Sterkte en stijfheid van het frame
1. De sterkte :
Een uitermate belangrijke eis bij een konstruktie is uiteraard de sterkte. Is het frame sterk genoeg om de belastingen te weerstaan onder normale gebruiksomstandigheden. Onder weerstaan bedoelen we hier 2 zaken : er mag geen breuk optreden, en er mag geen blijvende vervorming optreden. Het eerste is uitermate belangrijk voor de veiligheid ! Stel je voor dat je voorvork afbreekt als je door een diepe kuil zou rijden ! Het tweede is uiteraard ook belangrijk, een doorgezakte of kromme fiets rijdt niet meer.
Wanneer breekt er nu iets ?
Breuk treedt op als de maximale trekspanning van het materiaal overtreden wordt. Hier is het dus van belang een materiaal te kiezen dat kan weerstaan aan grote trekspanningen. Uiteraard is staal hier het meest voor de hand liggend. Staal is immers een materiaal dat zeer hoge trekspanningen kan weerstaan, beduidend meer dan de beste aluminiumlegeringen. Vooral het bekende CrMo - Staal is bestand tegen zeer hoge trekspanningen. Naast het de materiaalkeuze is de konstruktie zelf van uitermate groot belang ! Bij een ligfiets met één hoofdframebuis spelen de diameter en de wanddikte een belangrijke rol !
Wanneer treedt er blijvende vervorming op ?
Blijvende vervorming treedt op als de rekgrens van het materiaal overschreden wordt. Het materiaal komt niet meer terug in zijn oorspronkelijke vorm als de belasting weggenomen wordt. Ook hier scoort CrMo-staal zeer goed ! Het gewone konstruktie staal en ook RVS zijn hier beduidend minder goed. Verschillende Alu-legeringen halen zelfs dezelfde rekgrens als RVS !
Het is wel zo dat de rekgrens van de meeste metalen sterk verhoogd wordt door koudvervorming. Het buigen van een bocht in een framebuis zorgt er dus voor dat de buis op die plaats een hogere rekgrens zal hebben !
Ook kunnen bepaalde legeringen mits bepaalde warmtebehandelingen een hogere rekgrens verkrijgen.
2. De stijfheid
De stijfheid van een konstruktie bepaalt de elastische doorbuiging bij een belasting. Deze vervorming moet uiteraard ook binnen de perken blijven. Vooral het vervormen van het frame onder invloed van de trapkracht moet vermeden worden : dit is energieverlies. Het vervormen onder invloed van slecht wegdek kan in zekere mate komfortverhogend werken : het is een vorm van vering.
De stijfheid wordt wederom bepaald door 2 zaken : enerzijds het materiaal, en anderzijds de konstruktie. Ook hier skoort staal weer buitengewoon goed : de stijfheid (=E-modulus) is 3* groter dan die van aluminium. Het soort van legering is hier totaal niet van invloed, het duurste CrMo staal heeft juist dezelfde stijfheid als het goedkoopste betonijzer !
In de figuur ziet men de invloed van de buisdiameter en wanddikte : Het zogenaamde weerstandmoment Ix. Alhoewel de Alu buis slechts een 2* grotere diameter heeft en en 2.5*grotere wanddikte is het weerstandsmoment ca 9*hoger dan de RVS-buis van 30.8 ! De formule van het weerstandmoment voor een buis : Ix=(D²*D²-d²*d²)*Pi/64
Dit is uiteraard de reden naar de voorliefde voor grote buisdiameters. Als we nu echter de faktor materiaal soort meerekenen, dan zien we dat de RVS-buis van 50.8 dezelfde stijfheid heeft dan de Alu-buis van 60 ! (Produkt van Ix*E-modulus) De Alu buis weegt echter wel 30% minder ! Als men nu werkelijk gaat ontwerpen naar stijfheid en gewicht dan zou een Alu-buis met een diameter van ca 80mm en een wandikte van 1 mm optimaal zijn. Deze buis heeft vrijwel dezelfde stijfheid als de buis van 60, het gewicht is echter meer dan gehalveerd ! Helaas heeft deze buis een slechte weerstand tegen blutsen : men zou er gemakkelijk een deuk kunnen indrukken. Ook het lassen van Aluminium met een wanddikte van 1 mm is niet eenvoudig.
Besluit :
Voor de zelfbouwer speelt niet alleen de optimale verhouding van stijfheid, sterkte en gewicht. In de eerste plaats moet men de gekozen buis ook kunnen bewerken en lassen. Voor de onervaren lasser zou ik hier zeker niet onder de 1.5 mm wanddikte gaan. Aluminium lassen is voor de meesten onder ons niet weggelegd : hier is een speciale lasautomaat voor nodig (TIG met wisselstroom). Blijft er eigenlijk nog alleen staal over. RVS is zeker niet het sterkste materiaal (relatief lage rekgrens), maar is buitengewoon goed lasbaar. Daarnaast is er natuurlijk ook het voordeel van corrosiebestendigheid. CrMo-staal heeft een veel hogere rekgrens, maar is niet zo makkelijk verkrijgbaar. Op de las zelf, zijn de materiaaleigenschappen beduidend slechter. De lassen worden dus steeds overgedimensioneerd. Ook heeft men hier meestal niet de mogelijkheid om er bochten in te plooien. Gewoon konstruktiestaal is natuurlijk ook mogelijk. Aan jou de keus.