Niet-ronde kettingbladen - Fiets

Ovaal
in de
Niet-ronde
kettingbladen
herkansing
Sastre reed met een Q-Ring-kettingblad in de Tour
van 2008 als snelste de Alpe d’Huez op, Marianne
Vos won er wedstrijd na wedstrijd mee en Bradley
Wiggins reed met zijn O.symetric de klinkers uit de
straat in de proloog van de Giro van 2009. Maar zijn
ovale kettingbladen nou echt efficiënt?
Tekst: Adrie van Diemen / Foto’s: Cor Vos
Ovale kettingbladen zijn niet nieuw. De eerste niet-ronde
kettingbladen bij fietsen dateren al van 1890. Tegenwoordig
zijn er ovale kettingwielen in verschillende vormen op de
markt. Een interessant overzicht hiervan vind je op www.highpath.co.uk.
Tot op heden is het concept van de ovale kettingbladen echter nooit
omarmd door de professionele wielrennerij en dus ook niet door de
‘gewone’ wielrenner. Komt dit doordat het simpelweg geen verbetering
van de prestatie oplevert, of is het een voorbeeld van de conservatieve
instelling van de wielerwereld? Of is er misschien sprake van tegenwerking
door financieel sterke constructeurs en sponsors van ronde
kettingwielen?
Biopace
Verreweg het bekendste ovale kettingblad is de Biopace van Shimano. Al
in de jaren tachtig van de vorige eeuw kwam Shimano met dit ‘revolutionaire’
kettingwiel, een concept dat met veel marketing inspanning op de
markt werd gebracht. De verkoop ervan is echter al in 1992 gestopt: te
veel klachten met betrekking tot knieblessures. De toon was meteen
gezet. Niet-ronde kettingbladen geven knieklachten! Wat was hier aan
de hand? Had Shimano geen gedegen onderzoek gedaan naar het
concept? Of waren wielrenners er nog niet aan toe en hebben ze de
vernieuwde tandbladen geen eerlijke kans gegeven?
De twee opvallendste niet-ronde kettingwielen die nu te koop zijn, zijn
de O.symetric en de Q-Ring, respectievelijk een Frans en een Spaans
ontwerp. Maar in hoeverre wijken deze af van de jammerlijk geflopte
Biopace?
Eerst even een stukje theorie. Een ovaal kettingblad heeft twee assen.
De lengte van die assen hebben een bepaalde verhouding, die de ovaliteit
bepaalt (zie figuur 1).
Het kettingblad Ovum heeft een ovaliteit van 24 procent (er is ook een
versie met een ovaliteit van 18 procent), dus de lengte van as 1 gedeeld
door de lengte van as 2 is in dit voorbeeld 1.24.
Figuur 1. Ovaliteit
is de verhouding
tussen de twee
assen van een ovaal
kettingblad
Biopace had een te
lage ovaliteit en
vooral een
verkeerde oriëntatie
Profs en techniek
Betere efficiëntie
De meest gangbare gedachte achter de ovale
kettingbladen is dat je beter gebruik kunt maken van
de krachten die je voet op het pedaal levert tijdens
het fietsen. Dit geeft een betere efficiëntie dan bij
ronde kettingbladen. Als de kracht op zijn grootst is
en de goede richting heeft, moet het pedaal niet zo
snel rondgaan. Die arbeidsfase willen we zo lang
mogelijk benutten. Het verzet moet dan groot zijn.
Daarentegen moet de fase dat de kracht klein is en
een minder goede richting heeft, snel voorbij zijn.
Het verzet moet dan klein zijn. Dit is ook precies wat
ovale kettingbladen doen. Binnen één omwenteling
verandert het verzet continu. Een O.symetric
52-tandblad (ovaliteit 21,5 procent) ‘schakelt’ bij één
hele omwenteling virtueel twee keer tussen 46,4 en
57,6 tanden.
44 www.fiets.nl / juli 2009
www.fiets.nl / juli 2009 45

De pijl geeft de richting aan waarin het pedaal
beweegt. In region 1 (figuur 2), met de crank verticaal
en in de buurt van het bovenste dode punt wordt
minder kracht geleverd en is de richting van de kracht
ook niet optimaal ten opzichte van de crank. Hier
moet je een klein verzet hebben, waardoor de crank
deze zone snel voorbij is. In region 2 is de trapkracht
op zijn grootst en is de richting van de kracht beter
gericht ten opzichte van de crank. Hier moet je een
groot verzet hebben.
Ovaliteit
Het verschil in de verschillende soorten ketting
bladen zit hem in de mate van ovaliteit, de vorm en
de oriëntatie waarmee het tandblad wordt gemonteerd
ten opzichte van de crank. De ovaliteit zegt wat
over de grootte van het verschil tussen het virtuele
minimale en maximale verzet. Dus eigenlijk hoeveel
zwaarder het wordt als het zwaarder zou moeten
worden. Een te lage ovaliteit (verhouding van de
assen dicht bij 1) heeft geen groot effect ten opzichte
van een rond kettingblad. Een te hoge ovaliteit zorgt
ervoor dat het fietsen als minder prettig wordt
ervaren. Het verschil tussen het minimale en
maximale verzet per omwenteling is dan te groot.
Oriëntatie
De oriëntatie van het kettingwiel ten opzichte van de
crank is de tweede belangrijke variabele van een ovaal
tandblad. Het maakt uit of je de crank loodrecht op
de richting van de grootste as monteert of dat je de
crank eerst een aantal graden draait en dan monteert.
Grofweg moet het zo zijn, dat als de kracht het
grootst is en de richting van de kracht ten opzichte
van de crank het gunstigst is – ergens in region 2 –,
het verzet het grootst moet zijn. Dus dan moet de
afstand van de crankas en daar waar de ketting
aangrijpt aan dit kettingblad het grootst zijn.
Vorm
Een derde variabele is de vorm van het ovaal. Zo
benadert de vorm van de Q-Ring zeer dicht een ellips.
46
Profs en techniek
Info
www.osymetric.com
www.rotorbike.com
www.highpath.co.uk
www.fiets.nl / juli 2009
Bij O.symetric is de vorm meer complex en samengesteld uit gedeeltelijk
een spiraal van Archimedes, een cirkelboog en een quasi recht stuk.
De ingenieurs Malfait, Storme en Derdeyn hebben in 2006 een vergelijkende
biomechanische studie gemaakt van acht ovale kettingwielen en
die ook vergeleken met het ronde tandblad door middel van een
geavanceerd computermodel. Zij onderzochten de Q-Ring, de
O.symetric, de Rasmussen oval, de Hull oval, de Ogival, de Polchlopek
oval, de Ovum en de Biopace.
Computermodel
Een groot voordeel van het gebruiken van een computermodel ten
opzichte van een onderzoek waarbij we daadwerkelijk mensen laten
fietsen met en zonder deze tandbladen is dat alle storingsfactoren die
het bestuderen van het menselijk lichaam met zich meebrengt worden
Op voorwaarde dat dit kettingblad optimaal wordt gemonteerd
(crankoriëntatie) valt er in theorie een winst te behalen van
3 procent
geëlimineerd. Een vereiste bij onderzoek met computermodellen is
natuurlijk dat het model wel moet aansluiten bij de realiteit. Als het
computermodel niet deugt, zijn er geen goede conclusies te trekken. Als
je gedegen onderzoek met mensen wilt doen, dan moet je met veel
proefpersonen een zeer groot aantal keren meten. Dat is een enorme
arbeidsintensieve klus en daardoor ook erg duur. Er zijn wel pogingen
gedaan door onder anderen de professoren Cullen en Hull (beiden
afkomstig uit de VS) en Ratel (Frankrijk), maar deze vonden geen
significante toename in maximaal vermogen of een afname van de
zuurstofopname of hartslagfrequentie tijdens submaximale belastingen
bij getrainde wielrenners. Het kan zijn dat er geen verschillen zijn
gevonden eenvoudigweg omdat ze er niet zijn. Maar het kan ook zijn dat
de methode waarmee getracht wordt de verschillen tussen ronde en
ovale kettingbladen aan te tonen niet nauwkeurig genoeg is. Of dat de
testgroep te klein was, en er te weinig meetgegevens waren… Een
computersimulatie kent deze problemen niet en kan eventuele kleine
verschillen wél aantonen.
In de studie van de drie ingenieurs worden twee dingen onderzocht. Ten
eerste wordt berekend wat er met het piekvermogen in de heup- en
315º
225º
0º
Region1
Region4 Region2
Region3
De Rotor Q-Ring Figuur 2. De verschillende fasen van een
crankomwenteling
180º
45º
135º
De vorm van de Q-Ring benadert zeer dicht
een ellips
kniegewrichten gebeurt als er een uitwendig vermogen wordt geleverd
dat over de hele cyclus (360 graden) gelijk loopt bij circulair en nietcirculair.
