'Basiscursus' wielophanging

SKF wijst weg in ondersteltechniek

Bij alle verhalen over elektronische systemen voor zo'n beetje elke denkbare functie in auto's (inclusief een aantal waarvan we niet wisten dat we ze nodig hebben) blijven de ontwikkelingen bij ophangingsystemen van moderne auto's altijd een beetje onderbelicht. En dat terwijl juist ondersteltechniek steeds verfijnder en complexer is geworden. Ga maar na hoe veel zwaarder de gemiddelde auto de laatste twintig, dertig jaar is geworden door veiligheidsconstructies en de vraag van de klant naar meer luxe en comfort, en hoezeer de prestaties desalniettemin gedurende dezelfde periode zijn toegenomen. Die krachten moeten allemaal in toom worden gehouden, zodat we plezierig rijden en veilig op de plaats van bestemming aankomen, ook onder mindere weg- en weersomstandigheden.

Het hoge ontwikkelingsniveau bij de huidige generaties voertuigen heeft ertoe geleid dat de onderdelen van de wielophanging meer dan ooit in nauwe samenhang met elkaar zijn ontworpen. En dat betekent weer dat de monteur niet meer gewoon afzonderlijke onderdelen kan vervangen zoals vroeger, zegt SKF dat als leverancier van alles dat met ondersteltechniek te maken heeft nauwe banden heeft met de auto-industrie.

Meer dan ooit zal de man in de werkplaats moeten weten hoe een wielophanging werkt en welke samenhangen er bestaan, teneinde de klant tevreden te kunnen stellen. Vandaar deze kleine technische gids voor moderne ophangingsystemen; een uitgebreidere versie maakt deel uit van het SKF Pole Position-programma voor de vrije werkplaats.

Functie van het ophangingsysteem

Dat de wielophanging méér doet dan alleen het gewicht van de auto dragen moge duidelijk zijn. Van niet één onderdeel van de auto wordt feitelijk zoveel gevraagd onder zulke wisselende en deels barre omstandigheden: hitte, koude, vocht, stof, sneeuw, ijs en wegenzout mogen de werking gedurende vele tienduizenden kilometers niet negatief beïnvloeden. Het ophangingsysteem van een voertuig heeft drie belangrijke functies:

• Goed contact houden tussen de banden en het wegdek.
• Zorgen voor een veilige wegligging en bestuurbaarheid.
• Zorgen voor een comfortabel rijgedrag

Tijdens het rijden bevindt een voertuig zich altijd in één van de vier volgende condities (of een combinatie ervan):

• Accelereren
  Als een auto optrekt verplaatst gewicht zich van de voorkant naar de achterkant, waardoor de achterwielen en de achterwielophanging zwaarder worden belast en de achterkant inveert ('squat').
• Remmen
  Wanneer wordt geremd, ontstaat er een gewichtsverplaatsing van achteren naar voren. De voorwielophanging zal gaan 'duiken' ('dive').
• Gelijkmatige verplaatsing
  Tijdens het rijden met een constante snelheid is de hoofdtaak van de ophanging het absorberen van de hobbels en oneffenheden in het wegdek die ertoe kunnen leiden dat de wielen gaan stuiteren, waardoor het wegcontact tijdelijk verloren gaat en de rit oncomfortabel wordt.
• Het nemen van bochten
  In bochten moet de wielophanging echt aan het werk. Terwijl de auto door de bocht gaat, wordt deze door de middelpuntvliedende (centifugaal-)kracht naar buiten gebruIkt. In deze toestand verplaatst gewicht zich van de binnen- naar de buitenzijde, waardoor de auto gaat overhellen. De ophangingsystemen van het voertuig houden de carrosserie zo horizontaal mogelijk, waardoor het overhellen ('roll') en het slingeren ('pitch') van de carrosserie bij opeenvolgende stuurbewegingen worden beperkt.

Aan het werk

Natuurlijk bevindt een auto zich veelal in meerdere van de hiervoor genoemde condities tegelijk - bijvoorbeeld tijdens het optrekken op een hobbelige weg of het remmen in een bocht. De wielophanging van de auto moet onder al deze omstandigheden zorgen voor een zo optimaal mogelijke combinatie van sturen, wegligging, rijgedrag ('handling') en vering.

