|
Het
ideale veersysteem absorbeert de schokken van oneffenheden op het wegdek en handhaaft het
contact tussen band en wegdek te allen tijden. De werking van de vering zou niet
beïnvloed mogen worden door aandrijving, remmen of gewichtsbelasting. Technisch
is dit helaas niet mogelijk: elk veersysteem is een compromis! Demping kost
altijd energie en wordt daarom niet toegepast bij racefietsen. Er zijn wel
experimenten geweest in bij voorbeeld Parijs-Roubaix, maar we zien het niet
meer; conclusie: het ging niet sneller! In de ATB-wereld is vering nu helemaal
ingeburgerd en uitontwikkeld. Hier is de extra controle over de fiets, zeker in
de afdaling, een snelheid verhogende factor.
Uitgangspunt voor de constructie van vering is dat
het afgeveerde gewicht zo gering mogelijk moet zijn. Alles wat er meer mee veert
dan het wiel, is ballast. In het algemeen probeert men bij het ontwerpen van
vering ingewikkelde constructies te vermijden; elk draaipunt kan speling gaan
vertonen en daarmee slecht stuurgedrag.
De veerwerking en demping moeten optimaal
zijn afgesteld op rijder en terrein.
Bij een goed veerelement moet de veerdruk en de demping instelbaar zijn. Een uitgekiende constructie
kan door verkeerde veer en/ of demper slechter werken dan een matige constructie
met een goed veerelement!
We kunnen kiezen uit veersystemen met gas (lucht)
als verend medium, en we kunnen stalen veren gebruiken of
elastomeren (rubbers of kunststof schuimmaterialen). Luchtveren hebben als voordelen licht gewicht en goede
terugkeer. Ze hebben een progressieve compressie d.w.z. dat op het einde van de
slag steeds meer kracht nodig is voor een beetje
veerweg; verder is de constructie door de benodigde
afdichtingen duur. Stalen veren hebben een lineaire
compressie, ze zijn tamelijk zwaar en zullen bij een
grote klap "doorslaan". Elastomeren zijn licht en
goedkoop, maar de werking is temperatuurafhankelijk; ze
verharden door veroudering en de terugkeer is
slecht.
Ook de eerste hoge fietsen uit de
vorige eeuw, de “boneshakers”, hadden al problemen met
het comfort, zoals de naam al doet vermoeden. Het
ontwerpen van veersystemen voor fietsen is dan ook niet
nieuw. De Amerikaanse Bluell velocipede (1869) was al
uitgerust met een soort elliptische bladveren. Zeker in
die tijd, toen de wielen gemaakt werden met ijzeren
velgen waar een streepje leer of rubber op geplakt zat,
was dit geen luxe. In alle ontwerpen uit die tijd zien
we een zwevend opgehangen zadel; ook het frame werd soms
verend uitgevoerd. Het ontbreken van demping op de
meeste veersystemen maakte ze niet erg populair; de
productiekosten van deze frames waren hoger en door
speling op de lagering nam de frameslapte toe. De
uitvinding van de luchtband betekende het einde van de
geveerde ontwerpen uit die tijd. Toch zijn er vaker
geveerde fietsen op de markt geweest. Een succesvol
ontwerp was de Moulton minifiets uit de jaren zestig.
Omdat kleine wieltjes elk putje oppikken, had deze fiets
vering. In combinatie met hogedruk bandjes leverde dit
een licht lopend en comfortabel fietsje op; helaas wel
prijzig. Het succes leidde tot imitatie; hier zag men af
van vering en ging men dikke lage druk banden gebruiken.
De rolweerstand werd gigantisch en de “minifiets-rage”
was zo voorbij.
Voor traditionele fietsontwerpen
heeft vering nadelen. Het bracket moet hoog zitten om
veerweg mogelijk te maken; de pedalen komen anders te
vlug aan de grond. Dit maakt het moeilijk om bij
stilstand een voetje aan de grond te zetten. Soms
dwingt men de rijder tot een te lage zadelstand en dat
gaat ten
koste van het rendement en fietsplezier.
