Bijna alle in moderne motorfietsen toegepaste voorvorken zijn zogenaamde cartridge-voorvorken. Maar wat betekent deze aanduiding en hoe werkt dat allemaal?

Op de BMW GS-modellen na, hebben bijna alle op de markt verkrijgbare motorfietsen een telescoopvoorvork. Daarbij gaat het bijna altijd om een zogenaamde ‘cartridge’-voorvork. Dit is zelfs het geval in de lage prijsklassen, al gaat het dan meestal om exemplaren zonder instelmogelijkheden.

De klassieke voorvork was tien tot twintig jaar geleden nog in de meerderheid, nu is het een uitzondering. Eenvoudig gezegd functioneren klassieke voorvorken als volgt: de buitenbuis van de veerpoten is verbonden met de vooras, de glijbuis of binnenste buis steekt aan de onderzijde in de buitenbuizen en aan de bovenzijde in de kroonplaten. Binnen in de buizen bevindt zich bij elke veerpoot een veer, die afsteunt op een zuiger die boven op de zogenaamde demperstang is geschroefd. De zuiger dicht deze af ten opzichte van de glijbuis. Bij het inveren drukt deze zuiger de olie, die onderin in beide veerpoten staat, door smalle boringen in de zuigerstang uit de ruimte onder de zuiger naar de ruimte erboven. De diameter van de boringen en de viscositeit van de olie bepalen daarbij hoeveel demping er wordt opgewekt. Bij het uitveren verloopt dit proces omgekeerd: olie stroomt via de boringen in de zuigerstang van boven naar beneden.

Bij deze bouwwijze kun je niets afstellen. Ook de dempingscurve – dat is de hoeveelheid demping die bij verschillende in VS-snelheden wordt opgewekt – is niet te beïnvloeden. Bij dit systeem neemt de demping in beide richtingen met het kwadraat van de inveersnelheid toe: de demping is bij lichte, soepele bewegingen eerder soft, bij hardere slagen eerder te stug. Bij het streven naar een beter gedimensioneerde dempingskarakteristiek hebben de heren ingenieurs zich op een gegeven moment herinnerd hoe de schokdemper aan de andere kant van de motorfiets functioneert. Wie ons vorige verhaal over schokdempers heeft gelezen, zal een aantal zaken direct herkennen: in principe functioneert een cartridge-voorvork niet anders dan een schokdemper.

Onafhankelijk van elkaar

Het basisidee: bij het in- en uitveren moet de demping in beide richtingen onafhankelijk van elkaar kunnen worden bepaald. Daarnaast wil men de demping voor verschillende veersnelheden individueel kunnen aanpassen. Daarvoor maakt men in de voorvork een soort cilinder, de zogenaamde cartridge. Dat is in principe gewoon een buis met een zeer precies gehoonde binnenkant. Deze buis wordt aan de onderzijde aan de asopnemer geschroefd en aan de bovenzijde met een deksel afgesloten. In die deksel zit een boring voor de zuigerstang. Bij een typische voorvork, zoals die in veel Japanse motorfietsen wordt gemonteerd, heeft deze cartridge een binnendiameter van 20 mm, de klassieke Öhlins-voorvorken hebben een cartridge van 25 mm. Sinds enkele jaren zijn er ook 30mm-cartridges voor supersportmotoren.

In de cartridge bevindt zich een zuiger, die bij het in- en uitveren op en neer gaat. De zuiger is aan de onderzijde aan de zuigerstang bevestigd en is uitsluitend verantwoordelijk voor de uitgaande demping. Dat functioneert als volgt: de zuiger is net als zijn collega in de achtervering voorzien van boringen, waar olie doorheen kan stromen, wanneer de zuiger zich door de olievulling in de voorvork beweegt.

Deze boringen zijn aan één kant afgesloten door een stapeltje ‘shims’. Aan de kant van de ingaande demping vinden we bij 20mm-cartridges meestal shims met een diameter van 18, 16,14 en 12 mm en een dikte van 0,1-0,25 mm. Bij snelle veerbewegingen kunnen deze shims door de oliedruk openbuigen, zodat ze de boring vrijgeven. Aan de andere kant van de zuiger bevindt zich een terugslagklep. Dat is een enkele shim die door een zwakke veer op de zuiger wordt gedrukt en die de olieboringen bij het inveren heel gemakkelijk vrijgeeft. Bij het inveren dempt deze zuiger dus nauwelijks.

