Najnowsze rozwiązania konstrukcyjne urządzeń do pomiaru geometrii kół pracujące w systemie pomiaru 3D

Zadaniem układu kierowniczego pojazdu jest samoczynne utrzymywanie kierunku jazdy przy wyprostowanych kołach, toczenie się kół kierowanych bez poślizgu przy skręcie oraz ich samoczynny powrót do pozycji jazdy na wprost po wykonanym skręcie. Ma to istotny wpływ na bezpieczeństwo zarówno pojazdu, jak również i innych użytkowników ruchu drogowego. Realizowanie przez układ kierowniczy tych zadań możliwe jest poprzez nadanie poszczególnym elementom układu kierowniczego oraz układu zawieszenia odpowiednich parametrów konstrukcyjnych ich ustawienia.

Zespół wszystkich parametrów ustawienia względem siebie poszczególnych elementów układu kierowniczego określanych jest geometrią ustawienia kół i osi pojazdu. Wpływ na zachowanie się pojazdu w trakcie jazdy ma zarówno kinematyka zawieszenia, czyli zmiana ustawienia kół przy pionowych ruchach nadwozia i jego poprzecznych przechyłach kątowych, jak również i elastokinematyka, czyli przemieszczanie kół pod wpływem występujących w śladzie opony sił wzdłużnych i poprzecznych . Dlatego też projektanci i konstruktorzy pojazdów samochodowych określają wymagane w trakcie eksploatacji wartości poszczególnych kątów ustawienia kół wraz z dopuszczalnymi odchyłkami od wartości nominalnych.

W związku z tym nawet nieznaczne zmiany wartości poszczególnych wielkości charakteryzujących geometrię ustawienia kół i osi mają istotny wpływ na tzw. kierowalność pojazdem, muszą być one okresowo sprawdzane i w razie potrzeby poddawane regulacji. Do przeprowadzenia pomiarów poszczególnych wielkości charakteryzujących geometrię ustawienia kół i osi pojazdów konieczne jest posiadanie specjalistycznego urządzenia kontrolno-pomiarowego oraz odpowiednio przygotowanego stanowiska diagnostycznego. Stanowisko kontrolno-pomiarowe musi zapewniać odpowiednią płaskość i zachowanie poziomu jednocześnie dla wszystkich czterech punktów podparcia pojazdu. Wymogi te spełnia zgodnie z zaleceniami przygotowany kanał wraz z ławą pomiarową, a także diagnostyczny podnośnik czterokolumnowy lub nożycowy. Stanowisko kontrolno-pomiarowe musi być wyposażone w obrotnice pod przednie koła i płyty rozprężne pod tylne koła.

Dotychczas wykorzystywane metody i urządzenia pomiarowe parametrów geometrii ustawienia kół i osi pojazdów samochodowych wymuszały wykonywanie przez dokonującego tą czynność diagnostę szeregu różnych czasochłonnych czynności. Ich realizacja była podstawą warunkującą otrzymanie prawidłowych i w pełni wiarygodnych wyników mierzonych parametrów. W praktyce warsztatowej, najczęściej z powodu chęci skrócenia czasu wykonywania całego procesu pomiarowego, lecz również w związku z brakiem dostatecznej wiedzy na temat samej metodologii pomiaru, czy zbyt małej rzetelności i sumienności diagnosty w trakcie pomiaru, czynności te realizowane były ze zbyt małą dokładnością, powodującą otrzymywanie nie do końca poprawnych, a w niektórych przypadkach nawet i błędnych wyników.

Wszystkie stosowane wcześniej konstrukcje urządzeń do kontroli i pomiaru parametrów geometrii ustawienia kół i osi pojazdów wymagały zapewnienia idealnie płaskiego i wypoziomowanego stanowiska pomiarowego, gwarantującego poprawność otrzymywanych wyników mierzonych parametrów. Stosowane wcześniej przyrządy wymagały również przed rozpoczęciem pomiarów uniesienia pojazdu i wykonania połączonej z obracaniem kół procedury kompensacji bicia każdej z czterech obręczy. Znaczną niedogodnością stosowania urządzeń pomiarowych do geometrii kół poprzednich generacji, posiadających w głowicach pomiarowych różnego rodzaju czujniki i układy elektroniczne (czułe na warunki otoczenia) i podatne na uszkodzenia, a w najlepszym przypadku na rozkalibrowanie przy uderzeniu głowicy pomiarowej lub jej upadku w trakcie użytkowania w celu zapewnienia wiarygodnych i prawidłowych pomiarów była konieczność wykonywania okresowej kalibracji urządzenia na odpowiednim stanowisku (wzorcowej ramie pomiarowej).

Najnowszej generacji konstrukcje przyrządów do pomiaru i kontroli parametrów geometrii ustawienia kół i osi pojazdu tworzone są obecnie w taki sposób, aby skrócić przede wszystkim czas wykonywania wszystkich czynności kontrolno-pomiarowych oraz zwiększyć wygodę w trakcie ich użytkowania. Bardzo istotne jest również ograniczenie do minimum wpływu przeróżnych czynników zewnętrznych wpływających na jakość i dokładność wykonywanych pomiarów.

Wszystkie niedoskonałości i niedogodności przy użytkowaniu urządzeń do kontroli geometrii ustawienia kół pojazdów poprzednich generacji, wyeliminowane zostały w najnowszych wersjach przyrządów tego typu, określanych mianem urządzeń w systemie trójwymiarowego modelowania parametrów podwozia, pracujących w tzw. systemie 3D.

W tym przypadku konstrukcyjnym urządzeń do pomiaru geometrii kół, najważniejszym elementem całego systemu pomiarowego są kamery o dużej rozdzielczości obrazu. Umieszczone są one na stanowisku wykonanym w formie dwóch pionowych słupów lub tzw. krzyża, usytuowanych z przodu stanowiska pomiarowego w sposób umożliwiający objęcie swoim polem widzenia tarcze refleksyjne (odbijające) tzw. głowic pasywnych po obu stronach kontrolowanego pojazdu. Wokół każdej z kamer urządzenia umieszczone są diody emitujące promieniowanie światła podczerwonego, skierowane na poszczególne głowice refleksyjne. Tarcze refleksyjne posiadają określoną liczbę większych i mniejszych kropek o bardzo dokładnie ustalonych wielkościach i wzajemnym położeniu względem siebie, wykonane z materiału odblaskowego, których zadaniem jest odbijanie w kierunku kamer błysków promieniowania podczerwonego emitowanego przez diody.

Zasada pomiaru parametrów geometrii ustawienia kół i osi pojazdów w urządzeniach wykorzystujących system 3D oparta jest na tzw. efekcie perspektywy, polegającym na względnej zmianie wielkości obserwowanego obiektu w zależności od odległości jego obserwacji. Konieczne jest to do określenia odległości poszczególnych tarcz refleksyjnych od odbierających odbite promieniowanie kamer. W trakcie pomiaru wykorzystywany jest fakt, iż każda z kamer umieszczonych na stanowisku ma stałe miejsce w przestrzeni oraz, że stała jest ogniskowa obiektywu kamer oraz wielkość poszczególnych plamek na tarczach refleksyjnych. Umożliwia to określenie odległości kamery od tarczy refleksyjnej z dokładnością poniżej 1 mm na długości 6 metrów (rozstawu osi pojazdu). Dzięki wykorzystaniu odpowiednich algorytmów obliczeniowych możliwe jest określenie kątów pochylenia poszczególnych tarcz refleksyjnych, a tym samym parametrów geometrii ustawienia kół i osi pojazdu.

Jest to możliwe poprzez nadanie plamkom na tarczach refleksyjnych kształtu okręgów. To właśnie okręgi posiadają właściwości geometryczne bardzo przydatne dla pomiaru w systemie 3D. Wynika to z faktu, iż pozwalają one zinterpretować właściwie, czy zmniejszony obraz widzenia przez kamerę wynika z efektu perspektywy, czy pomniejszenia. Przyrząd pomiarowy tego typu jest w stanie zmierzyć każdą średnicę wszystkich plamek umieszczonych na tarczach refleksyjnych i wykorzystać znalezione dłuższe osie elips powstających przy przechyleniu tarcz pomiarowych, jako prawdziwe średnice poszczególnych okręgów w celu wyznaczenia w perspektywie odległości tarcz pomiarowych od kamer. Odpowiednie algorytmy obliczeniowe umożliwiają także określenie średnic w innych wymiarach usytuowanych pod kątem 90⁰ w stosunku do normalnej średnicy, dzięki czemu można określić również krótsze osie i obliczyć kąty przesunięć od położenia normalnego przy pomniejszeniu (skróceniu perspektywicznym).

