Rijdynamica van motorvoertuigen (6) E. Gernaat (ISBN 978-90-808907-8-7) 1 Wiel- en asstanden In de ophanggeometrie kunnen we de volgende wiel- en asstanden onderscheiden 1 : wielstanden: toe- of uitspoor (toe-in of toe-out); wielvlucht of camber. asstanden: naloop, askanteling of caster; KPI (KingPin Inclination); vierwieluitlijning. Verder hebben we nog te maken met: schuurstraal; uitspoor in de bocht. De wiel- en asstanden worden vrijwel altijd statisch gecontroleerd. Tijdens het rijden, remmen, accelereren en het nemen van bochten veranderen de wielen asstanden. De statisch gemeten waarden komen dus niet overeen met de dynamische werkelijkheid. Oorzaak hiervan zijn de flexibele componenten als rubberen bussen (silent blocs), ophangpunten en uiteraard de flexibele draagarmen met de bijbehorende veren. Verder is de wielophanging zo ontworpen dat tijdens een bocht de wielstanden doelbewust worden veranderd. Veel instellingen worden experimenteel vastgesteld. De autotechnicus kan niet veel meer doen dan de fabrieksgegevens controleren en bij een gemeten afwijking de instellingen -indien- mogelijk corrigeren. Het is belangrijk om de meetvoorwaarden als vlakke vloer, wagenhoogte en bandenspanning aan te houden. In de rallywereld wordt veel geëxperimeerd met wiel- en asstanden waardoor de rechtuitstabiliteit en het bochtgedrag worden beïnvloed. Momenteel gaat men bij de discussie over de wielstanden uit van voorwiel-aangedreven wielen met McPherson (voorwiel)ophanging gecombineerd met radiaal banden. 1. Op dit werk is de Creative Commons Licentie van toepassing 1
2 Wielstanden 2.1 Toespoor of uitspoor (toe-in of toe-out) Wanneer de wielen, vanaf de bovenzijde en in de rijrichting bekeken, van voren dichter bij elkaar staan dan van achteren, dan spreekt men van toespoor. Staan de wielen van voren verder uit elkaar dan van achteren, dan is er sprake van uitspoor (fig. 1). Toe- of uitspoor kan in millimeters of in graden worden opgegeven. Veel moderne meetapparaten geven de sporing in graden of minuten weer. Sporing bedraagt in de praktijk enkele millimeters of enkele tienden van een graad. Een onafhankelijk wielophanging van de achteras maakt het moge- Figuur 1: Voorstelling van toespoor (a) en uitspoor (b) lijk om de achterwielen een bepaalde stand te geven. Toespoor achter geeft wat meer richtingsstabiliteit terwijl uitspoor achter de auto gemakkelijker doet sturen. De achter-sporing is meestal niet nastelbaar. Het betreft veelal kleine waarden. Als handregel wordt (werd) er standaard bij voorwielaandrijving uitspoor gegeven en bij achterwielaandrijving toespoor. Bij voorwielaandrijving hebben de aangedreven wielen door het koppel dat ontstaat ten gevolge van de schuurstraal de neiging om naar binnen getrokken te worden. Uitspoor compenseert het effect van deze krachten. Bij achterwielaandrijving vindt het omgekeerde plaats. Het duwen aan de vooras zorgt ervoor dat de voorwielen naar buiten worden geduwd. Toespoor zal dit effect weer compenseren (fig. 2). De sporing beïnvloedt echter een aantal belangrijke zaken die de fabrikant kan doen afwijken van de handregel. Te weten: de slijtage van de banden; de rechtuit stabiliteit; het bochtinrijgedrag; het bochtgedrag (overstuur en onderstuur). Voor een minimum aan vermogenverlies en bandenslijtage dienen die wielen exact in de rechtuit te staan. Een te veel aan toespoor geeft een slijtage aan de buitenkant van de band te zien. Een te veel aan uitspoor veroorzaakt het tegenoverstelde effect, nl. slijtage aan de binnenzijde van de band. Dit alles zou 2
Figuur 2: Krachten op de voorwielen ten gevolge van de aandrijving. Het koppel F x a wil het wiel naar binnen of buiten laten draaien. a=schuurstraal; F reactiekracht bij achterwielaandrijving ; F bij voorwielaandrijving is de aandrijfkracht. meer voor een neutrale (=0) sporing pleiten ware het niet dat ook de sporing invloed heeft op de richtingsstabiliteit. Er wordt gesteld dat in het ingewikkelde proces van weggedrag een zekere mate van toespoor de rechtuit stabiliteit vergroot terwijl uitspoor het bocht-inrijgedrag vergemakkelijkt. Het is aan de fabrikant om te beslissen welk effect hij toepast. Sporing kan het stuurkarakter (overstuur of onderstuur) zowel positief als negatief beïnvloeden. Wanneer er bijv. snel een bocht wordt ingereden dan zorgt de toespoor ervoor dat er een overstuur neiging ontstaat. Dit wordt veroorzaakt omdat het buitenste wiel zwaarder wordt belast en de meeste invloed heeft op het bochtgedrag. Door de toespoor is het wiel immers al voor de bocht naar binnen gedraaid. Uitspoor heeft over het algemeen het tegenovergestelde effect. 