MTB Anatomy #2: hoe werkt een rem?

MTB Anatomy, aflevering 2! In dit nieuwe deel van onze serie waarin we een aantal zeer specifieke onderwerpen uitdiepen, gaan we in op de binnenkant van een rem. En dan specifiek een schijfrem en een hydraulische rem. Want als we het soms hebben over het aantal zuigers of de grootte van de schijf, hebben we het zelden over de werking ervan. Hoofdremcilinder, werking van het expansievat, hydraulische of mechanische verhouding, het belang van afdichtingen, hendels … we vertellen je alles:

Hydraulische schijfremmen zijn onmisbaar. Remmen met remblokken hadden hun gloriedagen in de jaren 90. Denk aan de hydraulische Magura HS33 (nog steeds in catalogus!) die de Amerikaan Shaun Palmer gebruikte op de mythische Intense M1. Maar niemand kan zich tegenwoordig een mountainbike zonder hydraulische schijfremmen voorstellen.

Het is moeilijk te achterhalen wie de allereerste hydraulische schijfrem op de markt heeft gebracht. Toch weten we dat Formula in 1987 zijn allereerste model presenteerde, toen met een gesloten circuit (zonder expansievat). Pas in 1993 schakelden de Italianen over op een open circuit, zoals nu. Het jaar daarop, op Eurobike, presenteerde Hope een nieuwe rem en kondigde aan de kabel geleidelijk aan te vervangen door olie.

Sinds eind jaren 90 ontwikkelden vele merken hun eigen modellen: Sram, Shimano, TRP, Magura, Trickstuff, Hayes, Braking of Radic, om er maar een paar te noemen. De markt mag dan wel gedomineerd worden door de Amerikaanse en Japanse gigant, toch is er tegenwoordig een ruime keuze en is het niet altijd eenvoudig te beslissen welk model te kiezen wanneer je de prestaties van je remsysteem wilt verbeteren.

Daarom is het geen slecht idee een paar minuten de tijd te nemen om te begrijpen hoe een paar druppels olie ons in staat stellen heelhuids terug te keren van elke fietstocht …

Wat woordenschat

Voordat we echt op de details ingaan, raden we je aan deze twee opengewerkte tekeningen te bekijken, die elk onderdeel van een rem tonen. Natuurlijk lijkt deze SRAM Code RSC niet precies op de Code R en nog minder op een Shimano XTR M9100. Toch blijft het principe hetzelfde.

Hoe werkt een hoofdremcilinder?

De werking van een hoofdremcilinder is eenvoudig. Wanneer je de hendel bedient, draait hij om zijn as en drijft hij een tussenstuk aan (bij Sram een swinglink genoemd) die de zuiger aandrukt.

Wanneer de hendel wordt losgelaten, ontspant de tijdens het remmen samengeperste retourveer zich en keert de zuiger terug naar zijn uitgangspositie.

Bij sommige remmen zoals de Formula Cura of de Sram Code R is de zuiger rechtstreeks verbonden met de hendel en is er geen tussenstuk zoals deze swinglink.

Er zijn twee soorten hoofdremcilinders: axiale en radiale.

Bij een radiale hoofdremcilinder staat de zuiger loodrecht op het stuur. Dit is het geval met Magura MT7’s, Formula R1’s, of meer recent Hope XCR’s. Het geheel is compacter en de zuiger beweegt in dezelfde richting als de hefboom.

Bij een axiale hoofdremcilinder daarentegen staat de zuiger meer parallel aan het stuur. Zoals onze Sram Code RSC, Formula Cura, Hayes Dominion A4 of het gamma van Shimano … Het hele onderdeel is groter en wat omvangrijker op het stuur. De zuiger beweegt in een richting loodrecht op die van de hefboom.

Radiaal of axiaal, gewoon een kwestie van smaak? Het is wat ingewikkelder. Stefan Pahl, productmanager bij Magura, legt uit: “Radiale hoofdremcilinders zijn over het algemeen lichter omdat er minder materiaal wordt gebruikt. De ruimte tussen het draaipunt van de hendel en het stuur wordt ‘opgevuld’ door de zuiger, terwijl het bij een axiaal model een ‘eenvoudige’ structuur is. Het geeft ook een sportiever uiterlijk, je kunt de rem korter bouwen.”

