Het materiaal
(eerder verschenen in de Wereldfietser,
1-1999)
(c) 1999 m.s.gerritsen
Een standaard fietsframe
bestaat uit 11 buizen, die zo intelligent aan elkaar zijn gebakken dat
een aantal functies vervuld kunnen worden. Zo moet je er al je onderdelen
op de goede plek aan kunnen hangen (niet onbelangrijk voor stuur, zadel
en pedalen), het geheel moet voldoende stijfheid en sterkte hebben, en
de fiets moet ook met bagage nog goed bestuurbaar zijn. Verder is het wel
prettig als het allemaal ook nog een beetje oogt en niet overmatig zwaar
wordt. En een frame is zeer bepalend voor de totale kwaliteit van een fiets.
Je kunt wel dure spullen aan een slecht frame hangen, maar dat is alleen
maar jammer. Mits het past, heb je vast meer plezier van een goed frame
met een bescheidener afmontage. Kwaliteitseigenschappen zijn:
-
levenduur, te bereiken door
een op de materiaalsterkte afgestemde dimensionering, een juiste vormgeving
van alle verbindingen, en een zorgvuldige fabricage,
-
de juiste mix tussen stijfheid
en veercomfort, ook weer een functie van materiaal en dimensionering. Een
frame moet zo stijf zijn dat het niet zwabbert in een afdaling, of aldoor
doorzwaait in een zware beklimming. Maar teveel stijfheid is ook niet goed,
omdat dan de banden veel meer stuiteren en de wegoneffenheden genadeloos
worden doorgegeven,
-
een goeie geometrie, voor bestuurbaarheid
en rijeigenschappen,
-
zorgvuldige afwerking, met alle
aansoldeerdelen op de juiste plaats, en een lak die er na een paar vakanties
nog op zit.
Tourfietsen zijn practisch
altijd van staal- of aluminiumbuis, hoewel je op beurzen sporadisch een
carbon of titanium frame tegen komt. Staal is het klassieke materiaal voor
een toerfiets, maar vanuit de mountainbike-hoek rukt steeds meer aluminium
op.
Begrippen
Soortelijk gewicht:
het gewicht van een bepaald volume materiaal. Een liter staal weegt 7.9
kilo, aluminium 2.7 kg, en titanium 4.5kg. Binnen gebruikelijke grenzen
heeft het toevoegen van legeringselementen geen invloed op het soortelijk
gewicht.
Treksterkte: de
materiaalspanning (doorsnede/belasting) waarbij het materiaal breekt. De
meeste metalen vertonen vloeigedrag: bij de vloeispanning (die lager ligt
dan de treksterkte) zal het materiaal blijvend vervormen De vloeispanning
is dus maatgevend, een hogere belasting en je frame is krom! Met legeren,
warmtebehandelingen en koudvervormen kunnen de sterkteeigenschappen van
legeringen worden opgevoerd.
Stijfheid: Als je
een materiaal belast zal het onder de krachtinvloed vervormen. Zolang je
met de spanning onder de vloeigrens blijft is de vervorming elastisch en
recht evenredig met de opgelegde belasting. De elasticiteitsmodulus is
het getal dat aangeeft hoe ver een bepaald materiaal vervormd. De E-moduul
van staal is drie keer zo groot als die van aluminium, dwz bij identiek
gedimensioneerde constructies is die van aluminium drie keer zo slap. Legeringselementen
hebben nauwelijks meetbare invloed op de stijfheid, een dure stalen buis
is dus net zo stijf als een goedkope 'ijzeren'. Wel kan je de dure buis
4 of 5 x verder uitrekken, omdat de maximaal toelaatbare vloeisterkte veel
hoger zal liggen.
Staal
Staal is een verzamelnaam
voor legeringen gebaseerd op het element IJzer ((Fe(rrum). Door het in
het kristalrooster inbouwen van diverse vreemde elementen met klinkende
namen (zoals chroom, molybdeen en vanadium) en door warmtebehandelingen
en koudvervormen kunnen de sterkte-eigenschappen sterk veranderd worden.
De soortelijke massa van het staal en de elasticiteitmodulus (specifieke
materiaalstijfheid) blijven daarbij practisch gelijk, maar het verschil
in breuksterkte tussen het materiaal van een goedkope fiets en het staal
uit een topklasse frame kan wel een factor 5 zijn. Bij gelijkblijvende
sterkte zou je een frame van 'dure' buis dus vijf keer zo licht kunnen
maken, ware het niet dat het frame dan ook bij het op de pedalen staan
vijf keer verder doorbuigt, de elasticiteitsmodulus was immers niet veranderd!
