów typu Boge. W obu mierzy się przemieszczenie płyty drgającej. W metodzie Boge maksymalne przemieszczenie płyty porównuje się z wartością graniczną, a w metodzie Theta wylicza się niemianowany współczynnik tłumienia, którego wartość musi być wyższa niż 0,1.
Sposób prezentacji wyników pomiaru skuteczności tłumienia drgań układu zawieszenia samochodu na urządzeniu MSD 3000 firmy Maha (badanie metodą Theta) przedstawiono na rys. 6.

Sposób prezentacji wyników badania skuteczności tłumienia drgań zawieszenia samochodu na urządzeniu MSD 3000 (metoda Theta) – źródło: Maha

4. Kryteria oceny stanu – metoda drgań wymuszonych (Eusama)
W przypadku stosowania urządzeń działających na podstawie analizy nacisku koła na podłoże (tester wibracyjny o stałej amplitudzie drgań, np. SDL 261 firmy Bosch, UKA-3,5E firmy Fudim, TUZ-1 firmy Unimetal) otrzymane wyniki odnosi się do kryteriów ustalonych przez Europejskie Stowarzyszenie Producentów Amortyzatorów (EUSAMA).

4.1. Wskaźnik 
(liczba) Eusama
Europejskie Stowarzyszenie Producentów Amortyzatorów opracowało metodę oceny efektywności tłumienia drgań zawieszenia. Zasada pomiaru opiera się na procentowym określeniu siły przylegania koła do podłoża (płyty stanowiska). Skuteczność tłumienia zawieszenia wyraża się wartością wskaźnika (liczby) Eusama, czyli parametru określającego stopień przylegania koła pojazdu do podłoża podczas drgań, który oblicza się z zależności

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

Interpretacja graficzna wskaźnika (liczby) Eusama została przedstawiona na rys. 7. 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.

4.2. 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 [%].

4.3. 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 [%].

Ekran z wybranym rodzajem badania (pomiar skuteczności tłumienia drgań zawieszenia) na urządzeniu TUZ-1 (tester typu Eusama) – źródło: Unimetal

Przykład prezentacji wyników badania skuteczności tłumienia zawieszenia osi przedniej samochodu na urządzeniu TUZ-1 (program Uniline Quantum 3) – źródło: Unimetal

Przykładowo na rys. 8 przedstawiono ekran z wybranym rodzajem badania (pomiar skuteczności tłumienia zawieszenia), a na rys. 9 prezentację liczbową i graficzną wyników pomiaru skuteczności tłumienia drgań zawieszenia osi przedniej 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,
• wyznaczenie minimalnej skuteczności tłumienia.

Ta koncepcja pomiaru jest przejrzysta i nie wymaga bazy danych wartości wzorcowych. Jej wadą 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]. 

4.4. 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.

Tabela 2. Ocena stanu technicznego i wykaz usterek podczas kontroli skuteczności tłumienia zawieszenia (dział I załącznika 1 do rozporządzenia [2])

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, w przypadku których obniża się wymagania dla osi tylnej. Rozwiązanie tego problemu zaproponowała firma Hofmann, dzieląc pojazdy na trzy grupy w zależności od masy własnej.
Kryteria oceny stanu technicznego układu zawieszenia podane są również w obowiązujących stacje kontroli pojazdów przepisach, to jest w rozporządzeniu w sprawie zakresu i sposobu przeprowadzania badań technicznych pojazdów oraz wzorów dokumentów stosowanych przy tych badaniach. Zgodnie z wymaganiami prawnymi stan układu zawieszenia uznaje się za niezadowalający w przypadkach określonych w tabeli 2.
Nowelizacja rozporządzenia w sprawie zakresu i sposobu przeprowadzania badań technicznych pojazdów [2] wprowadziła obowiązek wykonywania pomiaru skuteczności tłumienia drgań zawieszenia również podczas badania okresowego (patrz tabela 2). Dotychczas pomiar tłumienia drgań zawieszenia wchodził w zakres badań dodatkowych (samochody powypadkowe oraz skierowane na badanie przez organ kontroli ruchu drogowego).
Badanie skuteczności tłumienia drgań zawieszenia wymaga zachowania właściwych warunków pomiaru. Oprócz prawidłowego ciśnienia w ogumieniu i ewentualnego dociążenia tylnej osi (małe samochody) należy sprawdzić luzy w zawieszeniu i układzie kierowniczym.

dr inż. Kazimierz Sitek

Literatura
1. Praca zbiorowa: Badania kontrolne samochodów. WKŁ, Warszawa 2000.
2. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury zmieniające rozporządzenie w sprawie zakresu i sposobu przeprowadzania badań technicznych pojazdów oraz wzorów dokumentów stosowanych przy tych badaniach (Dz.U. z 2022 r., poz. 2066).
3. Sitek K.: Diagnostyka samochodowa. Wydawnictwo Auto, Warszawa 1999.
4. Sitek K.: Badania techniczne pojazdów. Poradnik diagnosty. WKŁ, Warszawa 2020.