“Axiale hoofdremcilinders hebben een conventioneler ontwerp, voor meer stedelijke/dagelijkse toepassingen. Om bovengenoemde redenen zijn ze iets zwaarder, maar de remprestaties kunnen dezelfde zijn, afhankelijk van het algemene ontwerp en de mechanische en hydraulische verhoudingen.” Wij voegen daaraan toe dat het ook gemakkelijker is een stijf blok te maken (een garantie voor prestaties, consistentie en voorspelbaarheid) met een radiaal ontwerp. Denk aan de Shimano Deore XT (axiaal) M8000 serie, voordat ze de twee steunpunten op het stuur hadden …

Anderzijds voegt Braden Snead, Senior Design Engineer bij Sram, toe: “Bij een radiaal ontwerp moet het draaipunt veel verder van het stuur worden geplaatst, waardoor de top van het blad (waar de vinger op rust) naar binnen zwenkt richting het midden van het stuur. Als het scharnierpunt dichter bij het stuur ligt, staat de bladpunt iets naar buiten, wat beter aansluit bij de natuurlijke beweging van je vinger.”

Hij zegt dat een axiaal systeem ook minder gevoelig is aan hoe goed je ontlucht en minder onderhoud vergt. Dit komt door de positie van het expansievat ten opzichte van de aansluiting van de hoofdremcilinder op de slang en het gedrag van luchtbellen in een vloeistof, die van nature naar het hoogste punt stijgen.

Hoe zit het met de remklauw?

Tijdens de remfase duwt de olie uit de hoofdremcilinder tegen de zuigers van de remklauw. De afdichtingen rond elke zuiger vervormen, zodat ze kunnen bewegen en de remblokken contact maken met de schijf.

Laat je de hendel los, dan stroomt de olie terug naar de hoofdcilinder en kunnen de afdichtingen hun oorspronkelijke vorm weer aannemen, waardoor de zuigers weer in hun oorspronkelijke positie komen. De veer tussen de remblokken, die tijdens het remmen wordt samengedrukt, ontspant zich om ze in contact te houden met de zuigers.

Een remklauw met vier of zes zuigers werkt op precies dezelfde manier. Het enige verschil is dat de olie geleidelijk over elk paar zuigers beweegt. Eerst het eerste paar, dan het tweede en uiteindelijk het derde paar dat wordt aangedrukt. In theorie kan dit een progressiever gevoel geven dan een remklauw met twee zuigers.

Wat is het doel van het expansievat?

De meeste (zo niet alle) remmen op de markt zijn uitgerust met een expansievat. Het wordt in de hoofdcilinder geplaatst en bevat een membraan waarmee de olie van de omgevingslucht wordt gescheiden (aangezien het deksel van het vat doorboord is).

In eerste instantie compenseert dit het uitzetten van de olie.

Om te begrijpen waarom, is een korte herinnering aan de grondbeginselen van de natuurkunde op zijn plaats. Een fiets + fietser die in beweging is, heeft een bepaalde energie die gekoppeld is aan zijn snelheid, kinetische energie genaamd. Aangezien de energie van een systeem behouden blijft (we spreken van invariantie van de totale energie van een geïsoleerd systeem, om precies te zijn), moet deze snelheidsgebonden energie worden “getransformeerd” in iets anders wanneer we vertragen. Het doel van een rem is dus deze kinetische energie van de rijder en de fiets om te zetten in (voornamelijk) warmte.

De warmte die in de remklauw ontstaat, verspreidt zich op natuurlijke wijze naar de schijf en het hele systeem. Hierdoor stijgt de temperatuur van de olie en neemt het volume bijgevolg toe. Hier komt het expansievat van pas. Wanneer je stopt met remmen, keert de zuiger van de hoofdremcilinder terug naar zijn uitgangspositie. Het reservoir is dan verbonden met het circuit dankzij het kleine gaatje boven de zuiger. Hierdoor kan overtollige olie het vat vullen en zal het membraan binnenin vervormen.

In een tweede fase dient het expansievat om automatisch de slijtage van de remblokken te compenseren. Dat komt omdat het expansievat een oliereserve is.

Bij gebruik neemt de dikte van de schijf en het remblokmateriaal af, zodat de zuigers in de remklauw steeds verder van de schijf af komen te staan. Door automatisch olie aan het systeem toe te voegen, passen de zuigers hun positie in de remklauw aan en blijven ze altijd op dezelfde afstand van de schijf.

Wat zou er gebeuren als er geen expansievat was?

Door het expansievat te elimineren, ga je van een “open” systeem naar een “gesloten” systeem. Dat was ook het geval bij de allereerste Formula die we aan het begin van dit artikel noemden. Als de olie opwarmt en uitzet, zou hij de zuigers van de remklauw samendrukken zonder de hendel te bedienen. We zouden ook de compensatiefunctie voor slijtage verliezen.

Wat zijn de criteria voor een goede rem?

Optimalisering van de hefboomwerking

Op papier verwacht je dat een rem krachtig en progressief is, maar toch zeer responsief. En dat begint met de hendelslag.

Zoals we zagen, is het gebruik van een expansievat essentieel. De keerzijde is wel dat het reactievermogen van de rem hierdoor vermindert. Wanneer je de hendel activeert, passeert de zuiger immers voor de opening die het circuit (de slang) met de tank verbindt. Zolang de zuiger er niet voorbij is, wordt er minder olie naar de remklauw gestuurd en kan de druk in het circuit niet echt toenemen. Dit wordt de dode zone genoemd.

Deze dode zone is ook aanwezig bij de remklauw. Als de remklauw goed is afgesteld, raken de remblokken de schijf pas als de hendel wordt bediend en moeten zij dus een bepaalde afstand afleggen voordat ze contact maken. Wil je remmen, dan moet je zo snel mogelijk contact maken om effectief en nuttig te zijn. Niemand wil een rem die 5 seconden nodig heeft om te reageren nadat de hendel is bediend …

Om deze dode zone te verminderen, heeft Sram het Swinglink-systeem ontwikkeld. Aan het begin van de hefboomslag vermenigvuldigt deze kleine tuimelaar de actie van de zuiger (zoals een tuimelaar op een vering). Zo zorgt ze ervoor dat er meer olie naar de remklauw wordt gestuurd, zodat de verbinding tussen de remblokken en de schijf snel tot stand komt. Zodra er contact wordt gemaakt, wordt er minder olie naar de remklauw gestuurd om de remkracht te regelen.

Hetzelfde principe wordt gebruikt door andere fabrikanten, zoals Shimano, dat een klein nokje gebruikt om het mechanische voordeel van de hendel en de zuiger te benutten: dit is de Servo Wave-technologie.

Hoe meer afstellingen, hoe beter?

De reach

Deze afstelling is aanwezig op de meeste remmen. Hiermee kan je de afstand tussen het uiteinde van de hendel en het stuur instellen, zodat iedereen de positie van de hendel aan zijn hand kan aanpassen.

Op de Code RSC hierboven gebeurt de afstelling zonder gereedschap met de knop op de hendel. Voor andere remmen heb je wel een sleutel nodig. Bij de Formula Cura bijvoorbeeld, gebeurt de afstelling met een inbussleutel van 2 mm. Merk op dat deze aanpassing het karakter van de rem niet verandert.

De bite

“Free Stroke” bij Shimano, “Contact Point Adjust” bij Sram, elk heeft zijn eigen naam, maar het idee blijft hetzelfde: de dode zone vergroten of verkleinen. Met andere woorden, je verlengt of verkort de afstand die de hendel moet afleggen voordat de pads contact maken met de schijf.

In deze animatie bijvoorbeeld, willen we dat het “contact” later in de hefboomslag wordt gemaakt. Door aan de knop van de hoofdremcilinder te draaien, gaat de zuiger terug, waardoor de dode zone groter wordt. Merk op dat deze aanpassing de startpositie van de hendel niet verandert.

Nogmaals, er is geen perfecte afstelling of positie die meer aan te bevelen is dan een andere. Sommige mensen verkiezen een zeer snel contactpunt, met een minimale dode hoek, terwijl anderen het contact liever voelen wanneer zij de hendel “in de hand” hebben.

Hoe ben je zeker dat een rem krachtig genoeg is?

De verhouding

Een hydraulische schijfrem brengt de kracht die je uitoefent op de hendel over op de remblokken en versterkt ze.

Allereerst is er een verhouding tussen de kracht die op de hefboom wordt uitgeoefend en de druk die door elke remblok op de schijf wordt uitgeoefend. Deze informatie wordt zelden door de fabrikanten meegedeeld, maar Magura laat het ons zelf zien: het merk kondigt aan dat de MT7’s uitgerust met een HC 1-vingerhendel een verhouding hebben van 33,6/1. Door een kracht van 50 newton op de hefboom uit te oefenen (gelijk aan een zeer stevige trek met de wijsvinger), oefent elke pad bijna 34 keer meer druk uit op de schijf: 1.680 newton.

Deze verhouding wordt door elke fabrikant bepaald. Dit hangt af van verschillende factoren, zoals de afstand tussen de vinger van de bestuurder en het draaipunt van de hendel (mechanische verhouding), de afstand tussen de zuiger van de hoofdcilinder en het draaipunt van de hendel, het verschil in grootte tussen de diameter van de zuiger van de hoofdcilinder en de zuiger van de remklauw (hydraulische verhouding) … Daarnaast kunnen factoren als het materiaal van de slang en zelfs de diameter ervan van invloed zijn op de algehele efficiëntie van de rem.

Om deze verhouding te kunnen wijzigen, kun je bij sommige merken de remonderdelen naar wens vervangen. Dit is met name het geval bij Magura, dat 4 verschillende hendels in zijn assortiment heeft: je kunt een hendel met 2 vingers monteren, die langer is en dus een grotere hendelarm biedt, een hendel met preciezere afstelling … Wij konden een tijdje geleden al deze opties uitproberen, de test is hier te vinden: Test | Magura MT7: 4 remhendels, 2 remschijven en 3 remblokken in de praktijk.

Het belang van de remblokjes

Zodra de remblokjes in contact zijn met de schijf, hangt de kwaliteit van de remwerking af van de verhouding tussen de schijf en het remblokmateriaal, d.w.z. de waarde van de wrijvingscoëfficiënt. Hoe hoger de coëfficiënt, hoe doeltreffender het remmen. Anderzijds betekent een lage coëfficiënt minder remmen.

Om dit te illustreren: stel je voor dat je remt met remblokken en schijf in goede staat, en dat je vervolgens hetzelfde remproces herhaalt met remblokken vol olie. In beide gevallen oefenen de remblokken dezelfde druk uit op de schijf en toch is het remmen in het tweede scenario veel slechter.

Elk materiaal heeft zijn eigen wrijvingscoëfficiënt. Naarmate de temperatuur stijgt, volgt deze coëfficiënt eerst dezelfde weg om zijn hoogste waarde te bereiken. Op dit punt is remmen optimaal. Als de temperatuur blijft stijgen, kan een drempel worden overschreden waarboven de coëfficiënt begint af te nemen. De prestaties van de rem gaan achteruit en dit kan leiden tot verglazing van het remvlak. Het kiezen van remblokken is niet iets om licht over te gaan.

Een kwestie van schijven

De schijf is het laatste element van de ketting. Hoe verder van de wielas, hoe groter de hefboomwerking. Als je van een schijf met een diameter van 203 mm naar een schijf met een diameter van 220 mm gaat, win je iets minder dan 10% aan remkracht. Maar zou het gebruik van schijfremmen op een 29″-wiel betekenen dat je een schijf van meer dan 600 mm moet gebruiken?

Ja en nee. De hefboom van de “schijf” zou in dit geval inderdaad veel groter zijn dan wat wij vandaag gebruiken. Anderzijds heeft een systeem met velgremmen niet dezelfde prestaties als een systeem met schijven en zuigers. Dan hebben we het over de punten die we hierboven hebben genoemd: de verschillende verhoudingen, de wrijvingscoëfficiënt … Vandaar uiteindelijk een veel lager vermogen, ook al heeft de velg een grotere diameter dan de schijf.

Interessant is ook dat de grootte van de schijf een andere invloed heeft op het remmen afhankelijk van het gebruikte wiel. Wanneer je van een 27,5″ naar een 29″-wiel gaat, neemt de massa en de radius van het wiel toe, en dus de traagheid. Daarom heeft een schijf met een diameter van 180 mm bijvoorbeeld niet hetzelfde effect op een 27,5″-wiel als op een 29″-wiel. Dit is een nuttige parameter om rekening mee te houden als je je fiets bijvoorbeeld wilt ombouwen tot een mullet set-up.

Te onthouden

Kort samengevat kun je zeggen dat een hydraulische schijfrem een hendel is die een zuiger activeert, die olie aandrukt, die andere zuigers activeert waarop de remblokken zijn bevestigd. Maar onze remmen zijn in de loop der tijd wat complexer geworden. Eerst het expansievat, dan de verschillende mechanismen om de dode zone te beheren, de afstellingen, de materialen … Zoals altijd in de wielersport zijn deze ontwikkelingen ingegeven door twee grote beperkingen die niet altijd verenigbaar zijn: maximale prestaties met een minimaal gewicht en een minimale omvang. We hopen dat dit artikel heel wat duidelijker heeft gemaakt, en we hopen je snel weer te zien voor een nieuwe aflevering!

Opmerking: De animaties in dit artikel zijn bedoeld ter illustratie, ze zijn niet gebaseerd op werkelijke remmetingen.