Foto hierboven: Splügenpas (2113 m) tussen Zwitserland en Italië, op weg naar Rome.
Informatiepagina’s > Fietsen > Het fietsframe – materialen
Inleiding
Er zijn, exoten als hout en bamboe daargelaten, vier materialen waar framebouwers frames van maken: aluminium, staal, titanium en koolstofvezel. Elk van die materialen heeft specifieke eigenschappen, voordelen en nadelen.
Frame-materialen
Aluminium
Als zuiver materiaal
Aluminium (Al), in het Amerikaans-Engels aluminum met één ‘i’, is na zuurstof en silicium het meest voorkomende element op aarde. In de natuur komt aluminium niet in pure vorm voor, alleen in verbindingen waaruit het moet worden vrijgemaakt. Dat laatste ging aanvankelijk erg moeizaam, het eerste aluminium was dan ook exclusiever dan goud. Tegenwoordig is het een veelgebruikt en uit bauxiet gewonnen metaal. Zuiver aluminium heeft een dichtheid (of soortelijke massa, massa per volume-eenheid) van 2,7 gram per kubieke centimeter of, in SI-eenheden, 2700 kilo per kubieke meter.
In legeringen
Zuiver aluminium is een zacht en slap metaal dat snel metaalmoe is. Aluminium wordt daarom niet toegepast in dragende constructies. Door de lage soortelijke massa en gemakkelijke vervormbaarheid is aluminium echter een aantrekkelijk metaal. Er is daarom veel onderzoek gedaan naar het verbeteren van bepaalde eigenschappen van aluminium door het te legeren (te mengen met andere elementen) en warmtebehandelingen te geven. Aluminium laat zich erg goed legeren met andere elementen, met als belangrijkste koper, magnesium, mangaan, silicium en zink. Een kleine toevoeging van andere metalen zorgt al voor een grote verbetering van eigenschappen als sterkte, hardheid en corrosiebestendigheid (bron). Aluminium corrodeert (‘roest’) wel, maar het harde eerste oxidelaagje schermt het metaal af, waardoor de corrosie stopt. Zout water tast dat laagje aan, waardoor het corroderen verdergaat. In frames wordt aluminium daarom beschermd door een laklaag.
Oversized aluminium buizen van de racefiets van oudste zoon Dirk.
Een veelgebruikte indeling van aluminiumlegeringen is die van de Amerikaanse Aluminum Association. Die indeling volgt een codering bestaande uit (bij kneedlegeringen) een viercijferig getal en een letter-cijfercode, zoals 6061 T6. Het viercijferige getal geeft aan welke elementen aan het aluminium zijn toegevoegd, de letter-cijfercode staat voor de behandeling die de legering heeft ondergaan. Voor framebuizen (en bijvoorbeeld ook voor tentstokken) worden aluminiumlegeringen gebruikt die een warmtebehandeling hebben ondergaan die wordt aangeduid met een ‘T’ (van temper) en een getal (voor het type warmtebehandeling). Zo is 6061 T6 een aluminiumlegering met magnesium en silicium, die is oplosgegloeid en kunstmatig verouderd.
Voor fietsframes zijn 6061 en 7005 de meest gebruikte aluminiumlegeringen. Sterk en veerkrachtig 7075 T6 aluminium zou voor een fietsframe ideaal zijn, maar is vrijwel niet te lassen. Lijmen kan wel, maar daar zijn framebouwers van afgestapt (bron). Het wordt toegepast in fietsonderdelen die sterk en slijtvast moeten zijn en niet hoeven te worden gelast, zoals cranks en kettingbladen.
