Hoofdstuk 1

Hoe de auto mobiel wordt.

Het woord 'auto' betekent ZELF en het woord 'mobiel' betekent BEWEGEN. Een auto zou dus een zelfbeweger zijn. Maar dat een auto zich niet vanzelf beweegt, ervaren we dagelijks. Er is brandstof voor nodig die in een krachtbron verbrand wordt, zodat er warmte wordt opgewekt. De warmte wordt weer omgezet in beweging en daarmee worden de wielen aan het draaien gebracht.

Dat gold voor de eerste auto die er ooit heeft gereden, maar het geldt evenzeer voor de auto in 1981. het verschil tussen beide is vooral een verschil in rendement, ook wel genoemd 'nuttig effect'. Als we brandstof tanken, vertegenwoordigt dit een zekere energiewaarde. Met deze brandstof kunnen we de auto bepaalde prestaties laten verrichten. Ook van die prestaties kan de energiewaarde worden gemeten. Het zou prachtig zijn als beide energiewaarden aan elkaar gelijk waren. Dit is helaas niet het geval.

De energiewaarde die we als brandstof in de tank laten stromen, is veel groter dan de waarde die we in de vorm van prestaties van onze auto terugkrijgen. Misschien maar het tiende gedeelte en dat zou dan een rendement van 10% betekenen. Waar blijft de overige 90% ?

Verliezen

De overige 90% - laten we het maar even bij ronde getallen houden - gaat verloren. Spijtig, maar het is niet anders. Want het omzetten van de ene vorm van energie in een andere, gaat altijd met verliezen gepaard. Daar weet ook de benzinemotor van mee te spreken. (fig. 1)

De benzinemotor

In een eenvoudige vorm heeft een benzinemotor één cilinder, die het beste vergelijkbaar is met een ronde bus, van onderen open en van boven gesloten. In de cilinder gaat een zuiger op en neer die zuiver in de cilinder past. (fig.2)

De zuiger is met een drijfstang verbonden aan een krukas. Aan de krukas is een vliegwiel bevestigd. Boven de zuiger wordt een gas verbrand. Dit gaat gepaard met een hevige uitzetting of expansie. In de ruimte boven de zuiger wordt dus een hevige druk uitgeoefend en omdat de zuiger zich vrij in de cilinder kan bewegen wordt de zuiger naar beneden geduwd. De zuiger gaat dus recht omlaag, maar dankzij de drijfstang en krukas wordt deze rechtlijnige beweging omgezet in een draaiende beweging. Het vliegwiel draait dus en via de transmissie wordt de draaibeweging overgebracht naar de wielen van de auto. Er is dus brandstof verbrand waarbij warmte ontstond. De warmte is omgezet in beweging, eerst rechtlijnig, maar dan draaiend.

Warmteverlies

Spijtig genoeg kan niet alle warmte die de verbranding van het gas (de brandstof) oplevert, in beweging worden omgezet. Bij de verbranding komt zoveel warmte vrij, dat er al direct een flinke portie afgevoerd moet worden, anders zou het metaal van de motor veel te heet worden en gaan smelten. Daarom moet een motor gekoeld worden en het koelsysteem voert ongeveer een derde van de opgewekte warmte af naar de buitenlucht. (fig. 3)

Van elke liter benzine die we tanken, wordt dus 1/3 liter via de radiator (een deel van het koelsysteem) weggegooid. Daar gaat ons goede geld! Maar dat is nog niet alles. Want de expanderende gassen die de zuiger helemaal naar beneden hebben gedrukt en dus 'afgewerkt' zijn, bezitten ook nog een flinke hoeveelheid energie. Die gaat zo maar via het uitlaatsysteem naar buiten. (fig. 4)

Weer een derde liter van de dure benzine verdwenen. Het is om te huilen. Maar we houden dan toch nog één derde over. Dacht u. Dat zou het geval zijn als de motor onder de meest gunstige omstandigheden zijn werk kon doen. Maar later zullen we zien dat die omstandigheden meestal niet zo gunstig zijn. Daarom blijft er na aftrek van de koelings- en uitlaatverliezen nog minder dan een derde liter van onze brandstof over.

En bovendien moeten we ook nog rekening houden met de wrijvingsverliezen in de motor zelf. De zuiger in de cilinder, de drijfstangverbinding aan de krukas en de ondersteuning van de krukas in lagers (en nog veel meer onderdelen) zijn allemaal punten waar wrijving optreedt. Ook deze wrijving moet overwonnen worden met de bewegingsenergie die we van de motor hebben verkregen.

De transmissie

En alsof dat nog niet genoeg was, moet de kracht die door de motor werd opgewekt, nog via een stelsel van tandwielen en draaipunten naar de aandrijfwielen worden overgebracht. Ook in dit traject treedt wrijving op en dat gaat natuurlijk ten koste van de door de motor geleverde bewegingsenergie. We houden dus een gering deel van de energiewaarde in de brandstof over om de auto voort te stuwen.

Zo heel dramatisch is dit nu ook weer niet, want door allerlei verbeteringen aan de motor en de auto hebben we over de brandstofeconomie van de hedendaagse auto niet te klagen.

Om met een auto uit de kleine middenklasse een afstand van 100 km af te leggen, hebben we gemiddeld 9 liter brandstof nodig. Verkeert de auto in minder goede staat en rijden we op een manier waarbij niet aan brandstofeconomie wordt gedacht, dan kan het verbruik gemakkelijk oplopen tot 11 à 12 liter per 100 km. Maar nemen we een aantal maatregelen die gericht zijn op een economisch verbruik, dan hebben we genoeg aan 7 à 8 liter.

Dat levert nogal wat verschil op in de kosten voor onze auto. Ook maken we op die manier een nuttiger gebruik van de vloeibare brandstoffen waarmee we tegenwoordig spaarzaam moeten zijn. Bovendien kunnen de getroffen maatregelen de levensduur van onze auto verlengen en ten goede komen aan een veiliger weggedrag. Ook de uitlaatgassen van de auto zullen dan minder schadelijke bestanddelen omvatten. Wel de moeite waard om daaraan aandacht te besteden. Maar dan is het wel nodig om eerst iets meer over het mechanisme van de auto te weten. Daarom nu een verkenningstocht door een auto.

Van motor tot achterwielen

De auto laat niet veel van zijn mechanisme zien. Alles gaat schuil achter plaatwerk met veel lak en chroom. Maar dit omhulsel is bij de auto in fig. 5 weggenomen en we zien het mechanisme dat voor de voorstuwing van de auto zorgt. Geheel links de motor. Het is een viercilinder motor waarvan alleen de zuigers met drijfstangen en krukas zichtbaar zijn. Op de zuiger wordt beurtelings een kracht uitgeoefend, zodat de krukas met aan het eind een vliegwiel, aan het draaien wordt gebracht. In fig. 5 wordt de draaiende beweging overgebracht naar de achterwielen. Bij vele modernere auto's worden de voorwielen aangedreven en dan zijn de diverse onderdelen anders opgesteld.

Daar komen we straks op terug, maar eerst de auto met achterwielaandrijving. De draaiende kracht van de motor, gewoonlijk 'koppel' genoemd, moet vanaf het vliegwiel nog een lange weg naar de achterwielen afleggen. Dit gebeurt via A - de koppeling, B - de versnellingsbak, C - de cardanas met kruiskoppelingen, D - de eindaandrijving met differentieel, E - de wielaandrijfassen.

De koppeling

Deze maakt het mogelijk de verbinding tussen motor en versnellingsbak te verbreken. Dit gebeurt voor het inschakelen van een versnelling en bij het op- of terugschakelen. Een versnellingsbak immers bestaat uit een aantal tandwielen die met elkaar in aangrijping zijn. Wat we 'schakelen' noemen is het in aangrijping brengen van bepaalde tandwielen. Dit gaat niet al te best als een van de in te schakelen tandwielen draait (omdat het met de motor is verbonden) en het andere in te schakelen tandwiel stilstaat (omdat het met de stilstaande achterwielen is verbonden).

De in te schakelen tandwielen moeten dus tot rust komen en daarom trappen we het koppelingspedaal in. Wat er dan gebeurt blijkt uit fig. 6. Tussen het vliegwiel en de drukplaat (verbonden met de versnellingsbak) bevindt zich een koppelingsplaat waarop frictievoeringen zijn aangebracht.

Deze voeringen worden door veren tussen het vliegwiel (A) en de drukplaat (B) geklemd (fig. 6).