Sturen is de belangrijkste verbinding tussen de bestuurder en de auto. Een goede stuurinrichting zorgt ervoor dat de bestuurder zijn of haar wensen precies en accuraat aan de voorwielen kan overbrengen, en op zijn/haar beurt informatie over de interactie tussen wielen en wegdek terug ontvangt ('gevoel in het stuur'; steering feedback).

Wegligging is feitelijk de grip die de banden op het wegdek hebben. Dat lijkt eenvoudig, maar in werkelijkheid heeft een band die met constante snelheid over een rechte weg rijdt een contactoppervlak met de weg die niet groter is dan het oppervlak van een ansichtkaart. Dat al kleine oppervlak varieert nog eens sterk wanneer het gewicht dat op de band 'drukt' wordt verhoogd of verlaagd door het nemen van een bocht, het remmen of het accelereren.

Rijgedrag ('handling') is feitelijk de mate waarin de auto beantwoordt aan de wil van de bestuurder bij het nemen van een bocht, zonder verrassingen. Kenmerken van het rijgedrag van een auto zijn onder- dan wel overstuur, insturen en stabiliteit.

• Wanneer de auto onderstuur vertoont, wil hij in meer of mindere mate 'over de voorwielen' rechtdoor schuiven in een bocht.
• Wanneer de auto overstuur vertoont, willen de achterwielen naar buiten ('uitbreken') zodat de straal van de boog die de auto beschrijft kleiner is dan correspondeert met de uitslag van de voorwielen.

Insturen is hoe de auto zich gedraagt bij de overgang van rechtdoor rijden naar het nemen van een bocht. Het insturen kan langzaam of abrupt, nauwkeurig of 'vaag' zijn.

Stabiliteit is de mate waarin de auto in een rechte lijn blijft, zonder stuurcorrecties te vereisen. Vering is het vermogen van de auto om schokken te absorberen en op te vangen zonder ze door te geven aan het passagierscompartiment. De mate waarin dit wordt bereikt, hangt af van de hoedanigheid en de conditie van het ophangingsysteem en zijn onderdelen - schokdempers, veren en bussen. De veren dragen het gewicht van de auto terwijl deze rijdt. Als het voertuig over een oneffenheid over de weg rijdt, dan absorberen in eerste instantie de bussen de verandering in het wegdek, terwijl de veren worden samengedrukt en kinetische energie opslaan. De mate waarin de veren worden samengedrukt en weer uitveren, wordt gecontroleerd door de schokdempers. Zonder deze zouden de veren de opgeslagen kinetische energie ongecontroleerd afgeven - een in beweging gebracht lichaam heeft immers de neiging deze beweging vast te willen houden. De taak van de schokdempers is om deze overtollige energie in warmte om te zetten.

Het ophangingsysteem helpt als geheel om de verticale belasting op de banden in stand te houden door weerstand te bieden aan het terugveren, overhellen of slingeren, duiken en achterover hellen. Om het systeem optimaal te laten werken moeten de wielen zijn uitgelijnd. Dit betekent niet dat alle vier wielen exact loodrecht op het wegdek en parallel aan elkaar moeten staan; de beste rijeigenschappen worden juist bereikt wanneer de wielen onder een kleine hoek ten opzichte van elkaar staan. De drie belangrijkste instellingen zijn wielvlucht (camber), naspoor (caster) en sporing ('toe-in' of 'toe-out'). Het is essentieel om een correcte (volgens fabrieksspecificaties van de onderhavige auto) en volledige uitlijning uit te voeren nadat onderdelen van de wielophanging zijn vervangen.

In de eerste jaren van de ontwikkeling van de auto waren de ophangingsystemen vrijwel gelijk aan die van paardenkarren - starre (vaste assen) vóór en achter. Vanaf de jaren dertig kwam onafhankelijke wielophanging in zwang, waarbij de wielen van één as onafhankelijk van elkaar op en neer konden bewegen. Starre vóórassen vinden we bij personenauto's tegenwoordig alleen nog maar onder een aantal terreinwagens, terwijl ook aan de achterzijde tegenwoordig meestal één of ander systeem van (semi-)onafhankelijke wielophanging wordt toegepast. Bij de voorwielen worden twee ontwerpen veel gebruikt: de wielophanging met dubbele, dwarsgeplaatste (meestal vorkvormige) wieldraagarmen en veerpoten.

Een ophanging met dubbele, dwarsgeplaatste, driehoekige wieldraagarmen van ongelijke lengte (unequal length double wishbone suspension) is in principe de vorm zoals we die op Formule 1-raceauto's aantreffen - twee vork- of A-vormige armen worden met de 'brede' kant van de 'A' aan de carrosserie bevestigd terwijl de 'punt' aan het wielnaafhuis zit. Terwijl de dwarsgeplaatste wieldraagarmen de wielen op en neer laten bewegen, zorgen ze ook voor een goede lokalisering van het wiel in lengterichting. Samen met het feit dat bij deze vorm van wielophanging de wielvlucht tijdens het in- en uitveren niet verandert, zorgt dit ervoor dat met dit ophangingsysteem in principe het beste rijgedrag, comfort en wegligging bereikt kan worden. De productie ervan is echter duur, en de ophanging neemt veel ruimte in beslag, die niet altijd aanwezig is wanneer de motor van de auto in de dwarsrichting tussen de wielen is geplaatst.

De McPherson veerpoot (niet genoemd naar een bepaald fotomodel, maar naar een Ford-ingenieur die deze vorm van ophanging ergens in de jaren veertig bedacht) is een eenvoudigere n ruimtebesparende oplossing. Het is een combinatie van spiraalveer en schokdemper die aan de bovenzijde met de carrosserie is verbonden en aan de onderkant met een scharniergewricht aan het wielnaafhuis zit, dat op zijn beurt aan de onderkant weer is verbonden met een enkele (meestal driehoekige c.q. vorkvormige) draagarm. Doordat de veerpootunit wordt gemonteerd op de fusee zijn de bovenste draagarm en een fuseekogel overbodig. Omdat de veerpoot verticaal is gemonteerd, is de gehele ophanging heel compact. De schokdemper en spiraalveer worden gebruikt als draaipunt voor de wielen en de veerpoot zelf is ook het dragende deel van de ophanging waar het gewicht van de auto op rust.

Onderdelen

Het is belangrijk om te weten dat alle onderdelen van de ophanging samenwerken om meerdere taken tegelijk uit te voeren en dus bij een afwijking het gehele ophangingsysteem te analyseren, stelt SKF. Wanneer er bijvoorbeeld een veerpoot moet worden vervangen is het volgens de fabrikant dan ook sterk aan te raden om de bovenste veerpootbevestiging, het lager, het stootrubber en de stofhoes ook te inspecteren. Bovendien moeten onderdelen altijd aan beide kanten van de as tegelijk worden vervangen omdat er anders verschillen in functioneren tussen de linker- en de rechterzijde zullen ontstaan.

Ook banden maken deel uit van het ophangingsysteem: het zijn immers grote luchtveren die het hele gewicht van de auto dragen en die luchtveeractie is heel belangrijk voor de rijeigenschappen van het voertuig. Soms kunnen klachten over de ophanging worden herleid tot problemen met de banden; geadviseerd wordt dan ook zorgvuldig elke band op spanning, beschadigingen aan het loopvlak en overige beschadigingen te controleren.

Ophangingsveren hebben twee belangrijke taken: ze fungeren als een buffer tussen de carrosserie en de ophanging om de oneffenheden in de weg op te vangen, en ze verplaatsen het gewicht van het voertuig naar de wielen terwijl de rijhoogte behouden blijft. Er zijn vier hoofdtypen veren: spiraal- of schroefveren welke tegenwoordig verreweg het meest gebruikt worden, deze behoeven niet te worden afgesteld en worden alleen vervangen wanneer ze gebroken zijn of wanneer de rijhoogte niet meer binnen de specificaties van de fabrikant valt; bladveren die er als enkel- of meervoudige variant zijn; torsieveren zijn rechte, ronde stukken verenstaal die aan één kant bevestigd zijn aan het chassis en aan de andere kant aan een wieldraagarm (eigenlijk is een schroefveer een bijzondere vorm van een torsieveer) en luchtveren.

De achterste wieldraagarm maakt beweging tussen de achterste arm en de carrossierie mogelijk; daardoor wordt het rijgedrag van de achteras verbeterd, wordt de bochtstabiliteit hoger en de remweg verkort. Als gevolg van de plaatsing van deze arm wordt het lager ervan blootgesteld aan modder, stof, water en vocht. De levensduur ervan is dan ook sterk afhankelijk van de rijstijl en de staat van het wegdek waarop wordt gereden.

