Over de technische achtergronden van de fiets - the technical background of the bicycle
Home » constructie

  Constructief denken

 

Elke constructie heeft voordelen en nadelen. Het kinderdriewielertje heeft een directe aandrijving, dat wil zeggen dat pedalen en cranks vastzitten aan het wiel. Dit is een hele simpele constructie, maar er is ook een groot nadeel. Eenmaal rond draaien van het trapstel, is eenmaal ronddraaien van het wiel. Als je een beetje vaart maakt, draaien de wieltjes sneller dan de benen kunnen bijhouden. Om deze reden werd het voorwiel van de eerste fietsen in de negentiende eeuw steeds groter. Je moest met dat wiel ook nog sturen! Met de introductie van kettingaandrijving kon het wiel sneller draaien dan de pedalen. Daarmee verhuisde de aandrijving naar de achterkant; het sturen bleef de taak van het voorwiel. Heel belangrijk was, dat de zitpositie lager werd en de rijder met beide voeten aan de grond kon komen.

 

7.50  

10.53  

9.49

7.16  

7.15   

4.13  

 Het ontwerpen is het belangrijkste moment bij de constructie van een nieuwe fiets. Het overgrote deel van de problemen, die bij het bouwen ontstaan, is terug te voeren op slecht denkwerk in de ontwerpfase! De persoonlijke voorkeur voor bepaalde rij­eigenschappen speelt een belangrijke rol. Ik kies voor een relatief grote naloop; fijn rustig en stabiel, maar iemand anders zal een dergelijk stuurkarakter als sloom kwalificeren. Vervelender is overigens als u niet eens weet wat u wilt!

 Om te beginnen met ontwerpen kunt u de maten van een fiets opmeten en op millimeterpapier (schaal 1:10) weergeven. Probeer nu om een eigen model te tekenen, waarvan de maten en hoeken realistisch zijn. De meeste van mijn ontwerpen zijn niet verder gekomen (papier is geduldig en goedkoop). Als de beslissing is genomen om werkelijk een fiets te bouwen, teken dan een wat groter model (1:5). Probeer hierbij vooral de hoeken en belangrijke maten te bepalen. Teken het ontwerp, als het klaar is, op ware grootte b.v. op ‘n stuk behang. Controleer daarna alle hoeken en maten nog eens. Werk verder uitsluitend vanaf de tekening. Het timmermansoog van de vakman ziet afwijkingen van ± 0,5° en ± 1mm. Geef alle nokjes aan.

 

Het denken over constructies en ontwerpen, vergt enige kennis van mechanica. Hoe grijpen de krachten aan en is het ontwerp sterk genoeg om de krachten die erop werken te weerstaan? In FIG.1 zien we de combinatie van krachten die op een herenframe (diamantframe) werken. De statische belasting, een fiets van 10 kg en een rijder van 80 kg, is klein in vergelijking met de dynamische krachten. Als een coureur op snelheid door een kuil raast, ontstaan er piekbelastingen, die 2 tot 3X zo hoog zijn! Het frame moet dit kunnen verdragen: het zou de schokken zelfs niet door moeten geven aan de rijder. Maar op een rubberen frame kan de rijder weer geen krachten uitoefenen! Het frame vormt het verbindend element tussen de onderdelen. Het moet zo sterk mogelijk zijn en voldoende stijf. De toerist stelt andere eisen dan de coureur.

Een fietsframe moet zo stijf zijn, dat de aandrijfkrachten van een sterke rijder zonder verliezen overgebracht kunnen worden. Het zou zo slap moeten zijn, dat een coureur een dagje kasseien kan fietsen zonder pijn in zijn polsen. Deze eigenschappen zijn slecht te verenigen; gewoonlijk zijn stijve frames “hard”. De totaal andere structuur van composieten geeft een betere demping. Vooral als monocoque (één geheel) gebouwde frames, zijn superstijf en toch schokdempend!

 Begin jaren tachtig probeerde men de frames zo plat mogelijk te maken om de lucht-weerstand te verminderen. Zo creëer je een frame dat in het framevlak erg stijf is en in het zijdelingse vlak erg slap. Met zo’n frame valt nauwelijks te spurten. In het midden van de jaren tachtig werd lichtgewicht weer belangrijker. De aluminium Vitus fietsen waren populair; slap, maar voor de lichtere rijder stijf genoeg. Begin jaren negentig zagen we een tendens naar steeds stijvere frames. Omdat stijfheid toeneemt met de derde macht van de diameter, kiest men voor een kleinere wanddikte én een grotere diameter; zo wordt het frame lichter én stijver. Het comfort van deze frames is pover, omdat metalen de trillingen en schokken van het wegdek vrijwel geheel doorgeven aan de fietser.

