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

Driewielers: suf en oubollig kinderspeelgoed?

 

 

 

  De tandemversie van de Vector FIG.1a, was het eerste door menskracht aangedreven voertuig, dat de 100km/u grens doorbrak (in 1980). De stroomlijn van de Vector is het eerst ontworpen; de driewieler is erin gebouwd. Als het echt hard moet gaan, is de constructie totaal ondergeschikt aan de aerodynamica. Onder de stroomlijn zit een eenvoudige driewieler vergelijkbaar met de Masa (1978) van FIG.1b; in dit geval dus met achterwielaandrijving en voorwielbesturing. Er zijn veel manieren om driewielers te bouwen. We moeten bij het ontwerpen keuzes maken: welk wiel of wielen gebruiken we voor de aandrijving en welke voor de besturing. Soms combineren we aandrijving en besturing op voor- en/ of achterwielen. We zullen van alle oplossingen enkele voorbeelden bekijken.

In FIG.2 zien we een summiere bouwtekening van een driewieler uit 1985.  De Nederlandse fabrikant Jouta heeft in korte tijd diverse van deze fietsen in productie genomen. Commercieel geen succesnummers, maar uit ontwerpoogpunt heel aardige constructies (zie ook FIG.23).  Het weggedrag van de driewieler uit FIG.2, de z.g.. “kantel-knik” besturing met twee sturende achterwielen, is niet zelfstabiliserend. Bij voorwielbesturing zal het voertuig na het uitkomen van de bocht uit zichzelf weer rechtdoor willen gaan, zoals een auto; bij dit fietsje moet je blijven sturen. Het voorste deel van de fiets gaat hellen in de bocht; net als een tweewieler. Alleen wordt die hellingshoek niet bepaald door de snelheid, maar door de balhoofdhoek van de achterkant. Er ontstaat een compromis: bij te langzaam nemen van de bocht wil de rijder naar binnen vallen. Bij het te snel nemen van de bocht wil de rijder naar buiten. De constructie is eenvoudig en door het lage zwaartepunt is de wegligging redelijk stabiel. De fabrikant is na een pauze van een tiental jaren weer actief in de ligfietsbranche http://www.joutaligfietsen.nl . De wielen van een driewieler ondervinden zijwaartse krachten in bochten; kies dus voor dikkere spaken en/ of kleinere wielen. Houd er rekening mee, dat de remmen op de parallelle wielen met dezelfde kracht aangrijpen: anders wil hij de bocht om!  Voor besturing en aandrijving van een driewieler kan men kiezen uit:

 

 

Kettingaandrijving via een (fiets)crankstel is de gebruikelijke manier om krachten over te brengen. Maar we zouden ook kunnen kiezen voor hefboomaandrijvingen of een aandrijving met roeibewegingen (zie FIG.11a en 11b). Hefboomaandrijvingen werken vaak met kettingen en freewheels via een veer­retour­systeem. Door het verplaatsen van het aanhechtingspunt op de hefboom van A naar B krijgen we een traploos verstelbaar versnellingssysteem. Dit principe is al heel vaak uitgevonden! Een erg doordachte en ver doorontwikkelde roeiaandrijving is de Snek van Derek Thijs.

Driewielers zijn in de bocht niet zo stabiel, omdat het zwaartepunt Z te dicht bij de kantellijnen ligt (zie FIG.12). Het binnenwiel heeft in de bocht de neiging omhoog te komen. Zodra het zwaartepunt over de kantellijn is, slaat de driewieler om. Het zwaartepunt dient zo laag mogelijk te liggen en zo ver mogelijk van de lijnen door de achteras en de voorassen. Driewielers met twee sturende voorwielen hebben een met de auto vergelijkbare stuurproblematiek. Wanneer we met zo’n driewieler een bocht maken, zal het wiel aan de binnenkant een kleinere draaicirkel moeten beschrijven dan het buitenste wiel. Beide wielen zijn d.m.v. het stuurstangstelsel met elkaar verbonden. De vorm van het trapezium wordt bepaald door de afstand naar ‘t midden van de achteras: het Ackermanprincipe  (FIG.13). In de besturing kunnen energieverliezen ontstaan door slecht sporen (niet evenwijdig lopen van de wielen) Als de wielen naar binnen wijzen is er “toespoor” ; “uitspoor” is het naar buiten wijzen, dit laatste leidt tot instabiel gedrag en moet vermeden worden. Beide leveren extra wrijving en slijtage van de banden. Centerpoint sturing kost het minste energie, maar kan nadelig zijn voor de stabiliteit bij hoge snelheden.

