Het stuurkarakter van een auto

We horen het vele malen voorbij komen als we naar een aflevering van Top Gear kijken, als de Stig een Mercedes AMG of een Ferrari driftend de bocht door gooit. Jeremy  en zijn mannen hebben het dan over “understeer” en “oversteer” maar wat houdt het nu in?

We spreken van overstuur:
Wanneer de drifthoek van de achteras groter is dan van de vooras, komt het bochtmiddelpunt namelijk ook dichterbij de auto te liggen. Dit betekent dat met een vastgezet stuurwiel en toenemende snelheid een boog met een steeds kleinere kromtestraal wordt beschreven. Als de auto op een gelijkblijvende cirkelboog moet blijven rijden, zal bij toenemende snelheid een steeds kleinere stuuruitslag nodig zijn. Het stuurwiel is in deze situatie teveel “overgedraaid” , men moet dus terugsturen (tegensturen) om niet een te scherpe bocht te nemen. Dit verschijnsel wordt overstuur genoemd. De auto heeft dan eerder de neiging om aan de achterkant uit te breken (Driften).

We spreken van onderstuur:
Wanneer de drifthoek van de vooras groter is dan van de achteras, zal de auto met een vastgezet stuurwiel bij toenemende snelheid een boog met een steeds grotere kromtestraal beschrijven. Om op een gelijkblijvende cirkel te blijven rijden, moet met toenemende snelheid het stuurwiel steeds verder worden gedraaid. Dat wordt onderstuur genoemd. De auto heeft de neiging rechtdoor te willen blijven rijden en er moet sterker gestuurd worden.
 

We spreken van een neutraal stuurkarakter:
Treedt geen van bovenstaande situaties op dan is het stuurkarakter neutraal. De auto drift dan over alle wielen. De meningen over welk stuurgedrag de voorkeur geniet, lopen uiteen. Bij een overwegend sportieve rijstijl heeft een in het grensgebied neutraal stuurkarakter zijn voordelen. Onder het grensgebied verstaan we de rijomstandigheden waarbij het voertuig net begint uit te breken. Afhankelijk van het autotype, de onderstelconstructie en banden gebeurt dit of plotseling en onverwacht of goed voorspelbaar en goed beheersbaar. Het is daarom ook mogelijk dat twee verschillende auto’s weliswaar een zelfde bochtsnelheid bereiken maar dat de ene in dit grensgebied problematisch en de andere makkelijk en veilig te beheersen is.

 Een onderstuurd rijgedrag is ook vrij onproblematisch. Dit heeft de volgende reden. Een onderstuurd voertuig moet bewust met een grotere stuurinslag dan de te beschrijven cirkelboog de bocht ingestuurd worden, dus scherper insturen. Dit gedrag noemt men bochtonwillig, de bochtweerstand is dan relatief groot. De auto schuift over de voorwielen en remt daardoor min of meer af. Het rijgedrag blijft stabiel.

Een neutraal en ook een licht overstuurd voertuig gaat gemakkelijker door de bocht.
De mogelijke bochtsnelheid licht dan hoger. De stuurinslag is geringer en dient bij het  overschrijden van de hechtingsgrens zo mogelijk wat terug genomen te worden, dit noemt men tegensturen. Veel overstuur dient vermeden te worden omdat dit relatief vroeg bij een lage bochtsnelheid terugnemen van de stuurinslag vraagt (tegensturen) en bij een niet voldoende of te trage stuurreactie tot het draaien van de auto zal leiden.

Het stuurkarakter wordt echter ook door het vermogen van de aangedreven assen bepaald en door de wijze van aandrijving. Bij voertuigen met voorwielaandrijving zal toevoer van teveel vermogen doorslippende voorwielen tot gevolg hebben. Bij het nemen van een bocht veroorzaakt dit versterkt onderstuur. Bij voertuigen met achterwielaandrijving geeft dit vermogensoverschot extra overstuur. Men spreekt dan van vermogensoverstuur (power-oversteer). We kunnen overstuur onderverdelen in corner entry oversteer (overstuur bij bocht insturen) en corner exit oversteer (overstuur bij bocht uitkomen).  Ook onderstuur kunnen we onderverdelen in entry en exit.

