Diagnozowanie układów podwozia pojazdów samochodowych (cz. 1)

Transkrypt

1 Diagnozowanie układów podwozia pojazdów samochodowych (cz. 1) data aktualizacji: Widok linii diagnostycznej Uniline Quantum Galaxy z urządzeniami kontrolnymi umieszczonymi w posadzce na obrzeżach kanału przeglądowego (źródło: Unimetal) Charakterystyczną cechą każdego obiektu technicznego, również pojazdu samochodowego, jest jego struktura decydująca o właściwościach użytkowych. Strukturę pojazdu stanowi zbiór tworzących go elementów konstrukcyjnych, uporządkowanych i wzajemnie powiązanych w ściśle określony sposób w celu spełnienia założonych funkcji. Analiza koncepcji konstrukcyjnej współczesnych pojazdów samochodowych dowodzi, że ich ogólny układ konstrukcyjny nie uległ zmianie w stosunku do koncepcji opracowanej przez twórców pierwszych samochodów. Podstawa, na której opiera się ogólna koncepcja konstrukcyjna samochodu, nie zmieniła się na przestrzeni lat, natomiast rozwój samochodu wyraża się w doskonaleniu konstrukcji silnika spalinowego oraz w powstawaniu nowych rozwiązań układów ruchu. Rozwój konstrukcji tych układów pojazdu samochodowego, który doprowadził do samochodu współczesnego, opierał się głównie na wzroście możliwości produkcyjnych i technologicznych. Ogólny układ konstrukcyjny pojazdu Niezmieniony ogólny układ konstrukcyjny współczesnego pojazdu oznacza, że każdy samochód ma własne źródło napędu silnik oraz układy ruchu: napędowy, jezdny, zawieszenia, kierowniczy i hamulcowy. W skład układów ruchu wchodzą zespoły. Te z kolei składają się z podzespołów i części. Układy ruchu zmontowane są razem w jednej strukturze, nazywanej podwoziem. Na podwozie

2 nałożona jest inna struktura nadwozie. Niekiedy nadwozie staje się elementem, który łączy wszystkie układy ruchu (współczesne rozwiązania konstrukcyjne samochodów osobowych). Należy podkreślić, że przedstawiona koncepcja konstrukcyjna pojazdu dotyczy również najnowszej generacji samochodów tzw. inteligentnych. Dostępne informacje o perspektywach rozwoju motoryzacji pozwalają sądzić, że zmierza on w kierunku stworzenia pojazdu inteligentnego oraz specjalnie zorganizowanych systemów ruchu (tzw. infrastruktury zewnętrznej). Obecnie nie ma jednej definicji pojazdu inteligentnego. W jednym z ogólnych określeń stwierdzono, że pojazd inteligentny to taki, który zapewni zwiększone bezpieczeństwo ruchu bez zagrożenia dla środowiska, a te i nowe zadania będą osiągane przez stosowanie najnowszych technik i technologii [3]. Przytoczona definicja formułuje wymagania, jakie należy stawiać takiemu pojazdowi od strony użytkowej, oraz podaje zastrzeżenia odnośnie do sposobu ich uzyskania. Określenie pojazd inteligentny stawia również pewne wymagania od strony rozwiązań strukturalnych. Samochód inteligentny powinien mieć także możliwość postrzegania, rozumienia oraz zachowań adaptacyjnych, jeśli nie w każdych warunkach ruchu, to przynajmniej w niektórych wybranych warunkach, określonych przez konstruktorów. Nadanie pojazdowi takich cech może nastąpić w wyniku zautomatyzowania działania jego podstawowych układów ruchu. Wprowadzenie nowych rozwiązań konstrukcyjnych w pojazdach, w których określona jest ich ogólna koncepcja konstrukcyjna, stało się możliwe dzięki zastosowaniu układów elektronicznych. Podstawowe układy elektroniczne, które są stosowane w coraz większej skali w pojazdach samochodowych (rys. 1) i bezpośrednio ingerują w ich działanie, tym samym w przebieg dynamicznych procesów podczas ruchu, to przede wszystkim: - urządzenie przeciwblokujące (ABS), - urządzenie przeciwpoślizgowe (TC), - urządzenie stabilizujące tor jazdy (ESP), - elektronicznie sterowany napęd czterech kół (EC4WD), - elektronicznie sterowany skręt czterech kół (EC4WS), - aktywne zawieszenie (ASC), - elektroniczny wtrysk paliwa (EFI), - automatyczna zmiana przełożenia (ATC), - elektroniczne wspomaganie układu kierowniczego (EAS), - system