Rijdynamica van motorvoertuigen (7)

Transcriptie

1 Rijdynamica van motorvoertuigen (7) E. Gernaat (ISBN ) 1 Stuurinrichtingen 1.1 Achtergrond en indeling Ook stuurinrichtingssystemen maken een continu proces van verbeteringen en aanpassingen door 1. Intelligente bekrachtigingssystemen gaan een steeds grotere rol spelen in veiligheid en weggedrag. Adaptieve of zelfsturende inrichtingen zijn in ontwikkeling. Al sinds vele jaren zijn de eisen die men mag stellen aan een stuurinrichting vastgelegd. Bij bedrijfswagens wordt gesteld dat de stuurkracht de 250 N niet mag overschrijden (fig. 1). Dit geldt voor het ingaan van een bocht met een straal van 12 meter. Hierbij moet vanuit de rechtuitstand de vereiste stuuruitslag in ongeveer 4 sec. worden bereikt bij een snelheid van ongeveer 10 km/h. Tot een aantal jaren geleden werden voor de kleinere per- Figuur 1: In een standaard bocht met een straal van 12 m mag een stuurkracht van 250 N niet worden overschreden (tekening ZF). sonenwagens stuurinrichtingen gebruikt zonder bekrachtiging en voor bedrijfswagens stuurinrichtingen met (hydraulische) bekrachtiging. Nu is bekrachtiging zelfs bij kleine personenwagens standaard. Mechanische stuurinrichtingen werden van oudsher verdeeld in: 1. Op dit werk is de Creative Commons Licentie van toepassing 1

2 indirecte stuurinrichtingen met stuurhuis en Pitman-arm; directe stuurinrichtingen met rondsel en tandheugel. Beide systemen worden nog volop toegepast maar uitsluitend met bekrachtiging. De indirecte stuurinrichting, hoofdzakelijk toegepast bij bedrijfswagens maar in eerste instantie ook bij personenwagens, kan worden onderverdeeld in verschillende typen als worm met gedeeld wormwiel al dan niet met kogels of een schroef en nok systeem of een wormwiel met rol. De rol kan dan weer bestaan uit twee of drie tanden (fig. 2). De uitslag van de pitman-arm Figuur 2: Indirecte, niet bekrachtigde, stuurinrichting met wormwiel en rol. Linksboven: conisch wormwiel. Middenboven: rol met twee en drie tanden. Onder: compleet stuurhuis (foto s: ZF). 1. Instelflens lengtespeling 2. behuizing 3. stuuras 4. kogellagers 5. conisch wormwiel 6. rol met drie tanden 7. pitmanarm 8. pitmanas is bij deze systemen ongeveer 90 0 met een maximale stuurasbelasting tussen de 7000 en 5000 N. Deze stuurinrichtingen werken volkomen spelingsvrij en kunnen eenvoudig worden afgesteld (fig.3). De directe stuurinrichting bestaat uit een tandheugel en een rondsel. Dit is eigenlijk de standaard stuurinrichting voor personenwagens geworden. De overbrengverhouding wordt bepaald door de diameter van het rondsel. Er zijn diverse constructieve uitvoeringen (fig. 4). Een bijzondere uitvoering is een mechanische directe stuurinrichting 2

3 Figuur 3: Met de stelmoer aan de onderzijde kan de stuurspeling worden ingesteld (foto ZF). met variabele overbrengverhouding (Fig. 5). De tandheugel is bij een dergelijke constructie uitgevoerd met tanden waarvan de moduul (afstand tussen de tanden) variëert. Hierdoor is de wielverdraaiing in de middenstand het grootst en wordt kleiner bij verdere stuuruitslag. Dit betekent volgens grafiek 5 (onder) een redelijk constant stuurmoment bij stilstaand voertuig. 2 Stuurbekrachtiging De klassieke hydraulische stuurbekrachting van een directe stuurinrichting bestaat uit een door de verbrandingsmotor aangedreven hydraulische pomp waarvan de druk wordt afgeregeld. Tussen de stuuras (de as waar het stuurwiel aan vast zit) en het rondsel bevindt zich een torsiestaafje. Het torsiestaafje maakt het mogelijk dat de stuuras t.o.v. het rondsel een klein beetje kan verdraaien. Door deze kleine verdraaiing wordt een draaischuif bediend die er dan voor zorgt dat hydraulische olie onder druk naar de linker of rechterzijde van de bekrachtigingplunger kan stromen. Bekrachtigingscilinder en tandheugel vormen één geheel (fig. 6). 2.1 Werking van de draaischuifklep Fig. 7 geeft schematisch de werking van de draaischuifklep weer. Als het stuur verdraaid wordt, wordt het middelste centrale gedeelte t.o.v. het buitenste ge- 3

4 Figuur 4: Twee uitvoeringen van een directe stuurinrichting. c) Opstelling van een directe stuurinrichting op de auto (foto s en tekening ZF). 4

5 Figuur 5: Verdraaiing van de wielen in relatie tot het stuurkoppel bij een variabele overbrenging van een directe stuurinrichting (tekeningen ZF). 5

6 Figuur 6: Boven: Klassieke hydraulische bekrachtiging van een directe stuurinrichting. Midden: Opstelling van componenten voor de hydraulische bekrachtiging. De draaischuif is hier apart getekend maar bevindt zich in rondselhuis. Onder: Het torsiestaafje met rondsel (ZF). 6

7 deelte door de werking van de torsiestaaf (geheel in het midden getekend) een klein stukje naar links of naar rechts verdraaid. Dit is voldoende om de juiste openingen met elkaar te verbinden. Als er bekrachtiging plaats vindt, dan zal de olie vanaf de pomp naar één kant van de plunjer stromen terwijl de olie van de andere zijde retour stroomt. De verbindingen van de openingen zorgen hiervoor. Ook de combinatie van bekrachtiging en variabele overbrenging is Figuur 7: Bekrachting van het stuurmechanisme naar links. Het roterende schuifmechanisme laat olie onder druk aan de rechterzijde van de plunjer toe. Aan de linker zijde stroomt de olie retour (tekening ZF). niet ongebruikelijk. Zie hiervoor fig. 8. De tandheugel beïnvloedt de overbrengverhouding omdat de tandvorm over de tandheugellengte geleidelijk verandert. Bij de Toyota Landcruiser (2002) wordt de overbrengverhouding vanuit de middenstand kleiner doordat de verplaatsing van de tandheugel groter wordt. De grotere stuurkracht die hiervoor nodig zou zijn wordt door de bekrachtiging gecompenseerd. 3 De stuurvertraging De stuurvertraging is de verhouding tussen het aantal graden dat het stuurwiel verdraait en de verdraaiing van de wielen. Gemiddeld draait het stuurwiel 2,5 7

8 Figuur 8: Directe stuurinrichting met bekrachtiging en variabele overbrengverhouding van de Toyota Landcruiser (tekening Toyota). 8

9 tot 3 omwentelingen bij een wielverdraaiing van ongeveer Dit betekent een vertragingsrichtwaarde van (3 x ) / 60 0 = 18 of i = 18 Wanneer we de gegevens van een aantal personenwagens opzoeken, dan zien we de volgende waarden: Audi A3 i = 16,2; omw. stuurwiel 3; draaicirkel 10,7; wielbasis 2578 mm. BMW 120D i = 14,3; omw. stuurwiel 3; draaicirkel 10,4; wielbasis 2660 mm. Fiat Idea i = 13,9; omw. stuurwiel 2,75; draaicirkel 10,7; wielbasis 2508 mm. Volvo S80 i = 16,0 omw. stuurwiel 2,75 draaicirkel 12,3 wielbasis 2835 mm De stuurvertraging i is wel een gemiddelde waarde. Tijdens de verdraaiing zal de i-waarde kunnen variëren (fig. 9). Een eventuele variabele stuuroverbrenging en het omzetten van de roterende beweging in een rechtlijnige en vervolgens weer omzetten in een wielverdraaiing veroorzaken deze variatie. Ook verdraait ten gevolge van het Ackermann principe het binnenste wiel meer dan het buitenste. Er wordt dan gewerkt met een gemiddelde verdraaiinghoek α gem. = (α 1 + α 2 ) / 2. De stuurvertraging geeft een stuurgevoel. Drie omwentelingen van het stuurwiel voor de kleinste draaicirkel wordt kennelijk als prettig ervaren. Tijdens het rechtuit rijden stellen we een meer directe stuurreactie op prijs, over het algemeen mag de vertraging dan minder zijn. Bij onbekrachtigde stuurinrichtingen is er ook nog een relatie tussen de stuurvertraging en de stuurkracht of het benodigde stuurkoppel. Om het stuur niet al te zwaar te laten draaien, hebben we een grote vertraging nodig bij het maneuvreren. Een kleine vertraging bij het rechtuitrijden maakt dat de auto stabieler aanvoelt. De grootte van de stuurkracht zal natuurlijk in relatie staan tot het gewicht van de gestuurde as. Het gaat hier immers over het overwinnen van de 9

