Slingeren nader verklaard

Mensen die een slingering hebben meegemaakt vertellen vaak: “de hele reis ging het goed en opeens was het gebeurd en lag de boel op z’n kant….”. Het is dan ook lastig om de oorzaak aan te geven waarom een combinatie (opeens) gaat slingeren. Het is een samenloop van omstandigheden zoals vaak bij ongelukken. Het enige dat met zekerheid te stellen is, is dat op dat moment en onder die omstandigheden de snelheid te hoog was. De afgelopen jaren hebben wij veel onderzoek bestudeerd naar het weggedrag van auto’s en caravans, zowel theoretisch als empirisch wetenschappelijk onderzoek en proeven in de praktijk.

Wat is slingeren?

Een veel voorkomend misverstand is dat alleen de caravan gaat slingeren. De caravan gaat namelijk niet alleen heen en weer pendelen maar de hele combinatie gaat slingeren. De achterkant van de auto wordt door de caravan heen en weer geduwd en de combinatie gaat rond de kogelkoppeling scharnieren. De Engelsen spreken dan ook van een ‘snake’, de combinatie maakt een slangachtige beweging. Heb je een stabiele en zware trekauto (of een hele lichte caravan) dan volgt hieruit dat de combinatie minder slingert omdat de caravan relatief minder vat op de auto heeft. Waar we voor het gemak spreken dat de caravan slingert bedoelen we dus dat de hele combinatie slingert.

Slingeren is er in verschillende gradaties. Het begint met wat heen en weer kwispelen van de caravan gevolgd door het heen en weer slingeren van de caravan en de auto en het eindigt bij het scharen van de combinatie (waarbij de combinatie vaak 180 graden gedraaid tot stilstand komt). Scharen kan bijvoorbeeld ook ontstaan doordat de auto slipt en door de caravan wordt weggedrukt. De kans hierop is echter klein en zeker niet groter dan bij solo rijden, ook niet bij gladde omstandigheden.

Meten van slingeren

In theorie kan je het uitrekenen en in praktijk kan je de mate van slingering meten (zie  ISO 9815). Maakt de caravan een bepaalde pendelbeweging, dan is aan te geven hoe groot de amplitude en frequentie is. Daarnaast is te bepalen of de amplitude toeneemt of juist afneemt. Dit noemen we de demping. Demping drukken we uit in een verhoudingsgetal waarbij er bij 1 geen sprake is van enige slingering na een stuurimpuls en bij nul is er geen demping en blijft de pendelbeweging constant. De demping wordt voor het grootste deel bepaald door de rijsnelheid. Wordt de snelheid hoger neemt de demping af. Praktijk proeven tonen aan dat die demping behoorlijk rechtevenredig is en via een nulpunt ook negatief kan worden. Is de demping negatief dan wordt de pendelbeweging versterkt en dus de slingering steeds heftiger. Het nulpunt wordt de kritische snelheid genoemd.

Soms wordt ten onrechte die snelheid de kritische snelheid genoemd waarbij de caravan uit zichzelf gaat slingeren. Maar bedenk dan dat een systeem instabiel kan zijn zonder dat direct instabiliteit optreedt. Je kan met een caravan dus best harder rijden dan de kritische snelheid zonder dat de bestuurder dit direct merkt. Pas bij een verstoring van de balans door een extra prikkel van buitenaf gaat de combinatie slingeren waarbij de amplitude (vrij snel) steeds groter wordt omdat de demping negatief is. De kracht van de slingering is op dat moment groter dan de kracht van de demping.

Er zijn 3 fasen te onderscheiden die bij het toenemen van de gereden snelheid optreden:

Het zal duidelijk zijn dat we voor een veilig weggedrag moeten rijden bij een snelheid waarbij de demping positief is, dus onder de kritische snelheid. Alleen weten we vooraf niet hoe hoog de kritische snelheid is, en die is lang niet altijd gelijk aan de maximaal toegestane snelheid. We moeten er voor zorgen dat we, door een aantal maatregelen te nemen, de demping en de kritische snelheid zo hoog mogelijk maken voor onze combinatie. Dat is beter voor de veiligheid en voor het rijcomfort.

Uiteraard kan zelfs als de demping positief is, de combinatie alsnog slingeren als de impuls van buitenaf te groot is geweest of als een nieuwe impuls de eerste slingering versterkt waardoor de combinatie alsnog (heel snel) kan scharen.