utrzymania stałej prędkości (CCS). Takich układów elektronicznych może być znacznie więcej. Działania wielu z nich zazębiają się. Aktualnie trwają intensywne prace badawcze nad stworzeniem jednego, zintegrowanego systemu sterowania układami ruchu pojazdu samochodowego. Automatyczne sterowanie układami ruchu powoduje, że pojazd ma możliwość zachowań adaptacyjnych podczas rozpędzania i hamowania (TC, ABS), polepszają się jego własności trakcyjne (EC4WD, ATC), poprawia się stateczność ruchu podczas jazdy na zakręcie z danymi prędkościami (EC4WS, ESP), zwiększona zostaje ekonomiczność silnika oraz zmniejszona toksyczność spalin (EFI), następuje również podniesienie komfortu jazdy (ASC, EAS). Automatyczne sterowanie układami ruchu przyczynia się do eliminowania błędów w działaniu kierowcy i w wielu przypadkach zastępuje go. Bez istnienia takiego sterowania nie byłoby możliwości tworzenia inteligentnych pojazdów samochodowych. Dla pełnego wykorzystania cech pojazdów inteligentnych konieczne jest stworzenie odpowiednich warunków, to jest infrastruktury zewnętrznej. Warunki takie mogą być realizowane między innymi przez systemy nawigacyjne, systemy analizy otoczenia oraz systemy parkowania. Specyfika eksploatacji pojazdów samochodowych Od współczesnych pojazdów samochodowych oczekuje się ciągłego wzrostu osiągów przy równoczesnym zmniejszeniu kosztów ich wytwarzania i eksploatacji oraz zwiększeniu trwałości

3 i niezawodności. Wytwarzane obecnie pojazdy samochodowe charakteryzują się znacznym wytężeniem, to jest dużym nasileniem oddziaływań czynników cieplnych, mechanicznych i chemicznych, co prowadzi do znacznej intensywności procesów starzenia i zużycia. Podczas użytkowania pojazdów występują także zmienne prędkości jazdy, różne warunki atmosferyczne i drogowe (terenowe), które wymuszają duże zmiany obciążenia zasadniczych układów i zespołów. W procesie eksploatacji pojazdów działają różnorodne czynniki zewnętrzne (zarówno obiektywne, jak i subiektywne), a także czynniki wewnętrzne. Mają one charakter losowy, co sprawia, że pojazdy, które przepracowały ten sam czas, mogą znajdować się w różnym stanie technicznym. Wynika stąd konieczność profilaktycznych kontroli stanu pojazdów samochodowych. Nowoczesny system eksploatacji pojazdów uwzględnia chwilowe ich stany i zmiany tych stanów, zatem podstawą jego funkcjonowania są metody i środki diagnostyki technicznej. Zasadniczym narzędziem zapewniającym właściwe funkcjonowanie racjonalnego systemu eksploatacji pojazdów samochodowych jest podsystem diagnostyczny, w którym realizowany jest proces diagnozowania obejmujący: badania i ocenę stanu pojazdów, ustalenie przyczyn zaistniałych stanów oraz przewidywanie rozwoju zmian stanów pojazdu. Diagnozowanie pojazdów samochodowych Ustalenie stanu obiektu technicznego, jakim jest pojazd samochodowy, może mieć miejsce tylko w wyniku przeprowadzenia mniej lub bardziej złożonych badań diagnostycznych. Im bardziej rozbudowana struktura pojazdu, tym trudniejszy, bardziej pracochłonny i kosztowniejszy proces diagnostyczny jego badania. Należy racjonalnie zorganizować taki proces oraz sterować jego przebiegiem. Proces badań diagnostycznych pojazdu samochodowego polega na wykonaniu określonego zbioru sprawdzeń i analizie uzyskanych wyników. Zrealizowanie tego procesu daje wynik, czyli diagnozę. Wynik sprawdzenia zależy od stanu, w jakim znajduje się pojazd, i może być pozytywny lub negatywny. Diagnozowanie pojazdów samochodowych dotyczy bieżącej oceny stanu technicznego pojazdów funkcjonujących w określonym systemie eksploatacji lub okresowego przeprowadzania badań technicznych tych pojazdów. Bieżąca ocena stanu pojazdu umożliwia m.in. wykrywanie (lokalizację) usterek i uszkodzeń, ustalenie zakresu czynności niezbędnych do wykonania, kontrolę wykonanej obsługi lub naprawy czy prognozowanie stanu technicznego. Okresowe przeprowadzanie badań technicznych pojazdu wynika