Het probleem voor de framebouwer
Aluminium is een prachtig metaal om iets van te maken, het is licht en gemakkelijk vervormbaar. Het mist echter de stijfheid die je bij een bagagefietsframe zoekt. Legeren maakt aluminium wel sterker, maar niet stijver – de verschillende aluminiumlegering zijn allemaal net zo elastisch als zuiver aluminium (bron). De oplossing van de framebouwer is om buizen met een grotere diameter te gebruiken (oversized buizen), die het frame de vereiste stijfheid geven: aluminium bagagefietsframes ontlenen hun stijfheid niet aan het aluminium zelf, maar aan de buisdiameters. Op de tweede plaats is aluminium niet ideaal om constructies van te maken waarop wisselende krachten staan. Een bagage-fietsframe is zo’n constructie. Aluminium heeft de eigenschap dat elke belasting ervan het metaal een klein beetje verzwakt. Als het z’n breekpunt bereikt gaat dat zonder ‘voorwaarschuwing’ zoals scheurtjes (zie de voorbeelden van plotseling brekende zadelpennen en sturen). Dat is onveilig, om die situatie te voorkomen neemt de framebouwer extra marge bij de keuze van buisdiameters en wanddiktes en bij de constructie van het frame.
Veel aluminium fietsframes worden in de Volksrepubliek China gemaakt. Door het frame niet meteen te lakken kan het fietsmerk ’thuis’ een voorraad blanco frames houden, kan de klant uit meerdere kleuren lak kiezen en is de levertijd van het gelakte en klaar-om-af-te-monteren frame veel korter dan de reis per zeecontainer. Een merk als Santos werkt zo (bron: merkdealer).
Stijf en sterk
‘Stijf’ en ‘sterk’ zijn termen die bij fietsframes horen. Het frame van een bagagefiets moet stijf (stabiel) en sterk (belastbaar) zijn, daarover zijn we het snel eens. Maar wat is dat, ‘stijf’ of ‘sterk’? En wat betekenen die termen, natuurkundig gezien?
Stijfheid
De stijfheid van een materiaal is de weerstand die het materiaal heeft tegen vervorming. Een voorbeeld dat ik hier (met dank) las: zet een metalen strip aan één kant vast en duw op het andere uiteinde. Hoe meer kracht je nodig hebt om de strip een bepaald eind (bijvoorbeeld een centimeter) naar beneden te duwen, hoe stijver we de strip noemen. De vervorming die optreedt is een elastische vervorming, wanneer je stopt met duwen veert de strip terug naar z’n oorspronkelijke stand.
De natuurkunde heeft het niet over stijfheid, maar over de elasticiteitsmodulus (symbool E). Hoe groter E is, hoe stijver het materiaal. De E van aluminium is 70 GPa (gigapascal), die van staal 210 en die van titanium 120. De stijfheid van een metaal verandert niet noemenswaardig door het te legeren met andere elementen.
De stijfheid van een materiaal is niet het hele verhaal. Glas heeft bijvoorbeeld een elasticiteitsmodulus van 69 GPa, vergelijkbaar met die van aluminium: ze hebben beide net zoveel weerstand tegen vervormen. Maar duw je voorbij die weerstand, dan zal glas breken en aluminium buigen. Metalen zijn daarom ideaal voor fietsframes: wordt de belasting ervan te groot, dan buigt het frame voordat het breekt. Staal en titanium zijn daar beter in dan aluminium (zie ook hierboven). Koolstofvezel is daar helemaal niet goed in: het is sterker dan metalen, maar breekt sneller wanneer het een harde tik krijgt.
Sterkte
De sterkte van een materiaal kun je op meerdere manieren weergeven. Om bij het voorbeeld te blijven: zet een metalen strip aan één kant vast en duw op het andere uiteinde. Het metaal zal meebuigen en komt, wanneer je stopt met duwen, weer in z’n oorspronkelijke stand terug. Bij een bepaalde duwkracht zal het metaal zo ver doorbuigen dat het niet meer helemaal terugkomt, maar blijvend vervormt. Die vervorming heet plastische vervorming, het punt waarbij dat gebeurt heet vloeigrens (Engels: yield strength). Hoe groter de kracht die nodig is om de vloeigrens te bereiken en het metaal blijvend te vervormen, hoe sterker het metaal is. De sterkte van een metaal kun je vergroten door het te legeren met andere elementen of door het een warmtebehandeling te geven. Anders dan bij de stijfheid hangt de vloeigrens van een metaal af van de legering en de warmtebehandeling, vandaar dat die lastig te geven is. Bij voor fietsframes gebruikte legeringen is de vloeigrens rond de 285 MPa (6061 T6 en 7005 T6 aluminium), 550-750 MPa (4130/25CrMo4 chromoly staal) en 550 MPa (3-2.5 titanium). Deze video laat (vanaf tijdstip 1:57) zien wat het verschil in sterkte is tussen twee legeringen (echt en nep 7075 T6 aluminium).
