a. De aandrijfkracht van een wiel

De Wet van Newton

1e wet: Een voorwerp waarop geen resulterende kracht werkt, is in rust of beweegt zich rechtlijnig met constante snelheid.
2de wet: De verandering van de snelheid is recht evenredig met de resulterende kracht en volgt de rechte lijn waarin de kracht werkt.
3de wet: Actie is reactie.

Aandrijfkracht

• De aandrijfkracht wordt bekomen door het koppel van een motor via een aandrijflijn op de as van het wiel aan te brengen.
• Deze aandrijfkracht moet nu ook overgezet worden op de “rijbaan”. Dit kan bijvoorbeeld de bodem, een rail of een trommel zijn.
• Om de aandrijfkracht te kunnen overbrengen hebben we grip nodig.

b. Grip en wrijving

Wrijving

• Om een voorwerp te laten glijden moet er kracht opgebouwd worden. Van zodra er beweging is zal er minder kracht nodig zijn om de beweging in stand te houden.
• Het is de wrijving tussen de bodem en het voorwerp die dit fenomeen veroorzaakt. Zolang een maximum niet overschreden wordt, blijft het voorwerp ter plaatse en is er statische wrijving. Van zodra er beweging is, spreken we over dynamische wrijving.
• De verhouding tussen de trekkracht en de normaalkracht is de wrijvingscoëfficiënt.
• De types materialen (PUR, metaal, beton, …) die over elkaar glijden en hun toestand (glad, ruw, geslepen, gestraald, temperatuur…), bepalen hoeveel wrijving er ontstaat. Door vocht, olie, vet, stof of zand zal de wrijving wijzigen.

Grip

• Grip is de reactiekracht die we opwekken door te versnellen, te remmen of te sturen. Bij deze actie ontstaat er slip in het contactvlak. Grip is de wrijvingskracht (reactie) die het slippen (actie) tegengaat. Zonder slip is er geen grip ! Maximale grip ontstaat bij ca 10 slip.

a. Grip en slip wetenschappelijk onderbouwd

De snelheid in het contactvlak van een wiel is gelijk aan nul, zolang er niet versneld, geremd of gestuurd wordt. Door deze actie ontstaat een snelheidsverschil tussen de omtreksnelheid van het wiel en de snelheid van het voertuig. Dit is slip.

Als gevolg van slip ontstaat er grip.

De grip wordt bepaald door 2 fenomenen waarbij de visco-elastische eigenschappen van een elastomeer een grote rol spelen. Deze visco-elastische eigenschappen worden vertaald in een parallelle schakeling van een veer en een demper, waarbij de veer instaat voor de elasticiteit en de demper voor de hysteresisverliezen. Kracht en vervorming werken hierdoor niet in fase.

Voor meer info, zie animatie : Vulkollan eigenschappen – Rebound

Grip bestaat uit 2 componenten:

• a. mechanische grip: deze is afhankelijk van de visco-elastische eigenschappen van het PUR en de ruwheid van de baan.
• b. moleculaire adhesie: deze is afhankelijk van de visco-elastische eigenschappen ven het PUR en de elasticiteit van het PUR.

a. mechanische grip

• Wanneer het elastomeer over een uitstulping in de “rijbaan” glijdt, zal ten gevolge van de visco-elastische eigenschappen van elastomeren, deze vervorming links en rechts van de uitstulping verschillend zijn.
• Hierdoor ontstaat een resulterende kracht. De tangentiele component van deze kracht zorgt voor grip. Belangrijk is te weten dat deze kracht wordt opgewekt door de glijbeweging in het contactvlak!

• De ruwheid van de “rijbaan” varieert van micrometer- tot centimeterniveau.

