Hoofdstuk 8

In de juiste versnelling

De motor levert een 'draaikracht' of koppel. Dit koppel is niet groot genoeg om de rijweerstanden te overwinnen. Het koppel moet dus vergroot worden en dit gebeurt in de eindreductie. Bij achterwielaandrijving en voorin geplaatste motor maakt de eindreductie deel uit van de achterasaandrijving, nl. als haakse overbrenging tussen kroonwielen en pignon (fig. 11). Ook bij voorwielaandrijving is zo'n haakse overbrenging aanwezig, tenzij de motor dwars is geplaatst. In dat geval wordt de eindreductie gevormd door twee rechte tandwielen (fig. 20).

We spreken dus van een reductie als een tandwiel van bepaalde afmetingen en een bepaald aantal tanden een groter tandwiel met meer tanden aandrijft (fig. 8). Het koppel (de 'draaikracht') wordt dan vergroot (in fig. 8 verdubbeld), waarbij het toerental verminderd (gereduceerd) wordt. Vandaar de naam 'reductie'. In fig. 8 wordt het toerental van het gedreven tandwiel tot de helft gereduceerd. Men spreekt ook wel van een overbrengingsverhouding van 1:2 (1 staat tot 2 of 1 op 2).

De overbrengingsverhouding van de eindreductie is door de auto-ontwerper vastgesteld en vormt een vaste reductie waaraan de bestuurder niets veranderen kan. Tijdens normaal rijden levert de eindreductie een koppelvergroting op die voldoende is om de rijweerstanden te overwinnen. Maar soms moeten er veel grotere weerstanden worden overwonnen. Bij voorbeeld bij het in beweging brengen van een stilstaande auto. Want het vereist meer kracht om een stilstaand voorwerp in beweging te brengen dan om een in beweging zijnd voorwerp in beweging te houden.

Ook als een auto tegen een helling op moet of als zijn beweging binnen de kortst mogelijke tijd versneld moet worden (bij het snel inhalen van een andere auto) wordt er meer draaikracht, dus een groter koppel, vereist.

Het is de versnellingsbak die dit mogelijk maakt. Hierin bevinden zich een aantal tandwielengroepen die een aantal overbrengingsverhoudingen naar keuze opleveren. Meestal zijn het er drie (eerste, tweede en derde versnelling), terwijl de vierde versnelling een rechtstreekse overbrenging is, dus geen reductie vormt.

Al eerder in dit boek werd opgemerkt dat de naam 'versnelling' niet zo best gekozen is. De eerste versnelling levert een grote reductie op (we zouden ook kunnen zeggen 'vertraging', maar het is zeker geen 'versnelling'), dus een groot koppel. De tweede versnelling een iets minder grote reductie, zodat het koppel ook in een iets mindere mate vergroot wordt. De reductie van de derde versnelling is nog wat minder groot en dit geldt natuurlijk ook voor het daaruit resulterende koppel.

De vijfbak

De meeste auto's zijn voorzien van een vierversnellingsbak, kortweg een vierbak genoemd. Wij hebben gezien dat de hoogste, de vierde versnelling dan een directe overbrenging is en dus geen reductie en daarmee geen koppelvergroting oplevert.

In het verleden werd ook wel een vijfversnellingsbak, een zg. vijfbak, toegepast, met de vijfde versnelling als directe overbrenging. Het nut van zo'n bak was dat de overbengingsverhoudingen dan wat dichter bij elkaar lagen, wat bij sportauto's de mogelijkheid tot sneller accelereren opleverde.

Tegenwoordig geniet de vijfbak weer opnieuw populariteit (fig. 139), maar met een ander oogmerk. De vijfde versnelling is geen directe overbrenging, maar het tegendeel van een reductie, dus een echte 'versnelling'. Als de bak in de vijfde is geschakeld, maakt de uitgangsas meer omwentelingen dan de ingangsas. Dit vormt dus het tegendeel van koppelvergroting. Het koppel, dus de trekkracht, wordt er juist door verminderd. Dat is geen bezwaar wanneer met kruissnelheid op een vlakke weg wordt gereden. Maar wordt de rijweerstand groter omdat bij voorbeeld de weg stijgt, dan is de trekkracht hiervoor onvoldoende en moet teruggeschakeld worden naar de vierde versnelling (die dan meestal een directe overbrenging is).

