Diagnostyka

W poprzednich częściach artykułu przedstawiliśmy strukturę układu jezdnego pojazdu, zakres jego diagnozowania, kryteria oceny stanu technicznego     oraz metody diagnozowania. Opisaliśmy również wybrane urządzenia i przyrządy do oceny stanu technicznego układu jezdnego, to jest: urządzenia szarpiące (detektory luzów), urządzenia do wykrywania uszkodzeń wewnętrznych opon, przyrządy do pomiaru bicia koła i rozpędzarki do kół (przystawki napędowe). W tej części skupimy się na rodzajach i cechach urządzeń do wyważania kół jezdnych (wyważarek).

Wyważanie kół jezdnych przeprowadza się za pomocą specjalnych urządzeń, zwanych wyważarkami. Pozwalają one na określenie kątowej lokalizacji niewyważenia oraz wartości tego niewyważenia.
Wyważanie kół jezdnych pojazdu powinno się przeprowadzić w następujących przypadkach:
- drgań koła kierownicy lub nadwozia pojazdu,
- uszkodzenia koła,
- wymiany opon,
- nierównomiernego zużycia bieżnika opon,
- naprawy ogumienia.

1. Podział wyważarek
Klasyfikację urządzeń do wyważania kół jezdnych pojazdu można przeprowadzić w oparciu o różne kryteria. Do najczęściej przyjmowanych należą: sposób wyważania, zakres zastosowania, konstrukcja układu pomiarowego i częstość drgań własnych układu drgającego.
Ze względu na sposób wyważania koła wyważarki dzieli się na:
- stacjonarne (do kół zdemontowanych z pojazdu),
- dostawne (do kół zamontowanych w pojeździe),
- aktywne (aplikatory proszku).

Zaletą wyważarek stacjonarnych jest duża dokładność pomiarów. Do wad należą: nieuwzględnienie niewyważenia piasty koła i tarczy lub bębna hamulcowego oraz niewłaściwego centrowania koła w samochodzie, a także większa pracochłonność pomiarów i wyższy koszt urządzeń.
W przypadku wyważarek dostawnych zaletami są: mniejsza pracochłonność pomiarów, uwzględnienie niewyważenia wszystkich elementów wirujących wraz z kołem jezdnym (piasty i tarczy lub bębna hamulcowego) oraz mniejszy koszt urządzeń. Zasadniczą wadą tych wyważarek jest brak możliwości dokładnego ustalenia wielkości masy wyważającej.
Podczas wyważania koło jezdne ma możliwość wykonywania ruchu obrotowego. Wraz z wałem wyważarki (w wyważarkach stacjonarnych) lub piastą (w wyważarkach dostawnych) jest podparte sprężyście i stanowi układ drgający z wymuszeniem bezwładnościowym od niewyważenia koła.
Innym mniej rozpowszechnionym sposobem wyważania kół jest wyważanie aktywne (proszkowe) stosowane w samochodach terenowych i ciężarowych. Odpowiednią porcję proszku do wyważania wsypuje się do opony przed jej zamontowaniem na obręczy lub wtłacza przez zawór specjalnym urządzeniem (tzw. aplikatorem proszku). W czasie jazdy w wyniku działania siły odśrodkowej proszek przemieszcza się w odpowiednie miejsce w oponie, co skutkuje wyważeniem koła. Po zatrzymaniu pojazdu proszek gromadzi się w dolnej części opony.
Ze względu na zakres zastosowania rozróżnia się wyważarki: motocyklowe, do kół samochodów osobowych, do kół samochodów ciężarowych i uniwersalne.
Ze względu na rozwiązanie konstrukcyjne układu pomiarowego wyważarki dzieli się na: elektryczne, elektroniczne i komputerowe. W wyważarkach elektrycznych drgania wału powodują zmiany napięcia w układach elektrycznych i są rejestrowane na odpowiednio wyskalowanych woltomierzach.
Wyważarki elektroniczne wyposażone są w układ elektryczny przetwarzający drgania wału na proporcjonalny sygnał elektryczny oraz układ elektroniczny określający wartość i położenie niewyważenia w płaszczyznach wewnętrznej i zewnętrznej koła.
Wyważarki komputerowe stanowią najnowszą odmianę wyważarek do kół jezdnych. W tego rodzaju urządzeniach zastosowano mikroprocesorowe sterowanie pomiarem. Dane dotyczące niewyważenia zapisywane są w pamięci. Wartość niewyważenia podawana jest w sposób cyfrowy, a miejsce niewyważenia wskazywane w sposób graficzny na ekranie monitora lub wyświetlaczach. Proces pomiarowy jest w pełni zautomatyzowany. Wyważarki te charakteryzują się bardzo dużą dokładnością.
W zależności od stosunku prędkości kątowej koła i częstości drgań własnych układu drgającego wyróżnia się wyważarki: podrezonansowe, rezonansowe i nadrezonansowe. Do kół wymontowanych z pojazdu najczęściej stosuje się komputerowe wyważarki podrezonansowe (rys. 1), w których mierzy się dynamiczne reakcje łożysk wału wyważarki. Do kontroli stanu wyważenia koła zamontowanego w pojeździe używa się podrezonansowe elektroniczne wyważarki dostawne (rys. 2).