Hieronder volgen een aantal factoren die overstuur en onderstuur kunnen verminderen of zelfs elimineren. Dit zijn geen standaard oplossingen. Deze zullen altijd eerst getest moeten worden om erachter te komen of de wijziging geholpen heeft.

Factoren die entry en/of exit oversteer theoretisch verminderen of elimineren:
-(Sterkere) stabilisatorstang aan de vooras
-(Meer) negatief camber achter
-(Meer) uitspoor aan de vooras en (meer) toespoor aan de achteras
-Hardere demping (ingaande slag, bump) of vering voor
-Grotere spoorbreedte achter
-Bredere banden en velgen achter
-Hogere bandenspanning achter om meer temperatuur en dus grip te creëren in de band

Factoren die entry en/of exit onderstuur theoretisch verminderen of elimineren:
-(Meer) negatief camber voor
-(Meer) toespoor aan de vooras en (meer) uitspoor aan de achteras
-Hardere demping (ingaande slag, bump) of vering achter
-Grotere spoorbreedte voor
-(Sterkere) stabilisatorstang achter
-Bredere banden en velgen voor
-Hogere bandenspanning voor om meer temperatuur en dus grip te creëren in de band

Waar is verbetering in de wegligging en bochtengedrag te vinden ?

Elke afstelling van het onderstel van een straatauto is een compromis, dat niet alleen voor probleemloze rijeigenschappen, maar ook voor bevredigend veercomfort moet zorgen. Als men de prestaties  wil verhogen, zijn er dus altijd verbeteringen in de wegligging te bereiken. Daardoor zal het comfort echter wel afnemen

Vering en demping

Bij straat auto’s vormen vering en demping een compromis tussen comfort en wegligging. De wegligging kan verbeterd worden door een hardere onderstelafstelling. Dit gaat dus wel ten koste van het comfort. Hardere veren en veren met een kortere veerweg vereisen het toepassen van strakker werkende schokdempers. Door de hardere demping zullen de bewegingen van de opbouw worden beperkt. Hierdoor zullen de rijeigenschappen en de hanteerbaarheid van de auto verbeteren.

In een bocht treedt een centrifugaalwerking op in elk onderdeel van de auto. We kunnen de verzameling van alle centrifugaalkrachten geconcentreerd denken in het zwaartepunt van de auto. Afhankelijk van de vorm en de bouw van de auto ( de hoogte waarop de zwaarste onderdelen geplaatst zijn ) ligt het zwaarte punt hoger of lager. Een auto met een hoog gelegen zwaartepunt, zal bij het nemen van een bocht sterker overhellen dan een auto met een lager gelegen zwaarte punt. De afstand tussen rol as en zwaartepunt is dus bepalend voor het rolgedrag van de auto. Omdat de dwarskrachten  in het zwaartepunt  aangrijpen zal het rolmoment  dat door de veren en dempers moet worden opgenomen, groter zijn naarmate de arm van dit moment groter is. Door het verlagen van een auto kan het  zwaartepunt omlaag gebracht worden. Dit geeft, vooral in samenwerking met een grotere spoorbreedte, een hogere maximale bochtsnelheid. De maximale bochtsnelheid, is de maximaal bereikbare snelheid gerelateerd aan het doorlopen van een cirkelboog, voordat de auto uitbreekt. Technisch uitgedrukt is dat die snelheid waarbij er een evenwicht is tussen de centrifugaalkracht werkend uit het zwaartepunt van de auto en de dwarskrachten welke de banden kunnen verwerken.

De begrenzing, van het verlagen, wordt gevormd door het inveren (veerweg) en de veeraanslag. Als een auto in statische toestand al op de veeraanslagen (bumpstop)ligt, heeft deze dynamisch, dus tijdens het rijden, helemaal geen veerweg meer. Deze auto zal bij oneffenheden zeer snel het wegcontact verliezen.  Een inveerweg van ten minste 40 mm is vereist om in de dynamische situatie niet het contact met de weg te verliezen doordat de auto op de veerinslag (bumpstop) komt.
 


