Fot. Hunter, Saxon, archiwum

Badania zawieszeń w samochodach

Prawidłowo działające zawieszenia samochodu muszą reagować elastycznie na napotykane przez koła nierówności nawierzchni drogi i wygaszać wywołane nimi drgania mas resorowanych i nieresorowanych.

W zawieszeniu samochodu wyróżniamy elementy: sprężyste (resory piórowe, sprężyny śrubowe, drążki skrętne, poduszki pneumatyczne); tłumiące (tłumiki cierne, hydrauliczne, pneumatyczno-hydrauliczne, pneumatyczne); prowadzące (wahacze, drążki reakcyjne) i ograniczniki ruchu (zarówno podczas ugięcia, jak i rozprężania).

Badanie kompletnego zawieszenia obejmuje sprawdzenie:

• oporów tarcia związanych z ugięciem i rozprężaniem;
• luzów połączeń (sworzniowych, przegubowych i łożysk);
• stanu elementów sprężystych;
• stanu amortyzatorów.

Opory tarcia towarzyszące pracy zawieszenia i elastyczność jego elementów sprężystych nie mogą przekraczać dopuszczalnych wartości, określonych przez producenta samochodu. Wyznacza się je przez pomiar ugięcia zawieszenia (czyli na przykład zmiany odległości środka koła od krawędzi nadkola) pod wpływem znanego obciążenia pionowego i czasu, w którym ta zmiana następuje. Szybkość zmian jest odwrotnie proporcjonalna do wartości tarcia, skok ugięcia zaś – odwrotnie proporcjonalny do sztywności elementu sprężystego. Różnica sztywności obu zawieszeń jednej osi nie może przekraczać 10%.

Luzy w połączeniach ocenia się w trakcie oględzin zawieszeń poddawanych działaniu tzw. szarpaków.

Organoleptyczna kontrola elementów tłumiących polega na sprawdzeniu stanu ich zamocowania, kompletności i szczelności (ewentualna obecność wycieków) amortyzatorów hydraulicznych. Przed przystąpieniem do oceny działania amortyzatorów należy usunąć luzy w całej konstrukcji zawieszenia i doprowadzić ciśnienie w ogumieniu kół do wartości zalecanej przez producenta pojazdu.

Jakość samego tłumienia można badać metodą drgań swobodnych albo metodą drgań wymuszonych. Pierwsza z nich polega na wprowadzaniu w ruch drgający kół jednej osi, za pomocą wymuszenia jednoimpulsowego. Można to osiągnąć, przeciągając tę oś (przednią lub tylną) przez nierówność w kształcie klina, stąd nazwa metody „zrzut z klina”. Badanie to wykonuje się dla obu kół danej osi.

Stan amortyzatorów ocenia się na podstawie porównania liczby zarejestrowanych półokresów drgań nadwozia z wynikami wzorcowymi dla tego modelu pojazdu. W innych wariantach tej metody drgania wymusza się przez raptowne opuszczenie płyty najazdowej spod badanego koła lub przez nagłe odciążenie obciążonego wcześniej przodu bądź tyłu nadwozia. Stan amortyzatorów określa się podobnie, jak w poprzednim wariancie. Metoda drgań swobodnych jest mało dokładna, wręcz orientacyjna. Uzyskiwana tu częstotliwość drgań zawiera się w granicach 0,7-1,5 Hz, a kryterium oceny jakości amortyzatorów jest liczba oraz szybkość zanikania półokresów drgań. Zakres uzyskiwanych tu częstotliwości nie powoduje powstawania drgań rezonansowych będących skutkiem oddziaływania mas nieresorowanych na resorowane i mających bardzo istotne znacznie dla komfortu oraz stabilności ruchu pojazdu, czyli bezpieczeństwa jazdy.

W metodzie drgań wymuszonych ruch zawieszenia wywoływany jest całą sekwencją impulsów powtarzających się z określoną częstotliwością. Pozwala to uwzględnić w badaniach fakt, iż amortyzator hydrauliczny charakteryzuje się różnymi wartościami siły tłumienia przy ściskaniu i odprężaniu zawieszenia, mimo identycznych w obu wypadkach prędkości ruchu jego tłoka. Komfort jazdy wymaga, by ruch koła w dół podczas przejeżdżania przez nierówność wklęsłą nie powodował przemieszczenia się całego nadwozia. Siła tłumienia musi być więc na tyle duża, aby powstrzymywać wpadanie koła do zagłębienia jezdni. Z kolei na nierówności wypukłej ruch koła w górę nie może powodować unoszenia nadwozia, czyli siła tłumienia powinna być odpowiednio mała. Inne jednak wymogi, dotyczące charakterystyki amortyzatora, wynikają z kwestii bezpieczeństwa jazdy. Stabilność ruchu pojazdu zależy bowiem od zachowania optymalnej przyczepności pomiędzy bieżnikami kół a nawierzchnią jezdni. Przyczepność rośnie wraz z pionowym obciążeniem koła, więc wszelkie jego zmiany na skutek oddziaływania nierówności drogi mają na bezpieczeństwo jazdy wpływ negatywny. Dlatego w nowoczesnych amortyzatorach klasyczną konstrukcję hydrauliczną uzupełnia gazowy element sprężysty, zwiększający pionową sztywność zawieszenia. Do badań takich amortyzatorów metoda drgań swobodnych okazała się całkowicie nieprzydatna.

