Techniek achtervering
Het rijwielgedeelte van een motor krijgt heel wat te verduren. Het moet zorgen dat de wegligging en het comfort altijd goed blijft, hoe zwaar de belading ook is. Vooral de swingarm en de achterschokbreker zijn twee onderdelen die daarbij flink belast worden, zonder dat we er erg in hebben.Het motorseizoen staat weer voor de deur en velen van ons verheugen ons ook alweer op de komende motorvakantie. Bepakt en bezakt met zijn tweeën op de motor naar het zonnige zuiden of naar de bergen. De koffers propvol, roltas met tentje en slaapzakken achterop, een tanktas voor de dagelijkse spullen en gaan met die banaan. Je bent op die manier, met twee mensen en alle bagage op de motor, zomaar met 500 kilo onderweg en vooral als het wegdek eens wat minder strak is, merk je dat het frame daar best moeite mee heeft. Normaal stuurt je motor snaarstrak, nu voel je hem als het ware onder je kont doorbuigen en wringen. Frame en vooral achtervork moeten onder deze zware belasting alle zeilen bijzetten om beide wielen netjes in één lijn te houden, vooral als er lelijke richels of welvingen in het asfalt zitten. Vooral de achtervork en de achtervering krijgen het bij zo’n vakantietrip voor de kiezen.We gaan als voorbeeld voor de berekeningen van de werkelijke belastingen even uit van een Suzuki Bandit 1250. Aan de hand van de metingen, de hevelverhoudingen en de belasting kunnen we zo bepalen welke krachten en momenten er op de constructie en op alle draaipunten werken. Want volgeladen is de wieldruk van het achterwiel (en dus de kracht op de achteras) vaak al meer dan 250 kilo, maar daarmee ben je er nog lang niet. Door de extreme hevelverhouding tussen de lange achtervork en het linksysteem van de achtervering en de dynamische gewichtsverplaatsing bij acceleratie is de belasting van de schokbreker onder die omstandigheden wel vier tot vijf maal zo groot, dus ruim boven de 1000 kg!Maar voordat we dieper ingaan op die waardes, zetten we eerst de technische ontwikkelingen rond achtervorken en achtervering eens op een rij. Tot diep in de jaren 70 van de vorige eeuw werd er een relatief eenvoudige dubbelzijdige swingarm gebruikt, die via twee (stereo-)schokbrekers werd afgesteund tegen het motorframe. Die twee schokbrekers droegen vrijwel 1 op 1 het gewicht van de motor, zijn bestuurder en eventuele passagier. Omdat de schokbrekers niet ver van de achterasopname aan de swingarm zaten bevestigd, was er sprake van een relatief eenvoudig krachtenspel en werd de achtervork zelf ook nauwelijks op doorbuiging belast. De vork moest alleen voldoende stevig uitgevoerd zijn om de torsiekrachten in een bocht het hoofd te kunnen bieden, om voor- en achterwiel altijd in lijn te houden. Oudere motorrijders met ervaringen met de Japanse machines uit de jaren zestig en zeventig weten dat die eis trouwens al moeilijk genoeg was voor de fabrikanten: de stabiliteit op hogere snelheid liet destijds nog duidelijk te wensen over. Maar de constructie in zijn geheel was nog erg simpel en eendimensionaal. Als de lagering rond de swingarmas in orde was (geen speling) en de klemming van de achteras in de vork voldoende robuust, dan kon er eigenlijk ook niet zoveel mis gaan.Met de komst van de monoschokbreker – met of zonder linksysteem – veranderde het hele krachtenspel echter dramatisch. De achtervork moest vanaf die tijd niet alleen het achterwiel in het goede spoor houden, maar vooral ook weerstand bieden aan de enorme buigmomenten. Immers: de wieldruk grijpt aan op het uiteinde van de vork, op 50 a 60 centimeter vanaf de swingarmas, terwijl de vering nog voor het achterwiel op de achtervork zat, op een centimeter of 15 a 20 van de swingarmas waar het geheel om scharniert.Aanvankelijk leek het wel of de fabrikanten zich helemaal niet zo bewust waren van die enorme buigkrachten op de twee poten van de achtervork. De vorken werden zeker niet ‘over-gedimensioneerd’, zoals goed te zien is aan de achtervork van de eerste Suzuki GSX-R750 in 1985. Die werd gemaakt uit aluminium kokerbalken met een beperkte doorsnede. Maar al snel bleek dat vooral met het toenemende motorvermogen en ook het breder worden van de