Binnen de ligfietswereld wordt
vering als noodzakelijk gezien om het potentieel
aanwezige zitgenot ook werkelijk te benutten. Met name
KWB (korte wielbasis) ontwerpen zijn op klinkerwegen en
slechte fietspaden oncomfortabel. Tot begin jaren
negentig moest men zich vaak behelpen met rubber blokvering.
Helaas was de demping hiervan slecht, waardoor
hinderlijk deinen vaak onvermijdelijk was. Met de
opkomst van vering bij ATB-fietsen is er pas
belangstelling gekomen van de onderdelenfabrikanten.
Op dit moment is er een groot aanbod van hydraulisch
gedempte veersystemen en vorken. Hiermee doen ook de ligfietsers hun voordeel. Het is een misvatting dat de
problemen van veersystemen alleen voor ATB’s gelden en
dat ligfietsen door de naar voren gerichte trapbeweging
geen last ervan zouden hebben.
FIG.1a
FIG.1b
Bij de voorvorken is de telescoopvork
(zie FIG.1a) populair. Af en toe zijn er ontwerpers die
wat anders maken: een schommelarmvoorvork (FIG. 1b) of
een vervormbaar parallellogram met hulpvork; maar het is
moeilijk te concurreren tegen een gevestigd en goed
product. Een vervelend verschijnsel bij het remmen is,
dat er meer druk op het voorwiel komt. Hierdoor duikt de
fiets in de vering; de vering is dus al ingedrukt en de
veerwerking nihil. Een ontwerp waarbij de remkracht dit
tegenwerkt, is te zien in het ontwerp van de schommelarmvoorvork.
Bij achtervorken zijn de zaken veel
ingewikkelder; hier is nog geen enkel concept als
winnaar aan te wijzen. De belangrijkste oorzaak hiervan
is dat de aandrijving gewoonlijk via het achterwiel
verloopt. Een probleem is dat de trapfrequentie bijna
gelijk is aan de eigenfrequentie van het frame, wat een
deining in het veersysteem kan veroorzaken (bobbing);
dit verschijnsel kan ook in de voorvork optreden.
De
keuze van de juiste vering is belangrijk voor een goede
wegligging. Bij acceleratie zal de achterkant wat in de
veren zakken, en tijdens remmen zal de vork in de veren
‘duiken’. Veren hebben dus invloed op de balans, omdat
ze deels de gewichtsverdeling voor en achter
beïnvloeden.
De kracht die de rijder op het
pedaal uitoefent, vooral bij accelereren, kan
geabsorbeerd worden door de vering. De rijder pompt dan
zijn kostbare energie in het veersysteem! Deze
doemgedachte heeft jarenlang de experimenten met
achtervering beheerst. Mountainbikers eisten de mogelijkheid hun
veersysteem tijdens de klim fixeren. Bij moderne
veersystemen zijn er vaak mogelijkheden om demping
en vering, tijdens het rijden, aan te passen aan het
terrein.
Als het draaipunt van de achtervork
lager zit dan de trekkende ketting, kan een deel van de
trapenergie dus door de vering worden opgenomen (zie FIG. 2a). De eerste ATB’s met achtervering hadden een
hoog draaipunt. Helaas kwam dit de stijfheid van het
achterframe niet ten goede. Verder trok de ketting het
achterwiel naar voren/ beneden de grond in (zie FIG.
2b). De vering werkt dan nauwelijks meer, omdat de klap
van de kuil naar boven, groter moet zijn dan de kracht
die de rijder naar beneden uitoefent. Dit geeft flinke
schokken op de pedalen. Tegenwoordig zit het draaipunt
lager, ter hoogte van het middelste kettingblad: ideaal
is als de kettinglijn door het draaipunt loopt (zie
FIG.2c).Ook de remkracht op onze achtervork kan de
vering beïnvloeden; de remnokken hebben vaak een
behoorlijke afstand tot het draaipunt en de remkracht
van het achterwiel kan de vork naar beneden drukken. De
vering is dan gedeeltelijk geblokkeerd.
FIG.
2a 
FIG.
