Wetenschapsforum

Nieuwe waterafvoer bij voertuigen

*Het moge duidelijk zijn dat dit populair-wetenschappelijke artikel slechts een eerste aanzet is naar een andere benadering van de opspatwater-problematiek. De auteurs beweren dan ook niet de gehele oplossing gevonden te hebben.

Auteurs:

Maurits van den Noort, Guust van den Noort, Willem van den Noort en Peggy Bosch

Correspondentie via: Maurits van den Noort, Universiteit van Bergen, N-5009, Bergen, Noorwegen. Tel ++47-555-86205; E-mail: [email protected];

Website: Http://www.mauritsvandennoort.com

Samenvatting

Wanneer een voertuig (vrachtwagens en auto’s) over een nat wegdek rijdt, wordt door de banden aan de wielen opspatwater opgeworpen. Dit is zeer hinderlijk voor het overige verkeer en leidt tot verkeersonveiligheid (Pisano, Goodwin & Stern, 2002; Road Alliance, 2003). De spray opspatwater wordt door de onderdruk, die door de rijsnelheid van het voertuig ontstaat, uit de wielkasten gezogen en gaat vervolgens op een ongecontroleerde wijze alle kanten op. Bij vrachtwagens is dit in het bijzonder het geval, omdat vrachtwagens door hun gewicht meer water aan het wegdek onttrekken en omdat bij vrachtwagens door de opeenvolging van veelal meerdere wielen er een botsing van tegenstrijdige waterstromen ontstaat, hetgeen voor een toename van spray opspatwater zorgt. Tot op heden, heeft men zich vooral geconcentreerd op het naar buiten afvoeren van opspatwater bij voertuigen. Het onderzoek concentreerde zich vooral op het voertuig van de bestuurder zelf en veel minder op die van de overige weggebruikers. Dit had tot gevolg dat er weinig aan de opspat-water-problematiek en de gevaarlijke consequenties die dat tot gevolg had werd gedaan. Elk jaar vinden er dodelijke ongelukken plaats op de snelwegen als gevolg van de opspat-water-problematiek. Dit is met name het geval wanneer het plotseling begint te regenen na een droge periode (Eisenberg, 2004; Hamer, 2003). In dit artikel wordt een nieuwe wijze van waterafvoer besproken. In het nieuwe concept beschikt een voertuig over geleidingsmiddelen om door de wielen opgeworpen vocht op een wegdek, waarover het voertuig in gebruik rijdt, ten opzichte van de wielen en van de rijrichting van het voertuig af te voeren naar onder het voertuig (Van den Noort, 2001). Dit heeft tot gevolg dat medeweggebruikers minder last hebben van opgeworpen spatwater wat de verkeersveiligheid ten goede komt. Bovendien zorgt de nieuwe wijze van watergeleiding voor minder wrijving, zodat dit bij regenachtig weer voor brandstof besparing zal zorgen.

Trefwoorden: Splash; Opspat-water-problematiek; Water-geleiding;

Nieuwe waterafvoer bij voertuigen

1. Water-afvoer-factoren

Wanneer een voertuig (vrachtwagen en auto) over een nat wegdek rijdt, moet er heel wat water afgevoerd worden. Vooral door de banden in de wielkasten moet bijzonder veel water verwerkt worden. Zo toonde een onderzoek van Michelin al aan dat wanneer er 3 millimeter water op een vlakke weg staat en een auto met banden (type 165-13) 80 km per uur rijdt er per band 3,7 liter per seconde verwerkt moet worden (Ferrand, 1986).

De precieze hoeveelheid is afhankelijk van een aantal factoren:

1) De snelheid waarmee het voertuig rijdt. Naarmate er een toename in snelheid is, neemt ook de hoeveelheid water dat verwerkt moet worden toe.

2) Ten tweede, het wegdek waarop een voertuig rijdt. Het maakt een groot verschil of een voertuig op een standaard asfaltweg rijdt, die een fijnere structuur heeft dan wanneer er over een zoab (zeer open asfaltbeton) weg gereden wordt. De hoeveelheid water dat op een gewone asfaltweg verwerkt moet worden, is veel groter dan op een zoab wegdek.

3) Ten derde, het gewicht van de wagen speelt een belangrijke rol. Wanneer het gewicht van een voertuig toeneemt, wat bijvoorbeeld bij vrachtwagens in vergelijking met personenauto’s het geval is, dan onttrekt het voertuig meer water van het wegdek en moet er zodoende meer water afgevoerd worden.

4) Ook de lengte van de wagen speelt een rol. Dit is in het bijzonder het geval wanneer er bij langere vrachtwagens bijvoorbeeld meerdere wielen direct achter elkaar geplaatst worden. Er ontstaat dan tussen de direct opeenvolgende wielen een botsing van tegenstrijdig centrifugerende waterstromen. Dit zorgt vervolgens voor een toename in de hoeveelheid water dat op deze plek afgevoerd moet worden.

De factoren die hiervoor besproken zijn, zijn eveneens van invloed op de mate van water-opstuif-problematiek. Hier dient echter opgemerkt te worden dat de windkracht en de windrichting ten opzichte van de rijrichting van het voertuig hierbij eveneens een belangrijke rol spelen.

2. Buitenwaartse afvoer

Tot op heden, heeft men zich vooral geconcentreerd op het naar buiten afvoeren van opspatwater bij auto’s. Om dit te realiseren, werd het bandenprofiel zo aangepast dat het water naar buiten afgevoerd werd (Shepler et al., 1991). Het onderzoek concentreerde zich vooral op het voertuig van de bestuurder zelf. Weliswaar werd hiermee het water uit de wielkast gedeeltelijk afgevoerd en zorgde dit voor een verbeterde verkeersveiligheid voor de bestuurder. Echter, deze methode had twee nadelen:

1) Ten eerste, werd het water van de voorste banden door de centrifugerende krachten veelal voor de daarachter liggende band(en) getransporteerd, hetgeen de verkeersveiligheid niet ten goede komt. De daarachter liggende band moest nu nog meer water verwerken.

2) Overigens werd bij deze benaderingswijze nog een belangrijk punt over het hoofd gezien. Vanuit het gezichtspunt van de overige weggebruikers leverde dit namelijk hele gevaarlijke situaties op (Road Alliance, 2003). Het water uit de wielkasten stuift volgens de wetten van de stromingsleer naar buiten op. Dit zorgt zo vooral bij het passeren van andere voertuigen (vooral vrachtwagens) voor een verminderd (slecht) zicht (Pisano, Goodwin & Stern, 2002).

2.1. Huidige oplossingen

Nu zijn er de laatste jaren wel enige pogingen gedaan om dit probleem te bestrijden:

1) Ten eerste, is het wielspatlap ontwikkeld. Bij lage snelheden bleek dit effectief te zijn, maar bij hoge snelheden gaat door de luchtafvoer de spatlap vaak horizontaal hangen, zodat de effectiviteit dan gering is. Daar komt nog bij dat vanuit economisch zichtpunt de spatlappen erg snel slijten en regelmatig vervangen moeten worden. Men heeft getracht dit probleem te ondervangen door de spatlap van een flexibel plaatelement te vervaardigen (Bridgestone corp., 1994; DaimlerChryslerAG, 2003). Echter, de waterstuifproblematiek wordt hiermee slechts zeer gering verminderd.

2) Ook heeft men recent geprobeerd de wielkasten zo veel mogelijk dicht te maken. Dit blijkt inderdaad een deel van de water-opstuif-problematiek op te lossen. Echter, deze benadering heeft beperkingen. Om het mogelijk te maken dat de banden in alle richtingen kunnen manoeuvren is het altijd onmogelijk om de wielkasten volledig dicht te maken. Daarnaast heeft deze benadering als nadeel dat het water niet wordt afgevoerd. Hierdoor wordt een gedeelte van het water voor de achterliggende band gegooid. Dit zorgt voor een verminderde grip voor de achterliggende band, hetgeen de verkeersveiligheid niet ten goede komt. Bovendien ontstaat er extra wrijving wat leidt tot een toename in brandstofgebruik.

3) Ten derde, heeft men onlangs getracht door middel van een opvangbakje de wateropstuifproblematiek aan te pakken. Deze benadering blijkt in het geheel niet effectief, want na enige meters is het bakje vol en werkt de toepassing helemaal niet meer.

4) Verder zijn er matten ontworpen, die het water in de wielkast zoveel mogelijk moeten opvangen (Itaru, 1994). Hiervoor geldt het zelfde probleem als hiervoor besproken is. Na verloop van tijd zijn de matten doordrenkt met water en is de toepassing inefficiënt.

5) Ten slotte is er geprobeerd om doormiddel van rillen het water in de kast te houden. Deze rillen worden hetzij verticaal (Kilpinen, 1994) hetzij horizontaal in de wielkast geplaatst (DaimlerChryslerAG, 2003). Voor zover men de rillen op deze wijze in de wielkast monteert, zijn de rillen slechts gedeeltelijk effectief. Later in dit artikel zal ik hier nog op terug komen.