2.2 Het meten van de sporing De sporing wordt na het controleren van de caster en wielvlucht gecontroleerd en eventueel gesteld. Het meten van de sporing geschiedt vanaf de velgrand en wanneer deze wordt uitgedrukt in millimeters is de sporing volgens DIN 70020 het verschil tussen de afstand B en C (fig. 3). Alleen de velg is in deze figuur getekend. Wanneer men de sporing uitdrukt in graden, dan heeft dit (veelal) betrekking op 1 wiel zodat de hoek berekend wordt uit: 0,5 (B-C)/D Deze waarde is de sinus van de hoek, waarin D de velgdiameter voorsteld en B-C de sporing in mm is. Met behulp van een rekenmachine en de sin-1 functie kan de eigenlijke hoek worden bepaald. Omdat de hoek vrij klein is, wordt deze veelal in (graad) minuten uitgedrukt (fig. 4). Met behulp van een touwtje of een spoorstok kan de sporing met eenvoudige middelen worden vastgesteld. Verstelling geschiedt door het verlengen of verkorten van de spoorstang(en). Moderne meetapparatuur is meestal in staat om een sporing tussen de +2 (toespoor) en -2 (uitspoor)graden te meten. 3
Figuur 3: Het meten van de sporing in mm. Sporing = B C (mm) Figuur 4: De sporing uitgedrukt in graden of graad-minuten. Twee millimeter toespoor komt overeen met ongeveer 0,17 0 (graden) of 10 (graad minuten). 4
2.3 De wielvlucht of camber Wielvlucht of camber is de schuinstand van de wielen wanneer we voor tegen de auto aankijken. We onderscheiden een positieve of een negatieve wielvlucht. Wanneer de bovenzijde van het wiel naar buiten wijst, dan hebben we te maken met positieve wielvlucht. Wijst de bovenzijde naar binnen, dan spreken we over negatieve wielvlucht (fig. 5). Vroeger werd over het algemeen een paar Figuur 5: Positieve (a) en negatieve (b) wielvlucht (vooraanzicht van de auto) graden (1 tot 3 0 ) positieve wielvlucht gegeven. Dit werd gedaan om tezamen met de KPI, de schuurstraal wat te verkleinen en om er voor te zorgen dat het wiel naar binnen werd geduwd om de lagerspeling op te vangen. Momenteel staat het stuurgedrag centraal en kiest men veelal voor een kleine negatieve wielvlucht. Om de beste grip van de band op het wegdek te hebben, moet het loopvlak van de band vlak op het wegdek blijven. In de bocht zal het buitenste wiel de grootste spoorkracht moeten opbrengen. Het wiel wordt door deze kracht als het ware naar een positieve wielvlucht geforceerd (positive camber on body roll). Om dit verschijnsel te compenseren kiezen veel fabrikanten voor een kleine negatieve wielvlucht. Een negatieve wielvlucht van ongeveer 2 0 heeft weinig invloed op de bandenslijtage maar verkleint het onderstuur-effect dat bij de meeste voorwielaangedreven voertuigen optreedt. 2.4 Het meten van de wielvlucht Wielvlucht wordt gemeten wanneer de bandenslijtage, het stuurgedrag of een mogelijke schade van de wielophanging daartoe aanleiding geeft. In principe kan de wielvlucht gemeten worden met behulp van een schietlood en een gradenboog of een meetlint met een winkelhaak. Voorwaarden zijn een vlakke, rechte vloer, een correcte bandenspanning en een wielophanging zonder mechanische gebreken. Moderne uitlijnapparatuur kan veelal een wielvlucht meten tussen de + 6 en - 6 0. Verstellen of instellen van de wielvlucht is bij veel voertuigen niet goed mogelijk. In sommige gevallen kan de ophanging van de bovenzijde van de McPherson-poot in dwarsrichting worden versteld. Als verstelling mogelijk is dan moet er aan gedacht worden dat camber en KPI gelijktijdig verstellen. 5
3 Asstanden 3.1 Naloop, askanteling of caster Caster is de voorwaartse of achteroverliggende hellingshoek van de fuseeas of McPhersonpoot. De fuseeas is de lijn die in het zijaanzicht van de auto tussen de (denkbeeldige) fuseekogels kan worden getrokken (fig. 6). De casterhoek is over het algemeen achteroverliggend of positief. Bij voorwiel aangedreven wielen treft men soms ook een negatieve caster aan. Hierdoor ontstaat een duw-effect. Het resultaat van een grotere richtingsstabiliteit blijft gehandhaaft. De casterhoek kan aanzienlijk zijn en variëert tussen de 1 en 9 0. Askanteling Figuur 6: Caster is de hellingshoek van de stuuras (verbindinding tussen de stuurkogels). geeft het zelfsturende effect, zoals we bij rijwielen en zelfinstellende wielen van theetafels e.d. aantreffen. Caster geeft het wiel richtingsstabiliteit in de rijrichting en zorgt ervoor dat het getrokken wordt. Omdat de nadelen van een te veel aan caster grotendeels opgeheven kunnen worden door de moderne stuurbekrachtiging zien we dat in de loop der jaren de casterhoek steeds groter is geworden. Caster veroorzaakt ook een toename van de wielvlucht wanneer het wiel wordt verdraait. Het buitenste wint aan negatieve camber terwijl van het binnenste wiel de positieve camber toeneemt. Over het algemeen werkt deze verandering gunstig op het bochtgedrag. 3.2 Het meten van het caster De askanteling of naloop is een indirecte meting en wordt verkregen door het camber te meten bij verdraaiing van de wielen. Het verschil tussen 20 0 indraaien en 20 0 uitdraaien is een maat voor het caster. Moderne uitlijnapparatuur kan tussen de -18 en +18 0 meten. Hoewel de meeste auto s niet erg caster gevoelig zijn, is het belangrijk dat het verschil tussen links en rechts niet te groot is (maximaal 1 0 ). Een te groot verschil veroorzaakt scheeftrekken van de auto. 6
3.3 KPI (KingPin Inclination) of dwarshelling van de fusee of McPhersonpoot De schuine stand van de fuseekogels wanneer we voor tegen de auto aan kijken wordt de KPI genoemd (fig. 7). De benaming dateert uit de tijd van de fuseepennen (kingpin). Deze hoek tezamen met de wielvlucht bepaalt de schuurstraal van de wielen. De KPI-hoek kan aanzienlijk zijn, wel tot zo n 15 0, omdat soms ook een negatieve schuurstraal wordt toegepast. Aangezien de camberhoek uiterst klein is wordt de schuurstraal in hoofdzaak bepaald door de KPI. In de tijd voor de stuurbekrachtiging werd wel centerpoint-steering toegepast. Hierdoor werd het stuurkoppel aanzienlijk verminderd maar ook de richtingsstabiliteit tijdens het rechtuitrijden. Figuur 7: KPI en schuurstraal 3.4 KPI-meting Ook de KPI-meting is weer een indirecte meting. Met behulp van draaiplaten worden de voorwielen verdraaid. De KPI-hoek doet de horizontale hartlijn van het het wiel verdraaien. Moderne uitlijnapparaten kunnen KPI meten tussen de + en -18 0. 3.5 Het terugkomen van de wielen na de bocht Voor het automatisch terugkeren van de wielen na een bocht zorgen de schuurstraal en de KPI-hoek in combinatie met het voertuiggewicht voor een terugstelmoment. 3.6 Uitspoor in de bocht Omdat in de bocht alleen de voorwielen verdraaien (en niet de vooras), zullen de wielen een verschillende bochtstraal doorlopen en moet het binnenste 7
wiel verder verdraaid worden dan het buitenste wiel. De schuine stand van de fuseearmen zorgen daarvoor (het Ackermann principe). Bijv. binnenwiel 23 0, buitenwiel 20 0. Omdat het binnenste wiel meer verdraait, zal er uitspoor ontstaan. Men spreekt dan van uitspoor in de bocht (fig. 8). Figuur 8: Uitspoor in de bocht ontstaat wanneer het binnenste gestuurde wiel meer verdraait dan het buitenste wiel (d groter dan c). 3.7 Vierwieluitlijning Om ook de stand van de vooras t.o.v. de achteras te bekijken, is vierwieluitlijning noodzakelijk. De onafhankelijke achterwielophanging maakt ook achterwielstanden mogelijk. Men gaat tegenwoordig bij het uitlijnen uit van een complete vierwieluitlijning. We spreken van een tracking hoek wanneer de achterwielen de voorwielen niet in een rechte lijn volgen. Ook wordt het begrip thrust line wel gehanteerd bij scheefstand van de achteras. De thrustlijn is de rijlijn van de achterwielen (fig. 9). 3.8 Verandering van de sporing tijdens invering (toe-on-bumps) Omdat o.a. de spoorstang tijdens het veren verticaal beweegt zal het toe- of uitspoor veranderen wanneer een wiel een oneffenheid te verwerken krijgt. Dit geldt ook voor het camber. Zie fig. 10. Tot slot willen we het begrip set back noemen. Set-back ontstaat wanneer de voorwielen niet in lijn staan, d.w.z één wiel staat voor de ander. Set-back kan gemeten worden in graden of in millimeters (fig. 11). 8
Figuur 9: De thrustlijn geeft de scheefstand van de achteras weer bij vierwieluitlijning Figuur 10: Wielstanden kunnen veranderen tijdens de veerbewegingen (Toyota). Figuur 11: Set-back van de vooras 9
4 Vragen en opgaven Zie boek 10