2. Charakterystyka stacjonarnych wyważarek komputerowych
W wyważarkach komputerowych 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 parametrów niewyważenia. Nowoczesne układy pomiarowe umożliwiły obniżenie prędkości 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 niewyważenie 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 rozwiązaniach konstrukcyjnych.
Współczesna stacjonarna wyważarka do kół jezdnych najczęściej składa się z: obudowy, mechanizmu napędowego wału, uchwytu do mocowania koła, czujników do pomiaru wartości niewyważenia, układu optoelektrycznego do pomiaru prędkości obrotowej i położenia miejsca niewyważenia oraz układu wskazań mierzonych parametrów (kolorowy monitor lub wskaźnik ciekłokrystaliczny).

Niezależnie od rodzaju wyważarki powinno się wykonać następujące czynności związane z wyważaniem koła:
- usunąć zanieczyszczenia osadzone na kole jezdnym i ciężarki zamocowane podczas poprzedniego wyważania;
- 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 wyważania, wybranie programu odpowiedniego do rodzaju używanych ciężarków, uruchomienie programów pomocniczych);
- wykonać wyważanie koła, to jest określić wartość mas korekcyjnych (wagi ciężarków) i miejsca korekcji na kole (zamocowania ciężarków) z uwzględnieniem rodzaju obręczy.

W większości współczesnych wyważarek stosowane są takie programy pomocnicze, jak: układ wspomagania wyważania, programy pomiaru parametrów koła i bicia obręczy (opony) oraz program uwzględniający zmiany płaszczyzn korekcji z funkcją ukrytego ciężarka. System wspomagania wyważania analizuje błędy pomiarowe i informuje komunikatami słownymi o czynnościach, które należy wykonać w celu ich likwidacji (np. zmiana masy ciężarka lub jego przesunięcie).
Ultradźwiękowy program pomiaru parametrów koła skraca cykl pomiarowy i poprawia dokładność pomiaru niewyważenia koła. Program jest wykonywany automatycznie podczas zamykania osłony koła. Inny czujnik ultradźwiękowy mierzy bicie promieniowe i osiowe koła (umożliwia ocenę jakości obręczy i opony oraz wykonanie programu minimalizacji).

Zróżnicowane 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 wyważania kół z różnymi rodzajami obręczy, także ze stopów lekkich (aluminiowe, magnezowe). Najczęściej stosuje się równocześnie podprogram ukrytego ciężarka, który w przypadku obręczy aluminiowych umożliwia automatyczne podzielenie masy zewnętrznego ciężarka na dwie równoważne, ukryte za szprychami.
Stacjonarne wyważarki komputerowe charakteryzują się przede wszystkim następującymi cechami:
- niską prędkością obrotową wału wyważarki, co dało w efekcie skrócenie czasu rozpędzania koła, czasu pomiaru (do 3 s) i wyhamowania oraz zwiększenie trwałości wyważarki;
- dużą dokładnością pomiaru niewyważenia koła regulowaną dwustopniowo lub trzystopniowo (do 1 g – wyważanie dokładne, do 5 g – wyważanie średnio dokładne, do 10 g – wyważanie zgrubne) oraz dokładnością wskazań miejsca niewyważenia dochodzącą do 1,5°;
- możliwością pomiaru i wyświetlania parametrów niewyważenia jednocześnie dla obu płaszczyzn koła (wewnętrznej i zewnętrznej);
- pokazywaniem na ekranie monitora lub na wyświetlaczu LCD lokalizacji niewyważenia za pomocą diod świetlnych lub przez zmianę barwy wskaźnika niewyważenia;
- możliwością zatrzymania koła po wyhamowaniu w takim położeniu, aby miejsce niewyważenia znalazło się u góry (automatyczny hamulec wału);
- możliwością wyważenia kół z tarczami ze stopów lekkich i o różnym systemie mocowania ciężarków;
- zastosowaniem ręcznego napędu wału (w niektórych odmianach wyważarek); w wyważarkach z napędem ręcznym nie instaluje się osłony koła (nie trzeba jej zamykać i otwierać); wyróżniają się także mniejszą masą i wymiarami.