• De ruwheid is de oorzaak waarom het elastomeer plaatselijk vervormd wordt.
• Het fenomeen grip wordt gemaximaliseerd door een materiaal te kiezen met hoge hysteresisverliezen (of een lage % rebound).

b. Moleculaire adhesie

• Moleculaire adhesie is een fenomeen dat op het nanometerniveau werkt en voor een substantieel deel van de grip kan zorgen.
• Wanneer het elastomeer contact maakt met de “rijbaan” worden er ten gevolge van de Vander Waals krachten verbindingen gemaakt.
• Wanneer het elastomeer over het oppervlak glijdt, worden deze verbindingen opgerekt en terug verbroken, om verderop weer nieuwe verbindingen te maken.
• Door het visco-elastisch gedrag van het elastomeer wordt een resulterende kracht opgewekt.
• De tangentiele component van deze resulterende kracht zorgt voor grip.
• Terug belangrijk is te weten dat deze kracht wordt opgewekt door de glijbeweging in het contactvlak.
• Het type elastomeer, temperatuur en snelheid van glijden beïnvloeden de moleculaire adhesie.
• Om adhesie te krijgen moet er contact zijn.
• Een hogere belasting op het wiel zorgt voor meer contact en beïnvloedt dus de grip.  De invloed van water in het contactvlak is groot op dit fenomeen, terwijl de ruwheid wel verder voor grip blijft zorgen.
• Een breed en zacht wiel heeft hierdoor ook meer grip dan een hard en smal wiel.
• Wanneer echter alle ruwheid ook onder water komt te staan, is er geen contact en vervorming meer mogelijk en valt alle grip weg. We noemen dit aquaplaning.

Ondertussen begrijpen we dat er in het contactvlak (micro)glijbewegingen moeten zijn als we grip willen opwekken. Enkel in een wiel dat wordt aangedreven, geremd of gestuurd is deze glijbeweging aanwezig! In een wiel van een voertuig dat met constante snelheid beweegt, zien we dat de ogenblikkelijke snelheid in het contactpunt gelijk is aan nul. De afgelegde weg van het voertuig is dezelfde als de afgerolde weg door het wiel. Wanneer we gaan remmen, dan gaat het wiel trager draaien waardoor de afgerolde afstand verkleint en er een stuk glijden optreedt. Door dit glijden wordt er grip opgewekt, dus een tegenwerkende kracht, waardoor het voertuig vertraagd.  Bij versnellen neemt de afgerolde afstand toe en treedt opnieuw (door)glijden op die een reactiekracht opwekt die het voertuig laat versnellen. Ook bij sturen worden dergelijke reactiekrachten opgewekt ten gevolge van (micro)glijbewegingen. De werking van een wiel bevat dus 2 paradoxen: 1. om niet te slippen moet er glijden optreden 2. bij constante snelheid van een voertuig is de snelheid in het contactvlak nul.

c. Slip

• De grip is geen constante waarde.
• Ze is afhankelijk van onder andere de wielslip. De maximale wrijvingscoëfficiënt wordt bereikt bij een slip tussen 5 en 15 %.
• Wanneer we hard remmen bouwt de grip zich op tot het maximum wordt bereikt.
• Laten we het wiel blokkeren, dan zakt de grip naar een lager niveau en gaan we slippen.
• Bij hard accelereren bouwen we ook eerst grip op tot we het maximum bereiken bij ca. 10% slip.

Nu we de complexiteit van aandrijven, remmen en sturen beter begrijpen kunnen we dit toepassen bij de samenstelling van het wiel dat de benodigde prestaties levert. Ook hier botsen we op tegenstellingen, waardoor compromissen onvermijdelijk zijn.

We hebben geleerd dat een elastomeer met hoge hysteresisverliezen voor goede grip kan zorgen. Anderzijds zorgt datzelfde hysteresisverlies voor opwarming en rolweerstand van het wiel, die een directe invloed hebben op de performantie, slijtage en levensduur.

a. De juiste bekleding

1. Vulkollan^© biedt echter een perfect compromis tussen rolweerstand en voldoende grip. De zachte kwaliteiten van Vulkollan^© (VK75 en VK80) bieden ook in vochtige omstandigheden voldoende grip omdat deze versies beter de ruwheid van de bodem aannemen.
2. Wanneer er echter aquaplaning optreedt, dan kunnen enkel geprofileerde banden een bedrijfszekere oplossing bieden. Het verhogen van de aandrukkracht kan in bepaalde gevallen een oplossing bieden als hierdoor de waterfilm wordt weggedrukt en doorbroken.
3. Doorgaans geven rubbers hogere gripwaarden dan polyurethaan. De redenen hiervoor zijn de lagere hardheden, waarmee rubbers worden gebruikt en de van nature hogere moleculaire adhesiekrachten. Nadeel van rubberwielen zijn merkelijk lagere draagvermogens en dus de nood om het wiel veel groter te maken om hetzelfde draagvermogen te bereiken als bij wielen in polyurethaan.

