EKSPERCI: Nie zawsze koła

Niechciane drgania i ich „niewiadome” źródła w autach (cz. 1)

Po wybraniu marki i modelu samochodu oraz wpisaniu danych kół możemy rozpocząć test. Baza danych zawiera wszystkie potrzebne parametry ważne w ruchu obrotowym elementów pojazdu, z których najważniejsze są przełożenia na poszczególnych biegach, przełożenie przekładni głównej, rozmiar kół. Zawiera też układ silnika, ilość cylindrów i rodzaj napędu. Wszystko to jest ważne, bo drgania generują elementy będące w ruchu obrotowym, bądź posuwisto-zwrotnym. Jeśli danego pojazdu nie ma w bazie, to trzeba brakujące parametry uzupełnić w oparciu o dane serwisowe. Najlepiej przed włączeniem zapisu pomiarów dokładnie odnotować prędkość i bieg, przy którym odczuwalne drgania są największe, bo to pozwoli nam skrócić badanie na przyrządzie. Podczas właściwego pomiaru doprowadzamy do właśnie tej prędkości, kiedy odczuwalność drgań jest największa. Z grubsza pochodzenie drgań można określić znając zakresy częstotliwości rezonansowych poszczególnych układów. Oprogramowanie rozróżnia trzy główne źródła: drgania pochodzące od kół, od silnika i od wału napędowego. Czasami, jak w naszym przykładzie (Toyota Yaris) tylko dwa, bo auto nie posiada wału napędowego.

W przypadku samochodu testowego największe drgania na kierownicy oraz podłogi w rejonie lewej stopy (na nadkolu obok pedału sprzęgła wystąpiły przy stałej prędkości 120 km/h (wskazanie licznika pojazdu) przy równym przyspieszaniu, (rys. 1 poniżej). Kolor czerwony na schemacie samochodu pokazuje symbolicznie, że przy bieżącej prędkości występują drgania pochodzące od kół (nie od silnika). Również nie od wału napędowego, którego ten samochód nie posiada. Wykres na (rys. 2 poniżej) obrazuje maksymalną amplitudę drgania i miejsce na osi czasu w trakcie pomiaru. Widać tu, że maksymalne drgania wystąpiły z amplitudą 0,140 g dla pierwszej harmonicznej i 0,048 g dla drugiej harmonicznej, drgania przy częstotliwości kół 17,1 Hz, co odpowiada zakresowi częstotliwości rezonansowych generowanych przez koła samochodu. Jednostka g jest przyspieszeniem ziemskim lub inaczej mówiąc ciążeniem ziemskim wynoszącym 1 g, równym 9,81 m/s². Zmierzona prędkość przez GPS wynosiła 117,6 km/h.

Rys. 1                                                                                                                       Rys. 2

Osoby orientujące się w temacie teorii drgań samochodu są w stanie opisać te drgania jako odczuwalne (> 0,1g), pochodzące od kół samochodowych 10 Hz < H1 < 20 Hz. H1 oznacza pierwszą harmoniczną drgania powstałą z rozwinięcia funkcji drgania rzeczywistego w ciągi drgań harmonicznych (okresowych, czyli powtarzających się cyklicznie np. 1, lub n- razy podczas jednego obrotu koła). Narzędziem matematycznym w tym przekształceniu jest tzw. rozwinięcie funkcji drgania w szereg Fouriera. Prędkość pojazdu jest również w tym zakresie, gdzie najczęściej odczuwalne są drgania spowodowane przez koła. Wynosi ona ok. 120 km/h (dokładnie 117,6 km/h) i wynika bezpośrednio z częstotliwości obrotu kół. Przebieg występowania drgań w całym czasie badania jest widoczny na wykresie, (rys. 3).

To jednak dla tych, jak mówi reklama: „… którzy się znają” (na rzeczy). Dlatego dla wszystkich jest prostsze rozwiązanie, mianowicie automatyczna diagnoza, jak na (rys. 4).

