Hałas i wibracje to usterki, które zazwyczaj występują wyłącznie w określonych warunkach. Tym trudniejsza jest ich diagnostyka, im okoliczności ich występowania są cięższe do powtórzenia. Często też odczucia empiryczne mogą wprowadzać w błąd i zwracać uwagę kierowcy lub mechanika w złym kierunku. W diagnostyce tego typu usterek przydatnym narzędziem jest oscyloskop wyposażony w odpowiedni osprzęt. W jaki sposób odkryć powód wibracji czy hałasu za pomocą oscyloskopu?

Hałas, wibracja i obniżony komfortu jazdy – wielka trójca wyzwań dla diagnosty

Hałas, wibracje i obniżony komfort podróżowania zostały sklasyfikowane w ramach jednej grupy usterek. W języku angielskim te objawy nazywane są Noise, Vibration, Harshness, czyli w skrócie NVH. Jest to międzynarodowy skrót stosowany nie tylko przy diagnostyce, ale także w procesie projektowania nowych samochodów i części zamiennych.

W pierwszej kolejności należy przyjrzeć się każdemu z tych objawów indywidualnie:

Hałas: Ponadnormatywne dźwięki słyszalne dla kierowcy podczas pracy silnika lub poruszania się mogą być skutkiem niezliczonej ilości usterek, zaczynając od zużytych części zawieszenia przez usterki silnika i układu napędowego aż po odgłosy karoserii czy akcesoriów montowany na zewnątrz auta. Zdarza się, że ludzkie ucho zawodzi i usterka znajduje się w innym miejscu, niż wskazują odczucia słuchowe.

Wibracje: W znakomitej większości przypadków wibracja występuje tylko, gdy zaistnieją określone warunki. Wibracja najczęściej jest skutkiem poruszania się, któregoś z podzespołów samochodu w orientacji poziomej lub pionowej, podczas gdy jego naturalnym ruchem jest ruch wirowy. W zależności od tego, która z części samochodu generuje wibracje, będą one odczuwane na kierownicy lub na karoserii samochodu.

Obniżony komfort jazdy: Jest to najbardziej subiektywna cecha z omawianego zestawu, która może okazać się najtrudniejsza do zdiagnozowania. Trudność w diagnozie wynikała będzie z braku znajomości wejściowego poziomu komfortu zaprojektowanego przez producenta. Może zdarzyć się, że kierowca po zakupie używanego samochodu będzie uważał, że coś nie jest tak, jak być powinno np. zawieszenie nie reaguje na nierówności drogi tak jak mógłby tego oczekiwać. Z kolei diagnosta czy mechanik, który zajmuje się wykrywaniem usterek w szerokiej gamie samochodów, nie ma możliwość poznania oryginalnych właściwości jezdnych wszystkich z nich.

W poniższym artykule przedstawiony zostanie sposób na diagnostykę wibracji i dźwięków przy pomocy oscyloskopu.

Oscyloskop w służbie diagnostyki niepożądanych dźwięków i wibracji

Dźwięk i wibracje są w zasadzie dokładnie tym samym zjawiskiem, a jedyna różnica wynika ze sposobu, w jaki człowiek ich doświadcza. Dźwięk nie jest wszakże niczym innym niż wibracją o stosunkowo wysokiej częstotliwości. Z uwagi na ten fakt źródło pochodzenia dźwięku czy wibracji może być dokładnie takie samo. Pozwala to na zastosowanie tych samych narzędzi diagnostycznych do odnalezienia źródła dźwięku, jak i wibracji. Zakres odczytywanych częstotliwości jest podyktowany rodzajem czujników, jakie zostaną zastosowane.

Aby używać oscyloskopu do lokalizowania źródła dźwięku, należy wyposażyć się w mikrofony lub akcelerometry przystosowane do wykrywania wibracji o szerokim zakresie częstotliwości. W diagnostyce samochodowej najczęściej stosowane są trzy typy akcelerometrów: piezoelektryczne, MEMS oraz optyczne. Każdy z wymienionych czujników ma swoje wady, a także zalety.

Akcelerometr piezoelektryczny: ten rodzaj czujnika cechuje się najniższą dokładnością, a także najniższą ceną. Dobrze sprawdzi się on, gdy wibracja, której źródło staramy się znaleźć, jest o odpowiednio dużej amplitudzie oraz częstotliwości. Może on nie być jednak wystarczająco dobry, aby wykryć źródło wibracji, która objawia się wyłącznie w postaci dźwięku.

Akcelerometr MEMS: jest to zaawansowany czujnik drgań, który pozwala na dużo dokładniejsze wykrywanie drgań w większym zakresie częstotliwości niż akcelerometr piezoelektryczny. Skrót MEMS oznacza mikro-elektro-mechaniczny-układ (microelectromechanical system). Czujnik ten zbudowany jest z ruchomego elementu umocowanego na sprężynach, który porusza się względem nieruchomej podstawy. Ruch elementu zawieszonego a sprężynach powoduje zmianę napięcia, która odzwierciedla amplitudę drgań. Rozwiązanie to zapewnia dużo dokładniejsze odczyty od akcelerometrów piezoelektrycznych, jednak łączy się to ze znacznie wyższą ceną.