Aan de onderkant van de cartridge – daar waar de buis aan de asopnemer is bevestigd – bevindt zich een vergelijkbare of zelfs geheel gelijke zuiger. In vergelijking met zijn collega aan de kant van de ingaande demping is deze andersom ingebouwd. Deze zuiger beweegt niet tijdens het veren. Tijdens het uitveren opent hij de terugslagklep, zodat hij in die richting geen demping opwekt. Bij het inveren wordt ook hier olie door de zuiger heen geperst, waardoor de shims aan de onderzijde van de zuiger open worden gedrukt en de beweging van de voorvork wordt gedempt. Deze gebeurtenissen – demping door het openbuigen van de shims op beide zuigers – vinden echter alleen plaats bij zeer snelle veerbewegingen, dus bij het oprijden van een stoeprand of putdeksels. Voor zachtere, langzamere bewegingen is de cartridge-voorvork voorzien van een tweede dempingscircuit.

Tweede dempingscircuit

Net zoals bij de achterschokdempers kan ook hier olie door de zuigerstang van de boven- naar de onderzijde van de zuiger stromen en omgekeerd. Deze boring in de zuigerstang kun je via een mechanisme openen of sluiten. De bediening van dit mechanisme vind je boven in de voorvork. Daarmee verstel je de uitgaande demping. De ingaande demping functioneert op een vergelijkbare manier: de onderste, vast bevestigde zuiger heeft in zijn bevestiging eveneens een boring, waar olie doorheen kan stromen, zelfs als de shims door de langzame veerbeweging gesloten blijven. De oliestroom door de zuiger van de ingaande demping kun je wederom met een instelmechanisme afstellen. De stelschroef hiervoor vind je aan de onderzijde van de voorvork.

Techniek: De voertuigdynamiek van een motorfiets

Bij sommige motorfietsen, zoals de Ducati Multistrada S met Öhlins-vering of de Ducati Panigale, worden beduidend eenvoudigere cartridge-systemen gebruikt. De oorspronkelijke reden: deze motoren zijn voorzien van elektronisch verstelbare vering. Bij een klassiek cartridge-voorvork met instelmogelijkheden onderin in de asopnemers zou je de ingaande demping niet elektrisch kunnen verstellen. De oplossing is heel eenvoudig: in elke vorkpoot zit slechts één zuiger, die op de zuigerstang zit en die op en neer beweegt. In de ene vorkpoot wordt deze hetzelfde ingebouwd als bij een klassieke cartridge-voorvork, dus met de shims aan de bovenkant en de terugslagklep aan de onderkant. Deze vorkpoot zorgt dus voor de uitgaande demping. De andere vorkpoot zorgt voor de ingaande demping.

Hier is de zuiger ondersteboven gemonteerd: de shims onder en de terugslagklep boven. Zo zorgt de ene vorkpoot voor de uitgaande demping, de andere voor de ingaande demping. Dat leidt natuurlijk tot een hogere belasting van de kroonplaten. Daarom zijn die bij motorfietsen, waarbij dit systeem wordt toegepast, ook zeer solide uitgevoerd.

Gesloten cartridge

Tot nu toe hebben we het in principe alleen over een open cartridge gehad. Open, omdat de cartridge in de voorvork praktisch geheel in de olievoorraad staat. Hij is dus aan de boven- en de onderzijde open, zodat de olie in de cartridge bij het inveren van de zuigerstang uit de cartridge kan ontsnappen en omgekeerd terugloopt, als de zuigerstang weer omhoog komt.

In de racerij wordt echter ook al enige tijd de zogenaamde ‘gesloten cartridge’ toegepast. De werking daarvan verschilt duidelijk van zijn open collega’s. De gesloten cartridge werkt in de voorvork als een volledig autonoom systeem. De olievulling in de voorvork dient in principe alleen voor de smering, hoewel je de progressiviteit van de voorvork kunt beïnvloeden door het olieniveau en daarmee de afmeting van de luchtkamer aan te passen. Voor de demping zorgt een systeem dat vergelijkbaar is met de gasgevulde schokdempers aan de achterzijde van de motorfiets. Hierbij beweegt een zuiger in een slanke cilinder, die hermetisch is afgesloten. Net als in de schokdemper zorgt de zuiger voor de demping – met behulp van zijn boringen en de daarop bevestigde shims – via het tweede oliecircuit in de zuigerstang.

Gesloten cartridges zijn voorzien van een stikstofvulling en een scheidingszuiger tussen het olie- en het gasniveau. Je moet zo’n cartridge zien als een slanke schokdemper binnen in de veerpoot. Een variant op dit systeem is de MotoGP- en WorldSuperbike-voorvork van Öhlins. Daarbij is de zuiger in een apart, buiten de voorvork geplaatst reservoir onderaan de ashouder geplaatst, net als bij de schokdempers met piggyback reservoir. Dat ziet er enorm ruig uit en kost meer dan een motorfiets uit de middenklasse, meer dan € 10.000,-. Het onderhoud van een dergelijk systeem is eveneens vrij prijzig. Daarom speelt dit systeem bij wegmotorfietsen – afgezien van de Ducati Panigale 1199 – nog geen rol. En dat zal het ook niet gaan spelen.