Statyczne i dynamiczne wyważanie kół

kolo © Raven Media – Maciej Blum

Udostępnij:

Przeciętne koło samochodowe ma ok. 60 cm średnicy. To oznacza, że podczas jazdy z prędkością 50 km/h wykonuje (z dużym przybliżeniem) 7,5 obrotu na sekundę. Przy 100 km/h wartość ta wynosi 15 obr./s.

Z powyższych obliczeń bardzo łatwo wywnioskować, jakie czynniki będą wpływały na układ jezdny, kiedy koło będzie się charakteryzowało nierównomiernym rozkładem mas, czyli niewyważeniem. Przy każdym obrocie koła na układ jezdny będzie oddziaływała siła wywołana niewyważeniem obracającego się koła. Przy prędkości ok. 100 km/h częstotliwość tych drgań będzie wynosiła ok. 15 Hz (15 razy na sekundę).

Co to jest niewyważenie?

Niewyważenie jest masą nadwymiarową na obwodzie koła, powodującą przesunięcie środka ciężkości koła od jego osi o odległość „e”. To przesunięcie powoduje siłę unoszącą „F”, która rośnie wykładniczo razem z prędkością obrotową koła. Siłę unoszącą wylicza się ze wzoru:



F = m × r × ω2.

Wyraźnie widać tu zależność przyrostu siły w sposób liniowy od wzrostu masy i promienia koła. Natomiast wykładniczo siła ta rośnie wraz ze wzrostem prędkości kątowej koła (ω).

Przyczyną nierównomiernego biegu koła w pierwszej kolejności jest niewyważenie, które generuje siły unoszące podczas jego obracania. Jeśli niewyważenie zostanie zlikwidowane, siły unoszące także  zostaną zlikwidowane. Nierównomierność masy „m” na obwodzie koła „r” powoduje przesunięcie środka ciężkości „e”, co skutkuje powstaniem siły unoszącej „F”.
Przyczyną nierównomiernego biegu koła w pierwszej kolejności jest niewyważenie, które generuje siły unoszące podczas jego obracania. Jeśli niewyważenie zostanie zlikwidowane, siły unoszące także  zostaną zlikwidowane. Nierównomierność masy „m” na obwodzie koła „r” powoduje przesunięcie środka ciężkości „e”, co skutkuje powstaniem siły unoszącej „F”.Źródło: Hunter

Niewyważenie w przypadku kół samochodowych można podzielić na statyczne i dynamiczne. Ogólnie, w układzie, w którym jest pewność co do prawidłowego montażu koła na piaście oraz prawidłowego działania układu przeniesienia napędu i zawieszenia, drgania opony i koła mogą być spowodowane przez

  • niewyważenie,
  • odkształcenie obręczy
  • odkształcenie opony.

Drgania, które występują w układzie tylko jeden raz w cyklu – czyli jedna zmiana przypada na jeden obrót koła – określane są jako pierwsze drganie harmoniczne. Zmniejszyć wpływ pierwszego drgania harmonicznego, można poprzez złożenie ze sobą układu obręcz + opona w taki sposób, aby drganie harmoniczne obręczy było w przeciwfazie z drganiem harmonicznym opony, czyli po montażu efekt byłby najmniej odczuwalny.

pierwsze drganie harmoniczne
Drgania, które występują w układzie tylko jeden raz w cyklu (czyli jedna zmiana przypada na jeden obrót koła), określane są jako pierwsze drganie harmoniczne. Źródło: Hunter

Kolejnym drganiem jest druga harmoniczna, czyli drganie występujące dwa razy podczas jednego
obrotu koła. Może ona powstać na przykład podczas owalizacji obręczy lub opony. Częstotliwość tego drgania jest dwa razy większa niż w przypadku pierwszej harmonicznej.

Niewyważenie statyczne występuje wtedy, gdy masa koła rozłożona jest w sposób nierównomierny względem osi obrotu koła. Oznacza to tyle, że z jednej strony koła jest „więcej materiału”, a z drugiej może być go mniej. Podczas wprawiania takiego koła w ruch obrotowy okazuje się, że na ten nadmiar masy zaczyna działać siła bezwładności. Sprawia ona, że koło ma tendencję do odrywania się od jezdni, kiedy ta masa zbliża się do górnego położenia. Z kolei kiedy ten nadmiar masy mija górny punkt i zaczyna zbliżać się do jezdni, powoduje dodatkowe dociskanie koła do niej.