2b 
FIG. 2c 
Er zijn vier hoofdconstructies,
maar daarop zijn vele varianten. In het steenkolenengels
dat de ATB-wereld kenmerkt, zijn dat:
1.de
“MacPherson strut”, 2.de “Unified reartriangel”,
3. de “Cantileverbeam” en 4. de “Rising rate linkage”.
Bij de eerste constructie zit het
draaipunt op de achtervork. Het veerelement met demper
zit aan het eindpunt van de staande achtervork. Door
toepassing van een HorstLink (draaipunt) voor de achterpat zal het
veersysteem redelijk actief zijn. Bij een juiste keuze
van het draaipunt van de achtervork is de invloed van de
aandrijving gering. De remwerking van V-brakes zal
zijdelingse belasting (en extra wrijving) in de demper
tot resultaat hebben, doordat de staande vork naar
beneden gedrukt wordt. Tijdens het remmen is er een
slechte werking van de vering; onhandig in de afdaling
als je beide functies nodig hebt. Een schijfrem of
naafrem wordt van harte aanbevolen. Er is in de
bovenste driehoek weinig ruimte. We zien bij dit systeem
vaak een onderbroken zitbuis. De overgang naar de cantileverbeam is niet altijd duidelijk aan te geven.
 
FIG.3a McPherson strut (met HorstLink)
FIG.3b Unified
reartriangle
Bij
de unified reartriangle (FIG.3b) vormen de achtervork en
het bracket een geheel. De pedalen zijn niet afgeveerd
en het gewicht van de rijder is dus ook deels
onafgeveerd. De plaats van het draaipunt bepaalt in
welke mate rem- en aandrijfkrachten de werking van de
vering beïnvloeden. Tenzij er belangrijke constructieve
beperkingen zijn, zal ik het niemand aanbevelen.
FIG.3c
Cantileverbeam FIG.
3d Rising rate linkage
Bij ligfietsen is de cantileaverbeam
(FIG.3c) favoriet. Een simpel systeem, dat mits het
draaipunt ter hoogte van het middelste kettingblad
gekozen wordt, redelijk onafhankelijk is van de kracht
van de rijder. Bij een groot blad zal de kracht omhoog
iets positief zijn waardoor het aanspreken van de vering
verbeterd wordt; fijn in de afdaling. Bij het kleine
blad zal de vering iets verstarren; fijn in de
beklimming. De remwerking heeft nauwelijks invloed.
Zelfs een high-tech firma als Cannondale bracht in 2006
met het Rush-veersysteem nog een
cantileverbeam uit.
Het enige bezwaar tegen de “rising rate linkage”
(FIG.3d) is dat deze constructie een minimum van heeft
van drie draaipunten. Dit is ingewikkelder, maar de
technische mogelijkheden van dit systeem zijn veruit
superieur aan andere concepten.
Bij conventionele veersystemen zal het veerelement
rechtevenredig met de verplaatsing van de achteras
worden ingedrukt; als we aan het einde van de veer komen
wordt die verplaatsing zeer snel beperkt. Door de keuze
van de draaipunten 2 en 3 kunnen we dit bij de “Rising rate linkage” kiezen. De afmetingen tussen draaipunt 2
en 3, en van punt 3 naar de bovenste bevestiging van het
veerelement zijn bepalend voor de beweging van de
achteras. Heel leuk hierbij is dat de draaicirkel van
het bovenste bevestigingspunt in het eerste deel van de
slag en versterkingsfactor heeft van bij voorbeeld 2:1
d.w.z. 2cm beweging van de achteras geeft 1cm indrukken
van de vering. In het onderste deel van de slag zal door
de draaibeweging van de korte arm de veer nog maar heel
weinig indrukt worden. Een halve centimeter indrukken
kan dan 2cm beweging voor de achteras betekenen: 4:1
dus. De eigenschappen van dit ontwerp passen goed bij
luchtvering.
Experimenten met diverse
constructies volgens dit principe, laten zien dat het
mogelijk is de voornaamste problemen als remwerking en
trapkracht, technisch nagenoeg te elimineren. Wel kiest
men vaak nog een of twee extra draaipunten. Een
oplossing voor de kracht van V-brakes, is ervoor te
zorgen dat deze kracht evenwijdig is aan de lijn door de
draaipunten 2 en 3. Daardoor zal de reactiekracht direct
doorgegeven worden naar het draaipunt 3 op het frame;
de vering wordt dan niet beïnvloed. Er zijn vierpuntsconstructies (parallellogram of trapezium)
waarbij het wiel evenwijdig aan de trapas inveert: zo
wordt de aandrijfkracht geëlimineerd o.a. NRS van Giant.
