Rijdynamica van motorvoertuigen (4)

Transcriptie

1 Rijdynamica van motorvoertuigen (4) E. Gernaat (ISBN ) 1 Stabilisatoren 1.1 Dwarsstabiliteit van het voertuig Onder de dwarsstabiliteit verstaat men de weerstand tegen het overhellen van de bovenbouw wanneer hier zijdelingse krachten op werken (centrifugaalkracht bocht, zijwindkracht) 1. Het overhellen of rollen van de bovenbouw geschiedt langs een langsas, de zgn. rolas. De rolas is de verbindingslijn tussen twee vaste punten die we het rolcentrum van de voor- resp. achterwielophanging noemen (Mv en Ma). Het rolcentrum verandert echter afhankelijk van de belasting, veeruitslag en het type wielophanging. Bij moderne auto s ligt de rolas meestal iets onder het hart van de wielen en bijna evenwijdig aan het wegdek. Wanneer we de zijdelingse kracht, aangrijpend in het zwaartepunt van de bovenbouw, vermenigvuldigen met de afstand tot de rolas vinden we het rolmoment. Een veel toegepaste methode om het rollen van de bovenbouw tegen te gaan is het aanbrengen van stabilisatoren. Ook de schokdempers beperken het rollen van de auto. 2 Rolcentrum (M) Het rolcentrum wordt bepaald vanuit het poolpunt P van de vering. Vanuit dit punt P wordt een lijn getrokken met het raakpunt wiel-wegdek. Het snijpunt van deze lijn met de hartlijn van het voertuig vormt het rolcentrum M. Het rolcentrum is dus afhankelijk van de constructie van de wielophanging en de veeruitslag (belasting). Fig. 1 geeft een voorbeeld voor de bepaling van het poolpunt van een McPhersonveerpoot. Fig. 2 geeft als tweede voorbeeld de bepaling van het poolpunt P en het momentencentrum M van een wielophanging met schuingeplaatste dwarsarmen. Wanneer het rolcentrum van de voor- en achteras is bepaald, dan kan de rolas worden geconstrueerd door de beide rolcentra met elkaar te verbinden. In fig. 3 is dat gedaan door de verbindingslijn tussen Mv en Ma te trekken. De afstand tussen het zwaartepunt van de opbouw Z en de rolas vormt de rolarm. De rolarm vermenigvuldigt met de dwarskracht veroorzaakt het rolmoment. 1. Op dit werk is de Creative Commons Licentie van toepassing 1

2 Figuur 1: Bepaling van het rolcentrum (M) van een McPhersonveerpoot. Vanuit het poolpunt P wordt een lijn getrokken naar het midden van de band op het wegdek. Het punt M bevindt zich dan op de verticale hartlijn van het voertuig (Reimpell). Figuur 2: Bepaling van het poolpunt P en het rolcentrum M bij een wielophanging met schuingeplaatste dwarsarmen (Reimpell). Figuur 3: Een dwarskracht aangrijpend in het zwaartepunt van de bovenbouw vermenigvuldigt met de rolarm veroorzaakt het rolmoment van het voertuig. 2

3 3 Stabilisator Stabilisatoren verminderen de rolneiging van het voertuig en verbeteren het bochtgedrag. Bij auto s met een hoge opbouw en bij snel gereden bochten kan de rolneiging zo sterk zijn dat omslaan mogelijk is. De stabilisatorstang bij personenwagens is een ronde stang met een diameter tussen de 10 en 20 mm. De stabilisatorstangen verbinden het linker- en het rechterwiel van dezelfde as en worden op torsie belast. De mate van tordering wordt in grote mate door de diameter bepaald. Conventioneel is de stabilisator in het midden in rubberelementen aan het chassis (hulpframe) verbonden. De einden van de stabilisator zijn direct of via een in rubber gelagerd draaipunt met de draagarmen verbonden. Hierdoor ontstaat weer een gedeeltelijk afhankelijke wielophanging. In de bocht drukt de carrosserie zwaar op de buitenste veren waardoor de stabilisatorstangen de binnenste wielen omhoogtrekken. Op deze manier wordt een sterk overhellen voorkomen. Fig. 4 laat twee stabilisatoropstellingen zien. Fig. 5 laat het rollen van de auto in een bocht zien. De stabilisator beperkt het Figuur 4: Twee opstellingen van stabilisatoren. In de bovenste figuur betreft het een achterwielophanging van een Toyota Avensis. In de onderste figuur gaat het om de voorwielophanging van een Golf 5. 3