Spoorbreedte

De spoorbreedte is de afstand tussen de twee wielen op een as.
De spoorbreedte speelt ten aanzien van de bereikbare bochtsnelheden en het stuurkarakter van de auto een rol. Een grotere spoorbreedte maakt bij een gelijkblijvende hoogte van het zwaartepunt een betere zijdelingse afsteuning mogelijk. We kunnen de spoorbreedte aan beide assen in gelijke mate groter maken, hetgeen resulteert in hogere maximale bochtsnelheden. Ook kunnen we alleen voor of achter verbreden om de effecten van een ongewenst stuurkarakter te reduceren. Hiervoor geldt:

- Grotere spoorbreedte voor geeft minder onderstuur.

- Grotere spoorbreedte achter geeft minder overstuur.

Dit komt doordat de as met een grotere spoorbreedte zorgt voor een geringere gewichtsoverdracht. Aan de  vooras moet de spoorverbreding ook niet overdreven worden, om de besturing niet te veel te beïnvloeden.
 

Stabilisatorstang

Bij een stabilisatorstang gaat het gewoonlijk om een dwars boven of onder de assen gemonteerde torsiestaaf waarvan de beide einden over een gelijke afstand zijn omgezet. Deze beide armen dienen als buigstaven en het lange tussengedeelte dient als torsiestaaf (welke op wringing belast wordt). Het tussengedeelte wordt scharnierend aan de carrosserie of aan het subframe bevestigd (afgeveerde massa)en werkt daardoor als torsieveer en levert zo een terugstelmoment. De beide omgebogen uiteinden zijn bevestigd aan de draagarmen of onderste deel van de schokbreker (onafgeveerde massa). Het is dus met het deel van de wielophanging  verbonden dat ook de veerbewegingen van het wiel volgt.

De stabilisatorstang zorgt voor extra rolstijfheid door mate van overhellen te verminderen. Bij het eenzijdig inveren in een bocht wordt de vering harder in de mate van de extra torsiekracht van de stabilisatorstang. Dit heeft tot gevolg dat de auto aan die zijde minder sterk inveert. Het binnenste wiel wordt tegelijkertijd echter opgetild, dus ontlast. De geringe invering aan de buitenzijde van de bocht en de geringe uitvering aan de binnenzijde hebben als resultaat een geringere kantelneiging van de opbouw.

We kunnen door het wijzigen van de wieldrukken aan de voor- en achteras het stuurkarakter van de auto beïnvloeden. Hiervoor kan een stabilisatorstang gebruikt worden. Omdat een auto in een bocht steeds eenzijdig in- en uitveert, kunnen stabilisatorstangen gebruikt worden om de wieldrukken te veranderen.

Als een auto door een rechter bocht rijdt, dan steunt de opbouw sterk af op de buitenste, dus linker wielen. Deze veren in en de rechter wielen veren uit. Bij dit proces wordt de stabilisatorstang sterk verdraaid en oefent op het ingeveerde, dus linker voorwiel nog extra kracht uit, waardoor de wieldruk daar groter wordt dan dat deze zonder stabilisatorstang zou zijn. Gelijktijdig vermindert de wieldruk van het binnenste wiel, waardoor er grotere wieldrukverschillen tussen links en rechts ontstaan. Het gevolg is dat de drifthoek van het buitenste wiel groter is dan dat deze zou zijn zonder stabilisatorstang. Zowel  aan de vooras als aan de achteras werkt een stabilisatorstang op dezelfde wijze. Daarom zijn de volgende regels van toepassing:


·Stabilisatorstang voor vermindert overstuur, maar bevordert onderstuur
·Stabilisatorstang achter vermindert onderstuur, maar bevordert overstuur


In plaats van het aanbrengen van stabilisatorstangen kunnen de bestaande exemplaren natuurlijk ook vervangen worden door dikkere of dunnere exemplaren. Het is belangrijk dat ten behoeve van een evenwichtig stuurkarakter in het grensgebied de drifthoeken voor en achter ongeveer even groot zijn. Dit kan bereikt worden met behulp van de stabilisatorstangen. Hiermee kan de auto zo neutraal mogelijk afgesteld worden.