Het Maestro-systeem van Giant zorgt ervoor dat
het draaipunt van de achteras zich tijdens het inveren
verplaatst; dit gebeurt ook bij de i-Drive van GT. Bij
het
Monolink-ontwerp
van Paul Turner (o.a. toegepast
bij Maverick en Klein)
verplaatst zich hele de trapas, waardoor de variatie in
kettinglengte bij het inveren, minimaal is.
De uitvoering van de diverse
draaipunten hoeft niet altijd technische problemen op te
leveren. Tenslotte bouwen we al tientallen jaren
motorfietsen met vergelijkbare constructies en veel
grotere belastingen. Er zijn natuurlijk keuzes te maken
voor de uitvoering van de lagering. Een lage wrijving
in het lager is niet onze grootste zorg; de beweging van
het lager is gewoonlijk beperkt tot een verdraaiing van
enkele tientallen graden. Er zijn veel ATB-merken die
voor wentellagers kiezen, vaak naaldlagers om de radiale
krachten op te vangen in combinatie met kogeltaatslagers
om de axiale krachten op te vangen; mij lijkt de keuze
voor wentellagers overdreven. Het enige voordeel is het
sneller reageren op kleine oneffenheden, maar dan moeten
de veer en demper deze eigenschap ook hebben.
De gebruikelijke oplossing in de
techniek voor lagering in dit soort constructies zijn de
lagerbus voor radiale krachten, en kraaglagers voor de
axiale krachten. Lagerbussen en kraaglagers van nylon of
teflon zijn voor ons doel eigenlijk niet sterk en
slijtagebestendig genoeg. De meest simpele lagerbussen
zijn van brons en dienen via een smeernippel gesmeerd te
worden. Er bestaan ook zelfsmerende lagerbussen; hierbij
zijn koolstofdeeltjes aan het brons toegevoegd, die
verzadigd zijn met olie.
Er zijn zelfs goede kwaliteiten
ongesmeerde lagerbussen. Deze bestaan uit een dunne
stalen mantel met een spleet in de lengterichting. De
stalen mantel is voorzien van een laagje brons met een
teflon coating. Voor een as van 10- 20mm doorsnede is de
wanddikte van de lagerbus 1 tot 1,5mm (b.v. INA
Permaglide). Het geheel moet goed passen; speling in het
lager is funest voor de rijeigenschappen. Een te strakke
passing zal snelle slijtage opleveren. Een goede en
simpele lagerconstructie bestaat uit twee Permaglide
kraaglagers met een hoogwaardige rvs bout (minimaal M10
klasse 8.8, bij zware belasting M12 klasse 12.8).
Veren
We
kunnen kiezen uit: 1. veersystemen met gas
(lucht) als verend medium 2. stalen veren 3. elastomeren
(rubbers of kunststof schuimmaterialen).
1. Luchtveren hebben als voordelen licht gewicht en
goede terugkeer. Ze hebben een progressieve compressie
d.w.z. dat op het einde van de slag steeds meer kracht
nodig is voor een beetje veerweg; verder is de
constructie
duur,
door de benodigde hoge kwaliteit van de afdichtingen.
2. Stalen veren hebben een lineaire compressie, ze zijn
tamelijk zwaar en zullen bij een grote klap "doorslaan".
Om een spiraalveer in te kunnen drukken is een bepaalde
kracht nodig. De kracht die nodig is om een veer in te
drukken, is recht evenredig met de lengteverandering.
Een grotere kracht op de veer geeft dus een grotere
lengte verandering. Als formule: kracht =
lengteverandering x
veerconstante.
Een grote veerconstante staat dus voor een stugge veer,
en een kleine veerconstante staat dus voor een slappe
veer. Als de veerconstante te klein gekozen is, slaat de
veer door (metaal op metaal).