Een andere maat voor de sterkte van een materiaal is de treksterkte. Neem weer die metalen strip en trek er (met behulp van een machine, anders wordt het tijd voor een sollicitatiegesprek bij Marvel Studios) aan beide kanten aan. Naarmate de kracht groter wordt, wordt de strip langer en smaller: voorbij de vloeigrens vervormt hij permanent. Bij nog meer kracht gaat de strip insnoeren (krijgt een zandlopervorm) en trek je ‘m op een gegeven moment in tweeën: het materiaal breekt. De kracht waarbij insnoering ontstaat is de treksterkte van het materiaal.
Om te weten hoe sterk een constructie als een fietsframe is heb je meer aan de vloeigrens van het materiaal dan aan de treksterkte ervan. Wat je wilt weten is de kracht waarbij permanente vervorming optreedt, dat gebeurt eerder dan het breken van het materiaal.
Staal
Als materiaal
Staal is geen element zoals aluminium of titanium, maar een legering van veel ijzer (Fe, van het Latijnse ferrum) en een beetje koolstof (C, van carbon). Staal is een populair constructiemateriaal omdat het zowel sterk als stijf is. Het is daarom erg geschikt voor constructies waarop grote en wisselende krachten staan, zoals gebouwen en bruggen. De sterkte van het staal zorgt ervoor dat de constructie niet bezwijkt, de stijfheid maakt dat het krachten kan opvangen zonder permanent te vervormen, de vermoeiingssterkte zorgt ervoor dat het bij wisselende krachten niet verzwakt. Staal heeft een dichtheid (soortelijke massa) van 7,8 gram per kubieke centimeter of 7800 kilo per kubieke meter.
Net als andere niet-edele metalen corroderen veel staalsoorten wanneer ze in aanraking komen met zuurstof en water. Bij ijzer en staal heet dat roesten. Het bijzondere aan ijzer en staal is dat de gevormde oxidelaag (roest) water en lucht doorlaat, waardoor het roesten onder de eerste laag verder gaat. Door de toevoeging van chroom wordt staal corrosiebestendig, het gaat minder snel roesten. Roestvast staal (rvs) is staal waaraan zoveel chroom is toegevoegd (11 procent of meer) dat het normaal gesproken zo goed als niet roest. Dat komt omdat zich op het staal een dun en doorzichtig laagje chroomoxide vormt, dat het staal tegen roesten beschermt.
In legeringen
Door het toevoegen van elementen als chroom, molybdeen of nikkel worden bepaalde eigenschappen van staal verbeterd. Veel staallegeringen zijn bijvoorbeeld sterker, soms veel sterker, dan ongelegeerd staal (koolstof wordt bij staal niet als legeringselement gezien). Hoe staallegeringen worden aangeduid verschilt van land tot land. De V.S. hanteren een viercijferige nummering van de Society of Automotive Engineers (SAE). Zo is SAE 4130 staal een staallegering met chroom en molybdeen (41) met 0,30 procent koolstof (30). Datzelfde staal heet in Duitsland en Italië 25CrMo4 staal.
Voor lichtgewicht fietsframes van bagagefietsen wordt chromoly-staal gebruikt, het 4130/25CrMo4 staal uit het voorbeeld. De toevoeging van chroom en molybdeen maakt het staal beduidend sterker en ook corrosiebestendiger dan het ‘gewone’ staal van bijvoorbeeld stadsfietsen. Bekende fabrikanten van lichtgewicht stalen framebuizen zijn Columbus en Reynolds. Lichtgewicht, in serie gebouwde stalen fietsframes worden veelal in Taiwan gemaakt.
De onderbuis van Elsbeth’s Salsa Marrakesh is triple butted uitgevoerd waar die aan de balhoofdbuis vastzit. (Fiets is vies, fiets wordt gebruikt.)