Z wykorzystaniem tych zależności, przyrząd jest w stanie określić, w jakim miejscu w przestrzeni trójwymiarowej względem kamer znajdują się poszczególne plamki na ekranach głowic refleksyjnych. Urządzenia kontrolno-pomiarowe pracujące z wykorzystaniem systemu 3D odnajdują oś obrotu koła bezpośrednio, czyli poprzez wykorzystanie procedury, zwanej pozycjonowaniem koła. Jest to realizowane poprzez przetoczenie pojazdu do tyłu, w trakcie którego kamery śledzą położenie i ustawienie plamek na tarczach refleksyjnych. Plamki na tarczach obracających się wokół osi, umożliwiają zastosowanie oprogramowania i wykorzystanych w nich algorytmom określenie położenia każdego z czterech osi obrotu kół w trzech wymiarach względem kamery.

Urządzenia wykorzystujące system 3D nie wymuszają wykonania pełnego obrotu, lecz tylko w pewnych jego wartościach kątowych. Po przeprowadzeniu pełnego procesu pozycjonowania, oprogramowanie wykorzystuje te punkty i tworzy trójwymiarowy model płaszczyzny pojazdu. Umożliwia to wykorzystanie płaszczyzny stanowiska pomiarowego, jako płaszczyzny odniesienia.

Zdecydowanie największą zaletą przyrządów do kontroli i pomiaru geometrii ustawienia kół i osi pojazdów wykorzystujących technologię pomiaru 3D jest bardzo krótki czas pomiaru wszystkich parametrów, nieprzekraczający kilku minut. Pełen pomiar parametrów wymaga bowiem wyłącznie przetoczenia pojazdu 0 20 cm do tyłu i do przodu, a proces kompensacji bicia obręczy realizowany jest w trakcie przetoczenia.

Urządzenia tego typu w zależności od wersji konstrukcyjnej mogą być wykorzystywane zarówno na stanowisku kanałowym, jak również im przy zastosowaniu podnośnika diagnostycznego. W przypadku stanowiska kanałowego kamery pomiarowe umieszczone mogą być w sposób tradycyjny, czyli na słupie z kamerami na belce poziomej lub na dwóch słupkach umieszczonych po obu stronach ławy pomiarowej.

Przy stanowiskach kontrolno-pomiarowych z zastosowaniem podnośnika diagnostycznego (czterokolumnowego lub nożycowego) kamery umieszczone są na słupie zlokalizowanym centralnie w osi stanowiska pomiarowego. Przy tym rozwiązaniu rozróżnić można dodatkowo wersję z belką poziomą, na której końcach ulokowane są kamery pomiarowe na stałej wysokości oraz z ruchomą belką poziomą, podążającą za ruchem tarcz refleksyjnych, wynikającym z unoszenia pojazdu na podnośniku.

W przypadku stałej wysokości belki poziomej utrudnieniem w trakcie wykonywania czynności kontrolno-pomiarowych jest konieczność wykonywania przetaczania pojazdu na podnośniku z uniesionymi najazdami na wysokości około 1,2 m. Przy wersji przyrządu z ruchomą belką poziomą podążającą automatycznie za ruchem w kierunku pionowym tarcz refleksyjnych, przetoczenie pojazdu wykonywane może być w najniższym położeniu najazdów podnośnika. Jest to zdecydowanie wygodniejsze w warunkach praktyki warsztatowej. Dlatego też, te wersje urządzeń są obecnie zdecydowanie częściej wybierane przez warsztaty samochodowe świadczące usługi  w zakresie pomiaru i kontroli parametrów geometrii kół i osi pojazdów.

Autor: mgr Andrzej Kowalewski