De stijfheid wordt bepaald door:

1.De stijfheid van het framemateriaal.       2.De gekozen verbindingsmethode.          3.De geometrie.

 ad.1 De stijfheid is afhankelijk van E-modulus, buisdiameter, en wanddikte. Uit TABEL 1 blijkt dat alleen met carbonfiber een structurele stijfheidverbetering mogelijk is. Alle andere materialen zijn relatief nagenoeg even stijf als staal (E/sm). Metaalmatrix buizen hebben een iets hogere relatieve stijfheid, maar worden nauwelijks toegepast.

 ad.2 De stijfheid van 'n frame met dezelfde buis neemt als volgt af. Het stijfst: solderen met lugs (soldeermoffen), dan lassen, lugloos solderen, lijmen.

 ad.3 Bij een korte wielbasis en steile framehoeken, wordt een frame zo stijf mogelijk.

  Het stalen diamantframe heeft zich in de loop der tijd bewezen. Toch is er in de hele grote en kleine maten wel wat op aan te merken. In de grote maten zou de bovenbuis wat zwaarder of overgedimensioneerd kunnen  worden; dit vermindert de kans op shimmy's. In de kleine maten mag gerust een lichtere bovenbuis komen. Wees voorzichtig met gewichtsbesparing als u van het stalen diamantframe afwijkt (hoe ver kan te ver gaan?). De standaard hoofdbuis voor het fietsframe is 28,6x1,2 (28,6mm buiten-diameter en 1,2mm wanddikte), maar het diamantframe is een uitgekiende constructie; wie tandems, ligfietsen of vouwfietsen ontwerpt, zal een minder ideale verdeling van de belastingen krijgen.

 De ijzerhandel op de hoek heeft gewoonlijk staal in de kwaliteit PBY (=pisbakken­ijzer). Dit wordt vaak aangeduid met St37 of Fe360. Het is goedkoop en in veel maten leverbaar, als koker (vierkant) en als gelaste buis (met naad dus). Door het lage koolstofgehalte is het goed te bewerken, maar de rekgrens is laag. Laat bij het afwijken van de platgetreden paden in de framebouw (ligfietsen e.d.) vooral het “boerenverstand” werken en kies veiligheid boven lichtgewicht! Voor de achtervork geldt minimaal 20x1 (liggend) en 12x1 (staand). De driehoek is een stijve constructie; probeer waar mogelijk dit ideaal te bereiken door een buis(je) extra ertussen te zetten. Dat maakt het frame niet alleen stijver, maar voorkomt ook breuk door “metaalmoeheid”. Bij een “korte wielbasis” ligfiets is de trapas een zwaar belast punt. Als we met het rechterbeen trappen, zal de trekkracht in de ketting de vervorming van de buis waaraan het bracket zit, tegenwerken. Als we met het linkerbeen trappen, werken deze krachten juist samen!

 De krachten op ons diamantframe zijn goed in evenwicht; voor andere ontwerpen geldt dit niet altijd. Bekijken we eens een ouderwets damesframe. De drukkrachten in de bovenbuis van de racefiets bij FIG.1 heffen elkaar op. Bij de damesfiets FIG.2a lukt dat niet; de reactiekrachten van de wielen willen het frame “dichtvouwen”. Het gevolg is dat er grote krachten op de zitbuis bij het bracket worden uitgeoefend. Bij de betere kwaliteit frames is er een versterkingsbuisje ingeperst om vervorming van de zitbuis te voorkomen. Goedkope fietsen zakken hier door; kijk maar eens naar oude stads­barrels bij het station. De zijdelingse stijfheid van deze damesfietsen is beroerd. Zelfs als de naven redelijk spelingvrij zijn, zal zijdelings heen en weer schudden het frame een soort slangendans laten uitvoeren. Met een zware last achterop is de situatie nog slechter; zolang we rechtdoor rijden hoeft het nog geen problemen op te leveren. Zodra we echter snel moeten reageren, zal de traagheid van de last zich wreken door torsie van het frame. De wielen staan nu niet meer in een lijn, het frame spoort niet meer. Als we nu gaan corrigeren om ons evenwicht te bewaren of contact met auto’s te voorkomen, zwiepen de reactie-krachten ons juist de verkeerde kant op.

 Er is maar een goed damesframe: zie FIG.2b. In de nieuwe generatie stadsfietsen en damesfietsen kiest men voor grote diameter aluminium buizen. Hierbij zien we constructies terugkomen als FIG.2c, waarvan Archibald Sharp in 1896 al hoopte ze (met zijn boek “Bicycles and tricycles”) voorgoed in het rariteitenkabinet van technische mislukkingen te hebben gezet. De verhoering van de ingenieur als vormgever, of nog erger: de vormgever als ingenieur, leidt ertoe dat deze ontwerpen weer een kans krijgen. Op de kruising is de stijfheid van het frame nauwelijks groter dan die van de hoofdbuis en een frame is zo stijf als de slapste doorsnede. Door te kiezen voor idioot grote diameters is het frame misschien zelfs stijver dan de klassieke damesfiets; maar de dunne buizen zijn overbodig gewicht en materiaal. 

