Techniek: wielen
Ondanks dat de uitvinding van het wiel alweer duizenden jaren achter ons ligt, wordt er tot op de dag van vandaag nog altijd aan deze op het oog simpele formule gesleuteld. Lichter en stabieler zijn daarbij de speerpunten in de ontwikkeling, maar ook andere zaken zijn van belang.As, spaken en een velg en klaar is misschien wel de meest revolutionaire uitvinding der mensheid ooit. Dit cirkelronde hersenspinsel zorgt bij motoren voor een lichtvoetige gang voorwaarts en krijgt daarbij heel wat krachten te verduren. Denk aan remmen, accelereren of bijvoorbeeld het rijden in een bocht. Steeds wordt het wiel op een andere manier belast. Dat er daarbij meerdere wegen naar Rome leiden blijkt wel uit de verschillende typen wielen die er zijn. Wij nemen de bekendste uitvoeringen in motorland onder de loep.HET KLASSIEKE GESPAAKTE WIELAllereerst is er natuurlijk het klassieke, maar nog altijd geniale gespaakte wiel. Om ervoor te zorgen dat er bij een vlotte rijstijl niets buigt of breekt, werden de oorspronkelijke houten spaken van Gottlieb Daimlers auto voor de eerste motorfiets van Hildebrand & Wolfmüler in 1894 vervangen door stabiele stalen spaken. Deze werden kruislings gevlochten om zo optimaal de radiale krachten (kracht loodrecht op de as) bij accelereren en remmen op te kunnen vangen. Een geniale vondst, zowel technisch als optisch, die tot het begin van de zeventiger jaren op nagenoeg alle motorfietsen zijn weg vond. Geniaal ook, omdat de drie basiscomponenten van het wiel (naaf, spaken en velg) in geval van beschadiging relatief eenvoudig en apart vervangen konden worden. Bovendien bezorgt het vlechtwerk van dunne stalen spaken de velg een zekere mate van veereigenschappen, die met name op slecht wegdek het rijcomfort ten goede komt en er minder gevaar is voor deuken in de velg. Dat is ook meteen één van de hoofdredenen waarom cross- en enduro motoren tot op de dag van vandaag nog altijd met gespaakte wielen zijn uitgerust. Pogingen in de jaren ’80 om giet- of samengestelde wielen in de offroad-wereld te introduceren liepen op niets uit.Het grote nadeel van deze gespaakte wielen is niet alleen het relatief hoge gewicht, maar ook het feit dat het monteren en aanspannen van de 36 tot 40 spaken niet geautomatiseerd kon worden. De mate van belasting en duurzaamheid van het wiel hangt namelijk volledig af van een gelijke spanning van alle spaken. Is dat niet het geval, dan worden bij het accelereren en remmen de meest strak gespannen spaken het zwaarst belast en kunnen die zelfs knappen wanneer de kracht te groot wordt. En met enkele geknapte spaken wordt het ronde wiel een wiebelende schijf en het is snel over met de pret.De betrouwbaarheid is dus voornamelijk afhankelijk van een zo gelijkmatige mogelijke belasting van het hele spakenpakket. Dat maakt het spannen tot een specialistisch klusje, een Nederlandse grootheid op dat gebied is Haan Wheels uit Schijndel.Niet alleen het gelijkmatig spannen van de spaken (zodat het wiel precies recht is en de naaf precies gecentreerd zit) , ook het rijgen ervan vergt veel precisie en geduld. Vaak zit er verschil tussen binnen- en buitenspaken en tussen links en rechts en bovendien zitten de spaken in het wiel volgens een vast patroon. De lengte van de spaken, de boorhoek in de velg en in de naaf en de hoek die de spaak in het wiel maakt, moet naadloos op elkaar zijn afgestemd.Toch blijkt de grootste uitdaging nog altijd de juiste spanning van de spaken, die middels schroefnippels (spaaknippels) aan de velg vast zitten. Een tijdrovende bezigheid waarbij naast een spaaksleutel het ‘fingerspitzengefühl’ en de oren het belangrijkste gereedschap vormen. Hoe strakker de spaak gespannen, hoe hoger de toon. De kunst schuilt hem dus in het even hoog laten ‘zingen’ van alle spaken, waarbij natuurlijk continu gekeken wordt of het wiel in