STUREN, STABILITEIT, BOCHTENTECHNIEK

Transcriptie

1 Remmen in een bocht In het borrelcircuit hoor je wel eens dat je met een motor niet hard of zelfs helemaal niet kunt remmen in een bocht. Niets is minder waar. In een bocht kan je véél harder remmen dan je denkt. Maar hoe hard is dat dan? Dat kun je exact berekenen, maar hard remmen in een bocht leidt wel tot een besturingsprobleem. Een ander misverstand is dat ABS niet werkt bij remmen in een bocht. Helemaal fout! Een modern antiblokkeersysteem voorkomt tot grote kantelhoeken wielblokkade bij remmen in een bocht. Als eerste bekijken we de krachtoverbrenging tussen band en wegdek. Bij remmen in een bocht is sprake van een combinatie van wielslip in langs- en dwarsrichting. Rijdt een motor remmend door een bocht, dan worden tegelijk rem- en zijdelingse krachten op het wegdek overgebracht. In werkelijkheid is natuurlijk maar sprake van één kracht. Deze wijst niet recht naar achteren zoals bij remmen of opzij zoals bij het nemen van een bocht, maar schuin naar achteren. Een motorband kan in alle richtingen krachten op het wegdek overbrengen, zie figuur 1. Als je de maximum kracht in elke afzonderlijke richting als een pijl op het wegdek tekent en de punten van alle getekende pijlen met een lijn verbindt, zie je een eivormige figuur. Die eivorm ontstaat ten eerste doordat een band meer kracht in de langsrichting op het wegdek kan overbrengen dan in de dwarsrichting. Ten tweede kan een motorband grotere rem- dan aandrijfkracht op het wegdek overbrengen. Dit laatste heeft onder meer te maken met de rolweerstand die altijd tegen de rijrichting in is gericht. Voor de eenvoud nemen we aan dat sprake is van een cirkel. Deze figuur wordt ook wel de Cirkel van Kamm genoemd, zie figuur 2. De straal van de cirkel stelt de maximum kracht voor die de banden van een motor samen op het wegdek in alle richtingen kunnen overbrengen. Versie dinsdag 10 april / 7

2 Met deze cirkel kun je om exact berekenen hoe hard je nog kunt remmen in een bocht. Hoe werkt dat dan? Een voorbeeld. Je wilt berekenen hoe hard je kunt remmen in een bocht waarbij je 75% van de maximum dwarskracht gebruikt. In de figuur zie je hoe je dan tot een remkracht komt van ruim 66% van het maximum. Je kan zelf uit de figuur aflezen dat je bij een dwarskracht van 90% van het maximum (je gaat héél plat) nog met ruim 43% van de maximum remkracht kunt remmen. Bij een dwarskracht van 50% van het maximum kun je remmen met ruim 86% van de maximum remkracht! Je kunt dus al heel hard remmen bij vrij hoge bochtsnelheden. Versie dinsdag 10 april / 7

3 In figuur 3 zie je hoe hard je nog kunt remmen bij een bepaalde kantelhoek in een bocht. Voor deze figuur is aangenomen dat de hechtingscoëfficiënt 1,2 bedraagt, zodat de maximum kantelhoek in een bocht ruim 50º bedraagt. Op de horizontale as staat de kantelhoek waarmee je de bocht neemt. Naarmate de kantelhoek toeneemt brengen je banden meer zijdelingse krachten op het wegdek over. De vraag is dan hoeveel grip je bij een bepaalde kantelhoek nog over hebt om te remmen. Op de verticale as zie je het percentage van maximaal remmen op een rechte weg. Je ziet dat je bij een kantelhoek van 20º met ongeveer 95% van het maximum kunt remmen. Bij een kantelhoek van 30º is dat bijna 90%. Bij een kantelhoek van 40º schrapen bij de meeste motoren al allerlei onderdelen over de grond. Toch kun je bij deze kantelhoek met nog méér dan 70% van het theoretisch maximum remmen! De conclusie moet geruststellend voor je zijn. In een bocht kan je bij zeer grote kantelhoeken voor je gevoel nog héél hard remmen. Wat betekent dat voor je remweg als je remt in een bocht? Als je in een bocht gaat remmen en de bocht netjes blijft volgen, zul je naarmate de snelheid afneemt steeds meer rechtop komen te rijden. Je kantelhoek neemt immers af met de bochtsnelheid. Begon je in figuur 3 te remmen bij een kantelhoek van 40º, dan kun je theoretisch beginnen te remmen met ongeveer 75% van het maximum waarmee je op een rechte weg zou kunnen remmen. Meteen begint je snelheid af te nemen en daarmee je kantelhoek, zodat je harder kunt gaan remmen. Tegen de tijd dat je stilstaat (de motor staat bijna overeind) rem je met vrijwel 100% van de maximale remkracht. Versie dinsdag 10 april / 7

