Wat is een spaceframe en waar wordt deze constructie toegepast?

Spaceframe is een benaming uit het Engels en kan in het Nederlands worden vertaald met ruimtelijke constructie. Deze constructie lijkt een beetje op een vakwerkconstructie waarbij verschillende verbindingen worden gemaakt zodat een grote vrije overspanning mogelijk is.

Hoe ziet een spaceframe er uit?
Een spaceframe kan verschillende vormen en afmetingen hebben. Kenmerkend voor een spaceframe is dat deze uit verschillende verbindingen bestaat om een grote ruimte te voorzien van een bepaalde stevigheid. Over het algemeen wordt gebruik gemaakt van buizen van aluminium of staal. Buizen die gemaakt zijn van staal zijn goedkoper maar wel zwaarder. Daarom wordt regelmatig voor aluminium gekozen. Een spaceframe bestaat uit verschillende (driehoekige) verbindingen. Door de toepassing van aan elkaar geschakelde regelmatige viervlakken kan een sterke constructie worden gemaakt. Naast driehoekige constructies kan men ook gebruik maken van gebogen constructies.

Waar worden spaceframes toegepast?
Spaceframes worden onder andere in de werktuigbouwkunde toegepast bijvoorbeeld bij fietsen, auto’s en motorfietsen als er geen gebruik wordt gemaakt van een zelfdragende carrosserie of monocoque. Een spaceframe is in de voertuigentechniek een buisconstructie of een buisframechassis. Hierbij wordt de motor, de carrosserie en de wielophanging bevestigd aan het spaceframe. In tegenstelling tot de toepassing van een monocoque wordt er bij een spaceframe geen gebruik gemaakt van een carrosserie met structurele sterkte.

Daarnaast worden spaceframes ook toegepast in grote staalconstructies zoals de bouw van grote loodsen en bedrijfshallen. Hierbij moeten vaak grote afstanden worden overbrugd door gebruikt te maken van verschillende driehoekverbindingen om een dak te kunnen dragen. Ook bij grote sportcomplexen en voetbalstadions wordt meestal gekozen voor spaceframs. Hierdoor kunnen bovendien zeer fraaie (kubistische) vormen worden gemaakt waardoor er voor de architect veel mogelijkheden zijn om een gebouw aan te passen aan de esthetische wensen van de opdrachtgever en de omgeving.

Wat is een monocoque en waar wordt deze constructietechniek toegepast?

Monocoque is een woord dat wordt gebruikt in de constructietechniek. Hierbij doelt men op een constructie waarbij het dragende deel aan de buitenzijde zit. Kortom het dragende deel van een constructie is een schaal of buitenhuid die niet voorzien is van inwendige versterkende constructiedelen. Hierbij kan men bijvoorbeeld denken aan schaaldieren zoals een kreeft of krab. Deze dieren dragen als het ware hun skelet aan de buitenzijde van hun lichaam. Dit biedt deze dieren stevigheid en tevens bescherming tegen schadelijke invloeden van buitenaf. Ook een kippenei is een voorbeeld van een natuurlijk product dat voorzien is van een harde beschermende laag. Deze beschermende laag is gemaakt van kalk dat harder is dan de binnenkant van het ei en daardoor de binnenzijde beschermd.

Monocoque in de constructietechniek
Constructeurs en engineers kijken bij de ontwikkeling van producten en constructies regelmatig naar de natuur. In de natuur is een bijna onuitputtelijke bron van informatie aanwezig die gebruikt kan worden voor de constructie van producten, machines en voertuigen.

Als een constructeur werkt aan een nieuw product zal hij of zij daarbij rekening moeten houden met bepaalde eisen. Een monocoque moet bijvoorbeeld licht zijn en een grote torsieweerstand hebben. Dit houdt in dat het een stevig torsiestijf product moet zijn. Daarnaast moet de monocoque ook eenvoudig en degelijk gemaakt kunnen worden. Tegenwoordig worden bijna alle producten doormiddel van productiemachines gemaakt. Ook daar moet een constructeur rekening mee houden.

De belasting van het desbetreffende object moet worden opgevangen door de buitenkant van het object. Dit is een groot verschil met de meeste constructies waarbij het dragende deel aan de binnenkant zit.

