Hoe rolt een fiets?

Meestal gaat de aandacht uit naar de meer complexe onderdelen van een fiets, zoals de remmen en de versnellingen. Maar slechts weinigen kennen de precieze werking van een van de meest vanzelfsprekende elementen van een fiets: de lagers. Doorgaans onzichtbaar maar superbelangrijk, want zonder lagers had de fiets nooit bestaan. Hoe werken ze eigenlijk?

Kogels, Schalen en Groeven

De meningen verschillen er een beetje over, maar waarschijnlijk waren er geen piramides geweest zonder boomstammen. Stel je een groot betonnen blok voor dat in je achtertuin ligt. Het kost heel wat kracht om dat blok naar de tuin van je buurman te duwen. Stel je nu voor dat er enkele ronde palen onder het blok liggen. Dat gaat al een stuk makkelijker. Rollen is beter dan schuiven. De architecten en bouwers van de Egyptische bouwwerken wisten dit en het ligt voor de hand om aan te nemen dat ze niet de eersten waren die handelden naar deze universele wet. Het zodoende verlagen van weerstand bij beweging gaat dus ver terug.

De moderne kogellagers zoals we ze nu kennen zijn waarschijnlijk eind achttiende eeuw ontwikkeld, getuige een patent uit 1794. Het eerste specifieke patent voor fietslagers stamt van 2 augustus 1869 en is van de Franse mecanicien Jules Pierre Suriray. In november dat jaar werd met het betreffende lager de wielerwedstrijd Paris-Rouen gewonnen.

Terug naar onze moderne fietsen. Het primaire doel van een lager is dus het verlagen van bewegingsweerstand door twee onderdelen onafhankelijk van elkaar te laten bewegen. Hoewel normaal gesproken niet zichtbaar heeft je fiets op meerdere plekken lagers, onderverdeeld in glijlagers en kogellagers. Glijlagers vind je met name in de remmen, derailleurwieltjes, pedalen en shifters. Dat je fiets zo soepel rijdt is echter vooral te danken aan zijn kogellagers. Die vind je in de wielen, het bottombracket, het balhoofd en als je een volgeveerde mountainbike hebt, dan zit ook de achterbrug er vol mee. Een snelle check bij de fietsen in onze eigen schuur leert dat er op een wielrenfiets al snel zestien lagers zijn te vinden, een mountainbike met achtervering telt zomaar het dubbele aantal, afhankelijk van het type pivot-systeem.

Kogels

Een typisch kogellager bestaat uit zes onderdelen (zie figuur 1). Allereerst drie doorgaans stalen onderdelen: de binnenschaal (waar de as doorheen loopt, bijvoorbeeld van een wiel of crank), de buitenschaal (die wordt geklemd in de naafbody of het frame van je fiets) en de kogels. Vervolgens houdt een kooi de kogels op hun plek, dat wil zeggen: op gelijke afstand van elkaar. Tot slot houdt een afdichting vuil en vocht buiten het lager en zorgt lagervet voor smering.

Bij fietslagers staat een van de schalen stil en beweegt de ander. Bijvoorbeeld: bij wielen staat de binnenschaal stil, bij het bottombracket de buitenschaal. Dat betekent dus dat de binnen- en buitenschaal met verschillende snelheden bewegen. Dat verschil in snelheid wordt gecompenseerd door de kogels. De kogels draaien om hun eigen as en daardoor bewegen ze door het lager. De kogels maken het dus mogelijk dat de schalen vrij van elkaar kunnen bewegen.

Soorten kogellagers

Er bestaan vele soorten kogellagers, maar op je fiets zul je voornamelijk twee types vinden. Dat zit ‘m in de manier waarop de verschillende lagersoorten met specifieke krachten kunnen omgaan. Lagers hebben te maken met krachten in veel verschillende richtingen, maar voor de lagers is met name van belang hoe ze omgaan met radiale krachten en axiale krachten. De radiale kracht is de draaiende beweging, de kracht die loodrecht op de as staat. De axiale kracht is de kracht in de lengterichting van de as, bijvoorbeeld een voorvork die van voor naar achter beweegt in het balhoofd. Lagers in fietsen hebben met beide soorten belastingen te maken.

De vraag is: welke kracht is dominant? Radiaal of axiaal? Bijna alle fietslagers hebben voornamelijk te maken met radiale belasting. De beste oplossing daarvoor is in veel gevallen een groef-kogellager (zie figuur 2) en zo’n lager wordt dan ook het meest toegepast in je fiets, vanwege de lage rolweerstand van zo’n lager. De enige plek waar meestal geen groef-kogellager zit, is je balhoofd. Het balhoofd heeft voornamelijk met axiale krachten te maken. In het balhoofd gebruiken de meeste merken, met uitzondering van bijvoorbeeld Pinarello en Cannondale, daarom hoek-contactlagers (zie figuur 3).

Hoek-contactlagers

Shimano, Campagnolo en enkele high-end merken zoals Chris King gebruiken tevens hoek-contactlagers (of cup-conuslagers), bijvoorbeeld in naven en wielsets. Een wiel krijgt behalve radiale ook veel axiale krachten te verduren, bijvoorbeeld als je een sprintje trekt of door een bocht fietst. Het voordeel van hoek-contactlagers is hier dat ze beter met die krachten omgaan en in die situatie juist minder frictie geven (en langer mee kunnen gaan) dan groef-kogellagers.

Maar er is een nadeel: sommige hoek-contactlagers lagers moet je onderhouden, dat wil zeggen met enige regelmaat schoonmaken, invetten en afstellen. De buitenste lagerschaal is vaak geïntegreerd in de naaf en kan je niet vervangen. Dus als je te lang wacht met onderhoud geven, beschadigt de schaal door vuil, gebrek aan vet of teveel speling en moet je je naaf vervangen. Zorg je er daarentegen goed voor, dan gaat zo’n lager juist zeer lang mee. Fiets je weinig en niet met slecht weer, dan gaat zo’n lager ook zonder onderhoud vele jaren mee. Tweezijdig met rubber afgedichte (2RS) hoekcontact- en groefkogellagers zijn zelfs voor het leven gesmeerd.

Wrijving in een lager

Hoewel een lager de weerstand verlaagt, heeft het nog altijd te maken met wrijving. Hoe zorg je ervoor dat een lager lang meegaat en zo min mogelijk wrijvingsweerstand geeft? Fietslagers zijn meestal gemaakt van gehard staal, zowel de schalen als de kogels. Daarnaast zijn er hybride lagers, met keramische kogels. En heel af en toe kom je een volledig keramisch lager tegen, hoewel die maar zelden worden toegepast in een fiets. Volledig keramische lagers zijn lichter (tot wel veertig procent), roesten niet, hebben minder smeermiddel nodig en hebben een lagere rolweerstand. Dit komt doordat keramiek harder is dan staal en dus minder vervormt. Harder betekent echter ook brozer; het kan eerder breken bij vibratie of harde klappen.

Keramische lagers komen voort uit industriële toepassingen, in een gecontroleerde omgeving. Dat wil zeggen: de krachten op de lagers zijn stabiel en voorspelbaar. Dan kunnen ze extreem hoge rotatiesnelheden voor lange duur probleemloos verteren. Een wielrenner op de weg, laat staan een mountainbiker op z’n favoriete trail, is verre van een stabiele gecontroleerde situatie. De wegen en trails waar we op rijden zijn nooit zo glad als een biljartlaken: er werken continu variërende krachten op een lager. In veel situaties is een volledig stalen of hybride lager dus geschikter. In onze zoektocht hebben we dan ook maar weinig fabrikanten gevonden die volledig keramische fietslagers aanbieden, hoewel ze zeker bestaan. Een set van twee derailleurwieltjes, met twee jaar garantie, kost al snel 200 euro.

Verschil tussen stalen en hybride lagers

In de praktijk is het verschil tussen stalen en hybride lagers klein. De meeste wrijving wordt namelijk veroorzaakt door de afdichting en het smeermiddel. De afdichting is meestal een kunststof ring aan beide kanten van het lager, die stof en vocht buiten de deur houdt. Omdat de afdichting over de schalen ‘sleept’ ontstaat er wrijving. Daarnaast heeft een lager smeermiddel nodig voor een lange levensduur, onder andere om te beschermen tegen warmteontwikkeling en corrosie, wat de frictie verhoogt ten opzichte van een ‘schoon’ lager.

Volgens de experts die we spraken bestaat de belangrijkste voorwaarde voor een lager met lage rolweerstand en een lange levensduur uit de gehanteerde toleranties in het fabricageproces. Dat wil zeggen: hoe preciezer een lager qua afmetingen en rondheid voldoet aan de ontwerpspecificaties en hoe preciezer een frame of naaf voldoet aan diezelfde maten, hoe minder weerstand het lager ervaart bij beweging. Het resultaat: meer snelheid, langere levensduur.

Onderhoud en schoonmaken

Vuil en een gebrek aan vet zorgen voor slijtage van de lagerdelen, wat speling veroorzaakt. De speling zorgt vervolgens voor een versnelling van het slijtageproces. Sommige groefkogellagersystemen zijn na-stelbaar zodat je kunt compenseren voor slijtage, wat de levensduur verlengt. Bij cup-conus lagers is dit altijd het geval. De belangrijkste tip die wij kregen om je lagers lang goed te houden is: gebruik geen hogedrukreiniger. De afdichting van je lagers is best goed, maar door de kracht van de waterstraal kan er water en zand binnendringen. Dit is de beste oplossing voor blije lagers: onderhoud ze zoals aangegeven in de handleiding van de fabrikant. Dus, regelmatig schoonmaken en vers vet, of op tijd vervangen. En als je er zelf niet uitkomt, vraag het dan gewoon even aan je lokale bikeshop.

Tekst: Joost Pothoff
Foto’s: Gijs Ferkranus

Voor meer mountainbike nieuws, Tips & Tricks, leesvoer en de laatste magazines kijk op Ridersguide.nl. Wil je altijd up-to-date blijven? Klik dan nu hier en word abonnee van Up/Down en volg ons op Facebook en Instagram!