Akcelerometr optyczny: czujnik wstrząsów wykorzystujący wiązkę światła jest najbardziej zaawansowanym urządzeniem, które może zostać wykorzystane przy diagnostyce NVH. Dzięki zastosowaniu technologii optycznej można zrezygnować z wykorzystania mikrofonów do detekcji wibracji o najwyższych częstotliwościach, a jednocześnie są one zdolne do wykrywania drgań o bardzo niskiej częstotliwości. Jak łatwo można się domyślić, wraz z zaawansowaniem technologicznym wzrasta koszt zakupu takiego urządzenia, jednak ceny oscylują w podobnym przedziale co ceny czujników typu MEMS.

Swoim doświadczeniem z czujnikami podzielił się z nami Adam Kamiński z firmy AK TECH, doktorant Politechniki Wrocławskiej, który zajmuje się profesjonalną diagnostyką NVH przy użyciu oscyloskopu.

– Swoją pracę jako diagnosta, w zakresie diagnostyki NVH, opieram o czujniki piezo elektryczne oraz czujniki optyczne. W zastosowaniach, w których interesuje mnie jedynie wartość względna, porównawcza, bądź drgania są bardzo wyczuwalne, stosuję czujniki piezo, ze względu na łatwość montażu i brak potrzeby dodatkowego ich zasilania. W przypadkach bardziej skomplikowanych, niezastąpione stają się czujniki optyczne, których wyniki reprezentują faktyczne wartości przyśpieszeń, a ich pasmo charakterystyki jest płaskie, w zakresie ich pracy. ( W zastosowaniach automotive zazwyczaj 0 – 300 Hz, rzadziej 0 – 1000 Hz) – mówi Adam Kamiński.

Jak diagnozować usterki przy użyciu oscyloskopu z akcelerometrami?

Ze względu na subiektywność odczuć podczas jazdy, mechanik lub diagnosta mogą nie zwrócić uwagi na pewne odgłosy czy wibracje podczas jazdy. Z kolei kierowca, który użytkuje dany samochód codziennie, bez problemu zaobserwuje zmianę w zachowaniu samochodu taką jak nowa wibracja czy niecodzienny dźwięk. Aby skutecznie wykryć taką usterkę, niezbędne jest skorzystanie ze specjalistycznej aparatury. Poniżej przedstawione zostaną podstawowe aspekty pracy z czujnikami wstrząsów i oscyloskopem.

Zapoznanie się z punktem widzenia klienta

Pierwszym i najważniejszym etapem diagnostyki wibracji lub hałasu jest szczegółowy wywiad z klientem. Ponieważ to klient przyjeżdża z usterką, której chce się pozbyć, nikt inny nie będzie wiedział lepiej, w czym tkwi problem. Zdarza się również tak, że klient dopiero poznaje swój samochód. W takim przypadku może on jako usterkę identyfikować prawidłową pracę podzespołów, odmienną od jego poprzedniego samochodu. Należy dowiedzieć się od klienta kilku ważnych rzeczy:

• Jaki charakter mają objawy? (opis subiektywnych odczuć: siła drgań, głośność czy rodzaj hałasu)
• W którym obszarze samochodu klient spodziewa się usterki?
• W jakich okolicznościach następują dokuczliwe objawy? (Prędkość, czynność np. skręcanie, hamowanie lub przyspieszanie)
• Czy objawy występują za każdym razem?
• Od jak dawna niedogodność jest wyczuwalna?

Następnie zalecana jest przejażdżka z klientem, podczas której wskaże on, który z aspektów prowadzenia samochodu jest w jego ocenie uporczywy. Pozwoli to osobie, która go obsługuje dokładnie zrozumieć problem i prawidłowo ukierunkować swoje działania w dalszej diagnostyce.

 – Tak jak charakterystyka słuchu każdego człowieka, tak i sposób odczuwania wibracji jest rzeczą wielce indywidualną. Z tego względu kluczowym aspektem jest doświadczenie diagnosty. W zależności od konstrukcji pojazdu (rama, karoseria-samonośna, monoblok itp.), czy rodzaju zastosowanego zawieszenia (wielo-wahaczowe, SLA, nożycowe, itp.), niektóre wibracje i kolejne ich harmoniczne są naturalną wypadkową konstrukcji i często ich usunięcie jest niemożliwe bez poważniejszych ingerencji. Z tego względu pierwszym etapem, tuż po rozmowie z klientem, jest odseparowanie wibracji występujących naturalnie oraz tych powstałych w wyniku rozmaitych usterek – dodaje Adam Kamiński.

Diagnostyka przy użyciu oscyloskopu

Pierwszym krokiem do skutecznego zdiagnozowania źródła wibracji przy użyciu oscyloskopu jest prawidłowe umieszczenie akcelerometrów. Czysto teoretycznie przeprowadzenie diagnostyki NVH jest możliwe przy użyciu wyłącznie jednego czujnika wibracji. Zdecydowaną wadą takiego rozwiązania będzie znacznie dłuższy czas potrzebny na zlokalizowanie źródła wibracji. Poniżej przedstawiona zostanie diagnostyka przy użyciu dwóch akcelerometrów.