Tot zover kunnen we concluderen dat het accent van de water-afvoer-problematiek vooral gelegen heeft op het voertuig van de bestuurder zelf. De gevolgen voor de overige weggebruikers werden veelal buiten beschouwing gelaten. Er dient hier opgemerkt te worden dat de recent ontwikkelde anti-splash-vrachtwagenband van Michelin (2003) hier een uitzondering op is. Voor zover er al toepassingen bedacht zijn, hebben die vooral betrekking op het buitenwaartsafvoeren of op het in de kast houden van het water. De buitenwaartse afvoer van water is in het geheel niet effectief, terwijl het in de wielkast houden van het water veelal een zeer tijdelijke oplossing is.



3. Binnenwaartse afvoer

In dit artikel wordt een nieuwe wijze van waterafvoer besproken die beoogd de nadelen van de bestaande techniek te verhelpen of althans te verminderen, en hiertoe onderscheidt een voertuig zich door geleidingsmiddelen om door de wielen opgeworpen vocht op een wegdek, waarover het voertuig in gebruik rijdt, ten opzichte van de wielen en van de rijrichting van het voertuig af te voeren naar onder het voertuig. Hierdoor wordt op doeltreffende wijze een spoor over het wegdek watervrij gemaakt. Aldus kan het gevaar op aquaplaning in elk geval voor achter het voertuig rijdende voertuigen worden verminderd. Dit voordeel gaat ook op voor voertuigen met een cardanasaandrijving op de achterwielen, waarbij door de voorwielen opgeworpen opspatwater op een strook tussen de achterwielen terecht komt, waarbij voor de aandrijvende achterwielen een door de voorwielen drooggemaakt spoor beschikbaar is voor aangrijping op het wegdek met een verminderd gevaar op aquaplaning.

3.1 Geleidingsmiddelen-in-de-wielkast

Geleidingsmiddelen (strippen) zijn het hoofdbestandeel van het nieuwe concept. De hoofdgeleidingsstrip wordt in alle vier de wielkasten geplaatst. Hoewel de precieze plaatsing van de strip nog wetenschappelijk moet worden bepaald, zal de locatie waarschijnlijk op twee-derde van de wielkast plaatsvinden. De strip heeft waarschijnlijk een holle vorm en is zo gevormd dat zij neerwaarts gericht is. Bij de bepaling van de grote van de strip is rekening gehouden met de noodzaak van doorvering van de banden. Verder kan de hoofdstrip zo ontwikkeld worden, zodat de hoek (stand) kan worden aangepast al naar gelang de snelheid van het voertuig. Door de plaatsing van de hoofdstrip zal het opgeworpen opspatwater van het wegdek zich bewegen langs de hoofdgeleidingsstrip naar het aan de rijrichting evenwijdige midden onder invloed van middelpuntvliegende krachten, wanneer dit water van het wiel af wordt opgeworpen en de hierdoor aan het water meegegeven snelheid. Er dient hier opgemerkt te worden dat het water dat in de wielkast niet gecentrifugeerd wordt (ook wel brandslang genoemd) buiten beschouwing wordt gelaten (Van den Noort, 1994; 2001).

Het gehele concept kan worden verbeterd door de plaatsing van kleinere hulpstrippen in elk van de vier wielkasten. De precieze locatie in de wielkast en vorm van deze strippen moet nog wetenschappelijk getest worden. De hulpstrippen zijn naar binnen gericht en hebben tot doel dat zoveel mogelijk water binnen de wielkast wordt gehouden (Van den Noort, 2001). Eventueel kan er in plaats van hulpstrippen ook gebruik worden gemaakt van rillen die naar binnen gericht zijn. Hetgeen een wijziging in de richting betekent van de reeds al ontwikkelde rillen in de wielkast van DaimlerChryslerAG (2003).

3.2. Geleidingsstrook

Een voertuig krijgt tevens een geleidingsmiddel aan het eind van de carrosserie. Dit heeft tot doel om de opgeworpen vloeistof achterwaarts ten opzichte van de rijrichting af te voeren. De geleidingsstrook is neerwaarts naar het wegdek, waarover het voertuig rijdt, gericht. Uiteraard is er een begrenzing aan de grootte van deze geleidingsstrook, omdat het voertuig oneffenheden (drempels) moet kunnen nemen zonder met de geleidingsstrook met het wegdek in contact te komen (Van den Noort, 2001).