alle richtingen netjes rond blijft en niet slingert, hetzij op-en-neer, hetzij heen-en-weer.Toch is ook het spaken van wielen steeds verder geautomatiseerd: het ambachtelijke kunststukje heeft de laatste jaren het veld moeten ruimen voor meer aardse apparatuur, die de spaak aanspant en tegelijkertijd de doorbuiging van de spaken meet onder belasting.Eén van de grootste nadelen van het gespaakte wiel voor wegmotoren was natuurlijk ook de lekkage: ze waren niet luchtdicht langs de spaaknippels, waardoor er geen veilige tubeless-banden op gebruikt konden worden. Maar ook op dit vlak is er het laatste decennium veel progressie geboekt, hetzij door de spaken met o-ringen luchtdicht in de velg te bevestigen, hetzij door de spaken in een aparte richel of in de schouders van de velg te monteren, zoals op de BMW GS.HET SAMENGESTELDE WIELGoedkoper, maar nauwelijks beter is het samengestelde wiel. Een vinding van Honda die haar zogenaamde Comstar wielen voor het eerste presenteerde op de CX500 in 1979. De naaf is middels vijf (of meer) geperste spaakprofielen aan een luchtdichte en daardoor wel voor tubeless banden geschikte aluminium velg bevestigd. De spaken (spaakprofielen) konden niet worden vervangen en zaten vastgeschroefd en vastgeklonken aan de velg en naaf.Wat gewicht betreft had het nauwelijks iets extra’s te bieden, want het samengestelde wiel was nauwelijks lichter dan een gespaakt wiel. Bovendien oogde het geheel wat goedkoop en daarom bleek het samengestelde wiel, achteraf bezien, een soort overgangsfase naar het tijdperk van volledig gegoten wielen. Dat had immers wel de voordelen van het samengestelde wiel (de toepassing van tubelessbanden), maar niet de nadelen zoals het gewicht en de levensduur. Want na vele jaren bleken de samengestelde wielen minder stevig dan gedacht: de geklonken verbindingen konden speling krijgen, wat de rij-eigenschappen en de veiligheid natuurlijk niet ten goede kwam! Het samengestelde principe werd nog wel verder uitgediept in de vorm van een mix tussen magnesium spaken met een koolstofvezel (carbon) velg. Een lichtere constructie voor de racerij, maar ook een tijdelijke. Niet veel later maakten namelijk volledig uit carbon opgetrokken wielen furore. Al hadden ook die volledige carbonwielen een bedenkelijke start: uitgerekend bij Honda fabrieksrijder Freddy Spencer brak tijdens een test op de 500cc GP-racer in 1984 zijn achterwiel, hetgeen zorgde voor een onbedoelde, duivelse vlucht van de meervoudig wereldkampioen. En voor een halt aan de ontwikkelingen op dit gebied. Maar dat was toen, anno 2010 zijn carbonwielen bestand tegen de meest weerzinwekkende krachten en bovendien ook duurzaam. Maar ook peperduur, niet te vergeten.HET GIETWIELVan een karrewiel naar een slanke driespaaks constructie, zo verliep grofweg de evolutie van het gietwiel. Want wat hadden de constructeurs van de eerste lichting Japanse gietwielen zich in hemelsnaam in het hoofd gehaald. Met afgrijzen denk je nog terug aan die massieve en loodzware aluminium zevenspaaks Yamaha wielen van de RD- en XS-modellen in het midden van de jaren zeventig. Juist door het gewicht van deze eerste gietwielen kregen deze lichtgewicht-motorfietsen de motoriek van een toerbuffel, dus eigenlijk gold in die jaren duidelijk de wet van de remmende voorsprong.De grond voor de overdreven zware en solide constructie van die eerste generatie gietwielen lag in de toen nog problematische aluminium giettechniek. Dat gieten gebeurde nog voornamelijk handmatig en het was niet uit te sluiten dat er in het gietwerk luchtbellen achterbleven. En door die mogelijke luchtbelvorming werd het materiaal natuurlijk verzwakt, waardoor een grote veiligheidsmarge in de vorm extra wanddikte noodzakelijk was. Controle van het lichtmetaal door middel van bijvoorbeeld ultrasone of röntgenstralen was domweg veel te duur, dus koos met voor wat extra wanddiktes.Die controlemogelijkheden zouden in de zeventiger jaren echter een welkom hulpmiddel zijn geweest voor kleine fabrikanten van magnesium wielen. In veel kleine werkplaatsen en schuurtjes gingen ‘uitvinders’ aan het werk die met name voor de racerij lichtere wielen gingen produceren, niet alleen van aluminium, maar ook van magnesium. Die laatste waren vederlicht; het soortelijk gewicht van magnesium is 1,8 g/cm³ tegenover 2,75 g/cm³ van aluminium. Het waren mooie initiatieven, maar de wielen bleken ook zeer kwetsbaar en valpartijen en ongevallen door gebroken wielen waren in die beginjaren van het gietwiel aan de orde van de dag, ook omdat aangetaste oppervlakken van de extreem corrosiegevoelige magnesiumlegeringen bij de minste impact verbrokkelden tot een fijn granulaat.In de serieproductie probeerde men stabiliteit en een lager gewicht te bewerkstelligen door een uitgekiend spakenpatroon voor de gietwielen te introduceren. Daarnaast werd ook het uiterlijk van de wielen steeds belangrijker: met dubbele spaken, radiale (recht op de naaf) of tangentiale (onder een hoek op de naaf) positionering, rechte of gebogen spaken en kruis- of Y-vormig design probeerde men het wiel een dynamische uitstraling te geven. De gewaagde stap naar een lichtgewicht wiel met slechts drie spaken in het midden van de jaren tachtig bleek een schot in de roos: nog altijd vind je dit ontwerp terug op het gros van de huidige motoren. De laatste jaren zie je echter duidelijk dat de trend weer verschuift naar meerspaaks-gietwielen. Door toepassing van steeds dunnere velgbedden biedt deze constructie onder extreme belasting namelijk duidelijk meer stabiliteit. Bovendien scoren de moderne gietwielen door een dunner profiel van de spaken en grotere, holgegoten naven wat betreft het lage gewicht erg goed.Toch lijkt het erop dat we ook op dit vlak tegen het einde van de ontwikkeling lopen: de verwachting is dat we op het gebied van de wielen de komende jaren minder grote stappen zullen zetten dan de afgelopen twintig jaar het geval is geweest. Een 2.5 x 17 inch voorwiel van een Honda Hawk uit 1988 woog, zonder remschijf en band, bijvoorbeeld een flinke 5,1 kilo, terwijl het 3.5 x 17 inch (dus breder) exemplaar van de CBR600RR momenteel nog maar 3,8 kilo weegt. En niet alleen het gewicht is geoptimaliseerd, ook de stijf- en betrouwbaarheid van moderne aluminiumlegeringen heeft een enorme boost gehad. Het is tegenwoordig zelfs mogelijk om een verbogen of gedeukt gietwiel door een specialist opnieuw te laten richten, iets dat vroeger ondenkbaar was.HET WIEL VAN DE TOEKOMSTHet gewicht in het algemeen en de roterende massa in het bijzonder zijn de speerpunten in de ontwikkelingsstrategie van fabrikanten. Lichte wielen hebben namelijk niet alleen een positieve invloed op het totaalgewicht, maar ook op de roterende massakrachten. Hoe hoger die roterende massa, hoe meer vermogen er nodig is om het wiel in beweging te krijgen en dat heeft weer een negatieve invloed op het verbruik. Daarnaast is een wiel met een hoge roterende massa moeilijk van zijn lijn af te krijgen, dat wil het liefste gewoon rechtdoor rollen. Een lichter wiel heeft dus 1 op 1 invloed op het stuurkarakter van een motorfiets. Een ander voordeel schuilt hem in een lager onafgeveerd gewicht, dat van grote invloed is op het veercomfort, de handelbaarheid en het band-weg-contact.Het is dus niet verwonderlijk dat het wiel in de toekomst dan wel niet opnieuw uitgevonden zal worden, maar wel tot in de puntjes geoptimaliseerd wordt. Een voorbeeld daarvan zijn de moderne hoogwaardige magnesium wielen, die vlak na het gieten nog heet en wel worden nabehandeld in een smeedpers, om zo tot een optimale vorm, gewicht en stabiliteit te komen. Ook nieuwe, lichte grondstoffen kunnen in de toekomst het veelal gebruikte aluminium gaan vervangen. Het eind van de regenboog is dus nog lang niet in zicht.