Rijden jullie weleens op het circuit, doen jullie aan gymkhana of gaan jullie de bergwegen op om een snelle tijd neer te zetten?
Als je denkt: ‘Ik wil er nog één seconde af halen!’, ga je misschien aan je schroefset sleutelen om het stuurgedrag, zoals onderstuur en overstuur, bij te stellen.
Je hebt vast weleens gehoord dat stijvere voorveren voor onderstuur zorgen, of dat een hogere rijhoogte achter de auto meer overstuur geeft.
Maar hoe dat precies werkt, wordt in tijdschriften en op internet niet zo vaak uitgelegd. Die kennis is dan ook niet erg wijdverbreid.
Als je het mechanisme begrijpt, betekent dat nog niet dat je meteen een snelle afstelling kunt vinden. Maar zodra je de basis kent, kun je beter inschatten: ‘Dit heb ik nodig om mijn huidige probleem op te lossen’, of: ‘Dit zal waarschijnlijk weinig verschil maken.’
Je zult je ook minder vaak afvragen: ‘Hoe los ik dit probleem met mijn onderstel op?’ En je raakt minder snel in de war van alle dubieuze theorieën die overal rondgaan.
Daarom wil ik deze keer eens uiteenzetten hoe je het stuurgedrag kunt afstellen, bekeken vanuit de fysische eigenschappen van banden.
【Kernpunten】
(1) Het stuurgedrag afstellen betekent de balans van de dwarskrachten tussen voor- en achteras aanpassen
(2) Het is belangrijk om de gezamenlijke dwarskracht van de linker- en rechterband te bekijken
(3) Hoe groter de lastoverdracht, hoe lager de gezamenlijke bochtstijfheid van de linker- en rechterband
(4) De twee belangrijkste factoren voor de verdeling van de lastoverdracht tussen voor en achter zijn rolstijfheid en de hoek van de ophangingsarmen
(5) De hoogte van het rolcentrum bepaalt hoe sterk beide factoren meetellen
De stuurbalans begint bij de banden
Laten we beginnen met (1): ‘Het stuurgedrag afstellen betekent de balans van de dwarskrachten tussen voor- en achteras aanpassen.’
Nou ja, dat spreekt eigenlijk wel voor zich.
Als de voorbanden ten opzichte van de achterbanden meer dwarskracht kunnen leveren, stuurt de auto gemakkelijker in. Kunnen de achterbanden relatief meer dwarskracht leveren, dan wordt de auto stabieler.
Toch wordt over de wielophanging vaak gesproken in termen als: ‘De voorkant rolt gemakkelijk, dus krijg je onderstuur’, of: ‘De achterkant is te stijf, dus krijg je overstuur.’
Als je alleen zo denkt, blijft onduidelijk wat er uiteindelijk verandert en waarom dat tot meer onderstuur of overstuur leidt.
Een auto raakt de weg alleen via zijn vier banden. Veranderingen in de stand van de carrosserie, zoals rollen en voor- en achterover kantelen, zijn uiteindelijk slechts onderdeel van de manier waarop krachten worden overgebracht. Het is de balans van de dwarskrachten voor en achter die rechtstreeks invloed heeft op onderstuur en overstuur.
Of we het nu over veren, stabilisatorstangen of dempingskracht hebben, het is belangrijk om jezelf steeds af te vragen: ‘Wat doet dit uiteindelijk met de balans van de dwarskrachten tussen voor- en achteras?’
Dan (2): ‘Het is belangrijk om naar de gezamenlijke dwarskracht van de linker- en rechterband te kijken.’
Over het algemeen denk ik dat goede bestuurders de lastoverdracht vloeiender weten te doseren. Maar uit uitdrukkingen als ‘meer gewicht op de band zetten’ en ‘de band goed belasten’ blijkt al dat bij lastoverdracht als rijtechniek meestal alleen wordt gedacht aan de band die zwaarder wordt belast: de buitenste band.
Als we het uitsluitend over rijtechniek hebben, is dat prima. Maar de band die juist minder belasting krijgt, de binnenste band dus, doet niet helemaal niets (behalve bijvoorbeeld wanneer bij een voorwielaangedreven auto het binnenste achterwiel loskomt van de grond).
Je hebt twee voorbanden en twee achterbanden.
Daarom moet je bij onderstuur en overstuur rekening houden met de totale dwarskracht van de linker- en rechterband samen.
Waarom lastoverdracht de totale bochtstijfheid verlaagt
Dan komen we bij (3): ‘Hoe groter de lastoverdracht, hoe lager de gezamenlijke bochtstijfheid van de linker- en rechterband.’
Kijk eerst eens naar deze grafiek.
Deze grafiek heb ik getekend aan de hand van figuur 10 uit “Flat-Belt Suspension Tire Test Machine” (Tomoki Sakai, Kaoru Kusaka en Yuji Sato), gepubliceerd op de website met technische publicaties van Honda R&D. Ik heb geprobeerd het origineel zo nauwkeurig mogelijk te benaderen.
Op de verticale as staat de bochtstijfheid (dwarskracht per eenheid sliphoek), op de horizontale as de belasting.
Zoals je ziet, neemt de bochtstijfheid niet recht evenredig toe met de belasting op de band.
Bij een hogere belasting neemt de bochtstijfheid wel toe, maar naarmate de belasting groter wordt, wordt die toename steeds kleiner.
Vanaf een bepaald punt neemt de bochtstijfheid zelfs af.
Dit heet de belastingsgevoeligheid van een band.
Stel nu dat we een auto hebben waarbij elke voorband bij 1 g een belasting van 4.000 N draagt.
Als deze auto een bocht neemt, wordt door lastoverdracht de binnenste band minder zwaar en de buitenste band juist zwaarder belast.
Bij een lastoverdracht van bijvoorbeeld 2.000 N daalt de belasting op de binnenste band tot 2.000 N en stijgt die op de buitenste band tot 6.000 N.
In de grafiek ziet dat er zo uit.
Let nu eens op hoe de bochtstijfheid van de binnenste en buitenste band verandert.
De bochtstijfheid van de buitenste band is toegenomen.
Ja, hij is toegenomen, maar niet zo heel veel.
Die van de binnenste band is ondertussen flink afgenomen.
Laten we nu de waarden van de binnenste en buitenste band optellen.
Vóór lastoverdracht
Binnenste band 1.300 N/deg + buitenste band 1.300 N/deg = Totaal 2.600 N/deg
Na lastoverdracht
Binnenste band 800 N/deg + buitenste band 1.420 N/deg = Totaal 2.220 N/deg
Door de lastoverdracht is de totale bochtstijfheid dus afgenomen.
Dit is een van de meest fundamentele bandeigenschappen die je moet begrijpen als je over stuurgedrag nadenkt.
Of je nu andere veren monteert of de rijhoogteverhouding tussen voor en achter verandert: dat het stuurgedrag daardoor verandert, komt uiteindelijk door deze eigenschap van banden.
Dit is ook een van de redenen waarom sportauto’s een laag zwaartepunt hebben.
Bij een hoog zwaartepunt treedt bij dezelfde dwarsversnelling meer lastoverdracht op. Daardoor neemt de totale dwarskracht af en wordt snel rijden moeilijker. Daarom probeert men het zwaartepunt te verlagen, om zoveel mogelijk grip te behouden en de prestaties van de auto te verbeteren.
Nu we deze eigenschap van banden hebben bekeken, kunnen we eindelijk aan de afstelling van de wielophanging beginnen.
Wat bepaalt de verdeling van de lastoverdracht tussen voor en achter?
Eerst (4): ‘De twee belangrijkste factoren die de verdeling van de lastoverdracht tussen voor en achter bepalen.’
【Factoren die samenhangen met rolstijfheid】 (Voorbeelden)
・Schroefveren
・Stabilisatorstangen
・De mate waarin de aanslagrubbers worden ingedrukt
enz.
【Factoren die samenhangen met de hoek van de ophangingsarmen】 (Voorbeelden)
・Rijhoogte
・Rolcentrumcorrectoren
・Dempingskracht van de schokdempers
enz.
Maak je bijvoorbeeld de voorveren stijver en de achterveren zachter, dan neemt de vooras bij het rollen van de carrosserie een groter deel van de lastoverdracht voor zijn rekening.
Zoals we net hebben gezien, zijn banden belastingsgevoelig. Als de vooras meer lastoverdracht voor zijn rekening neemt, daalt de gezamenlijke dwarskracht van de twee voorbanden en wordt de auto moeilijker de bocht in te sturen.
Maar dat zijn niet de enige factoren die de verdeling van de lastoverdracht tussen voor en achter bepalen.
Die verdeling verandert ook met de hoek van de ophangingsarmen (ook wel suspension links genoemd).
Stel dat de ophangingsarmen aanvankelijk evenwijdig aan het wegdek staan. Als je de rijhoogte verhoogt, lopen ze naar de buitenkant van de auto toe schuin omlaag. Verhoog je alleen de voorkant en laat je de achterste ophangingsarmen evenwijdig aan de grond staan, dan zorgt de hoek van de voorste ophangingsarmen tijdens het rollen ervoor dat een groter deel van de lastoverdracht aan de voorkant via die armen wordt overgebracht.