1. Gdzie umieścić pierwszy z akcelerometrów?
   Jako że kierowca jest zazwyczaj osobą, która zauważa drgania podczas jazdy, pierwszy z pomiarów akcelerometrem powinien zostać wykonany na stelażu fotela kierowcy. Odczyt z tego czujnika będzie od teraz wartością referencyjną. Zapis odczytu akcelerometru z jazdy może dostarczyć diagnoście pierwsze ważne informacje. Dane z tego odczytu umożliwią ustalenie częstotliwości oraz siły drgań. Producent samochodu w instrukcji serwisowej często określa jaka częstotliwość wyrażana w Hertzach (Hz) odpowiada konkretnym częściom wirującym w samochodzie przy określonych prędkościach. Jeżeli defekt powoduje silniejszą wibrację raz na każdy obrót danej części, dalsze poszukiwania mogą zostać znacznie przyspieszone.
2. Ustalenie pozycji drugiego z akcelerometrów
   Po zapoznaniu się z wartością referencyjną należy zacząć poszukiwania źródła wibracji. Aby skutecznie zidentyfikować wadliwy element, należy przeprowadzić pomiary w co najmniej trzech dodatkowych punktach samochodu. W celu powtarzalności pomiaru, za każdym razem powinno się przejechać dokładnie ten sam fragment drogi podczas jazdy testowej. Załóżmy, że pierwszy pomiar drugim akcelerometrem przeprowadzony został w komorze silnika, w okolicy kielicha prawego amortyzatora. Odczyt z tego punku niemal na pewno będzie intensywniejszy niż z wnętrza samochodu. Jest tak, ponieważ przestrzeń pasażerska jest wytłumiana w celu zapewnienia jak najwyższego komfortu. Nie można w tym momencie pod żadnym pozorem stwierdzić, że silniejszy odczyt udowadnia usterkę w tej okolicy. Kolejna lokalizacja, w której powinno się przeprowadzić odczyt to tył samochodu. Porównanie wyników drugiego i trzeciego pomiaru umożliwi stwierdzenie, czy usterka zlokalizowana jest z przodu czy z tyłu samochodu. Zakładając, że odczyty wskazały silniejsze wibracje w przedniej części samochodu, ostatni z pomiarów należy przeprowadzić na przednim lewym kielichu amortyzatora. Dzięki tej serii pomiarów ograniczony został obszar, w którym należy spodziewać się usterki.
3. Poszukiwanie dokładnej lokalizacji awarii
   Na tym etapie diagnostyki kluczowe będą dwa aspekty: wiedza i doświadczenie. Niezbędna będzie zarówno wiedza dotycząca diagnostyki oscyloskopowej oraz o konstrukcji samochodu. Aby zobrazować końcowy etap diagnostyki, Adam Kamiński przedstawił kilka przykładów ze swojego doświadczenia:

 – Dobrym przykładem dla przedstawienia skuteczności opisywanego podejścia diagnostycznego, jest przykład diagnostyki wibracji przeprowadzonej na pojeździe, opartym na ramie, Ford Explorer 2006 4.6l V8. Podczas jazdy z prędkościami 100 – 120 km/h słyszalne było buczenie, które maskowało odczuwanie wibracji. Do badania zastosowane zostały dwa czujniki piezo + mikrofon. Poniżej wykres w domenie częstotliwości przy jeździe z prędkością 110 km/h z podstawowymi obliczeniami.

Wykres przedstawia wskazania obu czujników, zamontowanych kolejno na mocowaniach pierwszego i drugiego rzędu siedzeń. Wartości częstotliwości wskazywane przez czujniki pokrywały się ze sobą, natomiast czujnik zamontowany na drugim rzędzie siedzeń wskazywał wyższe wartości wibracji.

Analiza foniczna, potwierdziła występowanie problemu w okolicach 47 Hz. Obliczenia wskazywały, że wibracje pochodzą prawdopodobnie z wałów. Natomiast wysokie odczyty czujnika przedniego naprowadzały na możliwość istnienia drugiej skorelowanej usterki. Po inspekcji okazało się, że wał tylny posiadał niedoważenie, blisko końca mocowania z mostem, co było przyczyną uszkodzenia łożyska wyjściowego reduktora wraz z wybiciem gniazda łożyska. W związku z powyższym obserwowaliśmy wysokie wskazania na obu czujnikach. Po naprawie wymienionych usterek pojazd przestał generować hałas i jakiekolwiek wibracje.

Tematyka diagnostyki NVH przy użyciu oscyloskopu jest pojęciem tak obszernym, że nie sposób ująć wszystkich jej aspektów w jednym artykule. Przedstawiona metodyka jest jedynie wprowadzeniem w oscyloskopową diagnostykę NVH. Należy pamiętać że nauka tej technologii jest zajęciem wymagającym, a ponadto, jak wyraźnie zaznaczył p. Kamiński, nic nie będzie w stanie zastąpić doświadczenia.