10 Figuur 9: Variatie in de stuuroverbrenging bij een wieluitslag van geheel links naar geheel rechts bij een Audi 80 GL (Reimpell). wrijvingscoëfficiënt tussen band en wegdek van de sturende wielen. Wanneer we naar het stuurhuis zelf kijken, zien we dat er bij indirecte stuurinrichtingen een roterende beweging ingaat (het stuurwiel) en er ook een roterende beweging uitkomt (de pitmanarm). De vertraging van het stuurhuis kan dan eenvoudig worden vastgesteld. Bij bedrijfswagens is de i van het stuurhuis ongeveer 20. Ongeveer 5 omwentelingen van het stuurwiel tegenover 90 0 verdraaiing van de pitmanarm. Bij directe stuurinrichtingen is de vertraging van het rondsel en de tandheugel op deze wijze niet vast te stellen. Wel is het zo dat de grootte van het rondsel de grootte van de vertraging bepaalt. Door het invoeren van stuurbekrachtiging is de relatie tussen vertraging en stuurkoppel komen te vervallen. Ook zien we dat bij systemen met stuurbekrachtiging de vertraging veelal kleiner is. Vergelijk: Toyota Yaris zonder stuurbekrachtiging: i = 21,8. Aantal omwentelingen stuurwiel 3,8; Toyota Yaris met stuurbekrachtiging: i = 19,0. Aantal omwentelingen stuurwiel 3,3. Het algemene probleem bij stuurbekrachtiging is dat we een grote bekrachtiging willen hebben bij het maneuvreren en dat naarmate de snelheid toeneemt de bekrachtiging af mag nemen. Dit heeft geleid tot snelheidsafhankelijke stuurbekrachtigingen. 3.1 Rekenvoorbeeld: De stuuroverbrengverhouding Als voorbeeld de Mini Cooper Cabrio. Deze heeft een directe stuurinrichting met hydraulische (servo) bekrachtiging. Verdere gegevens: 10

11 Overbrengverhouding i = 13,2; Het aantal stuurwielomwentelingen bedraagt 2,5 (de spoorbreedte bedraagt 1460 mm); Wielbasis 2467 mm; Draaicirkel 11 meter. Controle berekening De wielen verdraaien van geheel links naar geheel rechts: (2,5 omw. x ) / 13,2 = 68 0 Dit betekent een halve wielverdraaiing (van rechtuit naar links of rechts) van Het is dan verantwoord om aan te nemen dat het binnenste wiel 34 0 en het buitenste wiel 30 0 verdraaid. Deze wielverdraaiing zou een draaicirkel van 11 meter mogelijk moeten maken De draaicirkel heeft betrekking op het buitenste gestuurde wiel. Het buitenste wiel heeft dan een stuurstraal van 5,5 meter of 5500 mm. Met behulp van de wielbasis kan nu de sinus van de hoek worden berekend. Deze is: sin stuurhoek = 2467/5500 = 0, 45 Zie fig. 10. De gestuurde hoek bedraagt dan De afwijking kan worden verklaard uit de afronding van de gegevens en de aannames. Figuur 10: Wanneer de de wielbasis weten en de straal van de bocht dan kan met behulp van de sinus de wielverdraaiingshoek worden berekend. 4 Vragen en opgaven Zie boek 11