z aktów prawnych obowiązujących w danym kraju i ma na celu określenie, czy pojazd może być dopuszczony do ruchu drogowego z uwagi na jego stan techniczny. Zakres diagnozowania podwozi pojazdów samochodowych obejmuje przede wszystkim określenie stanu technicznego układów: napędowego, jezdnego, zawieszenia, kierowniczego i hamulcowego. Podstawowe parametry charakteryzujące stan układu napędowego (np. moc na kołach napędowych, drogę wybiegu) można badać na hamowniach podwoziowych. Ocenę stanu technicznego pozostałych układów podwozia wykonuje się obecnie za pomocą urządzeń kontrolnych wchodzących w skład linii diagnostycznych. Wymagania dotyczące warunków badań pojazdów samochodowych wymusiły określony zakres wyposażenia stanowisk kontrolnych. Rozwój technik pomiarowych, a zwłaszcza coraz szersze wykorzystanie elektroniki pozwoliło na wprowadzenie nowej generacji urządzeń diagnostycznych w postaci skomputeryzowanych linii diagnostycznych, zbudowanych systemem modułowym, z automatycznym, centralnie sterowanym przebiegiem badań. Stanowiska takie umożliwiają kompleksową kontrolę układów podwozia pojazdu, istotnie wpływających na bezpieczeństwo jazdy, w krótkim czasie i przy najbardziej ekonomicznym wykorzystaniu wspólnych modułów. Wyniki pomiarów i obliczeń, po elektronicznym przetworzeniu, są wyświetlane na ekranie monitora w postaci liczbowej i graficznej. Stan techniczny samochodu ocenia się na podstawie obszernego zbioru wartości parametrów diagnostycznych, porównywanych z ich wartościami nominalnymi. Istnieje możliwość archiwizacji wyników badań. Drukarka umożliwia otrzymanie protokołu z każdego badania. Stosowanie tej klasy urządzeń pozwala uzyskać dużą pewność wyników oraz całkowitą zgodność z obowiązującymi wymaganiami prawnymi.

4 Struktura osobowych linii diagnostycznych Linią diagnostyczną nazywa się zespół kilku urządzeń pomiarowo-kontrolnych zainstalowanych w ciągu technologicznym jednego stanowiska kontrolnego i podłączonych do jednej wspólnej jednostki centralnej, która spełnia funkcję zespołu wskaźnikowo-sterującego tych urządzeń. Początkowo na rynku krajowym były dostępne wyłącznie linie diagnostyczne wytwarzane przez producentów zagranicznych. Obecnie pojawiły się również linie diagnostyczne do kontroli pojazdów oferowane przez polskich wytwórców (Fudim- -Polmo, Unimetal, WSOP). Linie diagnostyczne są przeznaczone do badania różnych rodzajów pojazdów, to jest: samochodów osobowych (również z nierozłączalnym napędem na cztery koła), samochodów ciężarowych (także wieloosiowych), autobusów, ciągników rolniczych, motocykli, przyczep i naczep. Najczęściej spotyka się następujące wersje linii diagnostycznych: - do badania pojazdów o dopuszczalnej masie całkowitej (dmc) do 3,5 t wersja osobowa, - do badania pojazdów o dopuszczalnej masie całkowitej powyżej 3,5 t wersja ciężarowa, - do badania pojazdów o dopuszczalnej masie całkowitej do i powyżej 3,5 t wersja uniwersalna. W dalszej części tekstu zajmiemy się ogólną budową i charakterystyką linii diagnostycznych przeznaczonych do kontroli pojazdów o dopuszczalnej masie całkowitej do 3,5 t. Zintegrowane linie diagnostyczne przeznaczone do badania samochodów osobowych i dostawczych najczęściej obejmują (rys. 2): - centralną jednostkę sterującą (komputer, monitor, drukarka, szafka, pilot do sterowania); - urządzenie płytowe (najazdowe) do wstępnej oceny ustawienia kół jezdnych pojazdu; - urządzenie do kontroli skuteczności tłumienia drgań zawieszenia (z reguły zespolone wagą); - urządzenie rolkowe do kontroli działania hamulców z odpowiednim wyposażeniem standardowym (miernik siły nacisku na pedał hamulca, nakładki do badania motocykli) i wyposażeniem dodatkowym (wyposażenie do badania pojazdów ze stałym napędem 4x4 z funkcją automatycznego rozpoznawania tego napędu, dodatkowy wyświetlacz/monitor); - urządzenie do wymuszania szarpnięć kołami jezdnymi pojazdu w celu kontroli luzu w