Kwispelen

Elke caravan gaat bij het toenemen van de snelheid en als gevolg van invloeden van buitenaf wel wat 'kwispelen'. Dat hoeft niet automatisch de voorbode te zijn van (gevaarlijk) slingeren, mits de demping maar positief is. Een stabilisator is vaak heel goed in staat dit kwispelen te onderdrukken, waardoor het rijcomfort toeneemt. Voor de rijveiligheid kan dit kwispelen weinig kwaad, zolang er maar voldoende demping is.

Waarom gaat een combinatie slingeren?

Zou er geen invloed van buitenaf zijn dan is er geen reden dat de caravan gaat slingeren bij het toenemen van de snelheid, ook niet boven de kritische snelheid. Maar deze ideale situatie is in de praktijk niet te bereiken omdat er verschillende invloeden zijn die inwerken op de caravan:

Deze factoren heeft u niet zelf in de hand en kunnen onverwacht (en in combinatie!) plaatsvinden. De combinatie kan dan ook op elk moment van de reis in slingering gebracht worden. Bij het toenemen van de snelheid neemt bijvoorbeeld ook de turbulentie toe die de trekauto veroorzaakt en alleen daardoor al kan de caravan in slingering gebracht worden bij het toenemen van de snelheid.

Welke factoren bevorderen slingeren?

De belangrijkste is:
- een te hoge snelheid

Daarnaast zijn van belang:
- hoog gier traagheidsmoment (yaw inertia) van de caravan zelf en door belading
- de gewichtsverdeling auto-caravan is ongunstig, d.w.z. caravan zwaar t.o.v. de auto
- korte dissellengte, korte wielbasis en lange oversteek trekauto
- slappe caravan- en autobanden (zacht e/o weinig stabiel)
- een te lage of een heel veel te hoge kogeldruk; (zwaartepunt ligt te ver van de as).

Amerikaanse combinaties zijn in principe stabieler.

Een aantal factoren heeft u van uw huidige combinatie niet in de hand. U kunt de lengte van de dissel immers niet veranderen, maar door de combinatie goed te beladen kunt u het weggedrag van uw combinatie aanzienlijk beïnvloeden.

Naar vele van deze factoren is uitgebreid onderzoek gedaan, zowel bij toercaravans als bij trailers. Hoewel de uitkomst van alle onderzoekingen niet altijd 100% met elkaar overeenstemmen zijn de onderstaande conclusies wel te trekken.

Opvallend is dat in geen enkel onderzoek (voor zover ons bekent) de invloed is aangegeven van belading die hoog dan wel en laag in de caravan is opgeborgen en een ongelijke gewichtsverdeling tussen het rechter- en het linkerwiel.  Deze factoren zouden van invloed kunnen zijn maar naar verwachting is het effect ondergeschikt aan de andere factoren.

Snelheid

Bij het toenemen van de snelheid neemt de demping recht evenredig af totdat die nul wordt en de kritische snelheid is bereikt. Het verlagen van de snelheid zorgt dus altijd voor minder slingering. Veelal heeft een snelheidsafname van bijvoorbeeld 20 km/u meer effect dan dat die op een andere wijze te bereiken is door bijvoorbeeld goede kogeldruk, goede belading, bandenspanning etc. Voor de veiligheid is de onlangs doorgevoerde snelheidsverhoging van 80 km/u naar 90 km/u geen goede zaak. Helemaal oppassen is het in het buitenland waar soms nog veel hogere snelheden zijn toegestaan.

In deze tabel is het lineair verband te zien tussen de demping en de snelheid.

Snelheid is altijd dé bepalende factor als het mis is gegaan. Was er namelijk langzamer gereden, en dat hoeft maar een paar km/u te zijn, dan was een slingering niet fataal geweest. In die zin heeft dus ook altijd de chauffeur schuld aan een ongeval  al was het maar dat hij/zij gegeven de situatie te snel reed.

Gier traagheidsmoment

Een rijdende caravan wil van nature bewegen om zijn middelpunt (zwaartepunt). Voor slingeren is het gier traagheidsmoment van belang. In de Engelstalige literatuur Yaw inertia.

Voor een belangrijk deel is die waarde bepaald door de fabrikant van de caravan. Helaas zet de fabrikant die waarde niet in zijn folder, hij weet die waarde ook niet. Maar zou het gier traagheidsmoment wel bekend zijn dan zou u een caravan kunnen uitzoeken met een lage waarde waardoor u kunt selecteren op wegligging. Toch is met het blote oog er wel iets over te zeggen. Je krijgt een laag gier traagheidsmoment als zoveel mogelijk zware spullen in de caravan zo dicht mogelijk bij de as zijn geplaatst. Zware onderdelen zijn bijvoorbeeld: het keukenmeubel, de koelkast, accu, reservewiel, watertank etc. Uiteraard kunt u door de belading zelf wel het gier traagheidsmoment beïnvloeden! 