Het probleem voor de framebouwer
Staal is een prachtig metaal om een fietsframe van te maken, het is stijf en ijzersterk. Voor toepassing in een frame heeft het echter een belangrijk nadeel: het is een stuk zwaarder dan aluminium of titanium. De oplossing van de framebouwer is om buizen van chromoly-staal te gebruiken met een heel dunne wand (tussen een halve en hele millimeter). Dat kan omdat chromoly-staal zo sterk is. Omdat je minder materiaal nodig hebt wordt het frame een stuk lichter dan een gewoon stalen frame. Anders dan bij aluminium zijn oversized buizen niet nodig: staal is drie keer zo stijf als aluminium.
De lichtste stalen framebuizen zijn butted uitgevoerd, waarbij het uiteinde is verdikt. Bij een double butted buis zijn beide uiteinden verdikt, een extra verdikking heet triple butted. Butted buizen zijn lichter dan standaard buizen: in het middendeel – waar dat geen kwaad kan – hebben ze dunne wanden, aan de uiteinden – die het meeste te verduren krijgen – zijn de wanden dikker. Solderen of lassen kan de sterkte van een lichtgewicht stalen buis aantasten, de verdikkingen dienen als extra veiligheidsvoorziening (bron).
Titanium
Als materiaal
Titanium (Ti) is net als aluminium een element. Het is minder stijf dan staal, maar wel net zo sterk en een stuk lichter: titanium heeft een dichtheid (soortelijke massa) van 4,5 gram per kubieke centimeter of 4500 kilo per kubieke meter. Titanium is bijzonder corrosiebestendig en biologisch inert – het lichaam stoot titanium niet af, waardoor het voor implantaten en (bij botbreuken) plaatjes en pennen wordt gebruikt.
In legeringen
Van titanium bestaan, net als bij aluminium en staal, diverse legeringen die bepaalde eigenschappen van het metaal verbeteren. Fietsframes worden voornamelijk van 3/2.5 (met 3 procent aluminium en 2,5 procent vanadium) en 6/4 (met 6 procent aluminium en 4 procent vanadium) titaniumlegeringen gemaakt. Omdat titanium bijzonder corrosiebestendig is, worden titanium fietsframes zelden gelakt. Bij stalen en aluminium frames is dat wel nodig.
Het probleem voor de framebouwer
De eigenschappen van titanium – sterk en toch licht – maken het zeer geschikt voor fietsframes. Titanium is echter moeilijker te bewerken (vervormen, lassen) dan staal en aluminium, een titanium frame bouwen is daarom arbeidsintensiever. Ook het materiaal zelf is (doordat het zich moeilijk laat winnen) kostbaarder dan staal of aluminium. Het probleem van de framebouwer is daarom meer het probleem van de verkoper: titanium frames zijn duur.
Koolstofvezel
Als materiaal
Koolstofvezel (C) – ‘carbon’ in de fietsvolksmond, van het Engelse carbon fibre – is een hyperlicht, stijf en enorm treksterk materiaal van ultradunne koolstofvezeltjes die eerst tot garens en daarna tot matten worden verwerkt. Het is ongevoelig voor water en zuurstof (het corrodeert niet) en is gemakkelijk te vormen, waardoor het gebruikt wordt voor bijvoorbeeld auto-onderdelen of fietsframes. Koolstofvezel is bijzonder stijf, maar ook kwetsbaar: het buigt niet, maar breekt of barst.
In fietsframes
Van koolstofvezel kun je matten maken waarvan je mooie fietsframes kunt vormen. Onvoorstelbaar licht en toch sterk. Koolstofvezel leent zich voor racefietsen, maar is beperkt geschikt voor een fietsframe met flink wat bagage dat op slechte wegen veel te verduren krijgt. Koolstofvezel frames kun je minder zwaar belasten dan metalen frames. Het is weinig elastisch en erg kwetsbaar voor puntbelastingen. Als het van opzij een flinke tik krijgt (fiets valt op steen, andere fiets valt op fiets) breekt of scheurt het. Een beschadigd koolstofvezel-frame is beperkt en alleen door een specialist te repareren.
Koolstofvezel wordt niet vaak toegepast in frames voor bagagefietsen, maar de ontwikkeling van het materiaal en de toepassing ervan in frames is nog steeds gaande. De Salsa Cutthroat (bikepackingfiets) is speciaal ontwikkeld voor de Tour Divide, een tocht van 4400 kilometer via de Great Divide mountain bike route. Dat is geen kinderachtige route, door zwaar terrein en met een bikepacking set-up. Koolstofvezel en fietsen met bagage, het kan dus wel.
