Techniek: frames (2)
Het frame van een motor staat bloot aan verschillende manieren van (soms extreme) belasting. En dat niet een enkele keer, maar continu gedurende het volledige motorleven en dat ook nog eens overal ter wereld. De lay-out ervan bepaald bovendien grotendeels de rijeigenschappen van de motorfiets.
De scène oogt bijna als uit een actiefilm: een Suzuki GSX-R1000 wordt door een kraan tot een hoogte van ongeveer drie meter getakeld. Plotseling valt de zware duizend naar beneden en raakt met volle kracht de betonnen vloer. Onmiddellijk takelt de kraan hem weer omhoog en amper tien seconden later ploft de viercilinder weer met harde hand met beide wielen op moeder aarde. “We testen onze frames tot het uiterste”, meldt de dienstdoende ingenieur volledig overbodig. Elk nieuw frame wordt drie dagen aan dergelijke martelingen onderworpen, pas dan is zeker dat de basisconstructie voldoet en de nodige stress baas kan.
Deze op het oog misschien extreme testen zijn bepaald niet overdreven. Een motorframe is namelijk waar kunststukje op constructiegebied. Zelfs na 25 jaar ononderbroken gebruik, waarbij het is onderworpen aan een hele variëteit inwerkende krachten, mag het immers niet breken. En die krachten zijn zeker niet te onderschatten. Nemen we als voorbeeld een 400 kilo zware toermachine die een noodstop moet maken. Deze remt met een gemiddelde vertraging van 10 m/s², de ongeveer één meter lange voorvork geleidt de bij het wiel ontstaande remkracht (kracht (F) is gelijk aan massa (m) maal versnelling (a)) van 4.000 N (Newton) door naar het balhoofd en de ongeveer twintig centimeter uit elkaar liggende balhoofdlagers. Dat is nog exclusief het gewicht van de motorfiets zelf, die bij deze vertraging eveneens 4.000 N bedraagt, aangezien het achterwiel bijna loskomt. Stel je daarbij ook nog een flinke hobbel in het wegdek voor, waardoor de vork doorslaat, en dan heb je ongeveer een idee hoeveel tonnen aan kracht er alleen al op het balhoofd inwerken bij een simpele remactie.
De krachten aan de achterzijde zijn overigens net zo hoog, waarbij de achterschokbreker om de hoek komt kijken. Via een rond de 580 mm lange swingarm is de motorfiets afgeveerd, en ook hier zijn er veel krachtpieken die op het frame inwerken als gevolg van (sterke) oneffenheden die de schokdemper soms doen doorslaan. Daarom krijgen testmotoren ook een speciaal hobbelig traject voorgeschoteld waarbij de vering wekenlang tot aan de limiet wordt getest. Bij Triumph bijvoorbeeld laat men de voorvork en achterschokbreker bewust meerdere keren per minuut doorslaan. Dus niet alle klusjes van de professionele testrijder zijn even aangenaam. Wel testwerk dat belangrijk is voor de veiligheid. Tegenwoordig kunnen heel veel zaken middels speciale computersimulaties worden getest (zie openingsbeeld), dat biedt weliswaar een globaal beeld, maar echte harde conclusies kun je daaruit niet altijd trekken.
Vooralsnog hebben we het helemaal nog niet gehad over aandrijf- en bochtenkrachten. Daarbij treden asymmetrisch inwerkende krachten op. Een ketting bijvoorbeeld, trekt het achterwiel iets naar links. En onder hellingshoek proberen krachten via het achterwiel de swingarm te verdraaien, terwijl via de voorvork het balhoofd zijdeling wordt belast. En dan zijn er nog meer zaken die je in ogenschouw moet nemen. Ieder blok vibreert bijvoorbeeld behoorlijk en belast daardoor het frame nog extra. Bovendien geeft een blok zijn warmte af aan het frame, waarvan sommige delen meer dan 100 graden warm worden. Datzelfde materiaal mag echter ook bij min dertig in Zweden niet breken. Zo langzamerhand besef je je dus wel hoeveel knowhow er nodig is voor het bouwen van een goed frame. Temeer daar zo’n ding ook geen 45 kilo meer mag wegen, zoals ooit het geval was bij sommige zwaarlijvige Japanners.
Een enorme stap voorwaarts op dat gebied was om het blok niet meer als los element, maar als één van de bouwstenen van de frameconstructie te zien. Deze uit te voeren als dragend element, soms gecombineerd met de lagering van de swingarm en/of montagepunt van de achterschokbreker, bespaart niet alleen enorm veel gewicht, maar komt ook de stijfheid en duurzaamheid ten goede. Uiteraard moet het blok daarbij wel volledig spanningsvrij worden gemonteerd, anders zou er immers direct een extra belasting ontstaan. Dankzij de nieuwe constructie is het KTM bijvoorbeeld gelukt om het frame van haar 180 pk sterke 1290 Super Duke, inclusief aluminium subframe, tot 9,6 kilo te beperken. Een meesterwerkje kortom op het gebied van lichte constructietechniek.
Daarmee zijn we dan weer bij het thema materiaaltechniek aangekomen. KTM zweert als het op frames aankomt, bij staal. Staal heeft bij een gelijke stijfheid minder bouwruimte nodig, zo luidt de argumentatie van de Oostenrijkers. Zelfs de RC16 MotoGP-racer van de Oostenrijkers is rond een stalen basis geconstrueerd. Staal is makkelijker te verwerken en daarnaast ook duurzamer/stressbestendiger dan aluminium. Dat is ook de reden dat de zwaar belaste frames van hardcore offroadmotoren doorgaans van staal zijn vervaardigd. Hoe de ontwikkeling in het sportieve wegsegment zich verder doorzetten, zal de tijd leren. Daar is aluminium vooralsnog het meest populair, tegenwoordig zelfs in een gegoten vorm. Al heeft Kawasaki zich met haar hoog vermogende H2-lijn weer bij de staal school aangesloten. De gewichtsbesparing ten opzichte van een vergelijkbaar aluminium frame bedraagt volgens de Japanners rond de twintig procent. Dus zien we binnenkort weer meer stalen vakwerkframes – in de jaren 90 door Ducati tot bloei gebracht – bij de fractie van Yamaha R1 en co? Niet per definitie, want niet alleen de techniek, maar ook de marketing speelt een prominente rol. Vandaag is het vakwerkframe helemaal in de mode, morgen zweert de goegemeente weer bij een aluminium brugframe. En ook daar moeten de ingenieurs weer rekening mee houden. Het leven van de frame-specialist is niet gemakkelijk, zo blijkt…