Geen zware spullen opbergen aan de uiteinden van de caravan maar zo dicht mogelijk bij de as in het midden concentreren. Ook gewicht ‘compenseren’ als blijkt dat u bijvoorbeeld te weinig kogeldruk zou hebben door extra gewicht voorin te leggen is nadelig voor het gier traagheidsmoment. U zou dan juist gewicht van achterin de caravan naar het midden moeten verplaatsen in plaats van extra gewicht aan de voorkant toevoegen.

Een grote caravan heeft een groter gier traagheidsmoment dan een kleine caravan. Een zware caravan heeft een groter gier traagheidsmoment dan een lichte caravan.  Daarom kan een kleine caravan stabieler zijn dan een grote en een lichte caravan stabieler dan een zware caravan.

Met deze speciale aanhanger is in praktijk het verschil in belading vast te stellen.

De invloed van belading laag bij de vloer of hoog in de caravan is naar verwachting  minder van belang. Bedenk bovendien dat het zwaartepunt van een caravan veel lager ligt dan u op het oog ziet. Het zwaarte punt zal niet veel hoger dan 1 meter boven de grond liggen terwijl een caravan toch 2,50 meter hoog is. De kans op omslaan (zonder slingeren) is heel erg klein.

Voor de belading betekent dat de grote bergplaatsen onder de bedden (voor- en achterin) niet gunstig zijn om vol te stouwen met zware spullen en dat het meenemen van fietsen achter- en/of voorop en het volstouwen van de disselbak met reservewiel en zware stalen 11 kg gasflessen niet aan te raden is.

     
ADAC onderzoek fietsen achterop versus op het autodak

Kogeldruk

Elk onderzoek geeft aan dat door een afname van de kogeldruk de stabiliteit (demping) ook afneemt. Daarom wordt in Europa het advies gegeven dat de kogeldruk minimaal 5% ,en beter is 7% van het caravan gewicht bedraagt (in de VS is 15% heel normaal). In praktijk zal dat vaak de maximaal toegestane kogeldruk zijn, dus de laagste waarde van auto en caravan. De caravan zal dan meest stabiel rijden, maar het kan zijn dat de trekauto niet lekker rijdt bij die maximale kogeldruk. In dergelijke gevallen zijn hulpveren aan te raden. Bovendien is een hoge kogeldruk voor het weggedrag van de trekauto negatief. In die zin is kogeldruk altijd een compromis welke in praktijk kan worden uitgeprobeerd naar de prettigste waarde. Als 'begin waarde' zou een kogeldruk van 4% van de beladen caravan + 20 kg een aardige kogeldruk kunnen zijn. Daarbij maakt enkele kilo’s te zwaar of te licht echt niet zoveel verschil en is het exact vaststellen van de kogeldruk niet zo belangrijk dat dit met exacte meetapparatuur  moet gebeuren. Voor een betrouwbare meting is het wel van belang dat de caravan horizontaal staat.

Het effect van de kogeldruk op de demping bij verschillende snelheden.

   
ADAC onderzoek naar het effect van kogeldruk

Gewichtsverdeling auto/caravan

In diverse onderzoekingen wordt telkens een gunstig effect gevonden als gewicht vanuit de caravan naar de auto wordt verplaatst, dus als de gewichtsverhouding tussen auto en caravan gunstiger wordt.

   
ADAC onderzoek waarbij 100 kg verplaatst is naar de auto

In de literatuur worden echter geen harde grenzen genoemd die aangeven dat de gewichtsverhouding onaanvaardbaar ongunstig is. Proeven worden meestal gedaan met combinaties tot zo'n 70 á 75%. Verder moeten we opmerken dat het onderzoek over het algemeen  betrekking heeft op de demping en niet wat er gebeurd boven de kritische snelheid. 

Lengte dissel, wielbasis en oversteek

Experimenteel onderzoek toont aan dat een lange dissel, de afstand tussen kogel en as,  meer stabiliteit biedt. Deze conclusie is alleen voor caravanbouwers interessant omdat u die factor zelf niet kunt beïnvloeden anders dan bij aanschaf van de caravan. Voor de trekauto geldt dat die stabieler is, naarmate de auto een langere wielbasis en een kortere oversteek heeft. De achteras zou dus zo ver mogelijk naar achter gesitueerd moeten zijn. Deze factoren zijn van invloed alleen niet zo sterk dat die bij de aanschaf van een trekauto doorslaggevend moeten zijn. Bovendien kan het heel goed zijn dat bijvoorbeeld een trekauto met een korte oversteek andere positieve eigenschappen mist waardoor een andere auto toch een  betere trekker blijkt te zijn.

Banden en wielophanging

Onderzoeken naar de bandenspanning zijn niet geheel eensluidend. Er is onderzoek waaruit blijkt dat de banden (spanning) van zowel de caravan als de trekauto, als de caravan al in slingering is, geen significante invloed heeft op de demping. Ander onderzoek waarbij de bandenspanning maar 1,5bar op de caravan was en waarbij twee verschillende soorten banden op 1 as gebruikt werden gaf wel veel onstabiliteit.

Een combinatie voelt stabieler aan als zowel caravanbanden als de wielen van de achteras van de auto minder zijdelingse beweging toelaten. Het rijcomfort en het gevoel van veiligheid neemt bij voldoende (hoge) bandenspanning en de keuze van een stabiele band wel toe en is dus zeker aan te bevelen.   

Stabilisatoren

Bijna elke (nieuwe) caravan is voorzien van een stabilisatorkoppeling. Naar het effect hiervan is veel onderzoek gedaan en de algemene conclusie is dat het gebruik van een stabilisator de demping verhoogt. Een ingezette slingering stopt sneller, maar de kritische snelheid wordt niet zo heel veel hoger (wel iets). Het rijden met een stabilisator is daardoor wel (iets) veiliger en vooral comfortabeler maar heeft ook het nadeel dat naarmate de slingering erger wordt, het effect juist kleiner wordt. Sommige mensen zijn van mening dat de stabilisator het gevoel wegneemt omdat juist de kleine slingeringen goed gedempt worden. Een stabilisator is niet in staat grote heftige slingeringen noemenswaardig te dempen. De krachten zijn dan zoveel groter dan het wrijvingsmoment van de stabilisator dat het netto effect nihil is. Gaat het dus mis dan helpt een stabilisator niet meer en de range in snelheid tussen beginnende slingering en fatale slingering wordt kleiner

Systemen die veel meer veiligheid verhogend werken zijn de elektronische stabiliteitssystemen. De zijn te verdelen in systemen die de remmen van de caravan aantrekken bij een slingering en systemen die vanuit de trekauto de auto stabiliseren en eventueel ook de snelheid weg nemen.

ATC (ontwikkeld door Alko), IDC (ontwikkelt door BPW), ESC, LEAS en  ETS02 van Knott trekken de caravan remmen synchroon aan als gesignaleerd wordt dat de caravan een bepaalde pendelbeweging maakt. Beide caravanwielen remmen en doen dit onafhankelijk van de gereden snelheid. Doordat de caravan remt wordt de hele combinatie gestrekt. Zie ook de praktijktest die wij uitgevoerd hebben met Ad Rem en ESC

Een technisch geavanceerder systeem is de uitbreiding van ESP (elektronisch stabiliteits programma van de auto)  met TSP (Trailer stability program) of TSA (Trailer stability assist). Sommige automerken gebruiken andere benamingen voor dezelfde functionaliteit. Zodra in de auto enige slingering wordt waargenomen (op basis van stuurstand, snelheid en zijdelingse beweging) probeert het systeem de auto te stabiliseren door kort de rechter en linker rem te activeren. Heeft dit onvoldoende resultaat dan remt de hele auto af om de combinatie onder de kritische snelheid te brengen. 

.
Afwisselend wordt een rem van de auto geactiveerd zodat de auto stabiliseert (de rode pijl) en tevens remt de auto (blauwe pijl). 

In de bovenste tabel hiernaast is de snelheid weergegeven. Rijdt de combinatie meer dan 100 km/u signaleert het ESP systeem dat de combinatie gaat slingeren. ESP grijpt in door af te remmen. In de onderste tabel is te zien dat de combinatie direct minder gaat slingeren en zich stabiliseert.

Het effect van al deze elektronische stabilisatie systemen is erg positief. Hoewel geen van alle systemen echt helemaal uit ontwikkeld is, is de aanschaf zeker aan te raden. Bedenk wel dat ze pas ingrijpen als de combinatie al aan het slingeren is. Daarmee is het dus alleen een extra vangnet voor als het mis dreigt te gaan en helpt het niet slingeren te voorkomen.