In de praktijk vallen dure frames ongeveer de helft lichter uit, en zijn
ze ook minder torsiestijf! De verminderde stijfheid is aanvaardbaar omdat
bij een goedkoop frame niemand over stijfheid nadenkt, de sterkte is maatgevend.
Zo'n zwaar frame is daarom veel stugger dan nodig, en dat ook nog op de
verkeerde plaatsen.
Behalve sterker is er echter
nog een goede reden om duurder materiaal te kiezen, en dat heeft te maken
met de dynamische materiaaleigenschappen. Dat er verschil is tussen materiaalsoorten
onderling merk je al achter de bankschroef: een hoogwaardige buis klinkt
veel helderder dan eentje van gewoon ijzer als je hem aantikt, en ook is
het metaal veel harder. Zonder diep in te gaan in microrek, energiedissipatie
cq de oppervlakte van de hysterese-lus, mag je onthouden dat het resultaat
een frame is wat beter over hobbels rijdt en minder dood aanvoelt.
Er zijn een aantal fabrikanten
voor framebuizen, die doorgaans een heel assortiment in verschillende legeringen
en afmetingen aanbieden. De bekendste fabrikanten zijn Columbus en Reynolds,
maar er zijn er veel meer zoals Falck, Dedacciai, Oria, Mannesmann, Poppe
& Pothoff (RVS), Tange, Ishiwata, Vitus en True Temper etc. Op het
frame staat doorgaans een sticker om aan te geven wat je gekocht hebt,
met meestal een fraaie naam en soms ook een materiaalspecificatie. De meeste
fabrikanten beginnen met een budget buizenset van 0.8 mm dik 25crmo4, dan
een aantal series in 25crmo4 butted buis, een betere middenklasse serie
met opgevoerd chroom molybdeen (20% sterker) en dan de topseries die zo
veredeld zijn dat je soms wanddiktes van 0.4 mm tegenkomt!
Staat er bijvoorbeeld 25cromo4
op de sticker dan is dit een stalen buis (het hoofdbestanddeel Fe is met
95% zo voor de hand liggend dat het niet eens meer genoemd wordt) met 2.5%
koolstof (dit is als legeringselement ook zo voor de hand liggend dat alleen
het percentage opgegeven wordt), 4/4=1% chroom toevoeging en ook nog molybdeen.
De legeringselementen klinken echter exotisch (bonuspunten voor brillenboer
Oakley met 'plutonite' en - de mooiste, hoe komen ze eraan- 'Unobtanium')
en worden vaak misbruikt door copywriters. Titanium wordt bijvoorbeeld
in roestvast staal gebruikt als legeringselement om de lasbaarheid te verhogen,
maar als je sommige reklameleugenaars mag geloven heb je dan al bijna een
echt titanium frame. Ik kijk nu al uit naar de dag dat 'ze' er achter komen
dat titanium ook in witte verf zit!
Aluminium
De soortelijke massa van
aluminiumlegeringen is ongeveer een derde van die van staal, maar helaas
geldt dat ook voor de elasticiteitsmodulus. Als je een stalen frame nabouwt
in aluminium moet je voor de zelfde stijfheid de wanddikte dus drie maal
zo dik nemen, en ben je niks opgeschoten. In de meeste gevallen moet je
zelfs constateren dat je levenduur hebt ingeleverd, omdat de toelaatbare
spanning in laskwaliteit aluminium meer dan een factor drie onder die van
een goede staalsoort ligt. Het gewichtsvoordeel ontstaat pas als de constructeur
niet de wanddikte van de buis vergroot maar de diameter (dat noemen we
oversize). Een grotere diameter buis wordt buigstijver, omdat het materiaal
verder van de buigas (het hart van de buis) afstaat en efficienter wordt
ingezet. Het zelfde effect heb je met een opgerolde krant: daarmee kun
je ook beter meppen dan wanneer de lectuur plat op tafel ligt. Omdat de
buis stijver is neemt de materiaalspanning af, zodat er weer een normale
levenduur in beeld komt. Vergeleken met een stalen frame moeten ze zwaarder
en/of stijver zijn willen ze heel blijven. De huidige aluminium frames
hebben dan ook zonder uitzondering hele dikke buizen met een kleine wanddikte.
