Belastingen.

Er zijn vier verschillende manieren waarop men een constructie kan belasten.

1. Trek.
2. Druk.
3. Buiging.
4. Wringing.

Trekbelasting.

Men beschouwt trekbelasting als de meest gunstige vorm van belasting voor een constructie, met betrekking tot zowel sterkte als stijfheid, omdat in dit geval het materiaal gelijkmatig wordt belast. In een fietservaring geldt bijvoorbeeld dat de ketting, spaken en binnenkabels onder trekkracht staan. De sterkte en stijfheid zijn afhankelijk van zowel de doorsnede van het materiaal als het type materiaal. Als we bijvoorbeeld een spaak beschouwen die een doorsnede heeft die twee keer zo groot is als een andere spaak, zal deze ook tweemaal zo stijf en tweemaal zo sterk zijn.

Drukbelasting.

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

Buiging is een duidelijk ongunstiger belasting dan trek. Als je een staaf bekijkt die op buiging staat, zie je dat de bovenkant een beetje uitrekt en de onderkant een beetje indrukt. In het midden gebeurt er niets met het materiaal. Je kunt dat gedeelte van het materiaal dan net zo goed weghalen. Wanneer een staaf op buiging staat, voer je deze het beste uit als een dunne buis, wat een aanzienlijke gewichtsbesparing oplevert.

Door de diameter van de buis te vergroten, verhoog je de stijfheid en sterkte, omdat het materiaal verder naar de buitenkant wordt verplaatst.

Een staaf die onder buiging staat, ervaart de grootste belasting bij de inklemming. Bij een fiets zijn dit bijvoorbeeld de locaties waar je de vorkscheden in het kroonstuk soldeert, waar je de stuurbuis in de stuurpen vastklemt, en waar het scharnierpunt van de remgreep zich bevindt. Daar is het dus essentieel om de meeste materiaal aan te brengen voor een robuuste constructie. Voorbeelden van deze toepassing zijn te zien bij voorvorken en remgrepen op fietsen.

De plek waar voorvorken het meest worden belast, is bij het balhoofd. Naar het uiteinde toe kan de vork echter dunner worden zonder in te leveren op sterkte. Hierdoor kan de buis meer doorbuigen. In het geval van een voorvork is dit gunstig, omdat de extra doorbuiging bijdraagt aan veerkracht en het rijcomfort verhoogt.

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.

Buigbelasting

Dat 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.

Men kan buigbelasting voorkomen door de constructie van een enkele staaf te vervangen door een driehoekige structuur. In een driehoek worden de staven zowel onder druk als trek belast. Het klassieke frame bestaat dan ook uit twee driehoeken, waarbij de framebuizen voornamelijk onder trek- en drukkrachten staan. In een driehoekige constructie is het ideaal om de staven scharnierend met elkaar te verbinden, waardoor ze uitsluitend onder trek- en drukkrachten komen te staan.

Een goed voorbeeld hiervan bij de fiets is de driehoek tussen de spaken en de naaf. De spaken zijn scharnierend aan de velg en de naaf bevestigd, waardoor ze niet kunnen buigen en alleen op trek worden belast. Bij het frame is een scharnierende bevestiging echter niet mogelijk, omdat het frame ook in dwarsrichting wordt belast. Om deze belasting te weerstaan, zijn de buizen star met elkaar verbonden. Bij een gewone stadsfiets is de staande achtervork vaak wel scharnierend verbonden met de zitbuis en de achterpatten, waardoor de buis alleen op druk wordt belast.

wringing

Bij wringende belasting, zoals bij het torderen van een buis, blijft hetzelfde principe gelden als bij buiging: in dit geval wordt uitsluitend de buitenzijde van het materiaal belast. De meest gunstige aanpak is om een staaf die aan wringing onderhevig is, uit te voeren als een dunwandige buis.

De meeste fietsonderdelen worden blootgesteld aan een combinatie van trek-, druk-, buig- en wringkrachten. Daarom is het het beste om deze onderdelen als dunwandige ronde buizen te ontwerpen. Wanneer de buigbelasting in een bepaalde richting overheerst, zoals bij een voorvork, kun je de ronde buis vervangen 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 men de diameter van een buis verdubbelt en de wanddikte constant houdt, neemt de massa met een factor 2 toe, de sterkte met een factor 4 toe en de stijfheid zelfs met een factor 8 toe.

Tabel.

Vierkante 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.

Men verlangt echter niet altijd een grote stijfheid, aangezien dit eveneens de dempende eigenschappen van het frame wegneemt.

Men kan de wanddikte van buizen niet onbeperkt dunner maken. 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.