Techniek: frames

De eisen die worden gesteld aan frames van motorfietsen zijn extreem hoog. Ze moeten stijf, maar in zekere zin toch enigszins flexibel zijn. Daarbij moeten ze ook nog licht zijn, maar niet kwetsbaar. Bovendien moeten ze op een betaalbare manier kunnen worden geproduceerd zonder dat ze goedkoop aandoen. We gaan kijken hoe tegenwoordig het probleem van deze tegenstrijdige eisen wordt opgelost.

De conventionele motorframes van de naoorlogse jaren waren veelal klassieke dubbele wiegframes uit (niet al te dikke) stalen buizen. Die frames omvatten het motorblok volledig en het blok bleef zo vrijwel geheel vrij van alle buig- en torsiekrachten die er op het frame van een motorfiets werken. Vaak werden de motorblokken zelfs in rubbers gemonteerd om trillingen te isoleren van de rest van de machine en de rijder. Het blok was zodoende geheel ontkoppeld van het rijwielgedeelte. Alleen de lange, van links naar rechts door de rubbers lopende blokbouten zelf droegen nog aan de framestijfheid bij.
Ook veel voorkomend waren constructies uit aan elkaar gelaste stukken geperst plaatstaal (bijvoorbeeld de NSU Max), enkelvoudige wiegframes (bromfietsen, lichte 125’s en terreinmotoren) of de frames met groot gedimensioneerde centrale buis, zoals de Zwitser Fritz Egli die vooral voor veel krachtige Japanse viercilinders construeerde en perfectioneerde.
Slimme constructeurs lieten de twee onder het blok door lopende buizen van het dubbele wiegframe gewoon weg en vervingen dat door het blok op minstens drie punten geheel vast te monteren. Zo ontstond het zogeheten ‘open wiegframe’, al was de eigenlijke wieg natuurlijk weg. Aldus gebruikte Honda bij het lichte, minimalistische open buizenframe van de CB72 uit de jaren zestig het stijve motorblok als een vastgebout framedeel, om op die manier gewicht en materiaal te sparen en toch een goede stijfheid te behalen. Deze constructie van motorblok als dragend deel van het frame is tegenwoordig de standaard en bij vrijwel alle moderne sportmotoren te vinden, meestal in combinatie met een aluminium brugframe.

Hetzelfde principe, maar in een zowel technisch als optisch totaal andere uitvoering, gebruikt Ducati al vele jaren bij haar sportieve V-twins (tot de komst van de Panigale althans). In plaats van aluminium profielen of aluminium gietdelen gebruiken de Italianen dunne stalen buizen die in driehoeksvormen aan elkaar zijn gelast en daarbij ook het motorblok als verbindend element gebruiken. Daarnaast dient dit zogeheten vakwerkframe (in het Engels ‘trellis’ genoemd, traliewerk) bij Ducati meteen als markant designelement. Bij voorkeur opvallend rood gelakt en bewust in het zicht geplaatst, onderscheidt Ducati zich hiermee van de Japanse massaproducten, net als overigens nog een paar Italiaanse merken en een zeker Oostenrijks merk.
Eind jaren tachtig werd bij de legendarische 750cc-superbike Yamaha FZR750R (beter bekend als OW-01) het beroemde Deltabox-frame geïntroduceerd, waarbij het blok geheel star, zonder rubbers werd gemonteerd onder twee grote aluminium framebalken, die in stijve driehoeksvorm (vandaar ‘Delta’) bij het balhoofd samenkwamen. Het motorblok moest natuurlijk wel voldoende sterk en stijf worden uitgevoerd om de krachten te kunnen weerstaan. Een kritisch punt daarbij is de afdichting van cilinderkop en cilindervoet; mede een reden waarom sommige fabrikanten er later toe overgingen om cilinders en carter als één geheel uit te voeren (naast het hoofdzakelijke voordeel van een lager gewicht, compactere bouw, minder losse onderdelen en betere warmteafvoer).
Om te voorkomen dat de aluminium gietstukken van het frame gaan scheuren onder de spanning van de blokbouten, kan de rechterkant van de motorophanging soms met schroefspindels zo worden versteld dat het blok spanningsvrij kan worden gemonteerd. Aan de linkerzijde zorgen de gefreesde passingen er daarentegen voor dat het blok op exact de juiste positie in het frame zit en het voortandwiel precies in lijn ligt met het achtertandwiel.

