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 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.