elementach układów zawieszenia, jezdnego i kierowniczego; - inne urządzenia, z którymi linia diagnostyczna może współpracować (obrotnice do pomiaru kontrolnych i maksymalnych kątów skrętu kół kierowanych, wieloskładnikowy analizator spalin, dymomierz absorpcyjny, przyrząd do pomiaru ustawienia i światłości świateł, podnośnik do unoszenia całego pojazdu). Podnośnik do unoszenia całego pojazdu (nożycowy, kolumnowy) jest zwykle montowany w końcowej części linii diagnostycznej. Obrotnice oraz urządzenie do wymuszania szarpnięć kołami jezdnymi pojazdu (z napędem hydraulicznym lub pneumatycznym) są na ogół wbudowane w płyty najazdowe podnośnika. Jeżeli zostanie zainstalowany podnośnik, urządzenia kontrolne układów podwozia zabudowuje się przed podnośnikiem. W przypadku usytuowania linii diagnostycznej na obrzeżach kanału przeglądowego nie instaluje się podnośnika. Przykładowo na rys. 3 przedstawiono osobową linię diagnostyczną Eurosystem 7.50 firmy Maha z urządzeniami kontrolnymi usytuowanymi w rampie najazdowej i podnośnikiem nożycowym. Natomiast na rys. 4 pokazano linię diagnostyczną Uniline Quantum Galaxy firmy Unimetal z urządzeniami pomiarowymi zagłębionymi w posadzce na obrzeżach kanału przeglądowego. Odmienną strukturę mają linie diagnostyczne do badania samochodów osobowych i dostawczych wyposażone w urządzenia płytowe (najazdowe). Znanym wytwórcą takich urządzeń jest niemiecka firma Heka. Na rys. 5 przedstawiono schemat stanowiska Univers TXV tego producenta. Linia diagnostyczna firmy Heka jest elektronicznym, płytowym urządzeniem przeznaczonym do kontroli układu hamulcowego, prawidłowości ustawienia kół jezdnych i skuteczności tłumienia drgań zawieszenia samochodów osobowych, dostawczych, ciągników rolniczych i busów o dmc do 3,5 t. Linia Univers TXV jest wersją najbardziej rozbudowaną i składa się z następujących zespołów: - centralnej jednostki sterująco-wskaźni-kowej,

5 - czterech niezależnych płyt najazdowych do kontroli działania hamulców i oceny skuteczności tłumienia drgań zawieszenia, - testera płytowego do wstępnej oceny prawidłowości ustawienia kół jezdnych pojazdu, - miernika siły nacisku na pedał hamulca (z bezprzewodową transmisją danych do jednostki centralnej). Badanie pojazdu na urządzeniu firmy Heka jest procesem dynamicznym, odpowiadającym rzeczywistym warunkom jazdy. Sterowanie procesem odbywa się za pomocą bezprzewodowego pilota o zasięgu do 200 m. Zastosowanie nowoczesnej, energooszczędnej tablicy sterująco- -wskaźnikowej pozwala na odczyt wyników badań ze znacznej odległości. Tablice zostały przystosowane do montażu w ścianie i/lub na stelażu. Płyty najazdowe są montowane w podłodze stanowiska, a ich grubość wynosi zaledwie 4 cm. Univers TXV zapewnia bardzo krótki czas diagnozowania pojazdu około 30 s. Zastosowanie czujników typu High-Speed umożliwia wykonywanie badań pojazdów ze wspomaganiem układu hamulcowego. Jednostka sterująco-wskaźnikowa gwarantuje rejestrację wyników pomiaru i drukowanie protokołu z badań. Wyniki pomiaru mogą być przedstawione w formie liczbowej i wykreślnej. Zakres badań osobowych linii diagnostycznych Skompletowane w przedstawiony sposób linie do diagnozowania samochodów osobowych i dostawczych najczęściej umożliwiają wykonanie następujących pomiarów i ocen: a) wstępnej oceny prawidłowości ustawienia kół jezdnych pojazdu po zmierzeniu poprzecznego przesunięcia płyty pomiarowej podczas przejazdu jednego koła badanej osi przez płytę. Na tej podstawie obliczane są takie parametry diagnostyczne, jak: - poślizg boczny koła, tj. wartość poprzecznego przesunięcia płyty pomiarowej odniesiona do długości płyty. Wielkość ta (podawana w mm/m lub m/km) określa tendencję koła do zbaczania z wyznaczonego kierunku jazdy pod wpływem siły bocznej działającej w punkcie styku opony z jezdnią, - wskaźnik prawidłowości ustawienia kół, który jest poślizgiem bocznym koła przeliczonym na umowną średnicę tarczy