Als u aan het prestatievermogen van uw auto denkt, dan denkt u waarschijnlijk direct aan pk’s of de tijd die nodig is om van 0 tot 100 km/u op te trekken. Alle energie die de motor opwekt, is echter nutteloos als de bestuurder de auto niet kan controleren. Vering en ophanging zijn hiervoor essentieel. Daarom waren auto-ingenieurs al vroeg bezig om de wegligging van een auto te optimaliseren zodra ze eenmaal de viertakt verbrandingsmotor onder de knie hadden.
De belangrijkste taak van de ophanging is het om de wrijving tussen de banden en het wegoppervlak te maximaliseren. De ophanging zorgt voor stabiliteit van het stuur waardoor de auto goed hanteerbaar blijft. Natuurlijk is de wielophanging ook heel belangrijk voor het comfort van de passagiers in de auto.
In dit artikel leggen wij niet alleen uit hoe ophanging en vering van een auto werken maar ook welke ophangingssystemen bestaan en hoe deze zich in de loop der jaren ontwikkeld hebben.
Waarom heeft een auto vering nodig
Als elke weg perfect vlak was, zouden autoveren overbodig zijn. Maar de wegen in Europa en elders op de wereld zijn verre van helemaal vlak. Zelfs nieuw aangelegde wegen hebben kleine oneffenheden waarop de wielen van een auto reageren. Door deze kleine onvolkomenheden werken er krachten op de wielen. Een hobbel in de weg veroorzaakt dat het wiel loodrecht omhoog en weer omlaag gaat. Het wiel ervaart een verticale versnelling. Hoeveel kracht daarbij precies werkt, is afhankelijk van de grootte van de hobbel in de weg.
Zonder tussenliggende veren
Zonder tussenliggende veren zou alle verticale energie van het wiel overgedragen worden op de carrosserie. Die zou dan in dezelfde richting bewegen. Hierdoor kunnen de wielen volledig het contact met de weg kwijtraken. Onder invloed van de neerwaartse zwaartekracht komen de wielen vervolgens weer hard terecht op het wegdek. Gevolg: de auto stuitert hard over de weg. De autorit zou ver van comfortabel zijn voor de inzittenden.
Om dit te voorkomen, is een systeem nodig dat de energie van het snel omhoog schietende en neerkomende wiel absorbeert: de vering. De carrosserie en de passagiers in de auto rijden hierdoor ongestoord door terwijl de wielen de hobbels in de weg volgen. Als we van krachten spreken die aan het werk zijn bij een rijdende auto, dan praten we in dit geval van rijdynamiek. Om te begrijpen waarom de vering van de auto noodzakelijk is, zult u de volgende concepten moeten begrijpen.
Over het algemeen houden auto-ingenieurs rekening met de dynamiek van een rijdende auto vanuit twee perspectieven:
- Rijden – het vermogen van een auto om rustig over een hobbelige weg vooruit te bewegen
- Rijgedrag – het vermogen van een auto op een veilige manier te versnellen, te remmen en om een bocht te rijden
Deze twee kenmerken kunnen verder worden beschreven in drie belangrijke principes: de isolatie van de weg, de wegligging en de ligging in de bochten. Hieronder beschrijven wij deze principes en leggen uit wat nodig is om deze uitdagingen op te lossen.
Principe isolatie van de weg
Definitie: Om isolatie van de weg te voorkomen, heeft de auto het vermogen nodig om schokken van de weg op te vangen en niet door te geven aan het passagierscompartiment.
Doel: De carrosserie (het passagierscompartiment) blijft rustig tijdens de rit over oneffen wegen
Oplossing: Er moet een onderdeel komen dat de energie van de hobbels in de weg absorbeert en deze afvoert zonder het voertuig onnodig te laten bewegen.
Principe van de wegligging
Definitie: De wegligging hangt af van de mate waarin een auto contact heeft met het wegdek tijdens verschillende richtingsveranderingen en bij het rijden in een rechte lijn.
Voorbeeld: Het gewicht van een auto verplaatst zich naar de voorwielen tijdens het remmen. De neus van de auto duikt naar de weg. Of het gewicht verplaatst zich naar de achterste wielen tijdens het optrekken.
Doel: De banden houden contact met de weg waardoor wrijving ontstaat tussen het wegdek en de banden. Zo blijft het auto bestuurbaar en kan afgeremd en versneld worden.
Oplossing: Als het gewicht tijdens het rijden van links naar rechts of van voor naar achter verschuift, vermindert de grip die de band heeft op de weg. Verminderde grijp betekent dat de auto minder goed bestuurd baar. Om dit probleem op te lossen, moet de verschuiving geminimaliseerd worden. De band houdt meer contact met het wegdek waardoor de auto beter bestuurbaar blijft.
Principe gedrag in de bochten
Definitie: Elk voertuig heeft het vermogen nodig om een bocht te kunnen rijden.
Doel: Overhellen treedt op als de middelpuntvliedende kracht het zwaartepunt van een auto naar buiten duwt. Om dit overhellen te minimaliseren moet een kant van het voertuig verhoogd worden terwijl de tegenoverliggende kant juist verlaagd moet worden.
Oplossing: Het gewicht van het voertuig moet in bochten van de hoge kant overdragen worden naar de lage kant.
De vering en ophanging van een auto biedt de perfecte oplossing voor deze problemen. Laten we daarom eens kijken naar de onderdelen van een vering. We gaan daarbij van het hele plaatje naar de afzonderlijke onderdelen daarvan.
Onderdelen van de autovering
De vering van een auto is eigenlijk een deel van het onderstel dat alle belangrijke systemen onder de carrosserie omvat.
Het onderstel bestaat uit:
- Het frame – component dat de motor en de carrosserie ondersteunt die tevens ondersteund worden door de vering
- De ophanging – systeem dat het gewicht ondersteunt en schokken absorbeert en dempt. Het zorgt ervoor dat de banden contact houden met het wegdek
- Het stuursysteem – mechanisme dat de bestuurder in staat stelt om de richting van de auto te bepalen
- De banden en wielen – onderdelen die de beweging van het voertuig mogelijk maken door wrijving met de weg
De ophanging is dus slechts één van de belangrijkste systemen van een voertuig. Met dit overzicht in ons achterhoofd, is het nu tijd om de drie fundamentele componenten van elke ophanging eens nader te bekijken: de veren, de dempers en de stabilisatorstang.
Veren
Ophangsystemen van vandaag zijn gebaseerd op één van de volgende vier basisontwerpen:
- Schroefveren
Dit zijn de meest voorkomende veren. In feite is het een zware stang die rond een denkbeeldige as gedraaid is. Schroefveren trekken samen en rekken uit om de beweging van de wielen te absorberen. - Bladveren
Dit type veer bestaat uit verschillende lagen metaal (zogenaamde “bladen”) die met elkaar verbonden zijn tot één geheel. Bladveren werden voor het eerst gebruikt op koetsen en op de meeste Amerikaanse auto’s tot 1985. Ze worden nog steeds gebruikt op de meeste vrachtwagens en zware voertuigen. - Torsiestang
Torsiestangen gebruiken de gedraaide eigenschappen van een stalen stang voor spiraalveerachtige prestaties. Zo werken ze: Een uiteinde van een staaf wordt verankerd aan het voertuigframe. Het andere uiteinde is verankerd in een vorkbeen dat fungeert als een hefboom die loodrecht op de torsiestang bevestigd is. Wanneer het wiel over een hobbel rijdt, wordt de verticale beweging overgebracht op het vorkbeen en vervolgens op de torsiestang. De torsiestang draait vervolgens langs de as waardoor hij veerkracht biedt. Vele Europese autofabrikanten gebruikten dit systeem, bijvoorbeeld Packard en Chrysler in de Verenigde Staten in de jaren 1950 en 1960. - Luchtveren
Luchtveren bestaan uit een cilindrische kamer die met lucht gevuld is. Ze bevinden zich tussen het wiel en de carrosserie van de auto. Door het samendrukken van de lucht absorberen zij de schokken van de wielen. Dit concept is eigenlijk meer dan een eeuw oud en kan ook al gevonden worden op koetsen. Luchtveren uit die tijd werden gemaakt van lederen membranen, die met lucht gevuld waren. In de jaren 1930 werden ze vervangen door gegoten rubberen luchtveren.
Op basis van waar veren zich bij een auto bevinden – bijvoorbeeld tussen de wielen en het frame – praten ingenieurs vaak over de afgeveerde massa en de onafgeveerde massa.
Veren: afgeveerd en onafgeveerd gewicht
De afgeveerde massa van het voertuig is de massa die ondersteund wordt door de veren, terwijl de onafgeveerde massa gedefinieerd is als de massa tussen het wegdek en de vering. De stijfheid van de veren is van invloed op hoe de afgeveerde massa reageert terwijl de auto rijdt.
Losjes geveerde auto’s, zoals luxe auto’s kunnen oneffenheden in de weg goed absorberen en hebben een zeer soepel rijgedrag. Maar de vering van deze auto’s is wel erg gevoelig. Ze hebben de neiging om tijdens het remmen met hun neus ver naar voren te duiken of tijdens het optrekken naar achteren. Bovendien gaan zij sterk overhellen in bochten.
Strak geveerde auto’s, zoals in sportwagens gebruikt, zijn minder vergevingsgezind op hobbelige wegen. Ze minimaliseren de beweging van de carrosserie. Daardoor kunnen ze dus vrij agressief gereden worden, zelfs in bochten.