Wat kunt u zelf doen?

Hoe kunt u veiliger onderweg zijn? Heeft u nog geen auto en caravan dan koopt u de grootste (zwaarste) auto met ESP/TSP die u kunt krijgen en koppelt daar de kleinste lichtste caravan achter met een enorme lange dissel. Maar hoogst waarschijnlijk heeft u al een auto en  caravan, dan kunt u door goed te beladen wellicht ook een veilige reis maken.

1) Zware spullen bij de as van de caravan of in de auto
2) Voldoende kogeldruk
3) Goede caravanbanden en voldoende bandenspanning in de auto- en caravanbanden

Een onderwerp dat veel mensen bezig houdt is het vervoer van fietsen. U zult inmiddels begrijpen dat het onmogelijk is de caravan goed te beladen als er fietsen (40 kg) achterop vervoerd worden. Het gier traagheidmoment neemt te veel toe, en moet onevenredig gecompenseerd worden om toch voldoende kogeldruk te krijgen. Verreweg de beste plaats voor fietsen is op de auto (of op het dak of aan de achterklep van de auto).

Tenslotte is snelheid de alles bepalende factor. Gaat u op stap met de caravan, rijdt dan niet te snel, ook al mag dat in sommige landen wel. Pas dus uw snelheid aan, aan de omstandigheden. Sommige combinaties zitten bij 80 km/u al gevaarlijk dicht tegen de kritische snelheid aan. 

Simulatie

De Universiteit van Bath heeft samen met Bailey Caravans een website gewijd aan het slingeren van caravans. Dr. Jos Darling maakt via een model inzichtelijk wat het effect van belading is. In de proef verplaatst hij de belading van optimaal bij de as tot aan de uiteinden en, dat zegt hij er niet bij, tevens de kogeldruk afneemt waardoor de combinatie heftig gaat slingeren. Bekijk  de video maar eens op:  http://www.towingstabilitystudies.co.uk/stability-studies-simulator.php 
Via een simulatie kan je zelf het effect van slechte belading en snelheid inzichtelijk maken. Goed te zien is ook dat snelheid de bepalende factor is en dat door remmen (snelheid verminderen) de slingering ophoudt.

Klik hier om de simulatie te starten

In deze simulaties wordt het gier traagheidsmoment door de slechte belading groter en dat leidt tot een slechtere dempingsfactor. In de computersimulatie komt dat duidelijk naar voren en dat is ook te zien in het filmpje van de loopband. Zie ook de demonstraties van Theo Gerrits voor de KCK (ANWB) zie http://vimeo.com/7022794.  

Literatuur

1) Aleksander Hac, Daniel Fulk and Hsien Chen. Stability and Considerations of
    Vehicle-Trailer combination. Delphi Corporation 2008.
2) Darling, J., Tilley, D. and Gao, B., 2009. An experimental investigation of car-trailer
    high-speed stability. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers,
    Part D: Journal of Automobile Engineering, 223 (4), pp. 471-484.
3) Dieter S. Heinz. Test Gespannsicherheit. ADAC 2004.
4) Dieter S. Heinz. Helfer in der Not, test anhänger-esp. ADAC 2005.
5) Sharp, R.S. and Alonso Fernández, M.A. Car-caravan snaking Part 1:
    the influence of pintle pin friction. School of Engeneering, Cranfield University,
    Bedford UK, 2002.
6) Trevor A. Lister. Caravan an trailer stability.
7) Fratila, D. and Darling, J. Simulation of Coupled Car and Caravan Handling
    Behaviour. Vehicle Systems Dynamics, 26 (1996).
8) Killer, J. The dynamics of towed vehicles, an experimental study into caravan
    snaking. University of Bath 2003
9) Road vehicles - Passenger and trailer combinations - Lateral stability test; ISO 9815.
10) Darling, J. and Standen, P.M. A study of caravan unsteady aerodynamics. 
11) Schepers, P. en Tillema, F., 2007. Maximumsnelheid met aanhangwagen of
      caravan. Ministerie Verkeer en Waterstaat.
12) Mantriota, G. (2005). A theoretical study on the stability of car-caravan systems
      under the influence of crosswind. Int. J. Vehicle Systems Modelling and Testing,
      Vol.1, Nos. 1/2/3, pp 168-191.