Cavitatie. Het klinkt als iets waarvoor je naar de tandarts moet. Maar toch hebben motorfietsen er ook last van. Sterker nog, de Öhlins NPX 25/30-vering van de nieuwe Ducati Panigale V4S heeft speciale compressie-demping-cartridges, die de dit probleem moeten voorkomen. Maar wat is cavitatie?
Als je bij het woord cavitatie aan de tandarts denkt, zit je er eigenlijk niet eens zo ver naast. Het Engelse woord ‘cavity’ betekent uitsparing, holte. Een gaatje in je kies is dus een cavity. In de techniek komen we soms ook van dit soort ‘tandbederf’ tegen. In tanden van versnellingsbak- of oliepomptandwielen en in nokkenasnokken vind je soms kleine beschadigingen in het geharde oppervlak van het staal. Hetzelfde zie je in de rotors van waterpompen: kleine kuiltjes, die zijn ontstaan doordat er stukjes metaal uit het oppervlak zijn weggebrokkeld. Vaak wordt hierbij over ‘pitting’ gesproken, omdat er putjes (pits, in het Engels) in het oppervlak ontstaan. Dit soort kuiltjes kom je ook in de zuigerconstructies van schokdempers en voorvorken tegen.
IMU, wat is dat nou eigenlijk?
Pitting
Er zijn meerdere factoren die pitting kunnen veroorzaken. De eerste is corrosie. Dan spreek je van putcorrosie. Het is een chemische aantasting van het oppervlak en van het materiaal onder het oppervlak. De tweede oorzaak kan een gebrek aan smering zijn. Tandwielen van de oliepomp en van de versnellingsbak worden doorgaans door olie gesmeerd. Dat betekent dat de oppervlakken van de tandwielen door een laagje olie van elkaar worden gescheiden en elkaar niet raken. Bij een gebrek aan smering of door slechte, te dunne of te hete olie kunnen de tandwielen door de olielaag heen duwen en over elkaar heen schuren. Dat veroorzaakt niet alleen slijtage, maar ook veel hitte. Dat kan weer corrosie veroorzaken, maar het kan er ook voor zorgen dat het oppervlak smelt en aan elkaar last, waarna het onmiddellijk weer uit elkaar wordt gerukt. Daarbij kunnen er dus stukjes metaal uit het oppervlak verdwijnen.
Dampdruk
Bij cavitatie wordt het oppervlak op een heel andere manier aangetast. In dat geval zijn het dampbellen die met een dermate hoge kracht imploderen, dat het stukjes metaal uit het oppervlak slaat. Dat heeft alles te maken met de dampdruk van een vloeistof. Als we even uitgaan van water, dan weten we dat dit kookt bij 100 graden Celsius. Dat wil zeggen bij 1 atmosfeer, zoals we dat op zeeniveau hebben. Bij een hogere druk wordt het moeilijker voor de waterdeeltjes om zich vrij te maken en in gasvorm over te gaan. Daarvoor is meer energie nodig: het water kookt dus pas bij een hogere temperatuur. Bij 1 bar kookt water bij 120°, bij 2 bar pas bij 130°. Dat is ook de reden dat het koelsysteem van je motor ‘onder druk’ staat. De radiateurdop heeft een overdrukklepje, dat ergens tussen de 1,2 en 1,3 bar overdruk opengaat. Je koelvloeistof kookt dus niet bij 100 graden maar boven de 120 graden. Omdat het warmteverschil met de buitenlucht dan groter is, kan je koelsysteem zo meer warmte afvoeren.
Onderdruk
De overdruk in de radiateur is ook de reden dat het gevaarlijk is om je radiateurdop bij warme motor open te draaien: de vloeistof kan eruit spuiten. Niet alleen omdat het onder druk stond, maar juist omdat de druk ineens daalt naar de atmosferische druk. Bij die druk heeft de koelvloeistof een lager kookpunt en dus kookt het ineens over: er ontstaan dampbellen. De vloeistof zet daardoor ineens enorm uit en de vloeistof spuit uit de radiateur.