Door het kleine aanbod aan koolstofvezel bagagefietsen en de beperkte ervaringen die ermee zijn laat ik koolstofvezel hieronder buiten beschouwing.
M’n Orbit-randonneur waarmee ik naar de Noordkaap fietste. De buizen van de achtervorken bleken in de praktijk te dun voor een volledig beladen fiets.
Wiebelstaal en de focus op framestijfheid
In den beginne reden wielrenners op stalen frames met slanke buizen: gewicht is alles in de wielrennerij, dikkere stalen buizen zijn zwaarder, aluminium en carbon frames bestonden nog niet. Wanneer die renners grote krachten uitoefenden op het frame, zoals bij een sprint of een klim, ging dat ranke frame torderen. Daarbij laat de trapkracht, via de hefboom van voorblad-ketting-cassette, de achtervork bij elke pedaalslag iets naar rechts bewegen, waarna het frame terugveert. Het effect lijkt op kwispelen (van een klein hondje). Een kwispelend frame maakt je fiets minder stabiel. Bij afdalingen is dat niet alleen minder prettig, maar ook minder veilig. Ik weet precies hoe dat voelt, m’n eerste bagagefiets had een stalen maatframe (Reynolds 501 buizen, voor de ingewijden) met te ranke achtervorken. Framebouwer Orbit had waarschijnlijk niet goed begrepen waarvoor ik de fiets wilde gebruiken (naar de Noordkaap fietsen, daarna de wereld over, met een hoop spullen). Dan is er ook nog het verhaal dat er energie verloren gaat bij het torderen van een frame. Dat is onzin (zie verderop), maar het verhaal is er.
Geen issue
Dat beeld van niet-helemaal-stabiele frames is blijven hangen. Er is fietsmerken die lichtgewicht frames gebruiken nog steeds veel aan gelegen om de stijfheid van hun frames te benadrukken, op het vermoeiende af. Dat terwijl frame-stijfheid bij bagagefietsen eigenlijk geen issue meer is. De gerenommeerde merken verstaan hun vak en stemmen de wanddiktes en diameters van framebuizen af op de verwachte belasting ervan. De bagagefietsframes van nu – aluminium, staal of titanium – zijn voldoende stabiel.
Materialen en frame-eigenschappen
Wat doet een frame-materiaal met de eigenschappen van het frame? Hieronder gaat het over aluminium, staal en titanium (koolstofvezel wordt nauwelijks gebruikt voor bagagefietsframes). Niet over ‘de’ metalen, zelfs niet over ‘de’ legeringen (er zijn alleen al 3500 soorten staal), maar over de legeringen die voor fietsframes worden gebruikt. Ik noem ze voor het gemak simpelweg ‘aluminium’, ‘staal’ en ’titanium’.
Sterkte
Van de drie materialen zijn staal en titanium het sterkst. Als je de sterkte van titanium gelijkstelt aan 10, heeft staal een 10-14 en aluminium een 5. Wat betekent dat voor een fietsframe? ‘Sterkte’ zegt iets over hoe snel een materiaal permanent vervormt wanneer het een duw of tik krijgt (vloeigrens) of hoeveel kracht het kan weerstaan voordat het uiteindelijk breekt (treksterkte). Wanneer je onderuit gaat met je fiets en het frame een kei of stoeprand raakt, zal een stalen of titanium framebuis minder snel deuken of scheuren dan een aluminium framebuis. Maar hoe groot is die kans, zeker wanneer je bedenkt dat je fietstassen eerder de grond raken dan het frame? Jij weet wat je met je fiets gaat doen, jij mag het zeggen.
Stijfheid
Staal is hier de duidelijke winnaar. Als staal een 10 heeft, heeft titanium een 5,7 en aluminium een 3,3. Framebouwers compenseren het tekort aan stijfheid van aluminium en titanium door buizen met grotere diameters te gebruiken, eventueel gecombineerd met grotere wanddiktes. Daarmee zijn fietsframes van aluminium, staal en titanium allemaal stijf genoeg en hoeft voldoende stijfheid niet de doorslag te geven bij de keuze van een framemateriaal. Het gaat meer om je persoonlijke voorkeur: moet het voor jou een star frame zijn of mag het iets van veerkracht hebben?
