Stuurinrichting van een auto

De stuurinrichting moet zodanig geconstrueerd en uitgelijnd zijn dat de wielen steeds over de weg rollen. Dat is de eerste vereiste om een abnormale bandenslijtage te voorkomen. Om daaraan te voldoen en een goede wegligging een goede stuurstabiliteit en een gemakkelijke besturing te realiseren, zijn bepaalde fusees wielhoeken noodzakelijk:

• Uitspoor in bochten
• Wielvlucht
• Fuseedwarshelling
• Sporing: toe of uitspoor
• Naspoor of fuseelanghelling

Deze en de kenmerken van de onderlinge verhoudingen ervan, noemt men de stuurgeometrie.

Uitspoor in bochten

Als een vierwielig voertuig een bocht neemt moeten de vier wielen een gemeenschappelijk draaipunt hebben om het schuiven van de banden over de te voorkomen. De molenbesturing zoals bij aanhangwagen voldoet daaraan. Voor auto’s is deze echter ongeschikt wegens de slechte stabiliteit in de bochten en omdat de plaatsruimte voor het verdraaien van de wielen te beperkt is. Daarom wordt de zogenaamde fuseebesturing toegepast. Daarbij scharnieren de astappen van de voorwielen om de fuseepennen of in kogels. De ver wielen hebben ook hier een gemeenschappelijk draaipunt. In een bocht staan de voorwielen daarom onder een verschillende hoek gedraaid en wel zodanig dat ze vooraan verder uit elkaar staan dan tijdens het rechtdoor rijden. Vandaar de aanduiding uitspoor in een bocht. Dit uitspoor wordt verkregen door het Ackermann-principe. Hierbij vormen de al dan niet denkbeeldige vooras met de spoortang en de twee spoorstangarmen en trapezium. De verlengden van de spoorstangarmen snijden elkaar op de achteras. Ligt de spoortang voor de vooras dan hebben we eveneens een trapeziumvorm en snijden de verlengden van de spoorstangarmen elkaar eens op de achteras.

Verdraait men het stuurwiel dan beschrijven door de trapeziumvorm de beide uiteinden van de spoortangarmen ieder een verschillende cirkelbooglengte. Daardoor verdraaien de beide astappen, dus de beide wielen en verschillende hoek.

De hoek waarover de spoortangarm van het buitenwiel verdraait is kleiner dan de hoek beschreven door de spoortangarm van de binnen wiel.  Dit wiel beschrijft de kortste bocht en staat dus het meest gedraaid. Het verschil tussen beide hoeken wordt meestal aangegeven bij een wielen uitslag van 20graden van het buitenwiel. Een algemene regels is dat niet. Hoe meer de wielen worden gedraaid hoe groter het verschil tussen beiden hoeken.

Wielvlucht

Om een gelijkmatige bandenslijtage te krijgen, is het noodzakelijk dat de wielen verticaal over de rollen. Wordt een auto belast dan zullen de rubbers waarin de voorwielenophanging is gelagerd iets vervormen of zal de eventuele vooras iets doorbuigen. Zouden aanvankelijk de wielen verticaal staan, dan zullen ze door de belasting schuin naar binnen hellen. De afstand tussen de wielen is dan boven kleiner dan beneden wat een negatieve vlucht geeft. Om deze en de ermee gepaard gaande abnormale bandenslijtage te voorkomen wordt de wielvlucht meestal positief ingesteld. De afstand tussen de wielen is daarbij boven groter dan beneden.

Met een positieve wielvlucht bereikt men dat:

• De buitenste wiellagers minder zwaar worden belast.
• De wielen de neiging hebben naar buiten te lopen, zodat de spelingen in de spoortangverbindingen en wiellagers veel minder invloed hebben op de besturing
• Het fladderen van de wielen wordt voorkomen

Aangezien elk voorwiel naar buiten tracht te lopen zal het ene wiel het naar buiten draaien van het andere wiel beletten, zodat beide wielen rechtdoor rollen. Wanneer de vlucht op beide voorwielen niet gelijk is, zat het voertuig naar de kant met de grootste positieve vluchthoek trekken.

Fuseedwarshelling

De astap draait om een fuseepen of in fuseekogelgewrichten. Het wiel draait met een zekere straal, schuurstraal genoemd om de fuseepen of de denkbeeldige pen bij het gebruik van kogelgewrichten. Het wiel draait met de grootst mogelijke straal om de fuseepen en als gevolg van het koppel dat daardoor op de wielen werkt, zijn daaraan enkele nadelen verbonden:

• De bestuurder zal stevig aan het stuur moeten draaien.
• De wielen gaan gemakkelijker slaan als gevolg van spelingen en he rijden over oneffenheden. Die zullen ook beter voelbaar worden door schokken op het stuur.
• Het rem en stuwkracht worden met een te grote schuurstraal duidelijk voelbaar in het stuur.

Door de wielvlucht verkleint de schuurstraal iets, maar onvoldoende. Vandaar de noodzaak de fuseepen (of de denkbeeldige fuseepen ingeval van fuseekogels) een zekere dwarshelling te geven. De grootte van vlucht en fuseedwarshelling wordt zodanig gekozen dat de verlengden van de aslijn van het wiel en van de fusee elkaar iets onder het wegdek snijden: een kleine schuurstraal dus. Zou het snijpunt ervan op de weg liggen en de schuurstraal nul zijn, dan zou de besturing te licht uitvallen met als gevolg een slechte richtingsstabiliteit. Er zouden ook gemakkelijk stuurtrilling optreden. Dit kan overigens worden gecompenseerd met de fuseelangshelling.

Het verlengde van de fuseepen ligt buiten de aslijn van het wiel. Bij de bespreking van de remdrukbegrenzers en de remdrukregelaars wezen we erop dat de voorremmen meer worden belast dan de achterremmen. Zijn de remkringen diagonaal gescheiden en valt een kring uit dan blijft de bestuurder nog oer 50% van de remkracht beschikken. Het koppel dat door een negatieve schuurstraal op het afremmende wiel wordt uitgeoefend geeft de stuurinrichting een zelf stabiliserend karakter.

Toe spoor

Afhankelijk van de fuseedwarshelling en de wielvlucht, dus de schuurstraal en de rolweerstand die de band op de weg ondervindt ontstaat er tijden het rijden een koppel waardoor de voorwielen bij achterwielenaandrijving de neiging hebben van voren naar buiten te draaien. Om ze tijdens het rijden recht te laten lopen zet men ze van boven gezien vooraan iets dichter bij elkaar. Vandaar de benaming toe spoor.

Uitspoor

Bij auto’s met voorwielaandrijving ontstaat bij de voorwielen eveneens als gevolg van de schuurstraal, de neiging vooraan naar binnen te draaien. Daarom staan de wielen vooran verder uit elkaar dan achteraan.

Fuseelangshelling

Met fuseelangshelling bedoelt men het van boven maar acteren hellen van de fuseepen zodat het verlengde van de aslijn de baan voor de band snijdt. Dat heeft tot gevolg dat de rolweerstand een richtinggevend moment uitoefent op het wiel, wat eveneens het fladderen van de wielen tegengaat. Door de fuseelangshelling moer minder worden bijgestuurd en is er minder kans op stuurtrillingen. De invloed van de fuseelangshelling kan het beste worden vergeleken met de invloed van zwenkwieltjes onder een winkelkarretje. Uwen we tegen zo’n karretje dan gaan de wieltje draaien om de as x, tot de vork tegengesteld aan de rijrichting wijst of anders gezegd: tot de aslijn x van het scharnierpunt voor het rolletje de vloer raakt. De fusee trekt wiel als het ware achter zich aan. Fuseelangshelling vinden we ook bij het voorwiel van een fiets.

Gezamenlijke invloed van de fuseelangs en dwarshelling

Wanneer men een auto op een kolomhefbrug plaats zodat de wielen vrij zijn en het stuur vanuit de rechtuit stand rechtsom wordt gedraaid ziet men dat het rechtervoorwiel omlaag draait. De beweging van het linke voorwiel is afhankelijk van de grootte van de langs en dwarshelling van de fuseepen. De bewegingen van de wielen zijn als volgt te verklaren:

• Als gevolg van de fuseedwarshelling zal bij het rechtsomdraaien van het stuur zowel het rechterals het linkerwiel omlaag draaien.
• Als gevolg van de fuseelangshelling of het naspoor zal het linkerwiel omhoog draaien en het rechterwiel naar beneden.

Als het stuur naar links wordt gedraaid doet zich het omgekeerde voor. Op de weg is het echter zo dat de wielen niet lager kunnen dan het wegdek. Dus wordt de auto opgegeven. Laat men het stuur los dan draait het vanzelf naar de stand rechtdoor. Door de zwaartekracht neemt de auto immers de laagst mogelijke stand in. Dat is de rechtsuitstand. Anders uitgedrukt, de fuseelangs en fuseedwarshelling dragen beide bij tot een goede richtingsstabiliteit.