Toepassing van de monocoque
In de jaren 30 van de twintigste eeuw werd voor het eerst een monocoque toegepast. Dit gebeurde in de vliegtuigindustrie. Tegenwoordig wordt de monocoque niet alleen maar in de vliegtuigindustrie toegepast. Ook in de fabricage van motorfietsen wordt de monocoque regelmatig toegepast. Deze heeft meestal de vorm van een doosvormig profiel dat gemaakt is van carbonfiber of aluminium. De monocoque werd voor het eerst toegepast bij racemotorfietsen in de vijftiger jaren van de twintigste eeuw. Tegenwoordig worden ook  steeds meer productiemotorfietsen voorzien van een monocoque. Ook bepaalde moderne auto’s kunnen tegenwoordig op basis van een monocoque zijn geconstrueerd.

Wat is een chassis en hoe is een chassis samengesteld?

Chassis is een woord dat wordt gebruikt in de bouw en het onderhoud van motorvoertuigen. Er zijn verschillende definities die worden gebruikt voor chassis. Over het algemeen omschrijft men chassis met het ‘kale’ rijdbare onderstel van een voertuig. Dit is het onderstel zonder dat er een opbouw van het voertuig op bevestigd is. Omdat men het heeft over een rijdbaar onderstel zijn er aan het chassis wel een aantal onderdelen bevestigd. Zo zijn de aandrijflijn en de wielophanging aan het chassis bevestigd. Daarnaast is ook de motor op het chassis bevestigd met uiteraard de brandstoftank die in verbinding staat met de motor. Een compleet chassis kan in beweging worden gebracht. Men heeft het dan ook wel over een “rijdend chassis”. Het chassis biedt het voertuig stevigheid daarom kan het chassis wel als de ruggengraat van het voertuig worden beschouwd.

Chassis en carrosserie
In het beginstadium van de auto-industrie kon men een chassis uitkiezen. Hierdoor werd het merk van de auto bepaald. Vervolgens bouwde de carrosseriebouwer een koetswerk/ carrosserie op het chassis. Tegenwoordig hebben de meeste moderne auto’s een zelfdragend chassis (monocoque) of een ruimtelijke structuur (space frame). Dit houdt in dat er geen sprake is van een apart chassis met daarop een carrosserie.

Bij de constructie van autobussen wordt de oorspronkelijke werkwijze nog steeds toegepast. Vrachtautofabrikanten leveren meestal een chassis aan een bedrijf dat de bussen bouwt. Over het algemeen worden Vrachtwagens geleverd als een chassis met daarop een cabine. De koper van de vrachtwagen kan dit geheel verder voorzien van een opbouw die geheel naar eigen eisen of wensen is vormgegeven. Deze werkwijze wordt ook wel toegepast bij bepaalde type bestelwagens.

Vormgeving van chassis van vrachtwagens
Bij vrachtwagens wordt het chassis meestal vervaardigd door twee lange balken parallel te plaatsen en aan elkaar te verbinden doormiddel van dwarsverbindingen. De twee lange balken dragen het grootste deel van het gewicht en worden langsliggers genoemd. Door de verschillende dwarsverbindingen tussen de twee langsliggers ontstaat een soort ladderconstructie. Daarom wordt dit type chassis ook wel een  ladderchassis genoemd. Dit chassis wordt gemaakt van stalen U-profielen en H-profielen. Een chassis die van deze stalen profielen is gemaakt is erg sterk maar ook vrij zwaar. De stalen profielen worden aan elkaar verbonden doormiddel van lassen (over het algemeen het MIG/MAG-lasproces). De ladderchassis wordt onder andere toegepast bij vrachtwagens en terreinvoertuigen.

Wat wordt bedoelt met carrosserie?

Carrosserie is een benaming die wordt gebruikt voor de constructie van een motorvoertuig zoals een auto, bus of vrachtwagen. Met carrosserie wordt alleen de statische constructie bedoelt zonder de delen die doormiddel van uitneembare verbindingen (zoals schroefdraadverbindingen) aan de carrosserie zijn bevestigd. De carrosserie vormt als het ware het geraamte van het motorvoertuig. Dit wordt ook wel het koetswerk genoemd. Het woord carrosserie is afkomstig uit het Frans. Het Franse woord ‘carrosse’ kan in het Nederlands worden vertaald met ‘koets’. Vandaar dat men in het Nederlands ook het woord koetswerk gebruikt als men de carrosserie bedoelt.

Materiaalgebruik voor carrosserie
Vroeger werden voor de carrosserie voornamelijk natuurlijke materialen gebruikt zoals metalen en hout. Tegenwoordig gebruikt men steeds meer kunststoffen. De kunststoffen hebben een lichter gewicht dan de meeste metalen. Daarnaast zijn kunststoffen goed te vervormen en gemakkelijk op de gewenste kleur te brengen.