achterband het krachtenspel op de achtervork ook enorm toenam. Die breder wordende achterband zorgde ook voor hogere krachten in de bochten, omdat naast alle bestaande krachten en momenten de motor met een brede band ook gaat ‘versporen’ in een bocht. Het achterwiel gaat een andere bochtenlijn volgen dan het voorwiel. Theoretisch schuift het raakvlak van de voorband bij een 120-band 60 mm uit het midden en bij een 180-achterband 90 mm. Dat verschil van drie centimeter zorgt voor een extra krachtenspel in frame en achtervork.Yamaha liet met de FZR1000 in ’87 al goed zien waar dit toe leidde: naast een fraai aluminium Deltabox-brugframe had deze machine ook een hele mooie Deltabox-achtervork. Die vork was opgebouwd uit verschillende aluminium giet- en freesstukken en geperste delen. Erg goed zichtbaar is bij deze Deltabox-swingarm dat de vork het stevigste is rond het punt waar de monoshokbreker vast zit aan de vork. Daar zijn de krachten immers het hoogste, terwijl de vork verder naar de achteras toe weer slanker wordt. Op die manier wist Yamaha de benodigde stijfheid te koppelen aan een gering gewicht.Eigenlijk staat die Yamaha Deltabox-achtervork uit de jaren tachtig nog steeds model voor alle huidige achtervorken. Alle vorken hebben nog steeds datzelfde streven: voldoende stijfheid om de wielen ten allen tijde in lijn te houden en voldoende stijf om de buigmomenten van de achtervering te weerstaan. Maar in vorm zijn achtervorken anno 2011 uitgegroeid tot ware monsters, die in niets meer doen denken aan de oude stereovorken van veertig jaar geleden. Vorken zijn nu grotendeels opgebouwd uit aluminium gietstukken, eventueel nog aangevuld met geperste aluminium delen. Ook is het niet langer vanzelfsprekend dat een achtervork nog letterlijk een ‘vork’ is, want steeds vaker is het achterwiel eenzijdig opgehangen. Bovendien zijn de moderne uitvoeringen zeer volumineus, maar hebben ze daarentegen onwaarschijnlijk dunne wanddiktes, zodat het gewicht van deze kolossen vaak verrassend laag is. Juist het volume bepaald voor een groot deel de uiteindelijke stijfheid. Wel moeten we door de toepassing van veel gietstukken genoegen nemen met een vaak wat grauw, ruw oppervlak, waar in het verleden de gepolijste aluminium plaatdelen je tegemoet glommen. Maar dat laatste was erg arbeidsintensief en dus duur te produceren, terwijl een compleet gegoten achtervork de productiekosten juist flink beperkt. Die komt compleet uit de gieterij en hoeft alleen nog maar even nabewerkt te worden bij de lagering, asopname en bevestiging van schokbreker of linksysteem. En soms wordt de vork dan nog gelakt om het ruwe gietoppervlak wat te camoufleren. Genoeg over de achtervorken zelf, terug naar onze berekening waarin we kijken hoe die tonnenzware belasting van de Bandit 1250-achtervork tot stand komt. Diens swingarm is 590 mm lang en daar werkt de maximum wieldruk van 270 kilo op de vork. De achterschokbreker zit ruim 20 centimeter vanaf de swingarm vast op de vork en dat levert een hevelverhouding op van 1 op 2,9. Zo ontstaat dus een kracht van 2,9 x 270 is 781 kilo op het montagepunt van de vering aan de vork.En dat is dus de kracht volgeladen, maar wel constant rijdend over superstrak asfalt. Want bij even flink accelereren komt de Bandit 1250 nog steeds bijna los met het voorwiel. Of anders gezegd: op dat moment neemt de druk op het voorwiel sterk af en die op het achterwiel evenredig toe. Op zo’n moment de druk op het achterwiel wel kan oplopen tot 426 kilo. Maal de hevelverhouding van 2,9 kom je dan dus op een heftige 1.232 kilo aan piekbelasting van de achtervork! Die piekbelasting ligt 2,6 keer zo hoog als de statische maximale belasting van de Bandit 1250, zoals de fabriek het opgeeft. Uiteraard wordt er door de fabriek rekening gehouden met die dynamische gewichtsverplaatsing en het feit dat je onder volle belasting eventueel een wheelie gaat trekken, zonder dat je machine meteen door zijn hoeven zakt. Maar je ziet nu dat het best belangrijk is om je aan de in het instructieboekje opgegeven maximale belading te houden, omdat elke kilo teveel tijdens het rijden wel drie keer zo hard gaat tellen!Tot dusver