Maar bij het intrappen van het koppelingspedaal (fig. 7) wordt de druk van de veren opgeheven en de koppeling is 'vrij', d.w.z. de voeringen van de koppelingsplaat worden niet meer ingeklemd en de verbinding tussen motor en versnellingsbak is verbroken. We kunnen nu naar hartelust inschakelen, d.w.z. bij het wegrijden de eerste versnelling inschakelen. Laten we het koppelingspedaal los, dan ontstaat weer de situatie als in fig. 6.

De versnellingsbak

Als een auto in beweging moet worden gebracht, dient er een weerstand overwonnen te worden. Dit hebben we zelf wel eens meegemaakt als we een auto een eindje moesten wegduwen. Het in beweging brengen ging ontzettend zwaar, maar als er eenmaal beweging in gekomen was, ging het heel wat makkelijker om het voertuig in beweging te houden.

Er dient dus een mogelijkheid te zijn om de trekkacht van de motor bij het in beweging brengen van de auto te vergroten. Hiertoe gebruikt men een tandwieloverbrenging.

Nu zou een overbrenging van tandwielen van gelijke grootte niet veel helpen. De kracht wordt dan wel overgebracht, maar niet vergroot. Dit is wèl het geval als we het ene tandwiel een ander - groter - tandwiel laten aandrijven, dat bv. tweemaal zo veel tanden heeft (fig. 8).

Het grote tandwiel zal dan nog maar met de halve snelheid van het kleine tandwiel draaien, maar de draaiende kracht (het 'koppel') is twee maal zo groot.

We treffen in een versnellingsbak (fig. 9) dan ook tandwielen van verschillende grootte aan en met behulp van de versnellingshendel (onder automobilisten beter bekend als 'de pook') kunnen we allerlei combinaties maken die resulteren in de eerste versnelling (grootste trekkracht), tweede versnelling, derde versnelling en vierde versnelling. In laatstgenoemde versnelling draait de ingangsas (ook wel primaire as genoemd) even snel als de uitgangsas (hoofdas). Er vindt dus geen snelheidsvermindering (reductie) plaats, maar ook geen vergroting van de trekkracht. Dit is dus een directe aandrijving, ook wel 'prise directe' genoemd.

Cardanas met kruiskoppelingen

De motor met versnellingsbak is in de auto bevestigd en dit complex heeft wel enige bewegingsvrijheid omdat bij de ophangpunten rubber wordt toegepast, maar die vrijheid is toch maar zeer beperkt. In ieder geval heel wat minder dan de bewegingsvrijheid die een achteras moet hebben, want deze moet met de oneffenheden van het wegdek op en neer kunnen veren, zoals fig. 10 toont. Daarom is de cardanas - de lange as van de versnellingsbak naar de achteras - voorzien van cardankoppelingen of kruiskoppelingen. Een kruiskoppeling is een soort dubbele scharnier die het mogelijk maakt de kracht onder een hoek over te brengen.

Dan komen we ten slotte aan het mechanisme dat van de cardanas af de kracht naar de achterwielen moet overbrengen. Om te beginnen moet dit natuurlijk een haakse overbrenging zijn. De cardanas immers bevindt zich in de lengterichting van de wagen, terwijl de wielassen de kracht in dwarsrichting op de wielen moeten overbrengen. Een haakse overbrenging is mogelijk door middel van een stel kegeltandwielen, zoals fig 11 toont.

Het kleinste van dit stel, het aandrijftandwiel, heet de pignon. Het grootste het kroonwiel. Tandwielen dus van ongelijke grootte, zodat ook hier een vermindering (reductie) van het toerental plaatsvindt, maar een vermeerdering van het koppel (de trekkracht). Omdat dit de laatste reductie in de reeks is, noemen we deze overbrenging de 'eindreductie'.

Het verschil met de versnellingsbak is dat deze een aantal variabele reducties oplevert die we zelf uitkiezen. Maar bij de eindreductie valt er niets te kiezen; het is een vaste reductie. De ingangsas - in dit geval de cardanas - draait dus sneller dan de uitgaande assen (de assen die de achterwielen aandrijven)

Differentieel

Maar een constructie zoals fig. 11 laat zien, zou op grote praktische bezwaren stuiten. Kijkt u maar even naar fig. 12. Als de wagen een bocht moet maken, legt het ene wiel een grotere afstand af dan het andere wiel. Het ene wiel moet dus meer omwentelingen maken dan het andere. En met de constructie uit fig. 11 kan dat niet, want beide wielen zijn via de aandrijfas star met elkaar verbonden.