Op m’n Bach-tocht fietste ik een stuk van de Sweet and Sauerland bikepackingroute. Sommige stukken waren verhard, of toch niet. Een comfortabel frame maakt hier een groot verschil.
Comfort
Een frame kan nooit stijf genoeg zijn. Zou je zeggen. Zo simpel werkt het echter niet. Stijfheid mag voor racefietsen – met frames die de grenzen opzoeken van licht en rank en waarmee hard gereden wordt – alles zijn, voor bagagefietsen heeft het ook een nadeel: een ultra-stijve fiets is een oncomfortabele fiets. Het frame geeft alle oneffenheden een-op-een door aan onderrug, polsen en armen van de berijder. Als bagagefietser zit je hele dagen in het zadel en is comfort een belangrijke factor, wegen – ook de verharde – zijn zelden effen.
Stalen en titanium frames hebben de eigenschap dat ze trillingen absorberen en schokken dempen. Op klinkers, versleten asfalt of onverharde wegen merk je dat, het fietscomfort is groter. Aluminium frames zijn star: ze dempen niet, ze stuiteren. Dikkere banden verkleinen het stuiter-effect, maar met diezelfde dikkere banden zijn staal en titanium nog steeds comfortabeler.
Vermoeiingssterkte en betrouwbaarheid
Vermoeiing is het fenomeen waarbij een materiaal het begeeft na aanhoudende wisselende belasting. Bij metalen heet dat metaalmoeheid. Elk metaal kan vermoeien, maar staal en titanium doen dat niet zolang de belasting van het metaal onder een bepaalde grens blijft: de vermoeiingsgrens. Voor aluminium is zo’n grens er niet (of is veel lastiger vast te stellen, daarover verschillen de meningen): elke belasting maakt het aluminium een beetje zwakker. Als dat kleine belastingen zijn kan het heel lang duren voordat het verzwakt en breekt. Ga je daar in de praktijk iets van merken? Niet zolang je geen gekke dingen doet, een goede framebouwer neemt extra marge om bezwijken van het frame door vermoeiing te voorkomen. Krijgt je fiets het lang en flink te verduren, of neem je meer mee en ga je vaak van het asfalt af, dan kan het verschil in vermoeiingssterkte gaan meespelen en is staal een logische keuze. Fietsers die lange tochten maken en daarbij regelmatig over onverharde wegen en paden fietsen (zoals Angus Young, Martijn Doolaard, Greg en Victoria of Tristan Ridley) kiezen voor staal omdat de betrouwbaarheid ervan bij langdurige zware en wisselende belastingen groter is dan van aluminium. Ook de sterkte en het comfort van staal (zie hierboven) spelen bij die keuze een rol.
Corrosiebestendigheid
Titanium wint dit afgetekend: het is zeer corrosiebestendig en hoeft daarom niet te worden gelakt. De aluminiumlegeringen van fietsframes zijn bestand tegen corrosie door zuurstof en water, maar corroderen door zout water. Daarom hebben aluminium frames toch een beschermende laklaag. Chromoly-staal roest niet snel, maar is niet roestvast, chromoly-stalen frames zijn eveneens voorzien van een laklaag die het staal beschermt. Bij de keuze van een framemateriaal hoeft corrosiebestendigheid geen rol te spelen. Laklagen zijn sterk en doen hun werk, op kaal metaal (schroefdraad, binnenkant van uitvaleinden) zit altijd vet, een putje in de lak tip je eenvoudig bij. In de praktijk is roest geen thema. Toen ik laatst m’n eerste en oudste chromoly-stalen bagagefiets ontmantelde (het frame komt aan de muur) en de voorvork verwijderde, zat op het ongelakte deel dat in het balhoofd zit geen spoortje roest. Een vork uit 1992.