  Driewielers met één sturend voorwiel en een normale fietsvoorvork moeten in vergelijking met een tweewieler een relatief grotere vorkdoorbuiging  (= “sprong”) hebben, zo’n 10-15 % groter. Als de vorkdoorbuiging (sprong) klein is, is de naloop groot en het stuurkarakter erg stabiel. Bij lage snelheden hebben wij dan een wat grotere stuuruitslag nodig om de bocht te maken; een gevolg van te grote stabiliteit.

 Een bepaalde mate van instabiliteit is gewenst! Als de vorkdoorbuiging groot is, zullen de krachten die via de vork op het stuur uitgeoefend worden, ook groot zijn. Vooral bij hoge snelheden op hobbelige wegen maakt dit het sturen lastiger. Als de naloop nul is, heeft het voertuig weinig stabiliteit meer. Bij “voorloop” wil het alle kanten op behalve rechtdoor; dit is vermoeiend en gevaarlijk! Omkering van de voorvork wordt o.a. toegepast op stayerfietsen (achter de derny), maar vindt nu ook bij voorwielaandrijving wel toepassing.

 Steile balhoofdhoeken en een grote vorkdoorbuiging maken het stuurkarakter directer. Minder steile balhoofdhoeken en weinig gebogen vorken maken het stuurkarakter stabieler. Naarmate de wielbasis (de afstand tussen voor en achteras) korter is, moet de doorbuiging kleiner gekozen worden. Bij motoren en brommers is er geen vorkdoorbuiging, maar staan de poten van de voorvork gewoon een aantal centimeters voor het balhoofd. Als een voorvork voor een gewone fiets recht wordt uitgevoerd, maakt het balhoofd een hoek met de voorvork.

 Bij aandrijving op twee wielen dient er een differentieel gebruikt te worden (zie FIG.17). Het differentieel is een patent uit een driewielige fiets, lang voor de uitvinding van de explosiemotor. De auto heeft veel geprofiteerd van uitvindingen die door de rijwielindustrie gedaan zijn. Het differentieel is een constructie om het verschil in wielomwentelingen bij het nemen van een bocht op te vangen. Technisch is het mogelijk slechts een van beide achterwielen aan te drijven; goedkoper, maar weinig elegant (op invalidenfietsen zien we die oplossing nogal eens). Driewielers met voorwielaandrijving en twee sturende voorwielen, zullen naast het stuurmechanisme ook nog een aandrijfas met differentieel moeten hebben. Bij auto’s met voorwielaandrijving treffen we deze constructie ook aan. Het is wel moeilijk te construeren en de verliezen in de transmissie zijn vaak aanzienlijk. Er zijn in begin jaren tachtig enkele Cylodynes gebouwd met differentieel en voorwielaandrijving; we zien het ook bij Sidewinder (FIG.7).

Het schuin monteren van de wielen, wielvlucht, (V-vorm) komt voor bij geveerde wielen; bij invering staan de wielen dan weer verticaal. Af en toe worden wielen bewust in een “omgekeerde V “ gezet ( zie FIG.18); deze afwijking van het verticale vlak wordt wielvlucht of “camber” genoemd. Dit zal in de bochten voordelen bieden, maar het geeft een wat hogere belasting van de wielen. Het is zeker aerodynamisch gunstig voor de stroomlijn, daarom wordt dit onder andere in de Mango en de Quest toegepast. Deze velomobielen laten bovendien mooi zien dat de ontwerper keuzes maakt! Bij de Mango kiest men voor open wielkasten en een korte staart; ongunstig voor de stroomlijn, maar beter voor de manoeuvreerbaarheid. Bij de Quest zien we een lange staart en dichte wielkasten; hier kiest men voor snelheid.

