Techniek: rijwielgedeeltes BMW
Het begon met vragen over het rijwielgedeelte van de R1200R. Toen deze te ingewikkeld werden, nodigde BMW de auteur van dit artikel uit voor een bezoek aan haar ontwikkelingsafdeling voor rijwielgedeeltes. De eerste les, die hij daar leerde: simulatie is een belangrijke en uiterst serieus te nemen taak.
Hoe kan het dat een R1200R zo enorm makkelijk stuurt, terwijl de geometrie van deze boxer iets heel anders doet vermoeden? De vraag was snel bedacht, maar het antwoord nam een lange omweg. Dat antwoord was ook niet meteen het verwachte schot in de roos; in plaats van te ervaren waarom BMW’s roadster zo enorm wendbaar is, kregen we meer een indruk van wat er aan ten grondslag ligt.
De eerste stap betrof bij de R, net als alle andere BMW-modellen trouwens, een zo nauwkeurig mogelijke simulatie. Gesimuleerd worden achtereenvolgens de sterkte, stijfheid en levensduur van de afzonderlijke onderdelen van het rijwielgedeelte. Ieder op zich zelf staand onderdeel – hoofdframe, subframe, swingarm, wielen en ga zo maar door – vraagt ongeveer zes weken rekenwerk, die je ook kunt zien als een virtuele balansact tussen zo sterk en zo licht mogelijk construeren.
De basis onder deze simulaties is de zogeheten Finite-Element-Method (FEM): met behulp van een bouwkastsysteem van vlakke-, volume- of staafelementen stelt een constructeur een onderdeel samen. De eigenschappen van die afzonderlijke elementen zijn wiskundig omschreven; de computer berekent vervolgens aan de hand van deze elementen de eigenschappen van het totale onderdeel. Hoe dit onderdeel zich houdt onder de in de praktijk voorkomende belastingen, waar de hoogste druk-, trek- of buigkrachten optreden, is te simuleren met behulp van experimenteel herleide data.
Als de fase van sterkte- en levensduurberekening is afgerond, wordt met de afzonderlijke onderdelen een complete motorfiets opgebouwd en worden vervolgens de rijeigenschappen gesimuleerd. Daarbij is er bijzondere aandacht voor drie kritieke rijsituaties: het zogeheten shimmyen (hoogfrequente stuurbeweging bij een vaak nog lage snelheid), pendelen (het met een lage frequentie om de verticale as bewegen van de hele motorfiets, hogere snelheden) en tankslappers (slaan met het stuur met tien tot vijftien klappen per seconde). Met de database uit eigen huis kunnen echter ook complete ronden op verschillende circuits worden gesimuleerd. Zo vallen de rijeigenschappen van een motorfiets met een nauwkeurigheid van ongeveer negentig procent te voorspellen.
Mogelijkerwijs wekt het voorgaande de indruk dat het hele constructieproces overwegend uit kil en ondoorgrondelijk rekenwerk bestaat – een klusje voor in zichzelf gekeerde computer-nerds. Dat is echter te kort door de bocht. In tegendeel zelfs, want bij dit werk is intensieve communicatie en samenwerking gevraagd. Omdat alles bij een motorfiets immers met het frame verbonden is, hebben de constructeurs iedere week minstens één keer een overleg om met de collega’s van andere afdelingen vast te stellen hoe de talrijke onderdelen uiteindelijk gemonteerd gaan worden. Belangrijk is ook om de toeleveranciers van buizen, smeed- en gietonderdelen al vroegtijdig in het proces te betrekken.
De stap naar de realiteit is daarmee voorbereid, maar desondanks verlaat geen enkele motorfiets de virtuele ruimte voor de constructie dusdanig is geoptimaliseerd dat alle modelberekeningen een probleemloos rijgedrag voorspellen. Daarna wordt het echter tastbaar en ontstaat er aan de hand van de gegevens van de constructeursafdeling een echte motorfiets, een prototype welteverstaan. En dat is ook het moment van ‘trial & error’. Om de hele constructie te optimaliseren wordt gebruik gemaakt van een frame met inserts voor het gebruik van verschillende balhoofdhoeken en posities voor het swingarmlager, kroonplaten met een variabele offset om snel de naloop te kunnen veranderen, swingarmen met een verschillende mate van stijfheid en verschillende varianten voor het hevelsysteem van de achtervering.
Op een ergonomie-opstelling is ook de zitpositie van rijder en passagier in een haast oneindig aantal variaties van stuur- en voetsteunposities en zadelhoogtes te optimaliseren. Een goed geoutilleerde onderafdeling van de prototypeploeg houdt zich bezig met de veerelementen en jongleert met veren, shimpakketten, olieviscositeiten en olieniveaus. Alle variaties worden eerst op een proefopstelling getest, waaronder een die de wrijving van de voorvork onder buigbelasting meet.
Geen van de op de prototypeafdeling ontwikkelde onderdelen mag als dusdanig getest worden. De rijwielgedeeltes of delen daarvan worden in een hydraulische proefopstelling gemonteerd en middels hydraulische cilinders vanuit alle richtingen getest, waarin bij normaal gebruik krachten optreden. Richting en grootte van die krachten wordt door testritten met gelijkwaardige motoren gemiddeld, met een correctiefactor vermenigvuldigd en tot de gewenste levensduur berekend. Vervolgens trekt, drukt en buigt een door een centrale pomp met een druk van 250 bar aangestuurde hydraulische opstelling aan de ingespannen onderdelen. Dag en nacht en wekenlang. Prototypeonderdelen worden voor een test ongeveer 5.000 kilometer getest, uiteindelijke productieonderdelen anderhalf keer de beoogde levensduur. Hoe veel kilometer dat dan precies is, wilden ze bij BMW niet prijsgeven. Tenslotte worden de onderdelen in de testopstelling belast tot ze breken, waarbij ze ten minste tot een vooraf vastgestelde breuklast stand moeten houden. Pas daarna beginnen de andere testen. De productiestart is dan nog minstens een dikke 100.000 kilometer verwijderd.
En de R1200R? Blijft een mysterie. Grotendeels tenminste, want het gyroscopisch effect van de in de rijrichting liggende krukas van de boxer resulteert bij insturen in minder weerstand dan de dwars op de rijrichting liggende krukas van een lijnmotor. Maar dat wisten we al….