Hetzelfde gebeurt als de druk in een vloeistof bij gewone omgevingstemperatuur lager wordt dan de atmosferische druk: de druk daalt onder de dampdruk, die de vloeistof bij die temperatuur heeft, en gaat koken. Er ontstaan dampbellen in de vloeistof. Neemt de druk ineens weer toe, dan kunnen die dampbellenimploderen. Dampbellen worden daarbij eerst platgeduwd en klappen dan eerst in het midden in elkaar, waardoor een soort donut ontstaat en er vanuit dat midden een soort microjet-puls-schokgolf ontstaat, die zo scherp en intens is dat ze microscheurtjes in het oppervlak van een metaal kunnen maken.
Schade
Tijdens de verbranding van benzine ontstaat water. Bij een koude motor of koude omstandigheden kan dit in het carter neerslaan en met de motorolie mengen. Er zitten dopes in de olie die dit water moeten binden, maar die raken verbruikt. Er kan dus op een gegeven moment water in de olie zitten en als dat verdampt, ontstaan waterdampbelletjes die door de druktoename in de oliepomp of tussen tandwielen kunnen imploderen en schade kunnen veroorzaken. Daarom is het belangrijk op tijd olie te verversen en om de motor goed warm rijden, zodat water kan verdampen. Cavitatieschade zie je ook nogal eens bij waterpompen, omdat de rotorbladen voor grote snelheidsverschillen in het koelwater kunnen zorgen. Wanneer de stroomsnelheid van een vloeistof stijgt, daalt de druk, volgens de wet van Bernouilli. Daardoor kunnen er dampbellen ontstaan die even later weer imploderen. Hetzelfde gebeurt bij voor scheepsschroeven. Door Computer Flow Dynamics onderzoek kan de flow van de vloeistof in waterpompen en langs scheepsschroeven dermate worden verbeterd dat cavitatie enorm wordt teruggedrongen.
Schokdempers
Een schokdemper bestaat grofweg uit een zuiger, die in een oliegevulde buis op en neer gaat. In de zuiger zitten gaatjes met veerbelaste klepjes, waar de olie doorheen wordt geperst als de zuiger op en neer gaat. Dat dempt de beweging. Geavanceerdere schokdempers, zoals de Öhlins TTX-schokdempers, hebben zuigers zonder gaatjes. In plaats daarvan wordt de olie boven de zuiger door een extern klephuis geperst bij de compressieslag, de olie stroomt vervolgens via een dubbele wand naar de onderkant van de zuiger. Omdat de zuigerstang bij het inveren de cilinder inschuift, wordt het totale volume van zo’n schokdemper kleiner. Dat wordt opgevangen door een reservoir, waarin stikstof met een druk van 6 bar zit. Bij de uitverende beweging wordt de olie onder de zuiger via de dubbele wand naar het externe klephuis gepompt, waar het samen met olie uit het reservoir naar de bovenkant van de zuiger stroomt. Ook een Öhlins NPX-voorvork werkt volgens hetzelfde principe.
Techniek: Remmen tunen Yamaha Tracer 700
Zwevende zuiger
Zuigers in schokdempers en voorvorken gaan razendsnel op en neer, vaak over grote veerwegen. Daardoor ontstaat er een enorme over- en onderdruk, beurtelings boven en onder de zuiger. Zonder tegenmaatregelen zou de druk beurtelings boven en onder de dampdruk van de componenten van de voorvorkolie kunnen komen. Met andere woorden: er zouden dambellen in de olie ontstaan, die vervolgens zouden imploderen en schade kunnen veroorzaken. Doordat het reservoir onder 6 bar druk staat, blijft de druk altijd hoger dan de dampdruk, zodat cavitatie wordt voorkomen. Een ‘zwevende’ zuiger in het reservoir houdt de stikstof en de olie gescheiden, zodat er ook geen menging van gas en daarmee schuimvorming kan optreden.
Foto: Carsten Seehawer (GNU)
Meer weten over cavitatie? De volgende youtube-filmpjes zijn zeer verhelderend.
