Is het tijd om ketting en cardan met pensioen te sturen?

Harley-Davidson viert een bijzonder jubileum: al veertig jaar gebruiken de Amerikanen tandriemen als secundaire aandrijving van hun markante en zware motoren. Is het tijd om ketting en cardan met pensioen te sturen?

Licht, stil, onderhoudsarm en schoon: tandriemen klinken als de ideale schoonzoon. Desondanks is deze secundaire transmissie niet voor elke motor ideaal. De tandriem is namelijk gevoelig. Waar hij helemaal niet van houdt, is het contact met steenslag en grof of zanderig straatvuil. Als dit soort vuildeeltjes tussen tandriem en riempoelie komen, ontstaat er in het gunstigste geval meer slijtage, in het ongunstigste geval breuk. Bij terreinmotoren zal de getande riem dus nooit een succes worden. En zelfs bij straatmotoren gaan de fabrikanten op zeker en bouwen een flinke hoeveelheid plastic om het onderste riempart, het zogenaamde loze deel. Daar is het gevaar namelijk het grootst om een steentje of iets dergelijks op te pikken en het tussen riem en achterandwiel (of poelie) te trekken.

Een andere beperking van de getande riem is de grote gevoeligheid voor spanning waarin hij goed functioneert. In tegenstelling tot een ketting mag bij een tandriem nooit losjes gespannen zijn. Bij een slap hangende riem zou het gevaar bestaan dat de tanden van de riem ‘uit fase’ op het tandwiel terecht komen, wat een zeer snel einde van de tandriem zou kunnen betekenen. Ook zouden de rubberen tanden zich zonder voldoende spanning uit het tandwiel omhoog kunnen werken, met mogelijk dezelfde gevolgen.

Speling

Maar waarom hebben kettingen naar het achterwiel eigenlijk doorhang? Het fundamentele probleem dat kettingen, tandriemen en ook cardanassen gemeen hebben, is van geometrische aard. De achteras beschrijft bij in- en uitveren een cirkelbaan, waarvan het middelpunt de achtervorklagering is. Het vermogen wordt echter afgegeven aan de uitgaande as van de versnellingsbak, die iets voor het scharnierpunt van de achteras ligt en in feite vast in het frame zit. Daardoor verandert tijdens in- en uitveren alsmaar de afstand tussen uitgaande as en achteras. Dit afstandverschil moet door de eindaandrijving worden opgevangen, of het nou een ketting, tandriem of cardanas is.

De grootste afstand heb je wanneer uitgaande as, achtervorklagering en achteras op één rechte lijn liggen. In deze stand moet de ketting zo zijn afgesteld dat hij nog net ‘spanningsvrij’ is. Of anders gezegd: dat er nog net wat speling is. Wanneer de achtervork de middenstand verlaat, ontstaat in toenemende mate extra speling.

Afstandsverschillen

Sommige fabrikanten hebben in de afgelopen decennia dit probleem geëlimineerd door het scharnierpunt van de achtervork concentrisch te maken met de uitgaande as c.q. het voortandwiel. Onder andere Bimota deed dat ooit en in 2008 deed BMW dit bij de G450X. Daardoor zijn er geen afstandsverschillen meer tijdens veerbewegingen van het achterwiel en heeft de ketting altijd dezelfde speling. Maar deze constructie is vaak onvermijdelijk erg breed, waardoor het hooguit geschikt is voor smalle motorblokken, zoals als de genoemde BMW-eencilinder. Ook is het duurder en zwaarder, en wordt het vervangen van de ketting en tandwielen een stuk moeilijker.

Een uitzondering waarbij die nadelen niet of nauwelijks spelen is het elektrische Zero-topmodel SR/F (en SR/S), waarbij de achtervorklagering door de as van de elektromotor loopt. Maar afgezien van deze uitzondering is het altijd zaak een secundaire aandrijving te construeren, rekening houdend met optredende afstandsverschillen en lengteveranderingen.