Verder worden bij het ontwerpen van het frame veel parameters vastgelegd die van beslissende invloed zijn op het stuurgedrag (zie het kader ‘Frame-parameters’) en die achteraf nauwelijks meer veranderd kunnen worden. Naast de geometrie zijn dat ook nog ogenschijnlijk banale dingen als stuuruitslag of zithoogte.
Honda ging bij het aluminium brugframe van de Fireblade van 2000 (de ‘CBR929RR’, type SC44, en ook de CBR954RR ofwel SC50 van 2002) nog een stap verder met weglaten en lagerde de achtervork rechtstreeks in het motorblok, net als Ducati bij het vakwerkframe reeds met enkele modellen deed. Het eigenlijke frame werd daarmee een stuk korter en lichter. Wel maakte een dergelijk compacte constructie de bewust ingecalculeerde flexibiliteit van het frame lastiger. Die flexibiliteit werd gaandeweg steeds meer nodig omdat voorvorken, wielen en banden in de racerij steeds stijver werden uitgevoerd en onder extreme hellingshoeken (tot wel 60 graden uit de verticaal) en eveneens extreme remvertragingen tot wel 14 m/s²  – bijna 1,5 G – nauwelijks nog hobbels konden absorberen. Ooit was het doel van de constructeurs een zo groot mogelijke framestijfheid, maar sinds het midden van de jaren negentig wordt er gezocht naar een zo goed mogelijk compromis en precies de juiste mate van stijfheid en flexibiliteit in elk deel en elke richting van het rijwielgedeelte. Teveel stijfheid gaat ten koste van zowel het comfort als de feedback voor de rijder, en onder grote hellingshoeken in het bijzonder ook ten koste van het wegcontact en dus de grip. Het frame moet ook bij korte, harde stoten in verticale richting enige flexibiliteit hebben om zo de vering als het ware te helpen. Deze flexibiliteit in langsrichting is in de regel duidelijk groter dan de zijdelingse flexibiliteit (zie het staafdiagram).
Om te zorgen dat deze flexibiliteit niet negatief uitwerkt op de stabiliteit tijdens hard remmen, is de zone achter het balhoofd doorgaans voorzien van flinke dwarsverbindingen om zo een stabiele driehoek te vormen. Anders zouden de naar buiten uitlopende framebalken onder de enorme krachten en momenten die op het balhoofd werken (samen over de ton) teveel vervormen. Al deze dingen worden vooraf zoveel mogelijk in computersimulaties bepaald en later daadwerkelijk gemeten in praktijktests.

De juiste mix van benodigde stijfheid en gedoseerde flexibiliteit bereiken de constructeurs door het gebruik van verschillende maten framebuizen en wanddiktes. In de Superbike- en MotoGP-racerij kan soms zelfs met afschroefbare dwarsverbindingen de stijfheid aan verschillende omstandigheden of rijders worden aangepast. Hoe complex en soms tegenstrijdig dit gegoochel met frames kan zijn, zie je vooral in de MotoGP. Daar worden van de ene op de andere wedstrijd frames stijver gemaakt, vervolgens weer flexibeler en later met veel extra materiaal weer heel veel stijver. Vooral bij Ducati kunnen ze er zo ondertussen van meepraten hoe complex deze puzzel is…. In welke mate de frames van moderne sportmotoren ‘meegeven’, blijkt uit de bijgaande staafdiagrammen met de stijfheden in de verschillende richtingen.
Hoe heftig de krachten kunnen zijn die er op een motorframe werken, wordt enigszins aanschouwelijk gemaakt door een maximale remactie met duopassagier op een in totaal zo’n 380 kilo zware straatmotor (zie foto). De enorme krachten en momenten op het balhoofd ontstaan door de gewichtsverplaatsing en vooral de hefboomwerking van de telescoopvoorvork. En in deze zware belastingen zit misschien wel de zwaarste opgave in de framebouw. Miljoenen krachtpieken moet het frame gedurende tientallen jaren weerstaan zonder dat er door langdurige belasting vermoeiing optreedt en er verbuiging of uiteindelijk zelfs breuk ontstaat. En dat terwijl er zeker bij hoogvermogende sportmotoren juist om extreem lichte constructies wordt gevraagd…. Een delicate balanceeract!