Pierwszą konstrukcją testera pracującego metodą drgań wymuszonych było urządzenie oprac owane przez firmę BOGE. Badanie polega w nim na wymuszeniu drgań koła spoczywającego na płycie najazdowej stanowiska diagnostycznego o częstotliwości wyższej od rezonansowej (częstotliwość początkowa 15 Hz przy skoku 9 mm). Po wyłączeniu wymuszenia następuje zanikanie drgań tłumionych przez amortyzator. Rejestrowany jest przebieg częstotliwości drgań i oddziaływanie mas nieresorowanych na resorowane. Przy częstotliwościach rezonansowych następuje gwałtowny wzrost amplitudy drgań. Im jest on większy, tym słabszym tłumieniem charakteryzuje się badany amortyzator.

Rezultatem badań jest wykres przebiegu wielkości amplitudy przemieszczeń tłoka amortyzatora w funkcji czasu. Można na nim wyróżnić trzy zakresy:

1. uzyskany bezpośrednio po wyłączeniu wymuszenia, gdy amplituda stopniowo rośnie przy jednoczesnym spadku częstotliwości,
2. drgań rezonansowych, w których amplituda zdecydowanie rośnie (zaznaczono tu jej maksymalną wielkość Amax charakteryzującą stan amortyzatora),
3. zanikania drgań, gdzie zarówno częstotliwości, jak i amplituda maleją do zera. Ocenę amortyzatora przeprowadza się według następującego kryterium: gdy Amax < Agr, wówczas uznaje się go za dobry, gdy Amax > Agr, uznaje się go za niesprawny, przy czym Agr jest graniczną wartością amplitudy, po przekroczeniu której amortyzator uznaje się za niesprawny. Metoda BOGE posiada tę niedogodność, że trzeba dysponować aktualnymi danymi o granicznej wartości amplitudy odnośnie każdego zamontowanego w zawieszeniu amortyzatora. Obecnie w stacjach kontroli pojazdów testy oparte na drganiach wymuszonych prowadzone są systemem zmiennej częstotliwości wymuszenia, opracowanym przez Europejski Związek Producentów Amortyzatorów (EUSAMA). Polega on na kinematycznym pobudzeniu badanego koła do drgań harmonicznych o stałej amplitudzie i wybranej częstotliwości początkowej, wyższej od częstotliwości drgań własnych zawieszeń i kół. Po wyłączeniu napędu wymuszającego następuje wygasanie drgań. Podstawą oceny stanu amortyzatora jest wyrażony w procentach stosunek minimalnej wartości nacisku koła na płytę wymuszającą drgania do statycznego nacisku tego koła na podłoże.

Procedura pomiaru wg EUSAMA jest następująca:

1. Każde z kół pojazdu powinno być poddane osobno pionowym drganiom harmonicznym o amplitudzie 6 mm, wymuszonym kinematycznie.
2. Drgania płyty, na której spoczywa koło, powinny być wzbudzane przez około 5 sekund, do uzyskania częstotliwości 24 Hz.
3. Po uzyskaniu wymaganej częstotliwości wymuszeń należy je wyłączyć, by płyta wraz z kołem podlegała drganiom gasnącym aż do całkowitego ich zaniku. W czasie wygasania drgań powinna wystąpić częstotliwość rezonansowa danego zawieszenia, która dla samochodów osobowych wynosi 10-17 Hz.
4. Podczas drgań gasnących mierzona jest siła docisku koła do płyty, a zakres jej zmian jest podstawą oceny stanu amortyzatora, według podanej wyżej zależności.
5. Należy zwrócić uwagę, czy w zawieszeniu nie występuje nadmierne tarcie, gdyż może ono sprawić, że największe odchylenia wartości nacisku koła nie wystąpią podczas rezonansu.

^{Pomiar stanu zawieszenia metodą EUSAMA (FWT 2000)}

Interpretacja wyników badań metodą EUSAMA:

• akryt. <= 61% – kontakt dynamiczny koła z podłożem jest bardzo dobry, co oznacza bardzo dobrą skuteczność tłumienia;
• 41% <= akryt. <= 60% – dobra skuteczność tłumienia;
• 21% <= akryt. <= 40% – średnia skuteczność tłumienia;
• 1% <= akryt. <= 20% – niedostateczna skuteczność tłumienia, konieczność wymiany amortyzatora.

Różnica między wskaźnikami dla prawego i lewego koła tej samej osi nie może przekraczać 20%.

Wartości wskaźnika EUSAMA nie osiągają 100%, ponieważ taka wartość występuje przy zawieszeniu całkowicie sztywnym. Dla nowych amortyzatorów wskaźnik ten wynosi około 80%. Należy jednak zaznaczyć, że w małych samochodach z przednim napędem nowe amortyzatory tylne osiągają wskaźnik akryt około 30%.

Różne wersje zawieszeń oraz ciągle zmieniające się parametry konstrukcyjne pojazdów sprawiają, że ocena ich stanu technicznego wymaga ciągłej aktualizacji bazy danych. W metodzie EUSAMA oraz zmodyfikowanej metodzie BOGE dokonuje się tego przez wprowadzanie określonych algorytmów przeliczeń wyników pomiaru , co znacznie skraca procedurę diagnozowania.

_{W artykule wykorzystano materiały firm: Saxon i Hunter}

Tweet

Leszek A. Stricker
Politechnika Wrocławska