3. Elastomeren zijn licht en goedkoop, maar de werking
is temperatuurafhankelijk, ze verharden door veroudering
snel en de terugkeer is slecht. Ze bezitten van zichzelf
dempende eigenschappen, die door de materiaalkeuze (b.v.
afwisselend schuim en rubber) geoptimaliseerd kunnen
worden. De levensduur is
beperkt, zeker van schuimmaterialen; veerweg en demping gaan snel achteruit.
Demping
De voorvork van mijn
oude Moulton (1964) heeft een
stalen veer
met daarin een losse rubber staaf. Bij compressie zal
die staaf uitzetten; de stalen veer en het rubber vangen
de klap op. De wrijving van het rubber langs de veer zorgt voor demping. Deze constructie werkt na 45
jaar nog prima.
De demping dient de energie van de schokken op te
nemen;
zonder demping zal de fiets stuiteren. Mechanische
dempers op basis van wrijving, zien we niet veel meer;
tegenwoordig zijn het de met olie gevulde hydraulische
dempers, die de markt domineren. Veren zullen
energie ‘opslaan’ bij het inveren, en afgeven bij het
uitveren. De
demping zorgt ervoor dat die overtollige energie
geabsorbeerd wordt. Bij een goede demper, kun je de snelheid
(van
de demperstang ten opzichte van het huis)
waarmee de dempers terugveren, veranderen. Je doet dit
door de keuze van de olie, en het aantal en de grootte
van de gaten. De viscositeit
(vloeibaarheid) van de demperolie en de grootte of
aantal van de openingen in de zuiger, bepalen de
eigenschappen van de demping. Voor een
vloeistof geldt (net als voor gassen), dat die op twee manieren kan stromen;
laminair en turbulent. Bij een turbulente stroming is
meer energie nodig, omdat er meer wrijving is in de
vloeistof; zie
ook de pagina stromingsleer op deze site:
aerodynamica.
Als de demperstang langzaam ingedrukt
wordt, zal de demperolie
laminair door de gaten van de zuiger stromen. Als de
snelheid van de zuigerstang hoog is, zal de demperolie
turbulent door
de gaten van de zuiger
stromen. Zolang de stroming laminair is, is de weerstand
die de zuiger veroorzaakt recht evenredig met de
snelheid van de zuigerstang. Op het moment dat de
stroming overgaat naar turbulent, neemt de weerstand
flink toe. Het lijkt alsof de zuiger vast slaat in de olie.
Dit effect kan er voor zorgen dat de veren van je fiets
niet doorslaan, als je landt na een sprong van een bult,
maar het kan ook er voor zorgen dat je fiets stuitert,
als je met hoge snelheid over kasseien rijdt. De juiste
keuze voor de demperolie en zuiger is dus belangrijk; een zuiger met kleine gaten
en een lichte demperolie (lage viscositeit), of een
zuiger met grote of meerdere gaten met zware demperolie
(hoge viscositeit) zal dezelfde werking hebben voor de demping
bij lage snelheid.
Bij hoge snelheid zal eerst genoemde combinatie vlug vast
slaan vanwege de hoge stromingssnelheid van de dunne
demperolie door een klein gat. Bij de tweede combinatie
zal de zuiger pas vast slaan bij veel hogere
dempersnelheden, of zelfs helemaal niet,
omdat de stroomsnelheid van de demperolie een stuk
lager is (grotere gaten), en de hogere inwendige wrijving van de
demperolie meer energie opneemt. Hierdoor ontstaat
warmte; de toename van de temperatuur zal de viscositeit
doen afnemen. Tijdens het rijden
kunnen de
eigenschappen van de demper dus veranderen.
Cannondale zal in 2010 het nieuwe elektronisch gestuurde
dempingssysteem SIMON als prototype presenteren.
Aangestuurd door een processor, met een stappenmotor die een
klepje op commando sluit en vijf sensoren die de
processor voeden. De bediening door de rijder
gebeurt via een joystick. Ik
ben ervan overtuigd, dat dit de weg is, die demping in de toekomst zal gaan.
Vragen of opmerkingen:
contact
Deze pagina kunt u hier in PDF
downloaden.
|