De diametervergroting, of beter de verhouding diameter/wanddikte is helaas
aan grenzen gebonden. Een blikje fris is wel lekker dun, maar je drukt
er met je vingers zo een blijvende deuk in. Dat is bij een fiets natuurlijk
niet toelaatbaar.
Oversize aluminium frames
zijn dus gemiddeld wat stijver dan een vergelijkbare stalen fiets. Maar
ook de trillingsdoorgifte en het navibreren na een hobbel ligt weer heel
anders dan bij staal. Koop dus niet blind een aluminium frame als je al
veel op staal hebt gereden. Maak een proefrit en kijk of het je bevalt,
want het voelt vaak heel anders.
Een theoretisch probleem
van aluminium is de gevoeligheid voor vermoeiing, oftewel scheurvorming
door wisselende belastingen, in fietskringen berucht als de in Verwegistan
afgebroken bagagedrager. Voor staal als materiaal geldt namelijk een duidelijke
belastingsgrens, als je daar onder zou blijven is de levensduur van je
constructie onbeperkt. Voor aluminium geldt zo'n grens niet, een lagere
belasting levert wel een langere, maar nog altijd eindige levensduur. Fietsframes
worden echter niet op vermoeing geconstrueerd, maar op een een voldoende
lange levensduur bij het voorziene gebruik. Ook het stalen frame kan op
de lange termijn gaan scheuren, want om het een eeuwige levenduur te geven
zou het veel zwaarder moeten zijn, en overgewicht fietst niet fijn en verkoopt
ook niet.
Voor beide materiaalsoorten
is dus de vraag hoe degelijk de ontwerper geconstrueerd heeft. Dat weet
je niet, maar aangezien je dat bij een stalen frame ook niet weet, is het
in de praktijk niet zinvol om aluminium alleen daarop af te wijzen. Is
het frame echter gescheurd dan is een stalen frame veel makkelijker lokaal
te repareren.
Butted buizen
Butted framebuizen zijn
voorzien van een op de belasting aangepaste wanddikte. Meestal heeft de
buis in het midden de kleinste wanddikte, en aan de uiteinden ca 0,2 mm
meer. De reden is dat de stijfheid van het frame niet alleen bepaald wordt
door het doorbuigen van de buizen, maar ook door de vervorming in de knooppunten.
Maak je nu de buisuiteinden dikker, dan krijg je relatief eenvoudig een
stijver knooppunt met een zeer beperkte gewichtstoename. De levensduur
van het frame zal ook toenemen, en het bijvijlen van de soldeernaad wordt
minder kritisch. Eindverdikte buizen worden per stuk gemaakt, en zijn dus
duurder dan buizen van constante dikte die in bundels van 7m. lengte de
fabriek binnen rollen. Een frame uit butted buis voelt doorgaans minder
dood aan, en veert meestal iets beter.
Lugs of geen lugs.
Stalen frames worden doorgaans
gesoldeerd (met lugs of lugloos) of gelast. Aluminium frames worden óf
gelast (dan is vaak weer een warmtebehandeling nodig om de materiaaleigenschappen
te herstellen, of moet het frame een paar maanden tot rust komen) óf
gelijmd met lugs.
Lugs zijn koppelstukken
waarmee de buizen van gesoldeerde of gelijmde frames met elkaar verbonden
kunnen worden. Deze verbindingstukken worden in grote series gemaakt, en
zijn erg handig in de serieproductie of voor de ambachtelijke bouwer. Het
frame kan als een bouwpakket in elkaar worden geschoven, zodat voor het
solderen slechts zeer beperkte hulpmiddelen nodig zijn. Nadeel is dat de
buisdiameter en de hoek waaronder de buizen in elkaar gestoken worden door
de lug wordt bepaald.
Het is ook mogelijk om de
framebuizen zonder lugs met elkaar te verbinden. De buizen moeten dan precies
pas worden gefreesd, en in een mal gefixeerd. Stalen frames kunnen dan
met een speciale soldeertechniek worden verbonden, of gelast zoals we ook
veel bij aluminium ATB's zien.
Bij lugloze constructie
heb je grote vrijheid voor wat betreft de buisdiameters en de geometrie
van de fiets. Bouw je met lugs dan weet je van te voren al dat de bovenbuis
1" of 1.125" diameter heeft, nagenoeg horizontaal loopt, en dat de brackethoogte
afhangt van de achtervorklengte, zithoek en de voorhanden bracketlug. Kleine
frames hebben door deze beperkingen vaak extra hoge brackets (het bracket
zou juist omlaag moeten) en in grote frames kom je zo de afzichtelijke
dubbele bovenbuizen tegen, terwijl een iets grotere diameter veel eleganter,
efficienter en veel lichter zou zijn.