Najnowocześniejsze wersje wyważarek komputerowych umożliwiają dodatkowo przeprowadzenie następujących czynności: wykonanie kalibracji, realizację optymalizacji, wykonanie minimalizacji i realizację optymalizacji spokojnego biegu.

2.1. Program 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 wzorcowo wyważone lub normalne koło z ciężarkiem o wzorcowej masie. Najczęściej kalibracja może być wykonana samodzielnie przez użytkownika urządzenia. W niektórych typach wyważarek kalibracja powinna być wykonana przez doświadczonego pracownika, który wykorzystuje do tego celu zewnętrzny komputer i płytę CD 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 również kalibrację uchwytu mocującego i nastawnika wymiarów koła.

2.2. Program optymalizacji 
Nowoczesne wyważarki sterowane mikroprocesorowo zapewniają dużą dokładność pomiarów. Jednak sam proces wyważania dynamicznego nie spowoduje usunięcia drgań koła jezdnego, jeżeli wynikają one z wady kształtu obręczy i opony lub nierównomiernej sprężystości opony. Z tego powodu wyważarki wyposaża się w programy optymalizacji i minimalizacji, które umożliwiają prawidłowe zamontowanie opony na obręczy oraz minimalizację masy ciężarków korekcyjnych.
Optymalizacja może być przeprowadzona dwoma metodami: dynamiczną lub statyczną (np. firmy polskie i niemieckie często stosują optymalizację dynamiczną, a większość producentów włoskich – optymalizację statyczną). Należy traktować ją jako czynność wstępną przed wyważaniem koła ciężarkami. Optymalizacja dynamiczna (wagowa, Match) sprowadza się do takiego przesunięcia opony na obwodzie obręczy, aby niewyważenia występujące w tych elementach wzajemnie rekompensowały się. Program optymalizacji dynamicznej realizowany jest najczęściej w przypadku, gdy niewyważenie badanego koła jezdnego przekracza wartość 30 g.
W praktyce stosuje się dwie wersje programu optymalizacji dynamicznej. Pierwsza z nich dotyczy kompletnego koła jezdnego i wymaga wykonania następujących czynności (rys. 3):
- po pierwszym pomiarze niewyważenia należy nanieść znak kredą na oponie (a) i przesunąć oponę na obręczy koła o 1800 (b),
- powtórzyć pomiar i oznaczyć kredą miejsca niewyważenia obręczy i opony wskazane przez wyważarkę (c), a następnie obrócić oponę na obręczy do „zgrania” znaków (d),
- przeprowadzić właściwe wyważanie dynamiczne.

Druga wersja programu optymalizacji dynamicznej sprowadza się do wykonania następujących czynności:
- zdjęcie opony z obręczy koła i sprawdzenie wyważenia samej obręczy (jeżeli wartość niewyważenia nie przekracza 10 g, to przeprowadzenie optymalizacji jest nieuzasadnione),
- wyważenie obręczy koła z dowolnie założoną oponą,
- korekcja położenia opony względem obręczy,
- przeprowadzenie właściwego wyważania dynamicznego.

Niektóre rodzaje wyważarek mogą przeprowadzać obie wersje programu optymalizacji dynamicznej. Wyniki pomiarów otrzymywane po wykonaniu optymalizacji pokazywane są na ekranie monitora lub na wyświetlaczach. W celu odróżnienia od wyników pomiarów uzyskiwanych podczas tradycyjnego wyważania są one oznaczane w odmienny sposób.
Znane są również takie rozwiązania konstrukcyjne wyważarek komputerowych (zwłaszcza wytwórców włoskich), które wykonują jeszcze inny rodzaj optymalizacji, nazywany optymalizacją statyczną. Polega ona na zminimalizowaniu szczątkowego niewyrównoważenia statycznego. Wyważarka, po wykonaniu programu optymalizacji statycznej, wskazuje automatycznie optymalną masę ciężarków do założenia zależnie od ich lokalizacji (po prawej lub lewej stronie koła).
Po przeprowadzeniu optymalizacji dynamicznej lub optymalizacji statycznej uzyskuje się korzystne zamontowanie opony na obręczy i zmniejszenie masy ciężarków niezbędnych do wyważania koła.

2.3. Program minimalizacji
Ten program umożliwia pomiar bicia promieniowego opony i obręczy koła oraz takie wzajemne ułożenie tych elementów, aby zminimalizować bicie promieniowe. Wyważarka jest wyposażona w odpowiedni czujnik (w postaci rolki) do określania bicia promieniowego koła (rys. 4). Najpierw mierzone jest bicie na całym obwodzie obręczy, a następnie na obwodzie opony zamontowanej na obręczy. Z wyważarki odczytuje się informację, o jaki kąt należy przesunąć oponę względem obręczy, aby zminimalizować wzajemne bicie promieniowe tych elementów. Po zrealizowaniu tej czynności należy sprawdzić poprawność zamontowania opony (kontrola efektów wykonanych działań).
Do przeprowadzenia minimalizacji współczesne wyważarki wyposaża się w specjalizowane czujniki ultradźwiękowe (rys. 5) lub czujniki laserowe i wysokiej rozdzielczości kamery, które mierzą nie tylko bicie promieniowe i osiowe koła, ale także inne parametry. Proces minimalizacji powinien być wykonany przede wszystkim dla kół nowych (na początku ich eksploatacji) oraz po każdej naprawie lub zmianie wzajemnego położenia elementów.

2.4. Program optymalizacji spokojnego biegu 
Niektórzy producenci (np. firma Hofmann) zastosowali w wyważarkach optymalizację spokojnego biegu, która umożliwia usunięcie ewentualnych drgań wyważonego koła, wynikających z wady kształtu i nierównomiernej sprężystości opony. Ten rodzaj optymalizacji jest szczególnie przydatny podczas wyważania kół z tarczami ze stopów lekkich. Metoda opatentowana przez firmę Hofmann zakłada, że twarde miejsce opony jest również jej miejscem ciężkim oraz że wadę kształtu obręczy (tarczy) koła można skompensować twardością opony.

Podczas realizacji programu optymalizacji spokojnego biegu wyważarka wykonuje następujące cykle pomiarowe (rys. 6):
- pomiar niewyważenia obręczy koła bez opony,
- pomiar niewyważenia obręczy koła z zamontowaną oponą,
- pomiar niewyważenia koła z oponą przesuniętą o 1800.
W efekcie uzyskuje się takie ustawienie opony względem obręczy koła, że najwyższe miejsce zowalizowania obręczy znajdzie się przy miękkim miejscu opony. Podczas jazdy, gdy najwyższe miejsce obręczy 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 niewyważenia. Po wykonaniu tej czynności należy przeprowadzić właściwe wyważanie dynamiczne koła. Opisany program optymalizacji spokojnego biegu mogą przeprowadzić między innymi wyważarki Geodyna 6800p i Geodyna Optima firmy Hofmann.

2.5. Program testu drogowego
Firma Hunter w niektórych wyważarkach (np. GSP 9700) wprowadziła warunki badania koła jezdnego zbliżone do rzeczywistych warunków współpracy koła z drogą. W tych wyważarkach zastosowano specjalny program testu drogowego (Road Test), który umożliwia usunięcie ewentualnych wibracji wyważonego koła, spowodowanych błędem kształtu, biciem opony lub nierównomierną sztywnością promieniową opony. Wyważarki zostały wyposażone w dodatkową rolkę dociskaną do obracającego się koła (rys. 7). W ten sposób symuluje się drogę i powoduje odpowiednie ugięcie opony. Dociskana rolka, tocząc się po oponie, pozwala ocenić zmiany wartości siły promieniowej podczas obrotu koła zamontowanego na wyważarce.
Dodatkowe czujniki umożliwiają rejestrację bicia promieniowego i osiowego po obu stronach obręczy. Po wykonaniu pomiarów obsługujący na ekranie monitora otrzymuje informację, w jaki sposób należy przestawić oponę względem obręczy, aby zminimalizować oddziaływanie siły promieniowej.
Stacjonarne wyważarki komputerowe są produkowane między innymi przez takie firmy, jak: Bosch, Beissbarth, Cemb, Corghi, Haweka, Hunter, Hofmann, Ravaglioli, Schenck, Sice, Space, Unitrol.

dr inż. Kazimierz Sitek

Literatura
1. Bocheński C. (red.): Badania kontrolne samochodów. WKŁ, Warszawa 2000.
2. Sitek K.: Diagnostyka samochodowa. Układy odpowiedzialne za bezpieczeństwo jazdy. Wydawnictwo AUTO, Warszawa 1999.
3. Trzeciak K.: Diagnostyka samochodów osobowych. WKŁ, Warszawa 2011.