Repareerbaarheid
Mócht je frame onderweg breken (de kans daarop is klein, maar het gebeurt soms), dan laat staal zich bijna overal lassen (hoewel het lassen van chromoly-staal delicater is dan van stadsfietsenstaal), aluminium op redelijk wat plaatsen en titanium alleen bij specialisten. Op een lange reis ga je misschien op zoek naar een werkplaats waaraan je je heilige fiets durft toe te vertrouwen, op een fietsvakantie van een paar weken ga je naar huis. De kans op zoveel pech is niet zo groot dat de keuze van het framemateriaal daar vanaf hoeft te hangen. Is je frame verbogen, dan heeft het opnieuw richten ervan bij staal en titanium de grootste kans op succes. Aluminium laat zich slecht terugbuigen, de kans dat het mis gaat en het materiaal scheurt of breekt is daar het grootst.
Gewicht
Aluminium staat hier glansrijk op 1, met titanium als tweede en staal als verliezer, met als relatieve scores 10 (aluminium), 5,8 (titanium) en 3,4 (staal). Gezien z’n lage dichtheid zou je van aluminium heel lichte fietsframes kunnen maken. Als het stijf genoeg was. Voor de benodigde dikkere buizen is echter meer materiaal nodig dan bij de buizen van stalen frames, waardoor de gewichtswinst voor een groot deel teniet wordt gedaan. Het gewichtsverschil tussen een chromoly-stalen frame en een aluminium frame is met zo’n 600 gram (bron: bagagefietsmerk dat bepaalde modellen zowel in staal als in aluminium maakt) niet bijzonder groot. Ergens is dat logisch: een volbloed bagagefiets weegt 16-17 kilo. Het frame weegt 3-4 kilo (driekwart van het gewicht kruipt in de onderdelen). Op die paar framekilo’s zijn geen enorme gewichtswinsten te behalen.
Voor titanium geldt in grote lijnen hetzelfde als voor aluminium: er is meer materiaal nodig om de gewenste stijfheid te bereiken, waardoor het gewichtsverschil met stalen frames uiteindelijk beperkt is.
Het Sauerland op mijn tocht in het spoor van Bach. Het was een gok of ik deze weg kon fietsen. Het kon, m’n stalen Vittorio blijft me verbazen.
De beste papieren
Dus… welk materiaal heeft de beste papieren voor gebruik in een bagagefietsframe? Titanium. Dat scoort op vrijwel alle punten hoog. Het heeft niet alleen goede mechanische eigenschappen (al blijft de stijfheid achter), het is ook nog eens licht en heeft geen last van corrosie. Voor een bagagefietsframe heeft het eigenlijk maar één nadeel: de prijs. Titanium frames zijn 1000-2000 euro duurder dan een vergelijkbaar aluminium of stalen bagagefietsframe. Voor dat prijsverschil koop je (vergeleken met staal) een lager gewicht en nul corrosie of (vergeleken met aluminium) een betrouwbaarder frame met meer comfort. En die hightech titanium-look. Of dat die 1000-2000 euro meerprijs waard is, is aan jou. Voor de meeste bagagefietsers is het dat niet en gaat de keuze effectief gezien tussen aluminium of staal.
Kijk je naar de verschillen tussen aluminium en staal, dan scoort staal beter op mechanische eigenschappen (sterkte, stijfheid, vermoeiingssterkte). Mechanisch gezien is aluminium niet ideaal om een fietsframe van te maken, en al kunnen framebouwers de onvolkomenheden een heel eind compenseren en er stijve frames van maken, voor grote en wisselende belastingen is aluminium niet het aangewezen materiaal. Ook wat comfort en repareerbaarheid betreft scoort staal hoger. Corrosiebestendigheid gaat in de praktijk meer over de kans op roest dan over roest, wat overblijft is gewicht. Daar wint aluminium het. Onder de streep komt het neer op: vind je de gewichtswinst van aluminium belangrijker dan andere voor een fietsframe relevante eigenschappen?