Productieproces van carrosserie
Tijdens het productieproces van motorvoertuigen worden allerlei losse delen aan of in de carrosserie gemonteerd. Soms wordt de carrosserie op een chassis geplaatst. Het chassis is een compleet rijdbaar onderdeel en vormt het dragende deel van het voertuig. Aan het chassis zijn de aandrijflijn en de wielophanging gemonteerd.

Het chassis is het dragende deel van het voertuig en samen met de carrosserie bieden deze twee delen de stevigheid en in belangrijke mate ook de torsiestijfheid van het voertuig. Er dient echter ook een motor in het motorvoertuig te worden geplaatst. Daarnaast zijn er nog zeer veel onderdelen die aan of in de carrosserie worden gemonteerd. Hierbij kan men denken aan de uitlaat, de deuren, de ramen en motorkap. Ook het complete interieur waaronder de stoelen en het dashboard worden aan de carrosserie bevestigd.

Zelfdragende carrosserie
De carrosserie vormt, zoals eerder beschreven, het geraamte van het motorvoertuig. Daarom worden ook eisen aan de carrosserie gesteld op het gebied van stevigheid. Een zelfdragende carrosserie is ook mogelijk. Hierbij heeft het voertuig geen chassis maar zijn alle onderdelen aan de carrosserie bevestigd. De zelfdragende carrosserie is nog steviger uitgevoerd dan voertuigen waarbij de carrosserie op een chassis wordt gemonteerd. Deze constructiemethode wordt tegenwoordig het meeste gebruikt bij het vervaardigen van personenauto’s. Ook bij de constructie van sportwagens wordt vaak gekozen voor een zelfdragende carrosserie. Deze constructie is steviger en daardoor veiliger dan de constructiemethode waarbij een carrosserie wordt bevestig op een chassis.

Wat is wringspanning of torsiespanning?

Torsiespanning wordt ook wel wringspanning genoemd. Dit is een mechanische spanning die in een voorwerp kan ontstaand doordat er op het voorwerp een wringend moment wordt uitgeoefend. Een torsiespanning kan bijvoorbeeld ontstaan in een aandrijfas. Een aandrijfas kan torderend worden belast doordat de aandrijfmotor er voor zorgt dat de as zal moeten draaien en de wielen weerstand bieden tegen deze draaibeweging. Ook als het ene wiel minder weerstand biedt tegen verdraaiing dan het andere wiel ontstaat er torsiespanning.

Eenvoudig voorbeeld van torsiespanning
Torsiespanning kan eenvoudig worden geïllustreerd aan de hand van het verdraaien van een handdoek om daar vocht uit te wringen. Hierbij pakt men de vochtige handdoek met de ene hand bij het ene uiteinde beet en met de andere hand aan het andere uiteinde. Vervolgens draait men beide handen in tegengestelde richting waardoor de handdoek in het midden stijf in elkaar draait. Hierdoor neemt de torsiespanning toe en wordt het vocht er uit geperst. Als men de handdoek zeer stijf uitwringt zal men bij het loslaten merken dat de handdoek weer langzaam terugdraait in de oorspronkelijke vorm. Dit komt omdat een handdoek redelijk elastisch is.

Elasticiteit
Niet alle materialen zijn zo elastisch als een handdoek. Materialen zoals staal kunnen wel vervormen maar zullen op een gegeven moment hun elastische grens bereiken. Na deze grens zal het staal plastisch gaan vervormen en dus niet meer terugkeren in de basisvorm. Het materiaal is dan blijvend vervormd en dat heeft gevolgen voor de mechanische eigenschappen van het materiaal. Materiaal met een hoge torsiestijfheid is echter goed bestand tegen torsiespanning en kan daardoor goed worden gebruikt voor aandrijfassen en andere onderdelen waarop een grote wringspanning op wordt uitgeoefend.

Wat is torsiestijfheid?