4 In een bocht kun je niet zo hard remmen als op een rechte weg. Wat betekent dat voor je remweg? In figuur 4 zie je de toename van de remweg in procenten. Op de horizontale as zie je de kantelhoek waarbij je de remmanoeuvre begint. De theoretische remwegverlenging in een bocht waarin je met een kantelhoek van 50º rijdt (je rijdt dan met meer dan 99% van de maximum bochtsnelheid) is maar 60%. Rij je een bocht met een kantelhoek van 38º (dat is bij 80% van de maximum bochtsnelheid, wat al buiten het bereik van de gemiddelde motorrijder ligt) dan neemt de remweg bij maximaal remmen maar met ruim 9% toe in vergelijking met een remmanoeuvre vanaf dezelfde snelheid op een rechte weg! Dat klinkt allemaal heel geruststellend en zo is het ook bedoeld. Het grote probleem is natuurlijk dat je niet weet waar de grens ligt. De straf voor het overschrijden daarvan is duidelijk. Bereikt een wiel de maximaal op het wegdek over te brengen kracht, dan begint dat wiel te glijden. Het kan de voor het volgen van de bocht benodigde centripetale kracht niet meer opbrengen en de motor begint onderuit te gaan. Dit proces is al heel snel niet meer omkeerbaar. Hou je niet onmiddellijk op te remmen dan kom je onherroepelijk ten val. De conclusie is dat je niet bang moet zijn om hard te remmen in een bocht. Wel moet je zo ver van de grens blijven dat je die niet per ongeluk overschrijden en daarmee valt. Versie dinsdag 10 april / 7

5 Natuurkundige eigenaardigheid - remstuurmoment Remmen in een bocht leidt tot een besturingsprobleem. Naarmate de kantelhoek groter is en naarmate je met de voorrem harder remt zal het stuur met grotere kracht en verder naar binnen draaien. De motor richt zich daardoor op en verlaat de geplande koers in buitenwaartse richting. Je raakt van de weg of botst op een tegenligger. Veel op het eerste gezicht onbegrepen motorongevallen komen op deze manier tot stand. De belangrijkste oorzaak van dit fenomeen is het remstuurmoment, zie figuur 5. Rijdt een motor door een bocht, dan verplaatsen de contactvlakken tussen banden en wegdek zich in de richting van de binnenkant van de bocht. De motor rijdt meer op de zijkant van de banden. Je weet inmiddels dat het contactvlak altijd achter de stuuras aan wil rollen. Rolt het contactvlak niet precies achter het punt S aan, dan wil het herstellend moment van component F H van de rolweerstand FROL het wiel draaien totdat de gewenste toestand is bereikt. Rij je een bocht zonder remmen, dan oefent F H voortdurend een klein indraaiend moment op het wiel uit, onderdeel 2 van figuur 5. Dit is slechts één van de vele in- en uitdraaiende momenten die in een bocht op het voorwiel werken. Ga je nu remmen in een bocht dan grijpt in het contactvlak niet alleen de rolweerstand aan, maar ook de vele malen grotere remkracht, onderdeel 3 van figuur 5. Het resultaat is dat door remmen bovenop het herstellend moment van F H een veel groter indraaiend moment optreedt. We noemen dit het remstuurmoment. Het remstuurmoment verbreekt het genoemde evenwicht van in- en uitdraaiende momenten. Het wiel zal met kracht naar binnen draaien. In een rechterbocht zal het voorwiel bij remmen dus naar rechts draaien. Versie dinsdag 10 april / 7