b. Wrijvingscoëfficiënt

In de praktijk is in vele gevallen de benodigde aandrijfkracht gekend. Om het juiste wiel te bepalen, moet nog enkel de wrijvingscoëfficiënt bepaald worden. Hou ook rekening met de snelheid en inzetduur van het toestel.
Voor een vergelijking van de wrijvingscoëfficiënt van Vulkollan^© met andere materialen heeft Vulkoprin proefondervindelijk volgende richtwaarden vastgesteld:

Voorbeeld

• Stel dat een aandrijfkracht van 20kN op een droge betonvloer moeten overgebracht worden, dan leest men uit de bovenstaande tabel µmax = 0.6-0.8. Het is altijd aan te raden een zekere veiligheidsmarge in te rekenen, zodat het wiel niet te veel de neiging heeft om door te slippen. We kiezen dus µmax = 0.6 of lager om zeker de benodigde aandrijfkracht te kunnen opwekken, maar ook om de slip en slijtage te beperken en zo de levensduur te verhogen.
• Om de benodigde aandrijfkracht te realiseren, hebben we een minimale belasting nodig op het wiel gelijk aan: 20kN / 0.6 = 33.3 kN
• Het draagvermogen van het gekozen wiel moet hier dus minimaal aan voldoen.

c. Overbrengen aandrijfkracht

Om de aandrijfkracht van de motor over te brengen op het wiel, mag het wiel niet kunnen roteren op de aandrijfas. Hiervoor worden volgende courante montagemogelijkheden gebruikt:

1. Spieverbinding:
   – Assen met h6 of h9 tolerantie worden voorzien van een inlegspie DIN 6885.
   – De boring van het wiel met tolerantie H7 wordt voorzien van een spiebaan. Bij een aandrijving in dezelfde richting, kiest men een JS9 tolerantie voor deze spiebaan. Wanneer de aandrijfrichting frequent wisselt wordt een P9 tolerantie gekozen. De constructeur zal de axiale borging aanbrengen.
2. Klembusverbinding:
   Door middel van een klembus wordt het wiel vastgezet op de as. Deze verbinding zorgt zowel voor axiale borging als voor het doorgeven van de aandrijfkrachten. De aanschaf van een klembus is duurder maar biedt vooral in montage en demontage vele voordelen.
3. Flensverbinding:
   Door middel van een flens met boutgaten wordt het wiel aan de aandrijfas verbonden. Deze verbinding wordt courant gebruikt wanneer het wiel op een asuiteinde bevestigd is van een voertuig. Deze toepassing vinden wij bij aandrijfwielen van heftrucks.

d. Andere factoren

• Een dunne elastomeerlaag verhoogt het draagvermogen van het wiel maar is nadelig voor aandrijftoepassingen. Een dikke laag elastomeer geeft meer contactoppervlak en daardoor meer grip.
• De maximale wrijvingscoëfficiënt is relatief onafhankelijk van de hardheid van een type elastomeer.
• Een elastomeer met hoge hysteresisverliezen is voordeling om goede grip te krijgen, maar zeer nadelig voor de rolweerstand en opwarming van het wiel. Vulkollan^© biedt hier echter een goed compromis.
• Materialen voor rollercoastertoepassingen zijn doorgaans minder goed in aandrijftoepassingen dan standaard Vulkollan^©, omdat hun hysteresisverliezen een stuk lager liggen.
• De toestand van de “rijbaan” heeft doorgaans de grootste invloed op de grip.
• Condens, vet en vuil laten de grip aanzienlijk verminderen.
• Een vlak loopvlakprofiel is gunstiger dan een gebombeerd loopvlak.
• Wanneer op een rail wordt gereden, moet de rail steeds minstens 10% breder zijn dan het loopvlak van het wiel.
• Soft starters kunnen veel aandrijfproblemen verhelpen en komen de levensduur van de wielen ten goede.

Het is de verantwoordelijkheid van de constructeur om het juiste wiel te configureren, rekening houdend met voornoemde factoren. Vulkoprin heeft veel ervaring en beschikt over een moderne proefstand om simulaties en testen uit te voeren. Consulteer het Vulkoprin Wheel team voor een correcte berekening.