Hier zitten we dus met de moeilijkheden dat twee wielen moeten worden aangedreven, maar ieder met een verschillende snelheid. Draait het ene wiel sneller, dan moet het andere evenredig langzamer draaien. Er is dus een compensatie-inrichting nodig en dit is het mechanisme dat we differentieel noemen.

Als de einden van de wielassen nu eens ieder met een tandwiel waren uitgerust, zou je eigenlijk een stang (met een draaipunt in het midden) moeten hebben, die de tandwielen aan elkaar koppelt. In fig. 13 is dit verwezenlijkt. Als we hefboom C naar ons toetrekken, moeten beide tandwielen met assen (A en B) even snel verdraaid worden. Wordt tandwiel A echter op een of andere manier tegengehouden, zodat het langzamer gaat draaien, dan zorgt de stang er voor dat het andere tandwiel evenredig sneller gaat (fig. 14).

Natuurlijk kan zo'n stang dit maar in beperkte mate doen, maar we kunnen hem door een tandwiel vervangen, zoals in fig. 15.

Trekken we dit tandwiel (dat satelliet wordt genoemd) recht naar voren, dan worden beide astand-wielen met gelijke snelheid meegenomen. Ondervindt een van de astandwielen een weerstand, zodat het langzamer gaat draaien, dan verdraait de satelliet zicht (net als de hefboom) en laat 't andere tandwiel sneller gaan.

In fig. 16 is het differentieel compleet: de pignon drijft het grote kroonwiel aan, waaraan de differentieelhouder met satelliet is bevestigd. De satelliet verdraait zich niet ten opzichte van de astandwielen, maar neemt beide met gelijke snelheid mee. Beide wielassen (en daarmee beide achterwielen) worden dus even snel aangedreven. Maar ondervindt een der wielen een weerstand (bv. in een bocht) dan kan het ene wiel langzamer draaien en het andere wiel evenredig sneller.

In de praktijk worden gewoonlijk twee satellieten toegepast, maar dat verandert natuurlijk niets aan het principe. In fig. 17 zien we nog hoe het differentieel zich in het achterashuis bevindt en hoe de wielas het wiel doet roteren om aldus de auto voort te stuwen.

Alles achter of alles voor

De tot dusver besproken opstelling is van toepassing voor een groot deel van de Amerikaanse en Japanse auto's en een kleiner deel van de Europese auto's. Bij kleinere wagens is het aantrekkleijk om motor, koppeling, versnellingsbak en haakse overbrenging als een compact geheel uit te voeren. Dit leidt dan tot een constructie waarbij krachtbron en transmissie achterin worden geplaatst (alles achter - fig. 18) of voorin (alles voor - fig. 19).

De 'alles achter'-constructie is aan het verdwijnen. 'Alles voor' is aan de winnende hand en wordt nu ook voor grotere auto's meer en meer toegepast. Heel vaak plaatst men dan de motor dwars voorin, zoals in fig. 19, waardoor een zeer compact geheel wordt verkregen en zelfs de haakse eindoverbrenging niet meer nodig is.

Daarom worden in fig. 20 voor deze overbrugging geen haakse, maar rechte tandwielen toegepast. Maar ook bij voorwielaandrijving kan de motor in de lengterichting van de auto zijn opgesteld. Hoe in dat geval de kracht van het vliegwiel naar de voorwielen wordt overgebracht, toont fig. 21.

Het motorvliegwiel V met de koppeling drijft de versnellingsbaktandwielen VT aan en zij brengen de kracht over naar de eindreductie (pignong en kroonwiel) met differentieel D. Dit alles is in één huis ondergebracht. Van dit huis af brengen de wielaandrijfassen waarvan er één wordt getoond (WA) met kruiskoppelingen (K) de kracht naar de voorwielen over.

De drie bouwwijzen 'motor voorin - aangedreven achterwielen', 'alles voor' en 'alles achter' hebben ieder hun voor- en nadelen. Deze hebben te maken met ruimtebenutting, fabricagekosten en gewichtsverdeling. Dit laatste houdt weer verband met de rij-eigenschappen. Ook daarop komen we nog uitgebreid terug. We zijn nu alleen maar aan het verkennen.