Vrije slag

Het probleem bij het instellen van de juiste kettingspeling betekent in de praktijk dat de motor op de middenbok geheel uitgeveerd is, en ook op de zijstandaard nauwelijks inveert. De afstand tussen uitgaande as en achteras is dus ongeveer op z’n kleinst, maar de ketting moet zo worden gespannen dat het in de middenstand (bij maximale afstand) ook nog klopt. Daarom geven de fabrikanten in het instructieboekje en vaak ook op de motor zelf aan hoeveel millimeter vrije hoogteslag de onderloop van de ketting moet hebben bij onbelaste achtervering (of hoeveel millimeter afstand tot de achtervork).

Bij tandriemen is de situatie ongeveer hetzelfde, maar met het verschil dat de riem om de eerdergenoemde redenen nooit los mag komen te staan. De afstand van achteras naar voortandwiel moet dus precies zo zijn afgesteld dat bij maximale afstand geen overmatige spanning op de riem komt te staan, maar bij minimale afstand (dus geheel in- of uitgeveerd) de onderloop van de riem nog steeds zuiver op het achtertandwiel wordt geleid, dus geen vrije slag heeft. Een heikele kwestie dat het spannen van tandriemen veel meer tot een nauwkeuriger werkje maakt dan het conventionele kettingspannen.

Akoestisch spannen

Hierbij scheelt het natuurlijk wel dat een getande riem aanzienlijk rekbaarder is dan een ketting. In de praktijk zijn er afhankelijk van fabrikant en model verschillende voorschriften voor de riemspanning.

Vroeger werd er meestal gewerkt met een voorgedefinieerde krachtmeter op de riem: bijvoorbeeld 15 millimeter uitslag bij vijf kilo belasting. Modernere systemen testen de spanning van de riem akoestisch, door de eigenfrequentie van de gespannen riem te meten. Hoe strakker hij gespannen is, hoe hoger de frequentie. Gangbare voorgeschreven waarden liggen rond 45 hertz. De procedure doet denken aan het stemmen van een gitaar met een elektronisch stemapparaat.

Dit smalle gebied tussen te strak en te los beperkt de mogelijke veerweg. Dat is nog een reden waarom we tandriemen niet snel op terreinmotoren zullen zien. Om deze problematiek te lijf te gaan, had Erik Buell op zijn modellen met het enorme aluminium frame een vaste spanrol op een uitgekiende plek tegen de onderloop van de riem gemonteerd. Dit idee functioneerde in de praktijk behoorlijk goed, op Harley’s elektrische model Livewire zien we ook zo’n spanrol.

Grote riempoelies

Verdere nadelen: omdat de tandriem geen scherpe buiging kan hebben, moet de voorste riempoelie een grotere diameter hebben dan een vergelijkbaar kettingwiel. Daar moet bij de dimensionering van de versnellingsbak rekening mee worden gehouden, omdat je anders een reusachtige riempoelie achter nodig hebt, wat er niet fraai uit ziet. In de praktijk zijn die riempoelies ook daadwerkelijk al groter dan gewone achtertandwielen bij kettingen.

Bovendien zijn die riempoelies hoe dan ook breder en zwaarder dan kettingwielen. Dat is nog een reden waarom tandriemen op sportmotoren geen noemenswaardige rol spelen. Waarbij er overigens wel duidelijke vooruitgang wordt geboekt met de ontwikkeling van tandriemen. Sterkere materialen en ingenieuze productiemethodes hebben de benodigde riembreedte in de afgelopen tien jaar tot tweederde van de oorspronkelijke maat doen krimpen.

Nou staan de dikke cruisers van Harley-Davidson noch om hun lage gewicht, noch om hun lange veerwegen en fantastische veercomfort bekend, wat gunstig is voor tandriemaandrijving. Daarnaast zijn Harley-rijders naar verluidt geen liefhebbers van afgeslingerd vet op hun blinkende chroom, en er wordt gezegd dat ze na de rit liever een blik Budweiser opentrekken dan een bus kettingspray voor onderhoudswerk. Alles welbeschouwd is het geen toeval dat uitgerekend Harley-Davidson de pionier van tandriemaandrijving is geworden.