Wielrenners of ultrafietsers op asfalt (zoals Jana Kesenheimer) zullen die vraag met ‘ja’ beantwoorden. Voor hen is gewicht alles. Als dat voor jou ook geldt hoef je niet automatisch voor aluminium te kiezen, als bagagefietser heb je meer troeven in handen om gewichtswinst te realiseren. Toen ik het in m’n hoofd kreeg om in tien dagen van Amersfoort naar de Middellandse Zee te fietsen en ik dat zo licht mogelijk wilde doen, lukte het me om 8 kilo minder spullen mee te nemen dan naar Rome (13,5 kilo in plaats van 21,5 kilo). Terwijl ik nog steeds de hele winkel bij me had (tent, mat, slaapzak, kookspullen, kleding, voer). Vraag jezelf af wat je voor een bagagefiets echt belangrijk vindt. Voor mij zijn dat sterkte, betrouwbaarheid en rijcomfort. Die gewichtswinst haal ik ergens anders vandaan. Daarvoor doe ik liever geen concessies aan dat wat m’n fiets onderweg bij elkaar houdt: het frame.
Materialen in bagagefietsframes
| Eigenschap (meer plusjes = gunstiger) | Titanium | Staal | Aluminium |
|---|---|---|---|
| Stijfheid (elasticiteitsmodulus) in GPa, hoger is gunstiger | 120 | 210 | 70 |
| Sterkte (bestendigheid tegen permanent vervormen) | ++ | +++ | + |
| Dichtheid (soortelijke massa) in g/cm3, lager is gunstiger | 4,5 | 7,8 | 2,7 |
| Gewicht compleet frame | +++ | ++ | +++ |
| Comfort | +++ | +++ | + |
| Gevoeligheid voor metaalmoeheid | +++ | +++ | + |
| Corrosiebestendigheid (van onbeschermd metaal) | +++ | + | ++ |
| Repareerbaar bij schade | ++ | +++ | + |
| Prijs | + | ++ | ++ |
Energieverlies?
‘Een fietser op een minder stijf frame verliest energie doordat een deel van de trapenergie weglekt via het torderen van het frame.’ Klopt? Niet en wel. Niet, omdat energie (middelbare-schoolmateriaal) niet verloren kan gaan. Pas wanneer de vervorming van het frame de vloeigrens (zie hierboven) van het metaal te boven gaat vervormt het blijvend en wordt de trapenergie die in de vervorming kruipt omgezet in bijvoorbeeld warmte. Bij het trappen vervormt een fietsframe niet blijvend, maar veert terug, waarbij de fietser de vervormings-energie één-op-één – in tegengestelde richting – terugkrijgt. De kracht die je bij de neerwaartse trapbeweging lijkt te verliezen door de vervorming, krijg je weer terug bij de opwaartse trapbeweging (en bij de neerwaartse beweging van de andere crank). Maar, en dat is waar het idee over verlies wel klopt, die teruggegeven kracht is minder bruikbaar. Als bij het terugveren je rechter voet een duw omhoog krijgt, absorberen je spieren een deel van die energie. Bij een frame dat sterk tordeert wordt minder trapkracht omgezet in het voortbewegen van de fiets dan bij een stijf frame. Hoe groot dat verschil is, is moeilijk te achterhalen. Sterk torderen doen de bagagefiets-frames van nu niet meer, of je als bagagefietser iets merkt van een minder efficiënte trapkracht is dan ook de vraag. Of bagagefietsers dat werkelijk boeit is een nog betere vraag.
Bronnen en meer info
Bij het schrijven van deze pagina heb ik dankbaar gebruik gemaakt van websites en publicaties van mensen die er écht verstand van hebben. Niet alle informatie die ik tegenkwam klopte even goed, sommige informatie klopte zelfs helemaal niet, maar door veel verschillende teksten en artikelen te lezen (zo min mogelijk van op verkoop gerichte websites) ontstond vanzelf een beeld dat ik voldoende breed gedragen vond om in deze pagina te verwerken. Voor meer informatie kun je onder andere te rade gaan bij:
- Aluminium en constructies, F. Soetens, Technische Universiteit Eindhoven
- Aluminium en warmtebehandelingen, Velofilie
- Aluminiumlegeringen (pdf), Belgisch instituut voor lastechniek
- Sterkte en stijfheid, Velofilie
- Staal en fietsframes, Velofilie
- Frame-materialen en verschillen, Staalpraat (Erveha bikes)
- Materiaaleigenschappen, MatWeb
- Eigenschappen van frame-materialen, serie van zeven (Engelstalige) artikelen (Strong Frames)