Torsiestijfheid is een term die onder andere wordt gebruikt bij personenauto’s. In dit verband doelt men op de torsiestijfheid van een auto wanneer er een verschil in belasting ontstaat tussen de verschillende wielen. Een verschil in de belasting op de verschillende wielen van een automobiel wordt voor een deel opgevangen door de vering. Daarnaast kan ook de carrosserie gaan torderen. Dit torderen wordt ook wel wringspanning genoemd en is een mechanische belasting met een wringend moment. Men spreekt van een torsiestijve carrosserie als de carrosserie onder wringspanning nauwelijks zal torderen. De torsiestijfheid van een automobiel is afhankelijk van het ontwerp en de materialen die zijn toegepast. Gesloten auto’s hebben over het algemeen een grotere torsiestijfheid dan ‘open auto’s’ oftewel de cabrio’s.

Torsiestijfheid algemeen
Buiten de autotechniek wordt de term torsiestijfheid ook gebruikt als aanduiding van de weerstand van een as tegen hoekverdraaiing. Deze hoekverdraaiing kan ontstaan als men op een as een koppel of draaimoment aanbrengt. De mate van verdraaiing is afhankelijk van het materiaal en de belasting op de as. De verdraaiing wordt opgegeven in [Nm/rad]. Materialen hebben een elasticiteitsgrens of rekgrens. Dit houdt in dat materialen onder invloed van een kracht in een bepaalde mate kunnen vervormen en dan weer in oude vorm terug kunnen keren. Op een gegeven moment is de kracht die wordt uitgeoefend zo groot dat er plastische vervorming zal optreden. Dit gebeurd als de rekgrens wordt overschreden. Het materiaal is dan ernstig aangetast en de mechanische belastbaarheid van het materiaal is dan meestal  aanzienlijk vermindert. Materiaal met een hoge torsiestijfheid biedt een grote weerstand tegen verdraaiing. Daarom kunnen die materialen het beste worden gebruikt voor assen waarop een hoog wringend moment wordt aangebracht.

Wat is een kreukelzone en waarvoor dienen kreukelzones?

Een kreukelzone is een bufferzone in een constructie of de carrosserie van een auto. De kreukelzone aangebracht voor het opvangen van krachten die uit een bepaalde richting komen. Dit deel van een constructie of carrosserie is bestemt voor het opvangen van de impact van krachten die door een externe factor wordt toegebracht. Bij voertuigen is de kreukelzone vooral bedoelt voor het beschermen van de inzittenden van bijvoorbeeld een auto, bus of trein. Door het opvangen van de impact door de kreukelzone wordt een groot deel van de energie weggenomen en komt de klap, van bijvoorbeeld een botsing, minder hard aan op het compartiment waar de passagiers zitten.

Passieve veiligheid
Na een aanrijding kan een auto behoorlijk zijn beschadigd. Een auto met een kreukelzone kan voor een groot deel worden ingedeukt terwijl de passagiers vrijwel geen of weinig verwondingen hebben. Men kan dan op basis van het autowrak de conclusie trekken dat het een zeer zware aanrijding betrof. Toch hoeft dat niet altijd het geval te zijn. Een kreukelzone is bedoelt om in elkaar te drukken of te kreukelen bij een aanrijding. Hierdoor worden de krachten opgevangen die gepaard gaan bij een aanrijding. Doormiddel van de kreukelzone wordt duidelijk dat niet het behoud van het voertuig maar juist de veiligheid en gezondheid van de inzittenden voorop staat. Omdat de gevolgen van een ongeval worden beperkt noemt men de kreukelzone een vorm van passieve veiligheid. Actieve veiligheid is daarentegen gericht op het voorkomen van ongevallen.

Geschiedenis en toekomst van de kreukelzone
De kreukelzone is als concept bedacht door de ontwerper Béla Barényi. Deze een Oostenrijkse auto-ontwerper kreeg in 1952 een octrooi voor zijn concept en kan worden gezien als grondlegger van de passieve veiligheid. Het duurde nog een paar jaar voordat kreukelzones werden ingebouwd in auto’s. De eerste auto die met kreukelzones was uitgerust was de Mercedes-Benz W111 uit 1959. Sinds die tijd zijn er steeds meer auto’s uitgerust met kreukelzones. Tegenwoordig worden kreukelzones niet alleen meer toegepast in auto-ontwerpen, ook raceboten, vliegtuigen en railvoertuigen hebben kreukelzones die de kans op letsel voor inzittenden zoveel mogelijk moeten beperken. De kreukelzones worden steeds verder verbetert zodat de veiligheid voor de inzittenden van diverse voertuigen en vaartuigen wordt geoptimaliseerd. Door gebruik te maken van kunststoffen en nieuwe verbindingstechnieken blijft de passieve veiligheid van voertuigen in ontwikkeling.