Przy prędkości obrotowej rzędu 15 obr./s cykl ten powtarza się z taką samą częstotliwością. W jednej sekundzie nadmiar ciężaru z jednej strony próbuje 15 razy oderwać koło od jezdni i 15 razy je do niej docisnąć. To zjawisko powoduje działanie dodatkowych sił na resztę układu zawieszenia, przenosząc się przez piastę koła, na której jest ono zawieszone. Dla kierowcy odczuwalne jest to jako drgania kierownicy i nadwozia. Powoduje też nierównomierne zużywanie się opony, ponieważ w jednym punkcie jest ona słabiej dociskana do jezdni, a w innym – mocniej.

Warto także wspomnieć o elementach zawieszenia, które mimo jazdy po płaskiej nawierzchni narażone są na drgania. Siły odrywające i dociskające koło do podłoża są nazywane siłami unoszenia. Ich wpływ na układ jezdny przedstawia wykres, na którym widzimy wpływ wielkości niewyważenia koła przy danej prędkości jazdy na wzrost siły unoszenia koła. Jak widać, wartości te wraz ze wzrostem prędkości rosną wykładniczo. Dodatkowo przedstawiono, w jaki sposób narasta nawet niewielkie wyważenie rzędu 20 gramów. Już przy 100 km/h potrafi wywołać siłę o wartości nawet 60 N (ok. 6,1 kg), odrywającą koło od jezdni.

Ponieważ siła powstająca na skutek niewyważenia jest siłą występującą cyklicznie, można mówić o zjawisku falowym. Każda fala wywołuje zjawisko rezonansu w określonym otoczeniu. Biorąc pod uwagę to, że opisywany przypadek dotyczy samochodu, siły unoszące wynikające z niewyważenia statycznego i dynamicznego rezonują przy różnych prędkościach.

I tak, niewyważenie statyczne doprowadza do rezonansu przy prędkości ok. 70–90 km/h i wtedy jest najbardziej odczuwalne. Powyżej tej prędkości odczuwanie tego zjawiska maleje. Ale nie na długo. Przy prędkości ok. 120–130 km/h zaczyna o sobie przypominać niewyważenie dynamiczne, wprowadzające układ koło + samochód w bardzo nieprzyjemny, a co ważniejsze, dość niebezpieczny przy tej prędkości rezonans.

wykres rezonansu krytycznego
Pierwszy rezonans krytyczny (S) objawia się przy prędkości ok. 70–90 km/h i jest wywołany niewyważeniem statycznym lub „skakaniem” koła. Drugi rezonans krytyczny (DYN.) pojawia się przy ok. 130 km/h i jest wywołany niewyważeniem dynamicznym lub biciem osiowym koła. Źródło: Hunter

Jak określić rodzaj niewyważenia?

Drgania kierownicy przy prędkości od ok. 70 do ok. 120 km/h są prawie zawsze spowodowane niewyważeniem kół przednich – kierowanych. Te drgania są wywołane przez niewyważenie statyczne lub bicie promieniowe koła. Wibracje karoserii odczuwane przy prędkości ok. 140 km/h pochodzą często od kół tylnych, które są niewyważone dynamicznie. Bardzo podobny efekt wywołuje bicie osiowe koła.

Niewyważenie dynamiczne powstaje wtedy, gdy koło ma przynajmniej jeden punkt niewyważenia statycznego, który znajduje się poza płaszczyzną prostopadłą do osi koła i przechodzi przez środek ciężkości koła. Te masy podczas obrotów koła działają jak para sił powodujących skręcanie koła, co jest odczuwalne jako szarpanie kierownicy. Ta para sił wywołuje efekt, jakby koło chciało jechać „zygzakiem” po nawierzchni. Niewyważenie dynamiczne jest odczuwalne nawet wtedy, gdy w sposób statyczny zostanie zlikwidowane.

Niewyważenie dynamiczne
Niewyważenie dynamiczne polega na tym, że rozłożenie masy na układzie felgi z oponą jest nierównomierne w odniesieniu do płaszczyzny przechodzącej przez środek ciężkości koła i prostopadłej do osi koła. Para sił pochodząca od dwóch nadmiarów materiału wprowadza koła w trzepotanie. Źródło: Hunter

Kolejnym czynnikiem wpływającym na drgania w układzie jezdnym jest niejednorodność sztywności opony, co objawia się wariacją siły promieniowej działającej na oś koła. Zjawisko to występuje w oponie na skutek nierównomiernej struktury samej opony lub w efekcie odkształcenia obręczy, na której dana opona jest założona.