________________________________________[KASTEN DAS RAD – BEWEGUNG UND STILLSTAND ZU GLEICH]HET WIEL: HOLLEN EN STILSTAAN TEGELIJK!Het wiel, zo eenvoudig ligt de zaak, draait om een as. Simpel. Toch is datzelfde wiel als optimaal transportmiddel behoorlijk gecompliceerd. Want niet het wiel zet onze motorfiets in beweging, maar de as. Het wiel daarentegen draait om een centrum, in dit geval de zojuist genoemde as. Daarbij komt de rotatie van de band (zonder slip) exact overeen met de snelheid van de motor. In dit voorbeeld gaan we uit van een constante snelheid van de motor, en dus ook de as, van 100 km/uur. Zou je op een vast punt van het straatoppervlak de rotatiesnelheid meten van de buitendiameter van de band op datzelfde punt, dan is de uitkomst een relatieve snelheid van nul. De as rolt als het ware over het raakvlak van de band heen. Dat raakvlak van band en wegdek staat in feite precies stil.Daarentegen bereikt de band aan de bovenzijde, loodrecht op de as, de dubbele snelheid van de as, in dit geval 200 km/uur. Dit komt omdat de snelheid van voertuig/as en de rotatiesnelheid van het wiel elkaar aanvullen (zie tekening). Dit principe laat zich wellicht nog het duidelijkst verklaren aan de hand van een kettingaangedreven motorfiets. Het onderste deel van de ketting staat stil ten opzichte van de grond, terwijl de as er tegelijkertijd overheen beweegt. Het raakvlak van de band met de weg legt maakt tijdens het rijden dan ook geen ronde, maar een boogvormige beweging die zich permanent herhaalt (zie tekening) Pas wanneer er een zeker mate van slip optreedt, het doordraaien van de band dus, wordt deze cyclus onderbroken. [Unterschrift Kasten]2 x voertuigsnelheidvoertuigsnelheidstilstaandWegRaakvlakBewegingsverloop van een vast punt op de buitendiameter van de band.Bij contact tussen band en wegdek is de horizontale snelheid op één punt gelijk aan nul.________________________________________[UNTERSCHRIFTE][MRD SEITE 103]SPAAKWIELEN36 of 40 spaken, die elkaar twee keer kruisen (punt 1 en 2) zorgen niet alleen voor veel stabiliteit, maar brengen ook adequaat de rem- en acceleratiekrachten over. Voorwaarde is wel dat alle spaken even strak gespannen zijn.SAMENGESTELDE WIELENDe samengestelde Comstar wielen van de Honda CX500 waren opgebouwd uit een gegoten aluminium naaf en dichte aluminium velg, aan elkaar geschroefd en geklonken middels aan weerszijden vijf stalen spaken(geniet en geschroefd).GIETWIELENYamaha voorzag midden jaren zeventig haar RD- en XS-modellen van loodzware en lomp ogende gietwielen met zeven spaken in dubbel T-profiel. De latere XJ650 machines kregen al veel fraaiere vijfspaaks gietwielen, die dankzij de gebogen spaken dynamisch oogden. [MRD SEITE 104]20 JAAR GIETTECHNIEKIn 1988 werd er in tussen de vorkpoten van Honda’s Hawk (RC31) een 2.5 x 17 inch wiel met drie dubbele spaken gehangen (rechts). Deze woog ondanks zijn smallere velg en enkele remschijf-bevestiging 5,1 kilo. Het bredere 3.5 x 17 inch wiel van de 2008 CBR600RR met holle naaf en hol gegoten spaken weegt daarentegen slechts 3,8 kilo. Tot vier millimeter dunne wanddiktes reduceren de roterende massa aanzienlijk, met een onder meer een betere handelbaarheid tot gevolg.VELGBREUKENWanneer een moderne velg bloot staat aan extreme krachten (een stoeprand, obstakel op het wegdek of ongeval) vervormt deze in eerste instantie tot een bepaalde graad, dan breekt het metaal echter. Meestal met scherpe randen zoals te zien aan het velgbed op deze foto.[MRD SEITE 105]CARBON WIELENOok vroeger zag men al het voordeel van carbon wielen in. Door het lage gewicht had zo’n velg ook weinig roterende massa, wat goed is voor het stuurkarakter en het veercomfort. De eerste exemplaren waren nog een mix tussen een carbon velgbed met magnesium spaken en naaf.