Oversize
Omdat in de industrie tot
voor kort uitsluitend met lugs werd gewerkt waar de buizen in werden gestoken,
lagen de buitendiameters van fietsbuizen vast. Voor een stijvere fiets
werd in het algemeen een grotere wanddikte genomen. Een frame wordt dan
net zo veel zwaarder als stijver. Gebruik je een oversize buis, waarbij
je de wanddikte van de buis constant houdt, en het extra materiaal gebruikt
om de buisdiameter te vergroten, dan krijg je een ander beeld. Vergelijk
het volgende staatje. De 34.9 mm buis is twee keer zo stijf als twee standaard
28.6 mm buizen, maar wel 30% lichter!
diam. x wanddikte |
stijfheid |
gewicht |
stijfheid/gewicht |
22.2 x .8 |
46% |
77% |
.59 |
25.4 x .8 |
69% |
88% |
.78 |
28.6 x .8 |
100% |
100% |
1 |
28.6 x .9 |
111% |
113% |
.98 |
28.6 x 1 |
122% |
125% |
.98 |
31.7 x .8 |
137% |
107% |
1.28 |
34.9 x .8 |
205% |
140% |
1.46 |
Lage instap frames
Persoonlijk ben ik geen
grote voorstander van frames met een lage instap. Je geeft gratis stabiliteit
weg, die je met dikkere en zwaardere buizen moet zien terug te winnen.
Maar als de heupen niet meer zo best willen, of als de fiets ook buiten
de vakantie inzetbaar moet zijn, kun je daar anders over denken.
Het ergste wat je kunt doen
is een klassieke opoefiets aanschaffen. Die is gemaakt uit kleine diameter
buis op een hele kleine tussenafstand en daardoor torsieslap. Wat je wil
is juist een torsiestijf frame, ie een frame waarbij de wielen in een lijn
blijven staan, ook al trek je nog zo hard aan je stuur. Torsiestijfheid
krijg je door echte bovenbuis te gebruiken in plaats van twee evenwijdige
dunne buisjes, door een zo hoog mogelijke 'lage' instap in plaats van onder-
en bovenbuis op korte afstand evenwijdig te laten lopen, en door grotere
buisdiameters en wanddikte. En hoe meer 'design', bijvoorbeeld sierlijk
gebogen vormen, hoe ongelukkiger het compromis doorgaans uitvalt.
Maatframe
Als je met een confectieframe
gelukkig kunt worden, koop dan geen maatframe! Dat scheelt geld, en je
hoeft er vast niet zo lang op te wachten. Een maatframe zal echter wel
zinvol zijn als je speciale wensen hebt ten aanzien van de uitvoering of
de afwerking, of als je postuur in combinatie met de gewenste zit niet
overeenkomt met het gemiddelde dat de framefabrieken aanhouden. Het is
dan logisch direkt te denken aan hele kleine en extra grote maten, en ook
aan frames voor vrouwen, maar dat is niet de grootste markt! Bij 'normale
mannen' kom je ook grote verschillen tegen in de verhouding tussen been
en romplengte, en die kan je niet overbruggen met maar één
standaardverhouding zitbuis-bovenbuis!
Samenvatting
Of een stalen of aluminium
frame een vakantie overleeft is afhankelijk van het ontwerp, niet van het
materiaal. Maar staal krijg je onderweg misschien makkelijker gerepareerd.
Een frame van hoogwaardig
stalen buis rijdt 'lekkerder' dan een goedkoop frame waar meer metaal in
is verwerkt. Een aluminium frame is stugger dan een vergelijkbaar stalen
exemplaar.
Maak een flinke proefrit
en vergelijk een paar fietsen voor je je geld uitgeeft. Een passend frame
is meer waard dan glimmende onderdelen.
classificatie van diverse
leverbare buiskwaliteiten
merk |
instap |
budget |
middenklasse |
top |
Reynolds |
501 |
525 |
531. 725 |
753, 853, 631 |
Columbus |
Gara |
Thron |
SL, Cyclex |
Nivacrom, Thermacrom |
Dedacciai |
|
|
Uno serie |
Zero serie |
|