Let hier wel op. Een verschil in lastoverdracht tussen voor en achter betekent alleen dat de verdeling verandert. Het betekent niet dat de totale lastoverdracht van de auto daardoor evenveel groter wordt.
De totale lastoverdracht van de auto wordt bepaald door vier factoren: voertuiggewicht, dwarsversnelling, zwaartepunthoogte en spoorbreedte. Hoe die lastoverdracht over voor- en achteras wordt verdeeld, hangt vervolgens af van zaken als rolstijfheid en de hoek van de ophangingsarmen.
Even terzijde: soms lees ik uitspraken als: ‘Als je de rolstijfheid voor verhoogt, rolt de voorkant minder dan de achterkant en stuurt de auto moeilijker in.’
Ik snap dat je graag onderscheid maakt tussen ‘rollen voor’ en ‘rollen achter’. Maar rollen is een beweging waarbij de carrosserie om de rolas draait die de voorste en achterste rolcentra met elkaar verbindt (※). De rolhoek is de draaihoek van de carrosserie. Zolang de carrosserie niet tordeert, is de rolhoek voor en achter dus gelijk.
Anders gezegd: dit maakt ook duidelijk dat de torsiestijfheid van de carrosserie belangrijk is. Maar dat is een ander onderwerp, dus dat laat ik hier buiten beschouwing.
Een rijdende auto beweegt niet alleen rollend maar ook stampend, dus hier wordt het wat ingewikkeld. Toch blijft gelden: ‘Zolang de carrosserie niet tordeert, is de rolhoek voor en achter gelijk.’ Houd dat dus in gedachten.
Wat met de rolstijfheid en de hoek van de ophangingsarmen verandert, is niet de verhouding van de rolhoek voor en achter, maar de verdeling van de lastoverdracht tussen voor en achter.
(※ Strikt genomen bestaat er ook een opvatting waarbij rollen wordt gedefinieerd als een draaiing rond een lengteas door het zwaartepunt, evenwijdig aan het wegdek. De as die de voorste en achterste rolcentra verbindt de rolas noemen, is dus niet per se de enige juiste benadering. Hier gebruik ik de gangbaardere benaming. Het is een belangrijk onderwerp, dus ik zal er later een apart artikel over schrijven. Als je geen idee hebt waar ik het over heb, kun je dit stukje gerust overslaan.)
Maar waarom hebben rijhoogte en dempingskracht eigenlijk iets met de hoek van de ophangingsarmen te maken?
Omdat je daarmee de werkelijke hoek van de ophangingsarmen tijdens het rijden verandert.
Verander je de rijhoogte, dan verandert de uitgangshoek van de ophangingsarmen. Daardoor is ook hun hoek na een bepaalde hoeveelheid carrosserierol anders dan vóór de verandering van de rijhoogte.
Zo verandert de verdeling van de lastoverdracht tussen voor en achter, en daarmee ook het stuurgedrag.
De dempingskracht beïnvloedt hoe snel de carrosserie rolt en duikt of achterover helt, en verandert daarmee het overgangsgedrag van de auto.
Bij weinig demping verandert de hoek van de ophangingsarmen eerder en sneller, en is die verandering op dat vroege moment groter. Bij veel demping verloopt de hoekverandering langzamer.
Dat is bijvoorbeeld waarom een auto bij het insturen overstuur kan krijgen als je de achterdempers helemaal zacht zet.
Maar zodra de rolbeweging haar maximum bereikt en de auto in een constante bocht rijdt, bewegen de ophangingsarmen niet meer en heeft de dempingskracht daarop geen invloed meer.
Tegelijkertijd speelt de dempingskracht ook rechtstreeks een rol bij de overdracht van krachten naar de banden tijdens lastoverdracht. De invloed ervan beperkt zich dus niet tot dit mechanisme.
Hoe de hoogte van het rolcentrum de balans verandert
Tot slot (5): ‘De hoogte van het rolcentrum verandert hoe sterk de verschillende factoren meetellen.’
Eigenlijk zou ik dit met formules moeten uitleggen, maar om het artikel leesbaar te houden, doe ik het deze keer helemaal zonder formules.
Daardoor zijn sommige formuleringen onvermijdelijk wat vaag en minder nauwkeurig. Houd daar dus rekening mee.
Wil je de details weten, dan raad ik je de onderstaande pagina aan. Helaas is die in het Japans geschreven. Ik heb naar een vergelijkbare Engelstalige uitleg gezocht, maar niets geschikts gevonden.
