Frameconstructies en materialen

Wat is nu het beste framemateriaal en wat de beste framevorm? Hierop bestaat geen eenduidig antwoord. Verschillende framematerialen hebben hun specifieke eigenschappen met bijbehorende vormingsmogelijkheden. Afhankelijk van het soort fiets, het gewenste rijkarakter, de gebruiks-omstandigheden en de gewenste vormgeving zijn er ontelbaar veel constructies mogelijk, elk met zijn eigen voor- en nadelen, mogelijkheden, beperkingen en prijs.

Torsiestijfheid

Bij een fietsframe is een zo hoog mogelijke torsiestijfheid gewenst. Dit geeft aan hoe goed het voor- en achterwiel in lijn blijven onder belasting. Hoe hoger de torsiestijfheid, hoe minder de fiets vervormt en hoe betrouwbaarder het stuurgedrag blijft. Een slap frame tordeert, waardoor de fiets niet exact de bochten rijdt die je zelf in gedachten hebt, of vervelend zwabbert als je met veel bagage rijdt.

Daarnaast is een slap frame erg gevoelig voor “shimmiën” op hogere snelheden. Het frame komt dan in een soort oncontroleerbare trilling waardoor de fiets uiteindelijk onbestuurbaar wordt. Het enige wat je tijdens een shimmy kunt doen is je stuur heel stevig vasthouden, remmen en bidden. Hoe stijver het frame, hoe hoger de snelheid waarbij een shimmy optreedt. Bij lagere snelheden, een relatief lichte berijder en geen of lichte bepakking komt het niet zo kritisch, maar als je ooit op hoge snelheid, met volle bepakking, op een haarspeldbocht af bent gestormd ga je een betrouwbaar stuurgedrag wel waarderen.

Bracketstijfheid

Een andere belangrijke eigenschap van een frame is de bracketstijfheid. Dit zegt iets over hoe ver de trapas meegeeft bij kracht zetten op de pedalen. Bij een slap frame buigt het midden van de fiets heen en weer en soms komt dan de achterband tegen de achtervork aan en de ketting kan zelfs tegen de voorderailleur aanlopen. Dit gaat ten koste van uw kostbare energie. Vooral wielrenners en mountainbikers zijn gebaat bij een zo hoog mogelijke bracketstijfheid. Een frame met een hoge bracketstijfheid geeft je het gevoel dat iedere trap raak is, want er gaat geen energie verloren in de bewegingen van het frame.

Verticale stijfheid versus comfort

We beperken ons hier tot ongeveerde frames en laten full suspension fietsen maar even buiten beschouwing, want veersystemen zijn een wetenschap op zich.

Een hoger comfortgevoel wordt nog vaak onterecht toegeschreven aan fietsen met een lagere torsie- en bracketstijfheid, zoals bij veel stalen frames het geval is. Dit is een hardnekkige misvatting! Comfort komt namelijk niet uit zijdelingse bewegingen, maar uit verticale! Vergelijkende tests en metingen hebben aangetoond dat de wat slappere frames helemaal niet comfortabeler zijn dan de exemplaren met hoge torsie- en bracketstijfheden. Sterker nog; tijdens vergelijkende tests met verschillende frames met exact gelijke afmontage, wielen, banden, zadels en sturen werden de stijfste modellen als meest comfortabel ervaren.

Bijna alle frames zijn opgebouwd uit twee driehoeken. Dit is de sterkste en lichtste buizenconstructie die er bestaat en is bijvoorbeeld te zien in bruggen, hijskranen en de Eiffeltoren. In rechte vorm geven de zijdes van iedere driehoek in verticale richting geen krimp. Zelfs de wat meer elastische materiaalsoorten als staal en titanium.

frame-driehoeken

Dat een bepaald framemateriaal per definitie een hoger comfortgehalte heeft dan een ander is ook een fabeltje. Het is niet zo dat bijvoorbeeld alle stalen fietsen altijd comfortabeler zijn dan alle aluminium fietsen. De comfortverhogende veerwegen zitten voornamelijk in de banden, het zadel, de zadelpen, het stuur en de vormgeving van de achter- en voorvork. Niet in het materiaal zelf. Ook de geometrie van het frame speelt een rol.