Enkele cijfers over de stuurinrichting

Om enig idee te hebben van de grootte van de verschillende hoeken die bij de stuurgeometrie voorkomen de volgende cijfers voor een onbelaste auto:

• Uitspoor 1mm
• Wielvlucht +20
• Fuseedwarshelling: 8 55 graden
• Fuseelangshelling (naspoor) 1 45 graden
• Uitspoor in de bocht met binnen wiel 20 graden verdraaid 4 graden

Voor de juiste cijfers moeten steeds de fabrieksgegevens worden geraadpleegd.

Overstuur en onderstuur

In een bocht is een voertuig onderhevig aan de centrifugaal kracht. Daardoor volgt de auto niet altijd de richting die wordt aangegeven door het stuur. Is de sliphoek bij de achterwielen groter dan bij de voorwielen, dan heeft men overstuur. Is de sliphoek op de voorwielen groter dan op de achterwielen dan ontstaat onderstuur. In geval van over stuur zal bij dezelfde stuurstand en snelheid de auto steeds een kleinere bocht nemen. Bij onderstuur wordt de bocht steeds groter. Een auto met onderstuur slipt eerst met de voorwielen naar de buitenkant van de bocht. Een overstuurde auto zal eerst met de achterwielen wegslippen naar de buitenkant van de bocht. Wordt de slip niet gecontroleerd dan raakt de auto van de weg naar de binnenkant van de bocht.

Er zullen maar weinig auto’s zijn die onder alle omstandigheden of onderstuur of overstuur hebben. Zo kan onderstuur overslaan in overstuur door minder gas te geven. De aard van de ophanging en aandrijving de ligging van het zwaartepunt maar ook de bandenspanning, de staat van de banden, het gewicht in de koffer en invloeden van buitenaf zijn medebepalend voor onderstuur of overstuurneigingen. De constructeurs trachten over het algemeen de auto’s licht onderstuurd te maken. Door gas te minderen of stevig aan het stuur te draaien. Door gas te minderen of stevig aan het stuur te draaien naar midden van de bocht, kan de auto in de juiste rijrichting worden gebracht. 

Stuurkolom

Een stuurkolom of stuurwielen kunnen verschillen in diameter, aantal spaken en de manier van bevestigen op de stuurkolom as. Een groot stuurwiel heeft een grote hefboomwerking, waardoor de wielen gemakkelijker te verdraaien zijn, maar de bestuurder moet grotere stuurbewegingen maken. We treffen gewoonlijk twee of drie spaken aan. Het stuurwiel moet zodanig op de stuurkolom as zijn bevestigd dat de stand van de spaken symmetrisch is en ze geen belemmering zijn voor het zich op de instrumenten. De buitenkant van het stuurwiel is glad of licht geribd. De binnenkant is gegolfd om een gemakkelijke greep te hebben en het verschuiven van het stuurwiel in de handen te voorkomen. Bij meerdere auto’s is het stuurwiel in hoogte en richting verstelbaar.

De stuurkolom bestaat uit een buis een en as. De as brengt de beweging van het stuurwiel over op het stuurhuis. De stand van de stuurkolom het stuurhuis is soms zodanig dat kruiskoppelingen en of een schijfkoppeling noodzakelijk is. Laatstgenoemde werkt ook trilling dempend. Ter bescherming van de bestuurder bij een frontale botsing past men een energie absorberende stuurkolom toe. De buis kan voorzien zijn van een roostergedeelte dat wel sterke radiale krachten kan overbrengen, maar dat wordt samengedrukt wanneer er op een van de uiteinden van de stuurkolom een grote axiale kracht wordt uitgeoefend.

Het roostergedeelte neemt het grootste van de energie op. De stuurkolom as zelf is driedelig. Het middelste gedeelte is buivormig. Het bovenste gedeelte is stevig bevestigd op het buisgedeelte. Het onderste gedeelte is door middel van kunststofpennen spelingvrij in de buis bevestigd. Bij een aanrijding zullen de pennen afscheuren waarna de kolom as in elkaar schuift en het rooster van de buis wordt samengedrukt.

Aan de buis is een 3-delige afscheurplaat gelast, die ook aan de carrosserie wordt bevestigd. Door de richting van de gleuven kan de stuurkolom niet in de passagiersruimte dringen. Zou de bestuurder op het stuurwiel worden geslingerd, dan zullen de daar eveneens aangebrachte plasticpennen afscheuren, een deel van de afscheurplaat naar beneden schuiven en het roostergedeelte van de buis verder samendrukken.

Directe stuurinrichting

Bij de directe stuurinrichting worden de stuurbewegingen via een rondsel op een tandheugel overgebracht. Aan de einden daarvan zijn door middel van kogels korte spoortangen bevestigd. De stofhoezen beletten het binnendringen van stof en water. Een druktaats die door een veer wordt belast, drukt het stuurrondsel en de tandheugel op elkaar, waardoor de onderlinge speling wordt opgeheven.

De veerdruk is, evenals de axiale speling van de stuurkolom as, meestal instelbaar met behulp van vulplaatjes.

In het tandheugelhuis zijn soms schroefveren aangebracht om het terugdraaien van het stuurwiel te bevorderen.

Door het feit dat er minder onderdelen zijn bij een indirecte stuurinrichting, zal er ook minder slijtage optreden. Door de directe overbrenging en de kleine vertraging, hoeft de bestuurder het stuurwiel minder te draaien om eenzelfde wieluitslag te verkrijgen. Daartegenover staat dat juist door de kleine vertraging het stuurwiel minder gemakkelijk te verdraaien is. Dat is ook de reden waarom er bij zware auto’s geen directe stuurinrichting aantreffen. Als de tandheugel tussen de spoortangen is aangebracht, is het niet mogelijk het stuurwiel haaks voor de bestuurder aan te brengen, wegens de plaats van het rondsel op de tandheugel. Bij sommige stuurwielen staan ze dan ook iets schuiner of er wordt gebruikt gemaakt van een extra verbinding of kruiskoppeling.

Indirecte stuurinrichting

Een indirecte stuurinrichting werkt met een grote vertraging waardoor, ondanks een grote belasting van de onderdelen van de stuurinrichting, zoals die bij vrachtwagens en zwaardere personenauto’s voorkomt, toch een voldoende lichte besturing mogelijk is. De vertraging in het stuurhuis kan op verschillende manieren worden verkregen.

Wordt het stuurwiel verdraaid dan zal door het verdraaien van de worm, de rol zich cirkelvormig in de worm verplaatsen, waardoor de pitarmen (stuurarm) naar voren of naar achteren kan bewegen. De rol kan tijdens de verplaatsing in de sector vrij draaien. Rollende wrijving biedt minder weerstand dan glijdende. De slijtage is in verhouding ook veel minder. De dia bolvorm van de worm zorgt ervoor dat het rolletje gedurende zijn cirkelvormige verplaatsing in de worm blijft.

De meeste speling als gevolg van slijtage zal optreden op de plaats waar de tanden elkaar raken tijden het rechtdoor rijden. Om die speling tussen worm en rol te kunnen bijregelen, zonder dat het geheel vastloopt, is de straal van het cirkelgedeelte dat het rolletje beschrijft kleiner dan de straal van de diabolo.

Aanvankelijk zal de stuurspeling in de bochten iets groter zijn dan bij het rechtuitrijden, maar dat zal de meeste bestuurders niet opvallen. De stuurspeling moet dan ook worden bij geregeld als het stuur in de rechtuitstand staat. Omdat de aslijn van de rol niet onder de aslijn van de worm ligt, kan men door de rok naar de worm te verschuiven de speling verminderen. De axiale speling van de worm is instelbaar met behulp van vulplaatjes onder de deksel.

Men duidt deze stuuroverbrenging ook wel eens aan als de Ross-stuurdirectie. De worm is cilindrisch en voorzien van een brede diepliggende schroeflijn, waarin een nok past.

Om de wrijvingsweerstand zo laag te houden mogelijk te houden, is de nog gelagerd. Ook hier verplaats de nok zich cirkelvormig als het stuur wordt verdraaid. In de middenstand is de reductie het groots: de reductie wordt kleiner naar de uiterste standen. Dat is ook het geval met de worm en rol uitvoering. In zwaardere stuurhuizen van het worm en noktype zijn twee of zelfs meer nokken aanwezig.

Een stuurhuis van deze constructie omvat een stuurworm as, -moet, -kogels en een stuur as, ook pitmanas genoemd. Op deze as is in het stuurhuis een tandsector aangebracht en buiten het stuurhuis de stuurarm, ook pitarmanarm genoemd.

De werking kan worden vergeleken met die van een bout en moer. Draaien we aan een bout, terwijl de moet wordt vastgehouden dan zal deze zich verplaatsen op de bout.

Wordt er aan het stuur gedraaid, dan verplaats de langs een zijde vertande en niet-draaibare moet zich op de stuurworm as. De moer verdraait op haar beurt de tandsector en de pitmanas met -arm.

Om de wrijving tussen de worm as en met te verminderen, heeft men een kogelkringloop tussen gebracht. Met de kogelgeleiders worden de kogels in omloop gehouden. Met vulringen in het lager deksel kunnen de wormaslagers en de axiale speling worden afgesteld. De tandspeling is instelbaar met de stelbout die met de contramoer kan worden geblokkeerd.