Een auto moet kunnen veren

De wielen moeten de oneffenheden in het wegdek kunnen volgen, dus op en neer kunnen gaan, zonder dat ze deze beweging op de bovenbouw, carrosserie genaamd, overbrengen. Het is de taak van de veren om die op en neerwaartse bewegingen van de wielen te absorberen. Dat kan een schroefveer zijn, zoals in fig. 22, een veertype dat veel wordt toegepast.

Er zijn ook auto's waarop men nog bladveren tegenkomt (fig. 23), maar ze worden niet zo veel meer toegepast.

Dan is er nog de torsieveer (fig. 24) in de vorm van een staaf die 'opgewonden' wordt. De staaf is van verend materiaal en komt dus vanzelf weer zin zijn oorspronkelijke stand terug. Maar welk type veer ook gebruikt wordt, door het voortdurend in- en uitveren tijdens het rijden zal de veer in trilling geraken. De trillingen moeten gedempt worden en dit is de taak van de schokdemper.

Soms zijn veer en schokdemper tot één element samengevoegd. Dit is het geval bij auto's die op lucht veren, in combinatie met vloeistof. Men spreekt dan van hydropneumatische vering.

Een auto moet gestuurd worden

Allicht, want daardoor onderscheidt een auto zich nu juist van een tram of trein die langs spoorstaven of rails wordt geleid. Een auto moet men naar wens van richting kunnen veranderen. Als we aan het stuurwiel draaien, wordt deze beweging door een overbrenging in het stuurhuis en verder door een stangenstelsel op de voorwielen overgebracht (fig. 25).

De auto moet geremd worden

Om een rijdende auto te kunnen vertragen of tot stilstand te brengen, is een remsysteem nodig. Alle vier wielen zijn dus van een rem voorzien. Heel vaak worden voor de achterwielen trommelremmen gebruikt en voor de voorwielen schijfremmen. Het bedienen van de rem gebeurt met behulp van een vloeistof en men spreekt dan ook van een hydraulisch remsysteem.

Als we het rempedaal indrukken (fig. 26) wordt een zuiger in een hoofdremcilinder verplaatst en de zuikger verplaatst op zijn beurt de remvloeistof via leidingen naar de wielcilinders. Daar wordt de druk op de vloeistof gebruikt om twee zuigers naar buiten te duwen en deze drukken twee remschoenen met voeringen tegen de draaiende trommel aan (trommelrem).

Bij een schijfrem worden de zuigers van de wielcilinders juist naar elkaar toe geduwd. Zij drukken de remblokken tegen een draaiende schijf.

Met of zonder chassis

Een auto is dus een verzameling hoofdonderdelen (motor, transmissie, veren, stuurinrichting, remsysteem) die ergens aan bevestigd moeten worden.

Vroeger was dit altijd aan een chassisraam (fig. 27) dat de ruggegraat van het voertuig vormde. Nadat alle hoofdonderdelen er in en er aan waren bevestigd, werd de bovenbouw of carrosserie op het chassisraam geplaatst en de auto was klaar.

Deze methode is voor vrachtauto's en voor een deel van Amerikaanse personenauto's nog steeds gebruikelijk. Maar bij Europese auto's treft men geen chassis meer aan. De carrosserie is dan sterk genoeg om zelf de ruggegraat te kunnen vormen. Men spreekt in dat geval van een zelfdragende carrosserie (fig. 28).

Hierin worden de motor, versnellingsbak en achterbrug gehangen en ook de veren, de stuurinrichting en de remmen worden er aan bevestigd.

Elektrische installatie

In een auto wordt veel gebruik gemaakt van elektriciteit. Er is immers verlichting nodig en er moeten signaalinrichtingen aanwezig zijn zoals een claxon en knipperlichten. Er zijn elektromotoren nodig om de ruitenwisser aan te drijven en om de 'grote motor' in beweging te brengen. Dat doet de startmotor. Ook is er een vonk nodig om het gas in de cilinders te ontsteken.

Er is dus een hele serie stroomverbruikers die gevoed moeten worden. De voedingsbron hiervoor is de dynamo of alternator in combinatie met de accu. Al deze elektrische apparaten met de daarvoor benodigde kabels en schakelaars vormen samen de elektrische installatie (fig. 29)

Hiermee is onze verkenningstocht door de auto geëindigd. We hebben kennis gemaakt met alle hoofdonderdelen. Deze werken onderling samen en daarom is het nuttig dat u nu alvast een overzicht hebt. We kunnen ons nu gemakkelijker bezighouden met diverse delen afzonderlijk.