Veerpootbruggen

Om de statische wielgeometrie, bepaald bij stilstand van de auto(Uitlijnen), zoveel mogelijk te behouden bij dynamische belasting kunnen we veerpootbruggen monteren om de carrosserie te verstevigen en daarmee vervormingen van de carrosserie bij hoge belastingen te verminderen. Hiermee helpen we voorkomen dat de dynamische wielgeometrie teveel nadelig afwijkt van de ingesteld statische wielgeometrie. Tevens wordt door het verstevigen van de carrosserie onnodige vervorming tegen gegaan wat scheurvorming in de carrosserie of los scheurende puntlassen kan veroorzaken. Bij een verlaagd sportonderstel zijn de krachten die door de carrosserie moeten worden opgevangen namelijk een stuk hoger dan bij het comfortabele standaard onderstel.

Polyurethaan draagarmrubbers

Om elastokinematische sturing door dwarskrachten te minimaliseren kunnen de originele rubberen draagarmrubbers vervangen worden door polyurethaan uitvoeringen. Deze rubbers zijn aanzienlijk stijver dan standaard rubbers en vervormen daardoor minder tijdens hoge belasting. Ook hierbij blijft de statische wielgeometrie, bepaald bij stilstand van de auto(Uitlijnen), zoveel mogelijk te behouden bij dynamische belasting. In onderstaand filmpje kunt u duidelijk het verschil zien tussen originele draagarmrubbers en de polyurethaan uitvoering van Whiteline.

Banden

Het gevolg van het verlagen van een auto is dat de auto eerder wil gaan schuiven dan kantelen. Het eigenlijke contactvlak tussen voertuig en wegdek wordt hierdoor vergroot, om dit nog verder te vergroten worden bredere banden gemonteerd. Het contactvlak brengt uiteindelijk alle rijdynamische krachten als aandrijf, rem en spoorkrachten, op het wegdek over. Brede banden verbeteren de krachtoverbrenging tussen wielen en wegdek, waardoor het rem- en acceleratie vermogen verbeterd wordt en de maximale bochtsnelheid hoger wordt.

Brede banden hebben ook nog andere positieve effecten, die niet alleen met de grotere contactvlakken van doen hebben. Door de lagere zijwanden zal tussen band en velg minder vervorming optreden, wat in een hoger stuurprecisie tot uiting komt. Op grond hiervan is de drifthoek van brede banden bij gelijkblijvende spoorkrachten aanzienlijk kleiner. De geringere flankhoogte heeft ook tot gevolg dat brede banden, vooral bij hoge snelheden, een geringere rolweerstand hebben. Ook bij het schuin lopen van de band, dus in bochten, is de rolweerstand minder.

Brede banden hebben echter ook een paar nadelen. Afgezien van het slechtere veer- en rolcomfort, enerzijds veroorzaakt door het stijvere loopvlak en anderzijds door de lagere en stijvere flanken, zijn er ook een aantal aërodynamische nadelen. Het rechtuit rijden gaat minder en de gevoeligheid voor richels neemt toe. Ook kan bij nat wegdek het gevaar voor aquaplaning toenemen. Tenslotte verhogen brede banden ook de luchtweerstand en de positieve lift.

De band bepaalt door zijn constructie, afmetingen, rubbermengsel samenstelling (compound) en profielontwerp, de maximale bochtsnelheid.


Het Uitlijnen van de auto

De wielgeometrie is het geheel van wielstanden en fuseehoeken. De wielgeometrie is van groot belang voor de voertuigstabiliteit. Onder dynamische omstandigheden (tijdens het rijden) veranderen deze wielstanden en hoeken voortdurend. Men spreekt van een dynamische wielgeometrie verandering om de wijzigingen ten opzichte van de statische wielgeometrie aan te geven. Deze wijzigingen treden op als gevolg van de voertuigbewegingen en die tot stand komen door de wijze waarop de wielgeleiding is uitgevoerd. Zo zal bij het overhellen in een bocht het buitenste wiel een grotere wielvlucht krijgen. Hierdoor wordt de mogelijkheid tot het overbrengen van dwarskrachten verkleind. Bij een rijdend, optrekkend en remmend voertuig vinden ook wielvluchtveranderingen plaats. De statische wielgeometrie, bepaald bij stilstand van het voertuig, is alleen van belang voor het uitvoeren van controlemetingen aan de wielgeleiding (het uitlijnen van de auto). De statische wielgeometrie maakt het ook mogelijk de wielstanden en fuseehoeken eenduidig te definiëren.

Camber/Camber verstel platen

De wielvluchthoek (y) ofwel camber is de hoek die de verticale hartlijn van het wiel maakt met de lijn die loodrecht op de horizontale weg staat, en wordt aangegeven in graden.  Helt het wiel naar buiten, dan is de wielvlucht positief, helt het wiel naar binnen dan is sprake van negatieve wielvlucht (negatief camber). Zowel voor het stuurkarakter als voor de maximaal bereikbare bochtsnelheid speelt de afstelling van het onderstel een aanzienlijke rol. Het camber kan bij veel wielophangingen ingesteld worden. Omdat een zich tegen de buitenzijde van de bocht afzettend wiel (negatief camber) een extra zijdelingse kracht oplevert, ontstaat er extra spoorkracht waarmee hogere bochtsnelheden gehaald kunnen worden. Indien binnen de normale afstelmogelijkheden  het camber niet genoeg versteld kan worden kan men gebruik maken van camber verstelplaten. Bij deze verstelplaten kan het camber versteld worden door de bevestigingsplaat van het toplager (schokbreker) te verstellen ten opzichte van de carosserie. Vanwege de ongelijkmatige bandslijtage is het beter niet te veel negatief camber te kiezen (slijtage aan de binnenzijde van de band)

Toespoor/Uitspoor

Het sporen van de wielen is het verschijnsel dat de hoek van het ene wiel zodanig op die van het andere is afgestemd dat zuiver rollen mogelijk is. Op grond van het dynamisch gedrag van voertuig en wielgeleidingen, wordt de statische wielgeometrie zodanig uitgevoerd, dat de wielen van boven af gezien onder een hoek worden geplaatst. Hierdoor zullen onder dynamische omstandigheden de wielen als gevolg van terugstel momenten in de rechtuit stand gaan staan. De sporing speelt een bijzondere rol in bochten. Met betrekking tot het stuurgedrag kan theoretisch worden geconcludeerd:
Toespoor en toespoor toename door aandrijfkrachten aan de vooras verkleinen de drifthoek voor.  Uitspoor en uitspoor toename door aandrijfkrachten aan de achteras vergroten de drifthoek achter. Beide effecten zorgen voor een vermindering van het onderstuur karakter of vergroting van het overstuurkarakter. Voor uitspoor aan de vooras en toespoor aan de achteras geldt het omgekeerde.

Dus bij een voorwiel aangedreven auto :

  • Toespoor toename aan de vooras resulteert in groter overstuur karakter
  • Uitspoor toename aan de vooras resulteert in groter onderstuur karakter

 

Dus bij een achterwiel aangedreven auto :

  • Uitspoor  toename aan de achteras resulteert in groter overstuur karakter
  • Toespoor toename aan de achteras resulteert in groter onderstuur karakter

 

Caster

Onder het caster(fuseelangshelling )verstaat men de hoek die de fuseehartlijn maakt met de
verticaal, gezien in het vlak parallel aan de langsas van het voertuig.

Gewoonlijk helt de fuseehartlijn achterover (schokbreker staat schuin gemonteerd) het caster is dan positief. Door deze helling snijdt de hartlijn het wegdek niet in het midden van het contactvlak tussen band en wegdek, maar ervoor. De afstand tussen dit snijpunt en het midden van het contactvlak wordt naloop (caster, n) genoemd en wordt in mm aangegeven. Door de as (harttlijn van de fusee) voor het aanrakingspunt van het wiel met het wegdek te plaatsen, ontstaat een goede richtingstabiliteit. Dit effect komt tot stand door een terugstelmoment als gevolg van de dwarskrachten die in het contactvlak tussen band en wegdek aangrijpen. Het voertuig wordt meer richtingsstabiel bij hoge snelheden.Bij sommige auto’s wordt de wielas ten opzichte van de fuseehartlijn verplaatst. Dit wordt sprong genoemd.

Bij een voorwiel aangedreven auto geeft een positiever caster ook een verbetering in het overdragen van de aandrijfkracht (vermogen) op het wegdek. Hierdoor wordt “wheelspin” verminderd. Een te grote toename van het caster bij een voorwiel aangedreven auto geeft als nadeel dat de wielen na het nemen van een bocht te snel in de rechtuit stand willen bij het uit accelereren van een bocht.