Belastingen.

 Belastingen.

Een constructie kan op vier verschillende manieren belast worden:

  • Trek.
  • Druk.
  • Buiging.
  • Wringing.

 

BelastingenDe meest gunstige belasting voor een constructie is, uit het oogpunt van sterkte en stijfheid, de trekbelasting. Hierbij wordt het masteriaal overal op een gelijke manier belast. In een fiets bijvoorbeeld worden de ketting, spaken en binnenkabels op trek belast. Bij trekbelasting worden de sterkte en stijfheid bepaald door de oppervlakte van de doorsnede en door het materiaal. Een spaak die een twee keer zo grote doorsnede heeft als een andere spaak zal ook twee keer stijf en twee keer zo sterk zijn.

Bij drukbelasting wordt het materiaal ook gelijkmatig belast. Het vervelende bij drukbelasting is echter dat lange ranke constructies gaan uitbuigen (knikken). Een zadelpen die te lang is kan door de drukkracht van de fietser uit gaan knikken. Om knik te voorkomen moet de uitwendige diameter vergroot worden of de lengte van de buis korter worden. Holle buizen zijn dan ook beter tegen knikken bestand dan massieve staven.

Buiging is een duidelijk ongunstiger belasting dan trek. Als we een staaf bekijken die op buiging wordt belast zien we dat de bovenkant een beetje uitgerekt wordt en de onderkant een beetje ingedrukt. In het midden gebeurt er helemaal niets met het materiaal. Dit gedeelte van het materiaal kan dan ook net zo goed weggehaald worden. Een staaf die op buiging wordt belast kan dan ook het beste uitgevoerd worden als een dunne buis omdat dit een aanzienlijke gewichtsbesparing oplevert.

BelastingenDoor de diameter van de buis te vergroten worden de stijfheid en sterkte groter omdat het materiaal verder naar de buitenkant gebracht wordt.

Een staaf die op buiging belast wordt, wordt het zwaarst belast bij de inklemming. Op de fiets is dit bijvoorbeeld de plek waar de vorkscheden in het kroonstuk worden gesoldeerd, de stuurbuis in de stuurpen wordt geklemd en het scharnierpunt van de remgreep zit. Daar moet dan ook het meeste materiaal aangebracht worden voor een sterke constructie. Die zien we bijvoorbeeld bij de voorvorken en remgrepen op de fiets. Voorvorken worden bij het balhoofd het zwaarst belast. Naar het uiteinde kan de vork echter dun uitlopen zonder dat ten koste gaat van de sterkte. De stijfheid van een dun uitlopende buis wordt wel minder. De buis zal verder doorbuigen. Bij een voorvork is dit gunstig omdat de vork hierdoor extra door veert en daardoor comfortabeler is.

Wanneer de belasting voornamelijk in een richting werkt is het gunstig om de buis ovaal uit te voeren. In de belastingsrichting is dan het meeste materiaal naar de buitenkant gebracht. Dit is goed te zien bij een platte plaat. Deze kun je maar in een richting goed ombuigen, in de ander richting is de plaat bijna onvervormbaar. De voorvork en de liggende achtervork zijn om deze reden vaak ovaal uitgevoerd.

BelastingenDat buigbelasting ongunstig is, is goed te zien aan de plek waar spaken breken. Spaken breken altijd bij de kop waar de spaak omgebogen is. Door de buigbelasting gecombineerd met de steeds wisselende belasting breekt de spaak door.

Buigbelasting kan voorkomen worden door de constructie van een enkele staaf te vervangen door een driehoekige constructie,. Bij de driehoek worden de staven op druk en trek belast. Het klassieke frame bestaat dan ook uit twee driehoeken waardoor de framebuizn vooral op trek en druk belast worden. Bij een driehoekige constructie is het het beste om de staven schnierend met elkaar te verbinden. Hierdoor kunnen ze alleen nog maar trek en druk belast worden. Een goed voorbeeld hiervan bij de fiets is de driehoek tussen spaken en de naaf. De spaken zijn scharnierend aan de velg en de naaf bevestigd waardoor ze niet kunnen buigen en alleen nog maar op trek belast worden. Bij het frame is een scharnierende bevestiging niet goed mogelijk omdat het frame ook in dwarsrichting belast wordt. Om deze belasting te weerstaan zijn de buizen star met elkaar verbonden. Bij de gewone stadsfiets is de staande achtervork vaak wel scharnierend verbonden met de zitbuis en achterpatten. De buis wordt hierdoor alleen op druk belast.

BelastingenVoor wringende belasting die optreedt bij het torderen van een buis geldt hetzelfde als voor buiging, hierbij wordt ook alleen de buitenkant van het materiaal belast. Het gunstigste is om een staaf die op wringing wordt belast uit te voeren als dunwandige buis.

De meeste onderdelen bij een fiets worden op een combinatie van trek, druk, buiging en wringing belast. Het is daarom ook het beste om fietsonderdelen als dunwandige ronde buis uit te voeren. Wanneer de buigbelasting overheersend wordt in een bepaalde richting, zoals bij een voorvork, kan de ronde buis vervangen worden door een ovale buis.

In de tabel zijn de oppervlaktes, buigsterktes en buigstijfheden van een aantal doorsneden gegeven in relatie tot elkaar. Duidelijk is dan dunwandige buizen met een grote diameter een veel grotere stijfheid en sterkte hebben dan standaard fietsbuizen. Wanneer de diameter van een buis 2 keer zo groot wordt genomen en de wanddikte gelijk blijft, zal de massa met een factor 2, de sterkte met een factor 4 en de stijfheid zelfs met een factor 8 toenemen.

28.6
28.6
57.2
57.2
vierkante
buis 22.8
1.2
0.6
1.2
0.61.2
1
0.5
2
11
1
0.5
4.3
4.41.04
1
0.5
8.5
2.20.83

 

BelastingenVierkante buis is qua buigstijfheid ongunstiger dan ronde buis. Een vierkante buis met de zelfde wanddikte en massa heeft een stijfheid die 17% lager ligt dan die van een ronde buis met dezelfde massa en wanddikte. De sterkte ligt dan wel 4% hoger. Voor wringende belasting geldt ook dat dunwandige ronde buis het gunstigst is.

Een grote stijfheid is echter niet altijd gewenst omdat daarmee ook elke vering uit het frame gehaald wordt.

De wanddikte van buizen kan niet onbeperkt dun worden gemaakt. Zeer dunne buis is gevoelig voor indeuken en ook de gevolgen van kleine beschadigingen en produktiefouten zijn groter bij zeer dunwandige constructies. Dit effect is goed waar te nemen bij frisdrankblikjes. Op een heel blikje kan je als je voorzichtig bent met je volle gewicht op staan. Zit er echter een klein deukje in of ga je scheef op het blikje staan dan bezwijkt het blikje onmiddelijk. Als de wanddikte minimaal ongeveer 1/50 van de diameter moet bedragen.

BelastingenBelastingenBelastingenBelastingen

Geef een reactie

%d bloggers liken dit: