Niewyważenie koła. Drgania. Rezonans (cz. 1)

Wyważenie koła jest kluczowe dla bezpieczeństwa, komfortu jazdy oraz trwałości podzespołów samochodu. Zapewnia równomierny rozkład masy wokół osi obrotu, co eliminuje drgania kierownicy, zapobiega przyspieszonemu zużyciu opon, amortyzatorów i łożysk oraz skraca drogę hamowania. Czy jednak samo wyważenie koła eliminuje wszystkie drgania?

Niewyważone koło nie jest jedyną przyczyną drgań. Koło nie jest idealnym geometrycznym monolitycznym okręgiem, lecz elementem pojazdu o dość złożonej konstrukcji.

Najprostszym sposobem uzyskania idealnego koła samochodowego wydaje się zakup dwóch fabrycznie nowych elementów: opony i obręczy koła wysokiej jakości, a potem ich prawidłowe połączenie i napompowanie. Niestety, po założeniu koła na samochodzie, podczas jazdy powstają drgania. Każda część posiada swoje tolerancje, obarczona jest błędem wykonania, czasami wadami produkcyjnymi.

Obecnie limity niewyważenia statycznego dla obręczy wynoszą 30 gramów. Do tego dochodzi niewyważenie opony złożonej z wielu warstw nie do końca jednorodnych materiałów. Dopuszczalne niewyważenie opony wynosi 40 g gramów na stronę, łącznie daje to 80 gramów dla całej opony. Te dwa elementy należy, tak ze sobą sparować, żeby niepożądane siły i ich momenty znosiły się wzajemnie. Dopuszczalne bicie promieniowe zmontowanego koła, nie powinno przekraczać 1 mm, a boczne - osiowe 1,3 mm.

Rys. Drgania od niewyważenia koła

Drgania mają wpływ na bezpieczeństwo jazdy i organizm człowieka. Niewyważenie statyczne, niewyważenie dynamiczne, niejednorodność materiałowa opony, uszkodzenia mechaniczne koła wywołują odczuwalne drgania.

Występują dwa rodzaje niewyważenia koła. Statyczne, kiedy środek masy nie leży na osi obrotu koła. Powstają drgania w płaszczyźnie pionowej. Ponieważ masa niewyważenia skupiona jest w jednym punkcie tego typu drgania nazywa się pierwszą harmoniczną. Oddziaływają jeden raz na obrót koła. Dynamiczne, kiedy centralna oś bezwładności nie leży na osi obrotu koła. Powstają momenty skręcające tzw. trzepotanie. Masa niewyważenia występuje w dwóch przeciwległych punktach na kole. Siły od niewyważenia pojawiają się dwukrotnie w czasie jednego obrotu. Te drgania nazywamy drugą harmoniczną.

Koło pojazdu samochodowego czy w sobie element sztywny - obręcz ze sprężystym - czyli oponą, to obszar możliwych przyczyn drgań w znacznym stopniu rozszerza. Odkształcenie promieniowe obręczy i nierównomierny rozkład sprężystości opony wprawia koło w cykliczne drgania, przedstawiane na ekranie wyważarki w postaci drgań harmonicznych, czyli powtarzających się przy każdym obrocie jednokrotnie (Pierwsza harmoniczna), dwukrotnie (Druga harmoniczna), trzykrotnie (Trzecia harmoniczna), czterokrotnie (Czwarta Harmoniczna) oraz całkowitego promieniowego odkształcenia.

W rezultacie, drgania koła mogą być spowodowane przez: niewyważenie statyczne, dynamiczne, maksymalne bezwzględne zróżnicowanie sztywności promieniowej opony tzw. wariację siły promieniowej, odkształconą obręcz koła, odkształconą oponę, błędy w montażu koła na wrzecionie wyważarki tzw. wadliwe centrowanie oraz dowolną kombinację wymienionych czynników.

Na przykład gdy koło jest niewyważone i jednocześnie krzywe widać tzw. bicie. Pojawiają się dwa różne źródła drgań, które mogą się nakładać. To dlatego czasem auto drży w sposób „falujący”, a nie równomierny.

Rodzaje bicia koła

Są dwa rodzaje bicia. Bicie promieniowe: koło jest lekko owalne → auto „podskakuje”. Bicie boczne - osiowe: obręcz koła jest krzywa na boki, separacja opasania opony → pojawia się kołysanie, trzepotanie kołem.

Drgania od niewyważenia statycznego

To zjawisko wynika z siły odśrodkowej. Występuje gdy:

• masa koła nie jest równomiernie rozłożona;
• powstaje siła odśrodkowa działająca na zewnątrz przy każdym obrocie;
• drgania są regularne i powtarzalne.