3.3. Wijziging-banden-profiel

Om het gehele concept nog effectiever te maken, zou het bandenprofiel moeten worden aangepast. De wielen bevatten onder andere een profiel, dat in contact met de weg schuin voorwaarts in de rijrichting en binnenwaarts naar het aan de rijrichting evenwijdige midden van het voertuig verlopende groeven omvat. Uiteraard moeten de groeven zo bepaald worden dat er geen torsie kan ontstaan. In het geval van banden met een dusdanig profiel wordt het merendeel van de vloeistof op een wegdek in de baan van de band binnenwaarts onder het voertuig afgevoerd, hetgeen een geringere sprayvorming tot gevolg heeft. Wanneer ten behoeve van grip ook anders verlopende groeven deel uitmaken van het profiel vertonen de voornoemde groeven, die bij contact schuin achterwaarts en binnenwaarts lopen, een grotere capaciteit tot waterverplaatsing dan de andere (Van den Noort, 2001).



4. Conclusie

In dit artikel werd een nieuw concept van waterafvoer bij voertuigen beschreven. Door de plaatsing van een hoofdstrip en enkele hulpstrips, wordt getracht het water in de wielkast te houden en vervolgens naar binnen neerwaarts af te voeren. Tevens wordt er aan het eind van de carrosserie een geleidingsstrook geplaatst die het water aan het eind van het voertuig naar beneden op het wegdek afvoert. Eventueel kan het concept vervolmaakt worden door de aanpassing van het bandenprofiel. Het moge duidelijk zijn dat het concept dat werd besproken in dit artikel slechts een eerste aanzet is tot een nieuwe benaderingswijze van de wateropstuifproblematiek. Naar de precieze vorm (kromming/grootte) en locatie van de geleidingsmiddelen moet verder onderzoek worden gedaan. Het belang van dit onderzoek is groot, omdat zij een aantal belangrijke voordelen met zich mee brengt boven de huidige benaderingen zoals buitenwaartse waterafvoer en aanpassing van het wegdek. Ten eerste, zou de rijveiligheid hierdoor sterk kunnen verbeteren. Jaarlijks vinden er op de snelwegen dodelijke ongevallen plaats die het gevolg zijn van de water-opstuif-problematiek. Daarnaast zal door de geleiding van het water er minder weerstand opgeroepen worden, hetgeen zelf weer zorgt voor een verminderd brandstofgebruik. Bovendien heeft deze benaderingswijze tot handige bijkomstigheid bij vrachtwagens dat de kabine van de truc bij slecht weer minder snel vuil wordt. De kosten die de ontwikkeling van dit nieuwe concept met zich meedragen, kunnen binnen de perken blijven. Zeker wanneer je dit bijvoorbeeld vergelijkt met de aanpassing van het wegdek (zoab). Daar komt nog bij dat zoab een langere remweg, steenslag en problemen bij ijzel als belangrijke nadelen heeft. Daar het concept deels binnen de huidige technologie ingepast kan worden en de kosten voor het vervaardigen van het materiaal van de geleidingsmiddelen vrij laag kunnen blijven. Dit heeft voor de consument als voordeel dat het voertuig (auto/vrachtwagen) uiteindelijk niet wezenlijk meer hoeft te gaan kosten. Al met al kan geconcludeerd worden dat het bevordelijk is voor de consument en de wetenschap dat het concept dat werd besproken in dit artikel verder ontwikkeld wordt.



5. Referenties

Bridgestone corp. (1994). Vol. 018, 319 (M-1623).

DaimlerChryslerAG. (2003). Der EG-Spritzschutz. 080-02-05059.

DaimlerChryslerAG. (2003). Der Spritzschutz im Kotflügel. ACTROS Code CB9; ATEGO Code CC5.

Eisenberg, D. (2004). The mixed effects of precipitation on traffic crashes.

Accident Analysis and Prevention, 36, 637-647.

Ferrand, C. (1986). Michelin-lecture Amsterdam.

Hamer, M. (2003). Driving in the rain. New Scientist.

Itaru, K. (1994). Vehicle splash reducing device. EP 06072356. European Patent Office.

Kilpinen, S. (1994). Device for reducing the spray flung upwards from the wheels of a vehicle. EP 0 626 308 A1. European Patent Office.

Michelin. (2003). “Anti-Splash”. Spiegel online Auto.

Http://www.spiegel.de/auto/werkstatt/0,151...,252908,00.html.

Pisano, P., Goodwin, L., & Stern, A. (2002). Surface Transportation Safety and Operations: The Impacts of Weather Within the Context of Climate Change.

The Potential Impacts of Climate Change on Transportation.

Road Alliance (2003). Putting a stop to Spray. Http://www.roadalliance.com.

Shepler et al. (1991). US 5 002 109 A.

Van den Noort, G.F.M. (1994). Wielomgevende behuizing. Arnold & Siedsma.

Van den Noort, G.F.M. (2001). Voertuig met opspatwaterafvoer. NL C 1013243. Bureau voor de Industriële Eigendom Nederland.