Ooit schrijf ik er zelf wel iets over. Tot die tijd zul je even geduld moeten hebben. Haha
We hebben dus gezien dat de totale lastoverdracht van een auto wordt bepaald door vier factoren: voertuiggewicht, dwarsversnelling, zwaartepunthoogte en spoorbreedte. De verdeling daarvan tussen voor en achter wordt bepaald door de rolstijfheid en de hoek van de ophangingsarmen.
Als de lastoverdracht voor toeneemt, daalt daardoor de gezamenlijke dwarskracht van de linker- en rechtervoorband. En als de lastoverdracht achter toeneemt, daalt de gezamenlijke dwarskracht van de beide achterbanden.
Overigens geldt: hoe groter de afstand tussen het zwaartepunt en de rolas (de rolmomentarm), hoe sterker de carrosserie rolt.
Omgekeerd wordt de rolbeweging kleiner naarmate de rolmomentarm korter is. Maar wat gebeurt er als de rolas precies even hoog ligt als het zwaartepunt, en de rolmomentarm dus nul is?
Dan beweegt de wielophanging tijdens het nemen van een bocht helemaal niet in de rolrichting.
Er vindt echter nog steeds lastoverdracht plaats. Door de vervorming van de banden helt de auto zelf dus wel iets over.
Je kunt het je voorstellen als een auto waarvan de ophanging niet mee rolt, of als een rechthoekige doos met banden eraan.
(Overigens keert de rolrichting om als je de rolas vanaf dat punt nog verder omhoog brengt.)
Hoe wordt de lastoverdracht in dat geval tussen voor en achter verdeeld?
Die verdeling is dan gelijk aan de gewichtsverdeling tussen voor en achter bij 1 g.
Stel dat een auto een gewichtsverdeling van 60:40 heeft. Als je de rolas verhoogt totdat de rolmomentarm nul wordt, is de verdeling van de lastoverdracht in de bocht ook 60:40.
Laten we nu het tegenovergestelde doen en de rolas verlagen.
Als je de rolas steeds verder verlaagt tot op grondhoogte, wordt de rolmomentarm even lang als de zwaartepunthoogte. Dan wordt de verdeling van de lastoverdracht tussen voor en achter gelijk aan de verdeling van de rolstijfheid tussen voor en achter.
De gewichtsverdeling bij 1 g speelt dan geen rol meer. Neem bijvoorbeeld een auto met een gewichtsverdeling van 60:40 bij 1 g en een rolstijfheidsverdeling van 50:50. Als je de rolas tot op grondhoogte verlaagt, wordt de verdeling van de lastoverdracht 50:50.
(Verlaag je de rolas vanaf daar nog verder, dan keert de richting om van het moment dat via de ophangingsarmen op de carrosserie wordt overgebracht. Maar dit wordt gecompenseerd door het rolmoment dat via de rolstijfheid wordt opgevangen, zodat de uiteindelijke rolrichting niet verandert.)
En wat gebeurt er als de rolas halverwege de hoogte van het zwaartepunt ligt?
Dan zijn de invloed van de gewichtsverdeling bij 1 g en die van de rolstijfheidsverdeling tussen voor en achter even groot.
Verhoog je de rolas vanaf daar geleidelijk, dan gaat de gewichtsverdeling bij 1 g zwaarder meetellen. Verlaag je de rolas geleidelijk, dan wordt de invloed van de rolstijfheidsverdeling groter.
Omdat ik het deze keer met alleen tekst begrijpelijk wilde uitleggen, heb ik de invloed van de spoorbreedte en andere factoren weggelaten.
Als algemene tendens denk ik dat deze uitleg klopt. Maar bij gedetailleerde berekeningen kunnen afhankelijk van de situatie afwijkingen ontstaan. Houd daar rekening mee.
Wil je je hier echt in het Engels in verdiepen, dan is de onderstaande pagina misschien nuttig. De uitleg gaat echter grotendeels uit van één as (voor of achter), en wijkt daarom enigszins af van waar het hier om draait.
“Geometric & Elastic Weight Transfer and the Roll Centre”
Deze keer heb ik dus uitgelegd via welke mechanismen veranderingen in de rolstijfheid of rijhoogte het stuurgedrag van een auto beïnvloeden.
Je kunt dit zien als het afstellen via lastoverdracht. Je kunt het stuurgedrag ook veranderen met bandenspanning, wieluitlijning en aerodynamica. Maar lastoverdracht is een van de belangrijkste basisprincipes om te begrijpen hoe een wielophanging werkt.
Ik hoop dat je er iets aan hebt.