hebben we de linksystemen voor de achtervering buiten beschouwing gelaten. Zoals uit de vorige berekening al bleek moet niet alleen de swingarm tegen de belasting kunnen, maar ook de vering zelf. Die moet comfortabel zijn en altijd voor een goed band-weg-contact zorgen, of je nu alleen op de motor zit, of volledig bepakt en bezakt met zijn tweeën. Bij een direct aangestuurde schokbreker is dat bijna een onmogelijke opgave omdat de spreiding van de belasting te groot is. Uiteraard kun je de veervoorspanning wat opschroeven, maar eigenlijk heb je in zo een geval een hardere veer nodig. Een bezoekje aan de specialisten van Hyperpro lijkt dan een wijs besluit.Om het werkgebied van de vering wat te kunnen vergroten, deed in de jaren 80 ook het linksysteem zijn intrede. De monoschokbreker zit daarbij dan niet meer direct op de achtervork, maar met tussenkomst van een ingenieus hevelmechanisme met een kantelstuk en trek- of duwstangen.Het hele idee van het linksysteem is dat de achterveer progressief wordt ingeduwd: aan het begin van de veerweg voelt de vering soepel aan omdat de veer bij de eerste tien centimeter die het achterwiel inveert bijvoorbeeld maar vier centimeter wordt ingedrukt. Veert het wiel nog verder door, dan veranderd de verhouding door het slimme linksysteem. Voor de tweede tien centimeter achterwielveerweg wordt de veer bijvoorbeeld zes of zeven centimeter ingeduwd. In de praktijk gaat die toename traploos: naarmate er meer veerweg gebruikt wordt, voelt de vering ook harder aan. Aan het begin is de vering nog soepel en comfortabel, een het einde van de veerweg hard en stug, zodat hij niet snel zal doorslaan. De fabrikant bepaalt bij het ontwerp van de machine en het linksysteem welke mate van progressiviteit hij gaat gebruiken. Dat hangt sterk af van het type motor en het gebruik. Bij lichte middenklassers en sportieve motoren is er maar weinig progressiviteit, bij offroad en crossmotoren juist veel.Om het geheel nog complexer te maken, komt vooral de laatste jaren nog een aspect om de hoek kijken en dat is de plaats van de swingarmas ten opzichte van het voortandwiel, gecombineerd met de hoek die de swingarm maakt ten opzichte van de ketting. Vooral in de racewereld wordt hier de laatste jaren volop mee gespeeld om het effect van de kettingaandrijving op de achtervering te elimineren. Door de hoge topvermogens wil de kracht in de ketting de motor bij volle acceleratie namelijk in de achtervering trekken en dat willen de technici juist graag voorkomen voor een neutraal rijgedrag. Door te spelen met de swingarmas-hoogte en stand van de swingarm kan zo een neutrale stand gecreëerd worden, waarbij er geen invloed meer is. Dit wordt ‘anti-squad’ of anti-duik-achtervork genoemd, maar dat is dus weer een ander verhaal.Kader 1 mrd3 pag 111ONTWIKKELINGEN VAN DE ACHTERWIELOPHANGINGConventionele achtervorkTot diep in de jaren 70 hadden vrijwel alle motoren een simpele achtervork met twee schokbrekers, die vlakbij de achterasopname op de vork zaten, waardoor de vork nauwelijks op doorbuiging werd belast. Vanwege die geringe krachten kon de vork licht en sierlijk geconstrueerd worden uit eenvoudige ronde of rechthoekige stalen buis.[kastenschwinge]Aluminium koker-achtervorkDe Suzuki GSX-R750 uit 1985 had een monoschokbreker en een aluminium achtervork opgebouwd uit relatief kleine kokerprofielen. Vanwege de monovering en de daarmee gepaard gaande buigkrachten ontstond er een behoefte aan steeds stijvere achtervorken, ook al omdat de breedte van de achterband flink toenam.Deltabox achtervorkEnkele jaren na de GSX-R750 zette Yamaha de nieuwe trend met hun Deltabvox-achtervork, opgebouwd uit verschillende aluminium profielen. De vork is stijf en fors uitgevoerd in het midden, waar door de monovering de grootste krachten optreden. Naar achteren toe wordt de vork weer slanker.Gegoten achtervorkDoor de achtervork niet langer samen te bouwen uit meerdere delen, maar te kiezen voor een gegoten vork uit één stuk (zoals deze BMW F800R) konden de productiekosten naar beneden. De vork hoeft na het gieten alleen bewerkt te worden bij de lagering en asopname. En eventueel gespoten voor een