Een meer elastisch materiaal maakt het wel mogelijk in geringe mate wat 'flex' in de achtervork te ontwerpen door deze niet kaarsrecht maar een beetje gebogen te maken. Echter, als dit niet goed doordacht uitgevoerd wordt, gaat dit ten koste van de torsie- en bracketstijfheid en dus van het betrouwbare stuurgedrag. Een flexvork kan in principe met ieder materiaal gemaakt worden, zelfs met aluminium, maar omdat dit metaal relatief snel last heeft van metaalmoeheid, nemen veel fabrikanten liever geen risico. Bij carbon en titanium ligt de grens veel verder weg en bij frames van deze materialen zie je vrij veel gebogen achtervorken.

Zie in onderstaande afbeelding de delen waar een framefabrikant door toepassing van dunne, afgeplatte en gebogen buizen, een beetje flex kan inbouwen. De gele buigingsvlakken zijn sterk overdreven weergegeven. We praten hier over slechts enkele millimeters.

frame-flex

Gewicht

Het is natuurlijk fijn als het frame een beetje licht is. Het is geen kunst om een heel stijf, maar veel te zwaar frame te maken. Een licht frame bouwen is al iets moeilijker, maar deze moet tegelijk niet te slap worden. Een licht én stijf frame construeren, dát is de kunst! Fietsfabrikanten moeten dus optimaal gebruik maken van de mogelijkheden van een bepaald framemateriaal en goed rekening houden met de beperkingen.

Het is niet zomaar te zeggen dat carbon frames altijd lichter zijn dan aluminium versies. Er bestaat altijd overlap, afhankelijk van het soort carbon, de soort aluminium legering, buisdiameter, wanddikte en framevorm. De hoogwaardigste aluminium frames kunnen prima concurreren met de basis carbon frames. Hetzelfde geldt voor titanium.

Buizen met een grote diameter maken stijvere constructies mogelijk, maar het gewicht dient ook binnen de perken te blijven. Zo wordt de wanddikte van dikke buizen meestal verdund. De buis is dik op plaatsen waar het moet en dunner op plaatsen waar het kan. Een 'plain' buis heeft een wandikte die over de hele lengte gelijk is. Een 'single butted' buis is in het midden een beetje verdund, een 'double butted' buis nog iets meer en een 'triple butted' buis heeft een drievoudige verdunning ondergaan.

butted-tubes

Sterk verdunde buizen kennen het 'colablikjes-effect'. Ze zijn in lengterichting wel sterk, maar kunnen relatief eenvoudig ingeknepen worden. Dunne wanden zijn op zich geen probleem, zolang ze niet te dun worden gemaakt!

Duurzaamheid

Het ene materiaal heeft een sterker vermoeidheidsgedrag dan een ander. Er wordt nog al te vaak aangenomen dat staal duurzamer is dan aluminium, omdat het een grotere elasticiteitsmodulus heeft en dus pas veel later last krijgt van metaalmoeheid dan aluminium. In theorie is hier op zich iets voor te zeggen, maar de praktijk heeft inmiddels allang het tegendeel bewezen.

Toen iedereen zo'n 20 jaar geleden nog op staal rond reed kwam er procentueel veel meer framebreuk voor dan 10 jaar geleden, toen aluminium de overhand begon te krijgen. En nog steeds komt er bij stalen frames procentueel meer framebreuk voor. Santos bouwt de beroemde Travelmaster (een heavy-duty trekkingfiets) nu al ruim 10 jaar en nog nooit is er een frame spontaan gebroken! Aluminium-skeptici hebben in de loop der jaren statistisch ongelijk gekregen.

Waar wel grote verschillen in duurzaamheid door ontstaan zijn piekbelastingen en corrosie. De meeste gevallen van framebreuk, vroeger en nu, zijn te wijten aan piekspanningen door slechte constructies of invloeden van buitenaf, zoals valpartijen, botsingen en krassen die langzaam overgingen in scheuren en roest.

Piekbelastingen ontstaan op plaatsen waar scherpe hoeken voorkomen en veel krachten samen komen, vaak is dit waar de buizen aan elkaar bevestigd zijn. Fabrikanten behoren de piekspanningen te minimaliseren door rekening te houden met de eigenschappen van het framemateriaal en hier hun constructiemethoden en vormgeving op aan te passen. Buisovergangen worden bij voorkeur mooi afgerond, zodat de krachten zich in alle richtingen kunnen verdelen en op mogelijk zwakke plekken wordt er meer materiaal toegevoegd ter versteviging. Bij alle materialen is het vakmanschap van de framebouwer bepalend voor het risico op breuk.

Klik op een materiaalsoort hieronder om meer te lezen over de specifieke eigenschappen.

staal-chroom-molybdeen    aluminium    carbonvezel    titanium-al-va