4 overhellen maar voorkomt deze niet. Figuur 5: Onder invloed van de stabilisator wordt de rolneiging van de auto in de bocht beperkt. 4 Actieve stabilisatoren Het overhellen in de bocht is een ongewenste rijeigenschap. Fabrikanten zoeken naar middelen om de rolneiging van het voertuig verder terug te brengen. Een oplossing is de toepassing van een actieve stabilisator. Deze bestaat uit een vast en een opstelbaar deel waartussen zich een hydraulisch gestuurde stelinrichting bevindt. Door deze aan de hand van sensoren aan te sturen, kan de bovenbouw recht worden gehouden door de stabilisatorspanning te verhogen. BMW spreekt van een dynamic drive systeem en compenseert tot 0,3 g elke dwarshelling van het voertuig (fig. 6). Vanaf 0,6 g wordt het rollen slechts gedeeltelijk onderdrukt om de bestuurder het contact met de auto niet te laten verliezen. Voor het systeem worden de ESP-sensoren gebruikt waarvan de g-sensor het belangrijkste is. Uiteraard maakt men hier weer gebruik van de CAN-bus. De insteldruk variëert tussen de 5 en 180 bar hetgeen overeenkomt met een koppel van 800 Nm. Dit betekent dat in een bocht de bovenbouw aan de buitenzijde omhoog wordt gedrukt en aan de binnenzijde naar beneden wordt getrokken. Door de voorstabilisator en achterstabilisator verschillend aan te sturen, kan ook het over- of onderstuur effect worden gekompenseerd. 5 Ontkoppelbare stabilisatoren Onder terrein-omstandigheden (sport utility vehicles) verhinderen de stabilisatoren dat de wielen goed het terrein blijven volgen. In het ongunstige geval 4

5 Figuur 6: Het dynamic-drive systeem van BMW. Een hydraulische stelmotor kan torsiespanning van de stabilisator instellen. komen de aangedreven wielen vrij van de grond. In zulke gevallen is het beter de stabilisator uit te schakelen. In- en uitschakelen gebeurt door de stabilisator te delen en de helften al dan niet met elkaar te verbinden. De Volkwagen Touareg bezit zo n systeem. De stabilisator-actuator bestaat uit een hydraulisch te bekrachtigen klauwkoppeling, een fail-safe veer en een sensor (fig. 7). Het sys- Figuur 7: Klauwkoppeling van de ontkoppelbare stabilisator in geopende toestand. Een vrije draaihoek van 34 graden wordt bereikt waardoor de asbeweging met 60 mm wordt vergroot. teem bestaat verder uit een besturingscomputer, een hydraulische eenheid en een bedieningsknop. Het koppelen en ontkoppelen geschiedt hydraulisch. Hiervoor zijn een elektrisch aangedreven hydraulische pomp, een drukreservoir en schakelkleppen nodig (fig. 8). De bedrijfsdruk bedraagt 110 bar. Ontkoppeling geschiedt op commando van de bestuurder maar alleen wanneer de rijsnelheid lager is dan 40 km/h, de dwarsversnelling kleiner is dan 0,5 g terwijl de versnellingsbak in de lage gearing moet zijn geschakeld. Eerst wordt de stabilisator 5

6 achter en vervolgens de stabilisator voor ontkoppeld. Dit gebeurt door de druk toe te laten in de kamers 1. Het systeem schakelt automatisch uit (komt weer in de gekoppelde toestand terug) wanneer de rijsnelheid boven de 50 km/h komt of wanneer de dwarsversnelling groter wordt dan 0,7 g. Het systeem wordt gebruikt voor staal- en luchtveren. De fail-safe veer koppelt de stabilisator in geval van een storing. Figuur 8: De hydraulische aansturing van de ontkoppelbare stabilisator 6 Het Activa veersysteem Het Activa veersysteem van Citroën staat voor actieve stabilisatie. Het overhellen wordt voorkomen c.q. gecorrigeerd, omdat de stabilisatorstang voor en achter is uitgevoerd met een hydraulische cilinder. Deze hydraulische cilinder kan worden beschouwd als een verbindingsstang met variabele lengte tussen stabilisator en veerelement. De carrosserie kan zodoende t.o.v. het chassis worden verplaatst. Het Activa veersysteem is een uitbreiding van Citroën s hydropneumatische veersysteem. De stabilisatiecilinders zijn kruislings geplaatst. Fig. 9 geeft de opstelling van de onderdelen van beide assen weer. De mate van overhellen hangt af van de zwaartepuntligging alsmede de rijsnelheid en de 6