Het voordeel van zo'n vijfde versnelling is dat de motor minder toeren maakt, minder brandstof verbruikt en minder geruis maakt. Duidelijke voordelen dus, maar zo'n vijfde versnelling is alleen bruikbaar als men langere tijd met een vrij constante snelheid op een vlakke weg kan rijden.

Deze vijfde versnelling wordt ook wel 'overdrive' genoemd. Dit is niet geheel juist, want een overdrive (Duitsers noemden het een 'Schnellgang') was oorspronkelijk een klein versnellingsbakje met een speciale tandwielencombinatie die achter de hoofdversnellingsbak werd geplaatst. Deze overdrive leverde dan een extra overbrengingsverhouding op, vergelijkbaar met de thans toegepaste vijfde versnelling.

Er zijn ook versnellingsbakconstructies met voorschakeltandwielen, door een afzonderlijke hefboom bediend, waarmee men alle overbrengingsverhoudingen kan wijzigen. De hefboom heeft dan twee standen, nl. P (Power) en E (Economy).

In de stand P leveren de overbrengingsverhoudingen van de versnellingen een grote trekkracht op. In de stand E is de trekkracht minder groot, maar dit komt het brandstofverbruik weer ten goede.

Koppelvergroting kost brandstof

Al naargelang de motor meer trekkracht nodig heeft, moet een lagere versnelling worden ingeschakeld. Dit kost nu eenmaal meer brandstof dan het rijden in de hoogste versnelling, maar daaraan is weinig te doen.

Maar in vele gevallen is er geen extra trekkracht nodig. Komt deze toch beschikbaar omdat een lage versnelling wordt gebruikt, dan betekent dit verspilling van brandstof. De kunst is natuurlijk om de beschikbare trekkracht af te stemmen op de behoefte. Net zou het ook niet goed zijn om een te geringe trekkracht (te hoge versnelling) te kiezen, als er juist behoefte is aan meer trekkracht. De motor wordt dan schokkerig en maakt de indruk zijn levendigheid te hebben verloren. Het is dus een zaak om naar beide kanten niet te overdrijven.

Ook de cilinderinhoud en het karakter van de motor spelen een rol bij de keuze van de juiste versnelling bij elke rijtoestand. Bij een kleine tweecilinder motor van een halve liter inhoud zal men in stadsverkeer veel gebruik van de lagere versnellingen moeten maken.

Maar zelfs een betrekkelijk kleine viercilinder motor van één liter cilinderinhoud is tegenwoordig soepel genoeg om bij 50 km per uur de hoogste versnelling (dus directe aandrijving zonder koppelvergroting) mogelijk te maken. Blijft in zo'n geval de derde versnelling ingeschakeld, dan gebruikt men 15 tot 20 % meer dan nodig is. In de tweede versnelling wordt dit percentage bijna verdubbeld (fig. 140).

Wat ook extra benzine kost is de gewoonte om voornamelijk op de motor af te remmen door terug te schakelen en dan gas los te laten. Op die manier kan snel vaart worden verminderd zonder de remmen te gebruiken. Maar het motortoerental gaat er fors door omhoog en er wordt extra benzine doorgejaagd. Wie deze gewoonte niet toepast en zoveel mogelijk de hoogst mogelijke versnelling heeft ingeschakeld, zal 20 tot 30 % minder benzine verbruiken dan de bestuurder die alles 'in z'n twee' (of in z'n drie) doet.

Constructie van de versnellingsbak

Er is wel uiteengezet dat koppelvergroting plaatsvindt door het inschakelen van bepaalde tandwielengroepen, maar nog niet HOE dit gebeurt. Uit fig. 141 blijkt dat daartoe gebruik wordt gemaakt van schakelvorken die bewogen worden door de versnellingshendel.

De schakelvorken schuiven de in te schakelen tandwielen langs een as die voorzien is van langsgroeven. Men noemt ze meesztal 'splines' (spreek uit: splains). Deze as is de hoofdas en vormt tevens de uitgangsas, die het koppel verder via de eindaandrijving naar de wielen overbrengt.