Niejednorodność sztywności opony występuje w niej praktycznie zawsze, ale zawiera się w granicach niewpływających na użytkowanie pojazdu w przeciętnych warunkach drogowych i przy mniejszych prędkościach. Jest odczuwalna dopiero przy większych prędkościach i równej nawierzchni.

Określenie niejednorodności struktury opony możliwe jest tylko przez pomiar wariacji siły promieniowej, wykonany podczas testu na kole obciążonym. Oznacza to jedynie, że jest do wykrycia tylko na wyważarce wyposażonej w wałek dociskowy. Wałek ten symuluje toczenie się koła po asfalcie i jednocześnie dokonuje pomiaru niejednorodności sprężystości opony pod nominalnym obciążeniem użytkowym.

Pomiar jednorodności wykonuje się na maszynach zgodnych z normą SAE-J332, stosowaną w przemyśle oponiarskim. Norma ta określa, jakie maszyny mają być wykorzystane do badania tej własności oraz w jaki sposób mają być przeprowadzone testy.

Jak się mierzy niewyważenie?



Wyważenie statyczne może być przeprowadzone na dowolnym przedmiocie, który jest podparty w jednym punkcie. Nie musi być to przedmiot okrągły. Wystarczy, że jego środek ciężkości zostanie sprowadzony do punktu, w którym występuje podparcie. Najprościej rzecz ujmując – wyważenie statyczne polega na przywróceniu układowi równowagi przez miejscowe obciążenie ciężarkiem lub usunięcie nadmiaru materiału, który układ przeważa.

Wyważenie dynamiczne polega na takim dobraniu ciężarka, aby zniwelować moment skręcający oś koła i wywołujący drgania. Często wyważenie statyczne nie usuwa wyważenia dynamicznego, ponieważ na obręczy mogą znajdować się dwa ciężkie punkty po przeciwnych stronach. Te punkty statycznie się równoważą, a dynamicznie podczas wprawienia koła w ruch obrotowy tworzą znaczne wzrosty bezwładności, czyli momenty szarpiące osią, na której koło się obraca.

Pomiar zmian siły promieniowej polega na obciążeniu koła rolką dociskową i pomiarze zmian sił docisku rolki do opony. Ten pomiar pozwala określić nierównomierność siły dla zestawu felga + opona. Na wynik pomiaru wpływa bicie promieniowe felgi oraz niejednorodność sprężystości opony. Pomiar bicia pod obciążeniem symuluje test drogowy przez obciążenie koła rolką.

Działanie siły promieniowej można zobrazować jako zbiór sprężyn decydujących o równomiernym rozłożeniu bieżnika względem środka koła. Jeśli któreś z nich będą miały mniejszą siłę, to podczas najechania na nie opona będzie się bardziej uginała, co spowoduje przesunięcie osi pojazdu. Takie zjawisko podczas jazdy będzie odczuwalne jako drgania.

Pomiar sił osiowych polega też na obciążeniu opony rolką ze stałym naciskiem. W trakcie obrotu koła mierzona jest siła działająca wzdłuż osi. Teoretycznie nie powinna ona występować, ale praktycznie zawsze występuje. To ta siła wpływa na ściąganie samochodu podczas jazdy na wprost. W trakcie pomiaru mierzone są siły poosiowe przy obrotach lewych i prawych. To pozwala określić nie tylko wartość siły, ale także stożkowość opony. Pomiar ten pozwala skompletować opony w taki sposób, aby na jednej osi siły osiowe się zerowały.

Dodatkowo można określić w ten sposób wpływ warstw wewnętrznych opony na generowanie sił poprzecznych. Okazuje się, że ułożone skośnie warstwy dość znacząco wpływają na ściąganie boczne opony. Reguła jest taka, że ułożenie ostatniej warstwy ma decydujący wpływ na siłę ściągania bocznego podczas toczenia się koła po płaskiej nawierzchni.

Wpływ ułożenia ostatniej warstwy opasania w oponie jest też zauważalny jako siła ściągająca. Podczas pomiaru z rolką dociskową można określić jej wielkość i ewentualnie sparować opony na jednej osi tak, aby siły te się równoważyły.

Udostępnij:

Drukuj



Maciej Blum

Redaktor naczelny miesięcznika „autoEXPERT”




TOP w kategorii






Chcesz otrzymać nasze czasopismo?
Zamów prenumeratę
Zobacz również