koła. Parametr ten określa się w mm lub stopniach; b) pomiaru nacisków na osie i koła jezdne; c) oceny skuteczności tłumienia drgań zawieszenia pojazdu o dmc do 3,5 t (metodą drgań wymuszonych): - jeżeli badanie wykonuje się za pomocą testera wibracyjnego analizującego nacisk koła na podłoże (typu Eusama), to wielkością mierzoną jest siła nacisku statycznego i siła nacisku dynamicznego koła na podłoże podczas swobodnego tłumienia drgań tego koła wywołanych w trakcie badań. Umożliwia to obliczenie następujących parametrów diagnostycznych: - wskaźnika (liczby) Eusama, to jest stosunku minimalnej dynamicznej siły nacisku koła na podłoże do statycznej siły nacisku koła na podłoże (wyrażonego w procentach), - względnej różnicy liczb Eusama określonej dla tej samej osi pojazdu, - bezwzględnej różnicy liczb Eusama określonej dla tej samej osi pojazdu, - w przypadku gdy do oceny skuteczności tłumienia drgań zawieszenia stosuje się testery wibracyjne analizujące drgania w funkcji czasu (typu Boge), to mierzy się podwójną amplitudę drgań płyty najazdowej w strefie rezonansu (największą wartość przemieszczenia). Ponadto oblicza się różnicę wartości tego parametru dla tej samej osi pojazdu; d) oceny stanu technicznego układu hamulcowego na podstawie: - pomiaru: - sił hamowania kół jezdnych, - oporu toczenia kół jezdnych, - siły nacisku na pedał hamulca (dotyczy układów hamulcowych sterowanych hydraulicznie),

6 - obliczenia: - wskaźnika skuteczności hamowania (stosunek sumarycznej siły hamowania uzyskanej ze wszystkich kół do siły ciężkości od dopuszczalnej masy całkowitej badanego pojazdu, wyrażony w %), - różnicy sił hamowania (dotyczy hamulca roboczego) różnica zmierzonych sił hamowania kół po obu stronach osi pojazdu, odniesiona do siły większej i wyrażona w % (ocena równomierności hamowania), - współczynnika stabilności siły hamowania jest to różnica największej i najmniejszej siły hamowania, zmierzonych podczas jednego obrotu koła, przy stałym nacisku na pedał hamulca i wyrażona w % siły większej (ocena owalizacji bębnów hamulcowych lub zmian grubości tarczy hamulcowej na jej obwodzie); e) pomiaru: - kontrolnych kątów skrętu kół kierowanych (ocena prawidłowości działania trapezu kierowniczego), - maksymalnych kątów skrętu kół kierowanych (ocena minimalnego promienia skrętu i działania ograniczników skrętu); f) oceny organoleptycznej stanu luzów w układach podwozia: jezdnym, zawieszenia i kierowniczym (w piastach kół, na sworzniach zwrotnic, w połączeniach kulistych drążków kierowniczych itd.); g) pomiaru parametrów fotometrycznych i geometrycznych świateł, to jest: - światłości świateł drogowych, - natężenia oświetlenia światłami mijania, - ustawienia świateł drogowych i mijania w płaszczyźnie pionowej i poziomej; h) pomiaru: - zawartości składników spalin, tj. tlenku węgla (CO), węglowodorów (CH), dwutlenku węgla (CO2), tlenu (O2), tlenków azotu (NOx) (opcja) oraz wartości współczynnika nadmiaru powietrza λ (dla silników o zapłonie iskrowym), - stopnia zadymienia spalin (w przypadku silników o zapłonie samoczynnym). Współczesne linie diagnostyczne charakteryzują się nowoczesnym rozwiązaniem konstrukcyjnym, niezawodnością działania oraz łatwością obsługiwania. Nowe wersje oferowane przez znanych producentów mogą współpracować z siecią komputerową stacji kontroli pojazdów i siecią zewnętrzną, a także pracować metodą diagnozy zdalnej. Najnowsze linie diagnostyczne oraz obiekty stacji kontroli pojazdów uwzględniają nie tylko innowacyjne rozwiązania konstrukcyjne, ale także wymogi estetyki, ergonomii i nowoczesnego wzornictwa. dr inż. Kazimierz Sitek Literatura: 1. Sitek K., Syta S.: Badania stanowiskowe i diagnostyka. WKŁ, Warszawa Szczepaniak C.: Motoryzacja na przełomie epok. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa-Łódź Szczepaniak C.: Transport w nowej epoce. Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej. Łódź Źródło: