Kogellagers.

 image
Een kogellager is een rollend lager dat er voor zorgt dat een draaibeweging met weinig wrijving kan worden uitgevoerd. Een kogellager bestaat meestal uit een binnenring en een buitenring met daartussen één of twee rijen bolvormige, cilindrische of tonvormige kogels. De kogels draaien mee en nemen de krachten op. De kracht kan loodrecht op het lager staan, bij een radiaal lager, of bij een axiaallager (druklager) evenwijdig aan de as door het lager, bijvoorbeeld zoals toegepast in de koppeling van een auto. Er zijn ook kegelvormige lagers die zowel axiale als radiale krachten kunnen opnemen.

Klassieke lager

Axiaallagers

Industriële lagers

Naaldlagers

De klassieke fietsnaaf bestaat uit losliggende stalen kogeltjes die tussen regelbare conische oppervlakken rollen. Dit is dus ook een vorm van rolweerstand die echter niet als dusdanig in rekening wordt gebracht. Sommige naven gebruiken industriële waterdichte en niet-regelbare kogellagers, waarin de kogeltjes gevat zijn in positieringen. Daardoor kunnen de kogeltjes hun buren niet raken en blijft de wrijving in principe zeer klein ook bij hoge snelheden. Er zit echter wel een addertje in het gras (zie verder)!
Het neusje van de zalm, althans volgens sommigen, zijn de naven met keramische kogeltjes. Het oppervlak van deze kogeltjes is veel harder en slijtvaster dan stalen kogeltjes. In combinatie met keramische loopvlakken is het dus mogelijk een naaf te maken met  extreem lage verliezen. Logischerwijze zijn deze keramische naven ook extreem duur.
Iedereen heeft wel eens een demonstratie gezien van een keramisch gelagerd wiel dat onbelast draait en maar blijft draaien, terwijl een gewoon wiel  na een tijdje stil valt.
Dit is mooi, vooral voor de fabrikant of de verkoper, maar de hamvraag is echter "is het sop de kool waard?". Ieder moet dit voor zichzelf beslissen maar we gaan hier onderzoeken hoeveel vermogen we werkelijk kunnen terugwinnen door deze peperdure naven te kopen.
Om een belaste naaf in constante draaibeweging te houden hebben we een z.g. krachtenkoppel nodig. Krachtenkoppel is een verwarrend woord en de meeste mensen vinden dit maar niks.  Het is echter heel eenvoudig het product van de kracht die de draaiing veroorzaakt (Ft)  met de afstand tot de draai-as. (de hefboom R)

Deze beschouwingen gelden zowel voor de naven als voor trapassen of bottom brackets.

Je kan op eenvoudige manier een goed idee krijgen van de rolkwaliteit van je naven. Daarvoor heb je een fiets met fietscomputertje nodig. Hef je voorwiel enkele cm van de grond, reset je computertje op zero, en geef een goede zwier aan je voorwiel. De beginsnelheid zou ongeveer 17 km/h moeten zijn. Laat nu je wiel volledig uitlopen tot stilstand en bezie de totale afstand dat het gelopen heeft. Natuurlijk heeft ook de luchtweerstand hier een klein beetje afremmend gewerkt maar dit kunnen we in deze omstandigheden wel verwaarlozen. Een goed lopend wiel zal ongeveer 350 tot 450 m gelopen hebben. Wees niet verwonderd indien je duurdere wiel slechts 150 tot 200 meter loopt!
We moeten dus nog twee belangrijke stappen zetten, namelijk de rolverliezen van de naven correct meten en uitrekenen wat deze verliezen in de praktijk te weeg brengen