Autoveren lijken eenvoudige onderdelen. Het ontwerp en de implementatie ervan om een zo hoog mogelijk comfort voor de passagiers te bewerkstelligen, is echter een complexe taak. En om het nog ingewikkelder te maken: veren alleen kunnen niet voor een perfect rijgedrag van de auto zorgen. Waarom? Omdat veren wel heel goed zijn in het absorberen van energie, deze echter niet kunnen afvoeren. Hierdoor zou de auto bij elke oneffenheid in de weg een aantal keren op en neer deinen. De autorit zou behoorlijk onrustig worden door een continu schommelende carrosserie. Om dit te voorkomen, zijn andere onderdelen nodig: de schokdempers.
De schokdempers
Als een auto geen schokdempers zou hebben, zouden de veren de energie die vrijkomt door een oneffenheid in de weg absorberen en vrijlaten door oncontroleerbaar op en neer te bewegen. Dat zou een autorit behoorlijk onaangenaam maken en de wegligging van de auto zeker niet ten goede komen.
Als een auto echter naast de veren ook schokdempers heeft, kunnen die ongecontroleerde bewegingen van de veren opgevangen worden door de schokdempers. Schokdempers vertragen en verminderen de bewegingen van de veren door de kinetische energie (het op- en neer bewegen) om te zetten in warmte-energie. Deze kan vervolgens worden afgevoerd door middel van hydraulische vloeistof. Om te begrijpen hoe dit in zijn werking gaat en welke soorten schokdempers er zijn, willen wij u hier graag verwijzen naar een ander artikel “Weet u wanneer u uw schokdempers moet vervangen“. Hierin vindt u uitgebreide informatie over de schokdempers van een auto en geven wij tips hoe u herkent wanneer uw schokdempers vervangen moeten worden.
Dempers : Veerpoten en stabilisatorstangen
Een ander veel voorkomende dempersysteem is de veerpoot. Dit is in principe een schokdemper in een spiraalveer. Veerpoten hebben twee taken: Zij hebben een dempende functie zoals schokdempers. En ze zorgen voor structurele steun voor de ophanging van het voertuig. Dat betekent dat veerpoten net even iets meer doen dan gewone schokdempers die niet het gewicht van het voertuig ondersteunen.
Omdat schokdempers en veerpoten zo veel te maken hebben met het rijgedrag van een auto, kunnen ze ook worden beschouwd als kritische veiligheidsvoorzieningen. Versleten schokdempers of veerpoten veroorzaken dan ook dat een auto overmatig van links naar rechts en van voor naar achter overhelt. Hierdoor vermindert niet alleen het contact met het wegdek maar ook het rijgedrag en het remvermogen van de auto.
Stabilisatorstang
Stabilisatorstangen worden samen met schokdempers of veerpoten gebruikt om een bewegende auto extra stabiliteit te geven. Een stabilisatorstang is een metalen stang die zich over de volledige as uitstrekt en de ophanging aan elke zijde effectief met elkaar verbindt.
Wanneer de ophanging bij een van de wielen op en neer beweegt, verplaatst de stabilisatorstang de beweging naar het andere wiel. Dit zorgt ervoor dat de auto beter in balans blijft. Om deze reden zijn inmiddels bijna alle auto’s uitgerust met een stabilisatorstang. Mocht dit niet het geval zijn, is het mogelijk de stabilisatorstang op elk gewenst moment in te bouwen.
Ophanging types
Tot nu toe hebben wij bekeken hoe veren en dempers functioneren. Laten we daarom nu een blik werpen op de ophanging. De vier wielen van een auto werken in twee onafhankelijke systemen samen – de twee wielen die met de vooras verbonden zijn en de twee wielen die met de achteras verbonden zijn. Dat betekent dat een auto over het algemeen verschillende soorten ophanging heeft aan de voor- en achterzijde.
Veel wordt bepaald door de vraag of een starre as de wielen met elkaar verbindt of dat de wielen onafhankelijk van elkaar bewegen. Het eerstgenoemde staat ook wel bekend als een afhankelijk systeem of starre as. Het laatste is een onafhankelijk systeem. In het vervolg nemen we enkele van de meest voorkomende vormen van voor- en achterzijde ophanging onder de loep.
Voorwielophanging
Afhankelijke voorwielophanging of starre vooras
Afhankelijke wielophangingen aan de voorkant hebben een starre vooras die de voorwielen met elkaar verbindt. Dit ziet eruit als een stevige balk onder de voorzijde van de auto die op zijn plaats gehouden wordt door bladveren en schokdempers. Dit systeem is vrij gebruikelijk bij vrachtwagens. In reguliere auto’s komt het echter al jaren niet meer voor.
Onafhankelijke voorwielophanging
In dit systeem kunnen de voorwielen onafhankelijk van elkaar bewegen. De MacPherson voorpoot, ontwikkeld door Earle S. MacPherson (General Motors) in 1947, is de meest gebruikte voorwielophanging, vooral in auto’s van Europese oorsprong. De MacPherson veerpoot combineert een schokdemper met een veer in één onderdeel. Dit zorgt voor een compactere en lichtere ophanging die kan worden gebruikt voor voertuigen met voorwielaandrijving.
De dubbele vorkbeen wielophanging
De dubbele vorkbeen wielophanging is een verdere type onafhankelijke ophanging. Hoewel er verschillen mogelijk zijn, gebruikt dit ontwerp in de basis twee vorkbeenvormige armen om het wiel in positie te houden. Elke arm is op twee montageplekken aan het frame en op een montageplek op het wiel bevestigd. Elk vorkbeen draagt een schokdemper en een schroefveer om trillingen te absorberen. Met deze ophangingen heeft de bestuurder meer controle over het kantelen van de wielen. Ze helpen ook trillingen te verminderen en zorgen voor een beter stuurgevoel. Vanwege deze kenmerken wordt deze wielophanging vaak gebruikt op de voorwielen van grotere auto’s.
Achterwielophanging
Laten we dan nu eens kijken naar een aantal mogelijke achterwielophanging.
Historische ophanging
Al in zestien-eeuwse rijtuigen werd geprobeerd om het probleem van “elke hobbel in de weg voelen” op te lossen. Hiervoor werden lederen riemen aan de carrosserie en aan 4 posten aan de chassis bevestigd. Omdat de carrosserie aan het chassis opgehangen was, werd dit systeem “ophanging” genoemd – een term die vandaag nog steeds gebruikt wordt om de verschillende oplossingen te beschrijven. De zestien-eeuwse oplossing was misschien nog geen echt veersysteem maar het was wel al in staat de carrosserie en de wielen van het rijtuig onafhankelijk van elkaar te laten bewegen.
Tegen de tijd dat motorvoertuigen op de weg kwamen, werden er andere, efficiëntere veersystemen ontwikkeld om een rit zo aangenaam mogelijk te maken voor de passagiers.
Afhankelijke achterwielophanging
Als een stevige as de achterwielen van een auto met elkaar verbindt, dan is de vering vaak een heel simpel systeem – meestal gebaseerd op een bladveer of een spiraalveer. In het eerste geval klemmen de bladveren direct op de aandrijfas. De uiteinden van de bladveren zijn direct op het frame bevestigd. De schokdemper is bevestigd aan de klem die de veer op de as houdt. Vele jaren had dit design de voorkeur van Amerikaanse autofabrikanten vanwege zijn eenvoud.
In dit basisontwerp kunnen de veerbladen ook met schroefveren vervangen worden. In dit geval kunnen de veer en de schokdemper als een onderdeel of als afzonderlijke onderdelen gemonteerd worden. Als ze afzonderlijk van elkaar gemonteerd worden, kunnen de veren veel kleiner zijn waardoor de ophanging veel minder ruimte inneemt.
Onafhankelijke achterwielophanging
Als een auto zowel voor als ook achter een onafhankelijke ophanging heeft, dan worden alle wielen afzonderlijk afgeveerd. Het resultaat: een 4-wiel onafhankelijke achterwielophanging. Elke wielophanging die op de voorzijde van een voertuig gebruikt kan worden, kan in feite ook op de achterkant gebruikt worden.
Alle versies van de onafhankelijke wielophanging op de voorwielen (zoals hier boven beschreven) kunnen dus ook op de achteras worden gevonden. Natuurlijk zonder de mogelijkheid om de wielen van de ene naar de andere zijde te kunnen sturen. Dit betekent dat de onafhankelijke achterwielophangingen als een vereenvoudigde versie van de onafhankelijke voorwielophanging beschouwd kan worden. De basisprincipes blijven hetzelfde.
Conclusie
Als elke weg helemaal vlak en zonder oneffenheden zou zijn, dan hadden onze auto’s geen vering of schokdempers nodig. Maar omdat de wegen ver van perfect glad zijn, zijn ophanging, veren en schokdempers niet alleen noodzakelijk voor het rijcomfort van de inzittenden maar ook essentieel voor de verkeersveiligheid. Zij zorgen er namelijk voor dat de wielen optimaal contact maken met het wegdek. Hierdoor blijft de auto ook op een hobbelige weg of in een bocht goed bestuurbaar.
Al op zestien-eeuwse koetsen waren eerste voorgangers van de huidige ophangings- en veersystemen te zien. Zodra de eerste motor aangedreven voertuigen op de wegen kwamen, werden de simpele eerste ophangingen steeds verder geoptimaliseerd. Vandaag zijn er diverse beproefde systemen. Elk met zijn eigen voordelen en toepassingsmogelijkheden.