7 Figuur 9: Kruislinks gescheiden opstelling van de hydraulische stabilisatorcilinders van het Activa veersysteem. Boven: Stabilisatorstang (34) en de hydraulische cilinder (15) van de voorwielophanging. Onder: Stabilisatorstang (35) en hydraulische cilinder (16) bij de achterwielophanging. 7

8 straal van de bocht. De gegevens van de rijsnelheids-sensor en de stuurhoeksensor geven de computer voldoende informatie om te reageren. In fig. 10 zijn 3 situaties weergegeven. Tijdens het rechtuitrijden (A) is de hydraulische stabilisatorcilinder verbonden met een veerbol. Hierdoor heeft de stabilisator een door de veerbol bepaalde extra soepelheid gekregen. Door de verbinding van de hydraulische cilinder met de veerbol te verbreken, wordt de stabilisatie stugger en wordt overhellen voorkomen (situatie B). In de voorbeeld situatie C is dit ten gevolge van de hoge bochtsnelheid onvoldoende en wordt er vloeistof in de hydraulische cilinder geperst waardoor de carrosserie recht blijft liggen. De stuurwielsensor geeft informatie omtrent het insturen van een bocht. On- Figuur 10: Het Activa veersysteem in de rijsituaties: rechtuit, in sturen en scherpe bocht. middellijk na de constatering (40 ms) wordt de veerbol afgesloten en wordt de stabilisatie 2x stugger. Wanneer de bocht enige tijd aanhoudt en de carrosserie meer dan 0, 3 0 overhelt (5 mm verplaatsing van de voordraagarmen) dan wordt de hoogte gecorrigeerd door olie naar de stabilisator-cilinders te laten stromen c.q. te laten afvloeien. Fig. 11 laat de invloed zien van het active veersysteem op de hellingshoek van de auto in een bocht. Het systeem, zie fig. 12, bestaat uit een regelunit (20) met stabilisatieveerbol en elektroklep (21). Deze klep (21) wordt door de computer aangestuurd. Een mechanische rolregelaar (14), zie ook fig. 13, kan vloeistof onder druk aanvoeren of via een retourleiding vloeistof afvoeren. Dit gebeurt naar beide kamers. Verder is er een extra voorraadbol (9) gemonteerd. De hydraulische vloeistof onder druk wordt via een veiligheidsventiel aangevoerd. De opstelling van de onderdelen volgens fig. 12 geeft de situatie soepele stabilisatie weer. De rolregelaar sluit de verbindingen af en beide stabilisatie-cilinders zijn via een stugheidsregelaar (2) verbonden met de veerbol. Om het rollen tegen te gaan wordt de lengte van de stabilisa- 8

9 Figuur 11: Het Activa-veersysteem houdt tot ongeveer 0,6 g de auto nagenoeg recht. Figuur 12: Het Activa systeem in de stand soepele stabilisatie (rechtuit rijden). 9