Drgania od krzywego koła (bicie promieniowe) -  pierwsza harmoniczna

Krzywe koło powoduje zmianę promienia dynamicznego podczas obrotu. Efekt jest odczuwalny, podobnie jak w przypadku niewyważenia statycznego. To z  kolei powoduje:

• cykliczne unoszenie i opuszczanie środka obrotu koła
• zmiany nacisku na zawieszenie.

Pojawienie się dwóch sił na jeden obrót koła, częstotliwość drgań podwojona -  to druga harmoniczna

Jeżeli jednocześnie występuje:

• bicie promieniowe lub niewyważenie statyczne koła
• bicie boczne, osiowe obręczy koła  lub niewyważenie dynamiczne koła

to powstają dwa wymuszenia:

1. siła odśrodkowa, pionowe wibracje;
2. siła boczna, trzepotanie, ściąganie.

Te drgania mogą:

• wzmacniać się;
• osłabiać;
• powodować efekt pulsowania drgań.

Stałe drgania pionowe - to niejednorodność materiałowa, bicie promieniowe, niewyważenie statyczne.

Falujące drganie osiowe, trzepotanie - to często krzywa obręcz koła lub uszkodzone opasanie opony, niewyważenie dynamiczne koła, stożkowatość opony.

Bicie opony rzędu jednego milimetra może powodować wyraźne drgania przy prędkości autostradowej. Układ kierowniczy działa jak wzmacniacz drgań. Dlatego niewyważone przednie koło częściej powoduje drżenie kierownicy niż całego fotela. Kierownica ma zwykle średnicę około 35-38 cm. Niewielkie wychylenie na końcu drążka kierowniczego powoduje większy ruch na obwodzie kierownicy. Tak działa ramię dźwigni, przekładnia mechaniczna, maszyny proste. Dlatego małe drgania przy kole mogą być wyraźnie odczuwalne w rękach kierowcy.

Jakie wyważarki?

Większość wyważarek wyważa koła statycznie i dynamicznie, rozpoznaje pierwszą i drugą harmoniczną pochodzącą od niewyważenia. Tylko wyważarki z testem drogowym dokonują pomiaru pierwszej, drugiej, trzeciej i czwartej harmonicznej promieniowego całkowitego odkształcenia opony (badanie niejednorodności materiałowej opony).

Zdjęcie nowej wyważarki Hunter Elite z testem drogowym

Do usuwania drgań pochodzących od kół stosuje się różnej konstrukcji wyważarki. Stacjonarne do kół samochodowych, spotykane w serwisach samochodowych, to niemal wyłącznie urządzenia podrezonansowe. Wynika to z faktu, że koło jest elementem o dużej masie, a wyważanie podrezonansowe pozwala na szybki pomiar bez czasochłonnej kalibracji dla każdego koła z osobna. 

Istnieje jednak specyficzna grupa urządzeń, które działają w sposób zbliżony do maszyn nadrezonansowych - są to tzw. wyważarki doważające tzw. „finish balans” (wyważanie kół na samochodzie). Urządzenia te mierzą drgania całego układu zawieszenia, który ma niską częstotliwość drgań własnych. Koło jest rozpędzane do wysokich obrotów bezpośrednio na aucie. Czujnik sejsmograficzny, umieszczony pod wahaczem mierzy drgania (wychylenia), co przypomina pomiar w maszynach nadrezonansowych. Pozwalają one wyeliminować drgania pochodzące nie tylko z samego koła, ale także z tarczy hamulcowej, piasty czy półosi. Jest to wyważanie w jednej płaszczyźnie pionowej, a więc tylko statyczne, całego układu jezdnego. Urządzenie zmienia częstotliwość drgań kompletnego układu jezdnego w zakresie mniej odczuwalnych dla człowieka. Zmiana pozycji koła względem piasty powoduje za każdym razem konieczność powtórnego wyrównoważenia całego zespołu jezdnego. Koło powinno być wcześniej wyważone na stacjonarnej wyważarce.

