Rijdynamica van motorvoertuigen (4) - Timloto

Rijdynamica van motorvoertuigen (4)
E. Gernaat (ISBN 978-90-808907-8-7)
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 vooren
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

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 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

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

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
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.
systeem 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
5

stabilisator 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

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

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
8

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

van de stabilisatiecilinders 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
Figuur 13: De balansarm van de rolregelaar (14) verschuift naar links of rechts afhankelijk van
de stand van de draagarmen.
volgens fig. 14. 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

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

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

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
1. Wat verstaan we onder de rolas van de auto?
2. Wat gebeurt er met het rolmoment van de auto wanneer we de snelheid
in de bocht vergroten?
3. Tussen welke punten (lijnen) ligt nu precies de rolarm?
4. Welke systemen c.q. onderdelen kunnen het rolgedrag van een auto
beperken?
5. Een stabilisatorstang wordt in de bocht op torsie belast. Leg dit uit.
6. Wat verstaat men onder een actieve stabilisator?
7. Op welke wijze werkt de ’dynamic drive’ van BMW?
8. Welke ESP-sensoren worden door BMW voor het dynamic drive systeem
gebruikt?
9. Om welke reden kunnen de voor en achter stabilisator verschillend worden
aangestuurd?
10. Bij welke snelheid zal in een bocht met een straal van 100 m 0,6 g wordt
bereikt? (a = v 2 / rc )
11. Wat wil men bereiken met een ontkoppelbare stabilisator?
12. Zal wanneer de bestuurder de ontkoppeling activeert het systeem ook
altijd ontkoppelen?
13. Wat zijn de genoemde voorwaarden?
14. Wat is de functie van de zware veer in het stabilisator-schakelhuis?
13

15. Geef vier factoren weer die de mate van overhellen in de bocht bepalen.
16. Op welke wijze zorgen de stabilisatoren van het Activa systeem dat het
overhellen in een bocht wordt voorkomen?
17. Behalve dat de lengte van de stabilisatorarmen bij het Activa systeem
kan worden aangepast kan men ook de soepelheid van de stabilisator
beïnvloeden. Op welke wijze gebeurt dit?
18. Tot welke dwarsversnelling houdt het Activa systeem de auto nagenoeg
recht?
19. Wanneer we in fig. 12 olie onder druk toelaten naar beide kamers (de
kleine en de grote) zal de plunjer omhoog bewegen. Verklaar dit.
20. Gebruik fig. 12 en fig. 15 om de stand van de kleppen en plunjers uit te
leggen tijdens het rechtuit rijden, een rol naar links en een rol naar rechts.
21. Waarom is het niet helemaal correct om het duikmoment tijdens het remmen
te berekenen uit de remkracht vermenigvuldigt met de afstand van
het zwaartepunt tot het wegdek?
14