Ten tweede wordt er berekend hoe het uitwendige vermogen
reageert op een gelijke belasting van de knie- en heupgewrichten bij het
gebruik van de verschillende kettingbladen.
De uitkomsten zijn zeer interessant. Het falen van de Biopace van Shimano
wordt ineens erg logisch. De oriëntatie van het tandblad is ongeveer het
tegenovergestelde van wat efficiënt zou zijn en heeft hierdoor zelfs
negatieve effecten ten opzichte van een rond kettingblad. Zo is er sprake
van vermogenverlies en overbelasting van het kniegewricht.
Van de ovale kettingbladen die op dit moment te koop zijn, is de O.
symetric het meest efficiënt. Op voorwaarde dat dit kettingblad
optimaal wordt gemonteerd (crankoriëntatie) valt er in theorie een
winst te behalen van 3 procent als er evenveel kracht wordt gegeven in
het knie- en heupgewricht. Andersom hoeft er maar 92,5 procent van
het oorspronkelijke knie piekvermogen te worden gegeven bij een
gelijkblijvend uitwendig vermogen. Dit alles blijkt uit bovenvermeld
theoretisch onderzoek.
Vakmanschap
De Q-Ring van Rotor is een prachtig staaltje vakmanschap. Maar de
ovaliteit van dit kettingblad is echter niet groot genoeg en er is ook geen
optimale oriëntatie geadviseerd door de constructeur om zeer efficiënt
te zijn. Toch is ook dit kettingblad met een optimale crankpositionering
volgens het computermodel beter dan een rond tandblad.
Een renner als
Christian Vande
Velde zou met
O.symetric op een
klim van 40
minuten bijna een
minuut tijdwinst
kunnen halen!
Profs en techniek
De optimale vorm van het tandwiel is afhankelijk van de
trapfrequentie. De solide (zwart), de streepjes (groen) en punten
(rood) geven de optimale vorm van het kettingblad
achtereenvolgens bij 60, 90 en 120 omwentelingen. De blauwe lijn
is het ronde kettingblad
Voor elk van de acht onderzochte niet-ronde
kettingwielen blijkt bij een optimale crankoriëntering
de grote as van het ovaal verticaal te staan en staat de
crank er ongeveer loodrecht op.
Een biomechanische analyse in 2008 uitgevoerd door
de professoren Rankin en Neptune (VS) komt tot
ongeveer dezelfde conclusies als Malfait, Storme en
Derdeyn. Rankin en Neptune geven echter aan dat de
optimale vorm en stand van het ovale kettingblad
ook afhangt van de trapfrequentie waarmee wordt
gefietst (zie figuur 4). Daarnaast speelt het spiervezeltype
en het geleverde vermogen blijkbaar ook
nog een rol.
Er zijn ook nadelen aan niet-ronde kettingbladen. Bij
kettingbladen met een grote ovaliteit kan het
schakelen moeilijker zijn, vooral als er geen kettinglifters
noch kettingdoorgangen voorzien zijn en
als de tandvorm niet correct is (O.symetric). De
voorderailleur moet dus goed worden afgesteld. Maar
met een beetje huisvlijt is het wel op te lossen.
De Q-Ring maar vooral de O.symetric (beide bij
optimale crankoriëntatie) zijn een stap in de goede
richting ter verbetering van de efficiëntie van het
fietsen als we dit vergelijken met ronde kettingbladen.
Rankin en Neptune berekenen het voordeel van
een optimaal vormgegeven kettingblad ook op zo’n 3
procent ten opzichte van een rond kettingblad. Een
renner als Christian Vande Velde zou met O.symetric
op een klim van 40 minuten bijna een minuut
tijdwinst kunnen halen…
Wat de toekomst ons gaat brengen? Ik denk dat
uiteindelijk topatleten een op hun eigen fysiek
gemaakt kettingblad krijgen. Hierbij wordt dan
rekening gehouden met hun lichaamsbouw, voorkeur
van trapfrequentie, maar ook met de activatie- en
déactivatie dynamica van hun spiervezels en
kracht-lengte relaties van hun spieren. Hiervoor zal
nauwe samenwerking nodig zijn tussen specialisten
op het gebied van fysiologie, biomechanica en
mechanica.
www.fiets.nl / juli 2009 47