Zamiast szukać maszyny rezonansowej lub nadrezonansowej, nowoczesne serwisy oponiarskie używają zwykłej wyważarki z tzw. testem drogowym - Hunter Road Force. Symulują one nacisk, jaki wywiera 1/4 masy pojazdu (500 kg) na drogę przez koło, za pomocą specjalnej rolki dociskowej. Pozwalają wykryć nie tylko niewyważenie masowe, ale także zmienną sztywność opony i bicie obręczy koła. Eliminują drgania, których nie widzą standardowe maszyny, a które kierowca odczuwa jako "rezonans" podczas jazdy. Dokonują pomiaru pierwszej, drugiej, trzeciej a nawet czwartej harmonicznej dla opony, całkowitej wariacji siły (maksymalnej bezwzględnej siły promieniowej w wyniku zmiennej sztywności opony), pierwszej drugiej i trzeciej harmonicznej promieniowej wewnętrznej oraz zewnętrznej części  obręczy koła, całkowitego bicia promieniowego obręczy koła, pierwszej, drugiej i trzeciej harmonicznej dla odkształcenia bocznego - osiowego dla obręczy koła całkowitego poosiowego bicia obręczy od wewnętrznej i zewnętrznej części.

Rys. Interpretacja niewyważenia statycznego i dynamicznego

Optymalizacja

Nowoczesne wyważarki, sterowane mikroprocesorowo, zapewniają dużą dokładność pomiarów. Jednak sam proces wyważania dynamicznego nie spowoduje usunięcia drgań koła, jeśli wynikają one z wady kształtu obręczy, opony lub nierównomiernej sprężystości opony. Z tego powodu wyważarki wyposaża się w specjalne programy optymalizacji, tzw. „Matching”, które umożliwiają prawidłowe zamontowanie opony na obręczy oraz przy okazji redukują masę ciężarków wyważających.

Optymalizacja jest czynnością wstępną przed dynamicznym wyważeniem koła. W zależności od konstrukcji wyważarki rozróżniamy różne rodzaje optymalizacji koła:

1. Optymalizacja dynamiczna, tzw. wagowa. Sprowadza się do takiego sparowania - przesunięcia opony na obwodzie obręczy, aby niewyważenia występujące w tych elementach wzajemnie się znosiły. Program optymalizacji dynamicznej powinien być przeprowadzony w przypadku, gdy niewyważenie statyczne badanego koła przekracza wartość 30 gramów.
   Znane są dwie wersje programu optymalizacji dynamicznej. Pierwsza wersja dotyczy kompletnego koła. Druga wersja programu optymalizacji dynamicznej sprowadza się do zdjęcia opony z obręczy koła i sprawdzenia wyważenia samej obręczy. Jeżeli wartość niewyważenia statycznego obręczy koła nie przekracza 10 gramów, to wykonanie optymalizacji nie jest konieczne.
2.  Program minimalizacji bicia promieniowego. Ten program umożliwia pomiar bicia promieniowego obręczy i opony oraz takie wzajemne ułożenie tych elementów, aby zminimalizować bicie promieniowe. Wyważarka jest wyposażona w czujniki laserowe lub ultradźwiękowy sonar do określania bicia promieniowego koła. Najpierw mierzone jest bicie na całym obwodzie samej obręczy koła, a następnie na obwodzie opony zamontowanej już na obręczy. Uzyskujemy informację, o jaki kąt należy przesunąć oponę względem obręczy, aby zminimalizować wzajemne bicie promieniowe - uzyskać idealny kształt koła.
3.  Optymalizacja biegu swobodnego. Niektórzy producenci, jak np. Hunter, stosują w wyważarkach optymalizację biegu swobodnego, która umożliwia usunięcie ewentualnych drgań wyważonego koła wynikających z wady kształtu i nierównomiernej sprężystości opony - niejednorodności materiałowej. Firma Hunter zastosowała specjalny program, który umożliwia usunięcie ewentualnych wibracji wyważonego koła spowodowanych wadą kształtu lub nierównomierną sprężystością opony. Wyważarkę wyposażono w dodatkową rolkę pomiarową oraz program testu drogowego (Road Test). Dociskana rolka, tocząc się po oponie, pozwala ocenić zmiany wartości siły promieniowej (Force Variation) wywołane nierównomierną sprężystością opony i promieniowym błędem jej kształtu (Radial Force). Dodatkowe czujniki umożliwiają rejestrację bicia promieniowego i osiowego rantów obu stron samej obręczy. Po sprawdzeniu na ekranie monitora otrzymujemy informację, w jaki sposób należy obrócić oponę względem obręczy, aby zminimalizować wielkość maksymalnej bezwzględnej siły promieniowej.

Nawet najlepsza wyważarka nie zagwarantuje właściwego wyważenia koła bez zachowania staranności i procedur. Ale o tym już w kolejnej części artykułu „Niewyważenie koła. Drgania. Rezonans”, w majowym wydaniu Przeglądu Oponiarskiego.

Autor: Andrzej Weyssenhoff

Przegląd Oponiarski 4/243 (Kwiecień 2026)