Alle slechte dingen die ik over het klassieke damesframe verteld heb, gelden nog sterker voor DD(dames-dames)tandems. Door de toename van de wielbasis zal het buigend moment groter worden (moment is kracht maal arm). Door de slapte van het frame leiden stuur­correcties tot zwiepers en gevaar voor mensenlevens. Beneden moet een tandem goed stijf zijn. In staal voldoet 36x2 of 44x1 heel aardig. Eventueel mag de buis in de horizontale richting geovaliseerd worden. Een heel bruikbaar ontwerp voor een DD-tandem, bestaat voor de rest uit 30x2 buis volgens FIG.3a. Uiteraard is ook een klassiek HH ontwerp mogelijk als FIG. 3b. Hierbij doet zich het probleem voor dat het achterframe een ruit vormt. De krachten op het frame zullen de horizontale buizen op buiging belasten; deze belasting is ongunstig en dient vermeden te worden. In de techniek kiezen we dan vaak voor vakwerkconstructies. Wij lossen dit hier op door een extra diagonale buis in het achterframe zetten; zo krijgen we stijve driehoeken. Nog stijver is de “marathon” -constructie, waarbij deze buis ook nog naar het balhoofd loopt. Het summum is natuurlijk een dubbele marathon uitvoering die sprekend lijkt op de DD-tandem met een extra bovenbuis. Bij het bouwen van zo’n tandem kun je de zware 30x2 buis uit het DD-ontwerp vervangen door naadloos 32x1 buizen; je krijgt dan een lichtere en stijvere tandem. Een van de beste wijzigingen in mijn tandems was de stap van 28” wielen naar 26” ATB-wielen. De keuze voor bredere banden leverde als bijwerking ook minder spaakproblemen en meer comfort op. Kies voor banden met een gesloten middenrille, die  minstens op te pompen zijn tot 5 bar, anders wordt de rolweerstand te hoog!

Bij ligfietsen is de gewichtsverdeling tussen voor- en achterwiel een probleem. Globaal maken we de indeling: korte wielbasis (KWB) met de trapas voor het balhoofd en lange wielbasis (LWB) met het balhoofd voor de trapas. De Belgische productieligfiets Velerique (FIG.4a) uit 1982 was van het eerste type. De eerste Nederlandse productieligfiets Roulandt (1983) was van het laatste type (FIG.4b).

 Bij het ontwerpen moet men ervan uitgaan, dat het zwaartepunt zich op “navelhoogte” bevindt. Trek een loodlijn vanuit dit punt naar de wielbasis. De verhouding tussen de afstand naar voor- en achterwiel geeft de verhouding in gewichtsverdeling weer. Het minimum voor vind ik 25%. Dit wil zeggen dat de afstand van het zwaartepunt naar het voorwiel maximaal 3X de afstand naar het achterwiel mag zijn; maak desnoods de achtervork wat langer. De druk op het aangedreven wiel moet minimaal 40, liever zelfs 50 procent zijn. De voorwiel aangedreven Flevobike sloeg vaak door bij het wegrijden op nat wegdek. De ontwerper Vrielink heeft een stad- en klimstand bedacht door, m.b.v. een omklapbare nok, de framehoeken te veranderen. Hierdoor schuift het zwaartepunt naar voren en komt er meer gewicht op het voorwiel.

 Bij ligfietsen kan het frame van de KWB-fiets makkelijk in een enkele grote diameter worden uitgevoerd, b.v. in buis 36x2 of koker 35x35x2. Wie lichter wil bouwen, moet een dikkere dunwandige buis zoals 44x1 nemen. Bij een LWB of ligfietstandem is dit onvoldoende, omdat door toename van de wielbasis het buigend moment te groot wordt. Hier moeten we kiezen voor nog dikkere buis, frameconstructies met driehoeken, gepopnagelde frames, of carbon monocoques.

 De verbindingsmethode en de materiaal-keuze zijn erg belangrijk voor het ontwerp. In veel opzichten is popnagelen en het bouwen met composieten simpeler dan lassen of solderen. Wie nog nooit gelast heeft en weinig in gereedschap wil investeren, kan om deze redenen voor popnagelverbindingen of composieten kiezen. Beide bewerkings-vormen zijn wel erg arbeidsintensief!

 Het ontwerpen van een gepopt frame eist een eigen benadering. Bedenk dat sterkte en stijfheid vooral uit “oversize” diameters moeten komen. Kies voor het verwerken van enkele koker- of U-profielen in het frame. Dit vergemakkelijkt het uitrichten: verreweg het grootste probleem tijdens de bouw. Goed plaatmateriaal is o.a. AlMg3 van 0,8 mm zoals gebruikt in de “Alleweder” -driewieler.

 Ook het ontwerpen van composiete frames, eist een benadering die afgestemd is op de specifieke mogelijkheden en moeilijkheden van het materiaal. Hier zijn vooral de mallenbouw en de vezel- en harsverwerking belangrijk.

 

 informatie via Internet

 www.m-gineering.nl   Hier ziet u hoe een vakman werkt.

 http://www.richardsachs.com/how-frames-are-made/  Voor liefhebbers van klassieke fietsen.

 http://www.princeton.edu/~humcomp/bikes/design/desi_3.htm Frame-ontwerpen op HTS-niveau

 WISIL  Amerikaanse ligfiets hobbyisten

 http://bicycledesign.net/  Moderne design fietsen.