Rys. 3                                                                                                                       Rys. 4

Wskazuje ona jednoznacznie, że te największe drgania, dla tego przypadku są generowane przez koła i charakteryzuje je wartość pierwszej harmonicznej drgania, tutaj oznaczona jako  T1 (T od ang. Tires). Widać na ekranie małą podpowiedź: Jak naprawić usunąć te drgania („How do I fix...”)? Mała podpowiedź jest całą encyklopedią wiedzy… Zanim jednak zacznę analizować szczegółowo przyczyny chcę przypomnieć nieco informacji w postaci graficznej o trzech harmonicznych koła samochodowego. Rys. 5.

Rys. 5

Szczegółowych potencjalnych przyczyn drgań pochodzących „od kół” jest  osiem i są to:

1. Statyczne i dynamiczne niewyważenie koła.
2. Niejednorodna sztywność promieniowa opony.
3. Bicie promieniowe obręczy. Dopuszczalna wartość bicia w miejscu osadzenia stopki opony nie może przekroczyć 1,0 mm. Czasami poza skrzywieniem obręczy przyczyną może być niedokładne oczyszczenie miejsca styku opony z felgą.
4. Bicie promieniowe szpilek lub śrub mocujących koło. Ten przypadek można rozszerzyć o „rozbite” otwory na śruby w feldze mocujące obręcz do piasty. Tu maks. bicie nie może przekroczyć 0,25 mm.
5. Bicie promieniowe i osiowe osadzenia obręczy na piaście lub bicie piasty. Maksymalne bicie to 0,1 mm. Za to bicie często odpowiada zużyte łożysko piasty koła
6. Niewyważenie tarczy lub bębna hamulcowego.
7. Skrzywienie (bicie promieniowe i osiowe) tarczy hamulcowej.
8. Zużycie lub uszkodzenie przegubu napędowego półosi napędowej.

Narzędzia lub czynności w procesie usuwania drgań są następujące: Punkty 1,2,3,6,7 „załatwia” wyważarka z testem drogowym („rolką dociskową”) i pomiarem bicia promieniowego (i osiowego). Punkty 4 i 5 zweryfikujemy przy pomocy oględzin oraz czujników zegarowych z uchwytami i przystawkami do pomiaru bicia. Jeśli stwierdzimy hałasy, szarpanie półosi, widoczne skrzywienie, konieczna jest wymiana przegubu napędowego lub całej półosi z przegubami.

Rys. 6                                                                                                                       Rys. 7

Wracając do „naszego” przypadku wystarczyło dokładne wyważenie koła. W skrócie - użyte były za ciężkie o 50 gramów ciężarki. Jednak gdyby przyczyna była inna, to zwykłe wyważenie nic by nie dało. Czasami warto znać wszystkie przyczyny, a nie typować na zasadzie loterii. Poniżej z wykresów, rys. 6,7,8,9 wynika, że drgania nadal nie są równe zeru, ale zeszły do poziomu drgań nieodczuwalnych i nieszkodliwych: T2 max = 0,049 g przy 114,1 km/h i T1 max = 0,0385 g przy 126 km/h. Jak pokazuje nasz przykład, w wyważaniu i eliminacji drgań  zero absolutne, takie jak w pomiarach temperatury nie istnieje. Wynika to choćby z tolerancji wykonawczych obręczy, opon, piast, tarcz hamulcowych i bębnów, łożysk, skomplikowanych przegubów i półosi. Nie wspominam tu w ogóle o elementach zużytych lub uszkodzonych. Mimo wszystkich przeciwności uzyskaliśmy uspokojenie drgań pochodzących od kół do zakresu nieodczuwalnego i nieszkodliwego. 

Rys. 8                                                                                                                       Rys. 9

W artykule do badań wykorzystano informacje pochodzące od Vibrate Software Inc. USA.