Duur en complex

De grootste concurrent van tandriemaandrijving is niet de ketting, maar de cardanas. De naam is afkomstig van de kruiskoppeling van de Milanese arts, wiskundige en filosoof Girolamo Cardano (1501–1576), die het mogelijk maakte om de draaibeweging van een as onder een hoek over te brengen. Daarmee kan de veerbeweging van de achtervork worden gevolgd. Op de achteras zorgt vervolgens een kegeltandwielpaar voor de haakse overbrenging naar het achterwiel.

BMW is een pionier op het gebied van cardanaandrijving op motorfietsen, zij het zeker niet de enige in de vroege decennia van de vorige eeuw. Voor BMW was het logisch, aangezien de in lengterichting liggende krukas van de boxermotoren de draaibeweging al in de juiste richting aflevert aan de cardanas naar het achterwiel. Ook bij de eencilinders kon de krukas uiteraard in de lengterichting worden geplaatst. Als je een cardanas monteert op een motor met dwarsgeplaatste krukas, dan is een tweede haakse overbrenging met conische tandwielen nodig aan de voorkant van de cardanas, dus op de uitgaande as van de versnellingsbak. Die extra haakse tandwieloverbrenging vergroot transmissieverliezen, wat zowel vermogensverlies als een hoger verbruik oplevert. Bovendien neemt het gewicht en de complexiteit toe en cardanaandrijving is toch al de duurste, meest complexe en zwaarste secundaire aandrijving.

Cardanreactie

Waarom is een cardan toch zo populair? Vooral toerrijders houden van cardanaandrijving, omdat hij vrijwel onderhoudsvrij is (olieverversen om de twee à vijf jaar) en zeer betrouwbaar. Daarbij is cardanaandrijving mooi te combineren met een enkelzijdige achterwielophanging (de cardantunnel kan meteen als forse achtervork worden uitgevoerd), wat het demonteren van het achterwiel voor bandenwissels heel makkelijk maakt.

Vroeger zorgden lange veerwegen voor problemen bij cardanaandrijving, doordat de kruiskoppelingen de grotere beweging van het achterwiel moesten volgen en dus scherpere hoeken moesten maken. Ook het opvangen van de afstandsverandering bij in- en uitveren (daar is-ie weer) door middel van glijdende spiebanen veroorzaakte bij lange veerwegen moeilijkheden. In 2002 kon BMW de R1150GS Adventure op het achterwiel echter al een veerweg van liefst 220 millimeter geven. Een zo lang mogelijke achtervork helpt hierbij, want die hoeft voor dezelfde veerweg minder ver te verdraaien.

Deze BMW-generatie had een belangrijke nieuwe ontwikkeling: de Paralever, een achterwielophanging met extra reactiestang ter vermijding van de cardanreacties die bij de oudere BMW’s het kolderieke omhoogkomen van de achterkant bij accelereren en omlaag zakken bij gas dichtdraaien veroorzaakten. Dat kon zeer vervelende gevolgen hebben wanneer je onder grote hellingshoek van je gas af ging, waardoor je ineens grondspeling te kort kwam…

Bij de Paralever zorgt een tweede scharnierpunt kort voor het einde van de swingarm in combinatie met die extra reactiestang voor een passende tegenkracht voor het genoemde effect. De prijs hiervoor is een nog grotere complexiteit, want naast de reactiestang en het scharnierpunt in de achtervork moet er ook een extra kruiskoppeling in de cardanas worden aangebracht. Daarmee nemen gewicht, kosten en vermogensverlies nog verder toe. Maar daarom hebben moderne cardanaandrijvingen wel een hoge mate van comfort en goede rijeigenschappen. Het extra gewicht en de grotere componenten zijn alleen op zwaardere motoren goed onder te brengen. En bij dergelijke motoren is ook de hogere prijs minder een probleem.

1: Bij de G450X voert BMW de scharnieras van de achtervork door de secundaire versnellingsbak-as. Daarmee liggen het voortandwiel en het draaipunt van de achtervork concentrisch, waardoor de kettingspeling bij inveren altijd hetzelfde blijft.

2. Bij lastwisselingen (gas open en dicht) worden de rollen omgedraaid: het belaste part wordt het onbelaste part en omgekeerd.

Klassieke cardanaandrijving