10 tiecilinders aangepast. Een rolregelaar heeft als functie om olie toe te voeren of af te voeren en zodoende de lengte te regelen. De rolregelaar is verbonden via een stangenstelsel met de draagarmen. In een bocht zal altijd één draagarm naar boven en de andere naar beneden bewegen. Deze bewegingsverandering wordt gebruikt voor de bediening van de rolregelaar. Fig. 13 geeft de opstelling. We zien dat een balansarm de plunjer van de rolregelaar doet bewegen. In een bocht naar links (rol naar rechts) ontstaat de situatie volgens fig. 14. Figuur 13: De balansarm van de rolregelaar (14) verschuift naar links of rechts afhankelijk van de stand van de draagarmen. Om de carrosserie weer horizontaal te krijgen moet vloeistof in de cilinder worden geperst, zodat de stabilisatorarm langer wordt. Door het langer worden van de arm komt het wiel dichter bij de carrosserie en wordt D1 kleiner. De carrosserie komt dan horizontaler te liggen. Aan de achterzijde is er eenzelfde situatie ontstaan (fig. 14 onder). Alleen de stabilisatorcilinder bevindt zich nu aan de rechterzijde en onder de stabilisatorstang. Vloeistof onder druk zal nu ook de arm verlengen waardoor de carrosserie wordt opgetild en vlakker komt te liggen. Het overhellen in de bocht wordt derhalve tot een minimum gereduceerd. In een rol naar links ontstaat er een soortgelijke doch tegengestelde situatie. Men laat dan de olie uit de cilinders wegstromen waardoor de armen verkorten. De carrosserie blijft dan zo vlak mogelijk liggen. Hydraulisch kunnen we de situatie in de rol naar rechts (= bocht naar links) als fig. 15 (boven) tekenen. De rolregelaar (14) laat vloeistof onder druk toe onder beide plunjers. De stabilisatorarmen verlengen en de rol wordt tegengegaan. Verder zien we dat de elektroklep (21) de hydraulische vloeistof onder de plunjer van de stugheidsregelaar heeft toegelaten waardoor deze omhoog is geschoven en de stabilisatieveerbol is afgeschakeld. De stabilisator heeft de situatie stug aangenomen. Fig. 15 (onder) geeft de hydraulische situatie weer in de stand bocht naar rechts (= rol naar links). De rolregelaar (14) heeft de retour geopend. Vloeistof onder druk komt boven de plunjer uit waardoor de stabilisatorarmen zich verkorten. 10

11 Figuur 14: Carroserie helt naar rechts over (linker bocht). Boven: Stabilisator opstelling aan de voorzijde; het wiel wordt omhoog gedrukt. Onder: Stabilisator achter; de karrosserie wordt omhooggedrukt. 7 Langsstabiliteit van een voertuig Behalve dwarsstabiliteit is er ook nog langsstabiliteit. Algemeen: de weerstand van het voertuig tegen (ongewenste) bewegingen staat bekend als stabiliteit. De dwarsstabiliteit is reeds behandeld. Blijft de langsstabiliteit over. Een duikbeweging treedt op bij het remmen, versnellen en oneffenheden in het wegdek en beïnvloedt de asbelasting en de koplampafstelling. Deze beweging wordt bovendien als onaangenaam ervaren. De weerstand die het voertuig biedt tegen deze bewegingsverandering noemt men de langsstabiliteit van het voertuig. Bij de bepaling van het duikmoment, de oorzaak van de duikbeweging, moet het duikcentrum of Nickcentrum van het voertuig worden bepaald. 7.1 Het duikmoment Bij de theorie van het remmen hebben we (gemakshalve) aangenomen dat het duikmoment veroorzaakt werd door de remkracht (Frem = m x a) vermenigvuldigt met de afstand zwaartepunt tot het wegdek. Nu is dit in de meeste gevallen niet geheel correct. Niet de afstand tot het wegdek is verantwoordelijk maar de afstand tot het duikcentrum. En hiervoor is de wielophanging bepalend. We nemen fig. 16 als voorbeeld. De voorwielophanging bestaat hier uit twee dwarsarmen die zodanig geplaatst zijn dat het verlengde van de armen elkaar snijden in het punt Ov. Dit punt noemt men de duikpool van de voorwiel- 11

12 Figuur 15: Boven: De rolregelaar laat vloeistof onder druk onder de plunjer toe waardoor de armen verlengen. De veerbol is afgeschakeld. Onder: De rolregelaar laat vloeistof onder de plunjer retour stromen terwijl de druk boven de plunjer aanwezig blijft. De armen worden korter. De veerbol is afgeschakeld. 12

13 geleiding. De achterwielophanging bestaat -in dit voorbeeld- uit langsarmen. Het scharnierpunt Oa is de duikpool van de achterwielophanging. Wanneer we nu lijnen trekken vanuit het raakpunt wiel-wegdek door Ov en Oa, dan snijden deze lijnen elkaar in punt D. Punt D staat bekend onder het duikcentrum of Nickcentrum. Het duikcentrum D ligt op een afstand hd van het wegdek. Wanneer het zwaartepunt van de bovenbouw op een afstand hz van het wegdek ligt, dan kan het duikmoment worden berekend. Er geldt: Duikmoment = Frem x (hz-hd) Figuur 16: Het duikmoment van de bovenbouw wordt bepaald door Fr ( = bijv. remkracht) x (hz-hd) 8 Vragen en opgaven Zie boek 13