6 Je weet ook dat het indraaien van het voorwiel onderdeel is van twee stabilisatiemechanismen. Door gyroscopische precessie leidt dat indraaien tot een oprichtend moment op de motor, rond de basislijn (de lijn tussen beide contactvlakken van de banden met het wegdek). Daarnaast leidt indraaien van het voorwiel tot een vergroting van de sliphoek van het voorwiel, een toename van de centripetale kracht daar en een toename van het oprichtend moment rond de langsas door het zwaartepunt. Het resultaat is dat de motor zich wil oprichten. In het geval van een geplande en normaal opgebouwde remactie in een bocht laten de stuurdraaiing en de oprichtende krachten zich redelijk beheersen, mits je bekend bent met het fenomeen en er op kan anticiperen. Maar in een panieksituatie grijp je deels - automatisch en dus onbewust naar de voorrem en bouw je in zeer korte tijd een grote remkracht op. Een correctie van het remstuurmoment zal altijd bij het remmen achterlopen omdat je daar eerst bewust over moet nadenken. De ruk aan het stuur door de plotseling aangelegde remkracht kan bovendien de indruk opwekken dat je de controle over de motor verliest. In veel gevallen zal je van schrik de voorrem loslaten. Conclusies Je kunt in een bocht dus heel hard remmen. Maar gebruik daarbij nooit je achterrem! Door oefening kun je het storende remstuurmoment leren tegengaan. CBS blijft zijn werk normaal en veilig doen bij remmen in een bocht. Remmen met ABS-ingreep in een bocht leidt bij grotere kantelhoeken tot een besturingsprobleem. Oefening Remmen in een bocht Als je het remmen in een bocht wilt oefenen, begin dan heel voorzichtig. Ga niet alleen op pad, maar minstens met z n tweeën. Rem alléén met je voorrem en concentreer je daar volledig op! Zet je voet niet op de voetrem. Een geblokkeerd achterwiel kan immers geen dwarskrachten meer op het wegdek overbrengen; het zal rechtdoor willen glijden. De achterkant van de motor breekt uit en je valt. Voel eerst een paar maal hoe de motor zich opricht bij een korte, milde remming. Probeer dat oprichten daarna tegen te gaan door aan de binnenkant tegen het stuur te duwen. Blijf vooral ook ver de bocht door kijken! Naarmate je snelheid door het remmen afneemt kun je de motor overeind laten komen om het geplande traject te blijven volgen. Je komt rechtop tot stilstand. Vind je remmen in een bocht eng, bedenk dan dat je daar morgen toe gedwongen kunt worden! Informeer eventueel naar een cursus waarin dit onderdeel is opgenomen. Oefening Remmen met ABS Moderne antiblokkeersystemen hebben als doel dat tijdens remmen in een bocht de wielslip in langsrichting zodanig te beperken dat voldoende hechting in dwarsrichting overblijft voor de rechtopstabilisatie. Remmen tot de ABS-ingreep in een bocht met grote kantelhoek leidt tot een probleem met het remstuurmoment. Immers, een ABS regelt de druk in het remvloeistofcircuit op en neer om de wielslip in langsrichting te beperken. ABS legt met een vrij hoge frequentie (typisch tussen 3 en 10 maal per seconde) remdruk aan en lost deze weer. Dit leidt tot een pulserend remstuurmoment met diezelfde frequentie. Het stuur zal dus min of meer heftig heen en weer bewegen. Dit lijkt een nadeel van ABS te zijn, maar het omgekeerde is het geval. Bij dezelfde remmanoeuvre zou een motor zonder ABS al gevallen zijn! De motor met ABS blijft overeind, maar bezorgt je wel een besturingsprobleem: een snel in- en weer uitdraaiend stuur. Nu is het ABS zodanig ingesteld dat bij ABS-ingreep in een bocht de remstuurmomenten en de veranderingen daarin redelijk beheersbaar blijven. ABS behoedt je dus óók in een bocht voor vallen, zij het dat je rekening moet houden met het heen en weer draaiende stuur. De literatuur vermeldt bijvoorbeeld van ABS II van BMW dat remmanoeuvres met ABS-ingreep in een bocht zonder problemen verlopen tot een kantelhoek van 25 graden. Versie dinsdag 10 april / 7

7 Oefening Remmen met CBS In het onderdeel hiervoor word je sterk geadviseerd de achterrem in een bocht niet te gebruiken. Is je motor uitgerust met CBS, dan zul je je misschien afvragen of je daarmee gezien deze waarschuwing wel veilig kunt remmen in een bocht. Een gecombineerd remsysteem remt immers óók achter als je alleen het remhendel bedient. Het antwoord luidt bevestigend. Zolang je je voorwiel niet blokkeert zal het achterwiel dat zeker niet doen. Hoe komt dat? Een modern gecombineerd remsysteem verdeelt de remkrachten over voor- en achterwiel in de ideale verhouding. Deze verhouding volgt de verdeling van de dynamische belasting van voor- en achterwiel (zie Remmen 2 in Promotor 5/ juli 2001). Deze ideale verdeling van de remkrachten geldt alleen voor remmen op een rechte weg. Bij remmen in een bocht treedt een kleinere dynamische aslastverplaatsing op dan bij dezelfde remming op een rechte weg. De technische verklaring hiervoor luidt dat de in het zwaartepunt aangrijpende massatraagheidskracht nu niet alleen tot dynamische aslastverplaatsing leidt, maar ook tot een uitdraaiend giermoment om een as verticaal op het wegdek, de kop van de motor wil naar buiten draaien. Dit komt doordat het zwaartepunt van de motor zich van boven af gezien niet meer boven de basislijn bevindt, maar aan de binnenzijde daarvan. Naarmate de motor meer is ingekanteld zal het uitdraaiend giermoment verder toenemen ten koste van de dynamische aslastverplaatsing. Bij een kantelhoek van 90 graden (de motor zou op z n kant liggen!) is de dynamische aslastverplaatsing nihil geworden. Een en ander houdt in dat je in een bocht je achterrem méér kunt gebruiken dan bij dezelfde remming op een rechte weg. Je ziet dus dat een CBS, dat altijd vast is ingesteld voor remmen op een rechte weg, in een bocht de achterrem te weinig zal gebruiken. Een CBS gaat van nature conservatief om met het gebruik van de achterrem in een bocht. Streamers In een bocht kun je heel hard remmen, veel harder dan je denk Remmen in een bocht => je stuur draait in => de motor komt overeind => je gaat naar buiten Remmen in een bocht => duw aan de binnenkant tegen het stuur! (bronvermelding: Promotor, Klaas van der Valk) Versie dinsdag 10 april / 7