Heeft de driewieler één enkel sturend en aangedreven voorwiel dan kan men de ketting via rollen omleiden naar de naaf van het voorwiel. Neem dan een steile balhoofdhoek b.v. 85° zonder en een rechte vork, zie FIG.20 en FIG.30). In FIG.21 zien we een simpel voorbeeld met voorwielaandrijving en achterwielbesturing; de Jouta in FIG.23 is een modern voorbeeld met deze constructie (reeds besproken bij FIG.2) . Je kunt hele fraaie ontwerpen maken in kunststof, zoals de Jouta of de Flevo Versatile van FIG.22, maar hout en staal zijn veel goedkoper. Het zitje is makkelijk in hout te maken. Zelfs het frame kan van hout gemaakt worden (zie FIG.24), maar de voorvork maken we toch liever van staal. In het algemeen geldt: hoe simpeler de constructie, hoe sneller de bouw.

Bij de Alleweder (FIG.25) wordt gebruik gemaakt van aluminium plaat en popnagels; de bouw is vergelijkbaar met boten en vliegtuigen. Bij de besturing van deze fiets, heeft men gekozen voor McPherson ophanging. De remmen zijn dan geïntegreerd in de verende vorkpoten; we vinden die constructie ook terug bij de Velomobiel en Versatile. De eerste serie Flevo Alleweders was als bouwpakket te koop; daar heb ik in '94 een exemplaar van gemaakt. Ook tegenwoordig nog als bouwpakket te koop bij Dutch speedbicycles http://www.dutchbikes.nl/pagina/frame_v_kits.html

  Sommige constructies, zoals de hellende driewieler uit FIG.27, zetten hele ingenieursbureaus aan het werk. Waarom voetaandrijving? Handaandrijving kan ook (FIG.10) en zelfs de vouwtrike is er al ( FIG.5a+b ). Het is met behulp van een voorframe type Newton www.roman-road.co.uk ( FIG.28 ) zelfs mogelijk uw racer of ATB om te bouwen tot een goed sturende driewieler. U kunt ook een los achterframe als de Pfiff Furioso ( FIG.26 ) nemen. Deze driewielers worden veel gebruikt in de gehandicaptensport, zie bij voorbeeld http://tricycleassociation.org.uk/       

 

 In FIG.29 zien we een oplossing voor het probleem met vaste hellingshoek bij een voorwiel aangedreven en achterwiel gestuurde driewieler, waarschijnlijk zijn het simpele gewrichten voor-onder en achter-boven het zitje. Door je lichaam samen met het voorframe af te zetten tegen het achterframe, heeft deze fiets zelfs een minimum draaicirkel van 2 meter, ondanks het ontbreken van een stuur. Een soortgelijk ontwerp is de Brike van FIG.18.

 Heel bizar is de Chameleon (FIG.30 www.stitesdesign.com); hier is het voorframe via een horizontaal lager (een hoek 0 ofwel 180 graden) met het achterframe verbonden. Het instabiele van de hoge zitpositie, zou volgens de fabrikant gecompenseerd worden door het hellende voorframe; het rijgedrag zou vergelijkbaar zijn met een tweewieler. De voorvork is via trekstangen bestuurbaar; de aandrijving is via een tussenas met kruiskoppeling, verbonden met de aandrijfzijde van de voorvork. Daarmee is de besturing onafhankelijk van de trapbeweging; technisch allemaal vernuftig, maar aerodynamisch een mislukking.

 De Munzo TiltingTrike is een driewieler met hellende achterwielen en slechts 40cm spoorbreedte  www.fastfwd.nl  zie FIG.31

  Er zijn duizenden driewielers; de werkelijkheid is altijd rijker: een driewieler is niet alleen kinderspeelgoed en hoeft niet saai te zijn!