In de praktijk
Een normaal mens, levend in een normale wereld, zou veronderstellen dat de waarde van de rolverliezen  voor alle naven door de fabrikant wordt gemeten en ter beschikking wordt gesteld bij de technische gegevens. Dit is blijkbaar niet zo, en we laten je raden naar de reden. Volgens een rapport door Richard Kay zou de klassieke SHIMANO Dura-Ace naaf met losse kogeltjes bij een belasting van 80 kg en bij een snelheid van 43 km/h ongeveer 0.82 Watt verliezen.  Om deze snelheid te halen zal de renner ongeveer 320 Watt moeten leveren. Deze verliezen in de kogellagers komen dus overeen met 0.26 % van het geleverd vermogen.
Onderstellen we nu een absoluut perfecte naaf met nulweerstand. Deze naaf zou "eeuwig" blijven draaien maar de winst in werkelijk gebruik aan 43  km/h is dus maximaal 0.82 Watt.
De maximale winst in gemiddelde snelheid is ongeveer 0.03 km/h.
Voor een topwielrenner kan dit belangrijk zijn, maar wat betekent het voor een wielertoerist om 30 meter te winnen over 43 km??
Op gevaar af van verwarring te zaaien moet ik hier echter nog wat dieper in gaan en stellen dat moderne, dure high-tech naven niet noodzakelijk beter zijn. De duurdere naven zijn meestal lichter, en zijn gebouwd met industriële in ringen gevatte lagers. Bovendien zijn zij stof- en waterdicht. Dit is allemaal mooi, maar lopen zij ook beter?
 

Meting van de rolverliezen

Omdat de fabrikanten qua transparantie in gebreke blijven hebben we zelf enkele naven uitgemeten met behulp van een relatief eenvoudig experiment. Op de foto hiernaast zie je hoe we het weerstandskoppel van de naven en brackets hebben gemeten. De as van de naaf wordt gevat door de draaiplaat van een draaibank. Over het huis van de naaf leggen we een nylondraad waaraan twee ongeveer identieke gewichten hangen. Een van de gewichten is ietsje zwaarder zodat het op de elektronische weegschaal rust. Wanneer we nu de centrale as in beweging zetten wil de behuizing meedraaien en lezen we dus op de weegschaal een verandering van schijnbaar gewicht af. Deze metingen kunnen we doen met een aantal verschillende gewichten en bij een aantal verschillende draaisnelheden waaruit we tenslotte een goede benaderde waarde voor het verlieskoppel  kunnen berekenen.
We hebben dit gedaan voor een 4-tal naven, We vonden de volgende rolverliezen voor 43 km/h;
  • Ultegra HB6600 - 1.64 Watt
  • 105HB 5600 - 1.56 Watt
  • HB RM 40 - 1.03 Watt
  • Xenon - 0.86 Watt
  • Dura Ace (Resultaat R. Kay ) - 0.82 Watt
Het zou zeer wenselijk zijn dat een onafhankelijke instelling of laboratorium systematisch de rolkwaliteit van alle op de markt zijnde naven en wielen onderzoekt en publiceert. (bron)
image

Losse kogellagers - maten.

Tot slot geef ik U nog even de courante maten van kogellagers mee, en hun gebruik, indien U deze wenst te vervangen.
 image
  • Balhoofdstel: 2 x 22 kogels van 3/16" of 2 x 26 kogels van 5/32"
  • Trapas: 2 x 11 kogels van 1/4"
  • Voornaaf: 2 x 10 kogels van 3/16" of 2 x 9 kogels van 7/32"
  • Achternaaf: 2 x 9 kogels van 1/4" of 2 x 13 kogels van 5/32"
  • Torpedonaaf: 2 x 15 kogels van 1/4"
  • Pedalen: 2 x 12 kogels van 5/32" of 2 x 16 kogels van 1/8"
  • Vrijwiel: kogels van 1/8", aantal afhankelijk van het type
 

Belangrijk!

Belangrijk om te weten is dat kogellagers geproduceerd worden in series, en de slijtage van de machines die ze produceert verantwoordelijk is voor lichte afwijkingen van de maat. Hoewel miniem, is het belang van de afwijking zeer belangrijk voor het goed functioneren van de roterende onderdelen. Zorg ervoor dat U nooit kogels mengt van verschillende producties, zelfs al vermelden ze dezelfde maat. M.a.w. mag U nooit 'enkele' kogels vervangen als deze zoek geraakt zijn of beschadigd, maar steeds het hele kogellager uit hetzelfde lot kogels aanschaffen..