beter uiterlijk.Samengestelde achtervorkEen mooi voorbeeld van een moderne samengestelde achtervork is dit exemplaar van een Honda Fireblade. De vork is opgebouwd uit een stevig gietstuk in het midden en optisch fraaie geperste aluminium plaatdelen. Vanwege de ketting is de linkerpoot compacter en voorzien van een verstevigingbrug.Enkelzijdige swingarmDe enkelzijdige Ducati-swingarm is een waar kunststuk. De enorme klem aan het eind omvat de excentrische wiellagering waarmee de ketting kan worden gespannen. De schokbreker wordt als bij inveren van twee kanten ingeduwd, van onderen direct, van boven via een duwstang en tuimelaar.[[kaxder mrd 3 pagina 110]][[foto + bijschrift Yamaha dauertest weglatenEventueel nieuwe foto meenemen, indien bruikbaar]]HOOGSPANNINGAfhankelijk van de constructie en het gebruikte veersysteem staat de achtervork regelmatig onder hoogspanning. Vooral bij zwaar beladen toermachines kunnen er enorme buigkrachten optreden, zeker als bij volle acceleratie een dynamische gewichtsverplaatsing plaats vindt en vrijwel al het gewicht van de motor, rijder en passagier plus bagage op het achterwiel rust.Zorg er bij volle bepakking ook altijd voor dat je de veervoorspanning van de achterveer vergroot om doorslaan te voorkomen. Een doorslaande achtervering kan namelijk voor een enorme piekbelasting zorgen, waar de constructie niet op berekend is. Afgebroken of verbogen bouten van de schokbreker, een defect linksysteem of een gescheurde achtervork kunnen het gevolg zijn!TabelBelasting Wieldruk achter Belasting bij montagepunt achtervering Wieldruk voorSoloConstant rijden 174 kg 503 kg 151 kgMax. acceleratie 325 kg 940 kg 0 kgMax. beladingConstant rijden 270 kg 781 kg 156 kgMax. acceleratie 426 kg 1232 kg 0 kg Kader MRD 3 pag. 111HEVELSYSTEMEN VOOR DE ACHTERVERINGUitgeveerdIngeveerdSchokbrekerAchtervorkHevelTrekstangHoe werkt het?Met een hevelsysteem willen de constructeurs de achtervering progressief laten werken. De beweging van het achterwiel is dus niet 1 op 1 gekoppeld aan de beweging van de schokbreker, maar de schokbreker wordt steeds meer ingeduwd naarmate het wiel verder inveert. Hoe meer veerweg van het achterwiel je dus verbruikt, hoe stugger de vering aanvoelt. Om dat te bereiken is er een hevelsysteem toegepast en hoewel de uitvoering kan verschillen, is de werking vrijwel altijd hetzelfde. Tussen de schokbreker (geel) en de achtervork (blauw) zit een hevel (rood). Bij het inveren beweegt de achtervork omhoog en wordt de schokbreker ingeduwd. Tegelijkertijd trekt de trekstang (groen) aan de hevel en zorgt zo voor een extra induwende beweging van de schokbreker. Op deze schets is dat te herkennen in de hoek van de hevel: aan het begin van de veerweg bedraagt deze hoek 90 graden, aan het einde van de veerweg 140 graden. Hoe verder het wiel inveert, hoe harder de schokbreker wordt ingeduwd.[bijschrift ktm rc8]Het linksysteem van de KTM RC8 werkt (net als bij een Ducati) via een tuimelaar. De duwstang (1) duwt via de tuimelaar (2) de schokbreker (3) in.Wegafhankelijke progressieve dempingKTM gebruikt sinds jaren geen hevelsysteem, maar een direct gemonteerde schokbreker met geïntegreerde progressieve demping en progressief gewikkelde schroefveren. Dit PDS-systeem zorgt ook voor een toenemend progressief karakter naarmate het wiel verder inveert. Toch gaan ook de Oostenrijkers nu overstag en gebruiken ze op hun crossers en straatmodellen steeds vaker linksystemen.[bijschrift]Op de KTM enduromotoren zit de PDS-schokbreker nog steeds direct op de achtervork vast.Progressie-curveConventionele veersystemen met twee schokbrekers direct op de vorkpoten hebben een lineaire lijn. Voor lichte middenklassers en voor sportieve motoren wordt meestal een relatief vlakke progressie-curve toegepast. Bij offroads en crossmotoren stijgt de progressie-curve. Aan het begin is deze nog vrij vlak, aan het einde van de veerweg neemt de kracht flink toe. Dat garandeert een soepel aanspreken aan het begin en een stugge vering aan het einde van de veerweg, tegen het doorslaan bij hoge sprongen.VeerkrachtVeerweg achterConventioneel systeemMiddenklassers en sportieve motorenCrossmotoren