Dwarsgeplaatste wieldraagarmen bepalen de positie van het wielnaafhuis ten opzichte van de carrosserie. Ze hebben twee functies: het bieden van transversale (van links naar rechts) en overlangse (in de lengterichting) wielondersteuning.

Dwarsgeplaatste wieldraagarmen zijn aan het chassis van het voertuig bevestigd met rubberen, elastomeren bussen. De draagarmbussen zijn het scharnierpunt voor de beweging van de ophanging, houden de dynamische uitlijning onder controle, beperken de overdracht van geluid, hobbels en trillingen en bieden weerstand tegen de beweging van de ophanging.

Stabilisatorstangen gaan het overhellen van de auto op de ophanging tegen wanneer een bocht wordt genomen. Dit gebeurt door bewegingskracht van de ene naar de andere kant over te brengen (daarbij wordt trouwens wel de maximaal haalbare grip op de betreffende as verminderd, want er vindt een overdracht van belasting van het binnenste naar het buitenste wiel plaats).

Dankzij de fuseekogels kunnen de voorwielen op en neer bewegen en tegelijkertijd ook draaien (sturen). Ze worden geplaatst aan het uiteinde van de bovenste dwarsgeplaatste wieldraagarm (indien aanwezig; in dit geval spreken we van de bovenste fuseekogel) en de onderste wieldraagarm (onderste fuseekogel).

Eerder hebben we al gezien dat een veer kinetische energie opslaat wanneer de auto over een oneffenheid rijdt. Deze energie zou normaliter op een ongecontroleerde manier weer worden afgegeven, heen-en-weer verend tussen compressie en extensie net zolang tot hij 'op' is. Hierdoor zouden de banden het contact met de weg mogelijk kwijtraken. Schokdempers zijn simpel gezegd olie- of gaspompen die de kinetische energie van de veren absorberen en omzetten in thermische energie.

Een veerpoot is een stevige eenheid die veer en schokdemper combineert. De McPherson veerpoot is het meest gangbaar en bestaat uit een schroefveer rond het veerpoothuis, waarmee het gewicht van de auto op het wiel wordt overgebracht. Een McPherson veerpoot heeft meestal een bovenste en een onderste veersteun, een bovenste bevestiging, een stofhoes voor de zuigerstang en een stootrubber. Veerpoten worden zowel voor de voor- als achterwielophanging gebruikt.

Het stootrubber (van rubber of vaker nog van polyurethaan) is een belangrijk onderdeel dat zorgt voor het goed functioneren van de ophanging op alle soorten wegomstandigheden. Bij sommige achterwielophangingen wordt het stootrubber gebruikt als een hulpveer in het eerste stadium van compressie van de veerpoot.

De stofhoes beschermt de schokdemper tegen olielekken en beschadiging van de zuigerstang door stof en vuil. Het vervangen ervan is een 'goedkope verzekering' voor een lange levensduur van een nieuw te monteren veerpoot.

Weinig andere onderdelen krijgen zoveel te doen als de bovenste veerpootbevestigingen: de veerpoot laten draaien voor het sturen, de belastingen van de ophanging overdragen naar het chassis, de geometrie van de ophanging behouden en vibraties en rijgeluiden absorberen. Daarbij moeten ze hun werk doen in een vuile omgeving met water, zand en zout. De bovenste veerpootbevestiging is meestal één enkel onderdeel waarin de bovenste veerzitting, een lager en een rubberen bus zijn verwerkt. Er worden aanzienlijke belastingen op de bovenste bevestiging uitgeoefend: 3.000 tot 8.000 N axiale belasting en radiale belastingen tussen 5% en 15% van de axiale belasting. Daarbij kunnen piekbelastingen optreden van drie keer de statische belasting. De bovenste bevestiging neemt al die belastingen op, maar moet tegelijkertijd zorgen voor een soepele stuurbeweging met een lage, constante wrijving. De trend gaat naar verschillende ontwerpen voor de linker- en rechterzijde van de auto om één en ander te optimaliseren. Ook hier wordt sterk aangeraden, bij een vervanging van de voorste veerpoten tegelijkertijd ook de bovenste bevestigingen te vernieuwen.