Natuurlijk heeft de versnellingsbak ook een ingangsas. Deze wordt door de motor via de koppeling aangedreven en wordt gewoonlijk primaire as genoemd. Op deze ingangs- of primaire as bevindt zich een tandwiel dat voortdurend in aangrijping is met een groter tandwiel op de er onder gelegen as, die nevenas of secundaire as wordt genoemd. Het gaat er nu om dat tandwielen op de hoofdas met de juiste tandwielen op de secundaire as in aangrijping worden gebracht.

Krakende tandwielen

Nu is het tandwielenstelsel in fig. 141 wel geschikt om het principe van een versnellingsbak te tonen, maar voor werkelijk gebruik minder geschikt. Tijdens het rijden moeten tandwielen in elkaar worden geschoven die met een verschillende snelheid draaien. Dit gaat zwaar en geeft aanleiding tot gekraak, terwijl de tandwielen er ook niet beter op worden.

Het gaat al wat beter als de tanden niet van rechte, maar van schuine verstanding worden voorzien (fig. 142) en nog beter is het om de tandwielen niet meer langs de as te schuiven, maar ze constant in elkaar te laten grijpen (constant mesh). Een tandwiel kan dan vrij over de as draaien, maar kan aan deze as vastgekoppeld worden door middel van een klauwkoppeling. De nokken of klauwen van deze koppeling zijn minder kwetsbaar dan de tanden op de tandwielen.

De klauwkoppeling

Maar ook de klauwkoppeling in fig. 142 is vrij primitief en voor verbetering vatbaar. Die verbetering ziet u in fig. 143. De koppeling is nu een schuifmof geworden, aangebracht op een as met langsgroeven. U vindt geen tanden aan de buitenomtrek, maar wel aan de binnenkant. Deze inwendige vertandingen corresponderen met tandkransen die naast de eigenlijke tandwielen (A en D) zijn aangebracht. Door de schuifmof naar links of rechts te verplaatsen, krijgt tandwiel A of D een vaste verbinding met de groevenas, draait dus niet meer vrij om zijn as en drijft op zijn beurt tandwiel C of tandwiel B op de secundaire as aan.

Synchromesh

Als u het principe van de schuifmof begrijpt, is het nog maar één stap om de werking van een synchromesh-versnellingsbak te begrijpen. De zijkanten van de tandkransen van tandwiel A en D in fig. 143 worden van conussen voorzien. U ziet de conische vlakken getekend in fig. 144 (zie de pijlen).

Ook de schuifmof biedt een conische uitsparing en u begrijpt natuurlijk al dat de conische vlakken van de tandkransen in de conische uitsparingen van de schuifmof kunnen vallen. Als dit gebeurt ontstaat er wrijving tussen beide elementen en daardoor zullen ze op een gelijk toerental worden gebracht. Het gaat er dus om eerst de snelheden van beide elementen gelijk te brengen (te synchromiseren) en ze vervolgens zonder moeite en geruisloos met elkaar in aangrijping te brengen. De schuifmof is nu een synchronisator geworden. Zijn constructie blijkt uit fig. 145, waarbij de synchronisator in doorsnede wordt getoond. U moet het dus zo zien (fig. 145).

Het tandwiel op de hoofdas draait vrij om de as en is in voortdurende aangrijping met het tandwiel op de daaronder gelegen secundaire as, dat een aandrijfwiel is. Maar omdat het bovenste tandwiel vrij om zijn as draait, wordt er geen kracht overgebracht.

Dat gebeurt pas als het tandwiel vast aan de as wordt gekoppeld. Hiertoe wordt de schakelmof naar links geduwd en komen de conische vlakken hiervan in aanraking met de conische vlakken op de zijkant van het tandwiel. As en tandwiel nemen nu dezelfde snelheid aan, zodat de verbinding zonder kraken tot stand komt. Het bovenste tandwiel draait nu niet meer vrij om de as, maar drijft de as aan (dankzij de groeven of splines).

Automatisch schakelen

Het bedienen van het koppelingspedaal en de versnellingshendel kan in druk verkeer een vermoeiende bezigheid vormen. Beide handelingen kunnen echter geautomatiseerd worden door middel van een 'automatische transmissie' zoals de naam meestal luidt.

Dit is gewoonlijk een combinatie van twee hoofdcompontenten, nl. een vloeistofkoppeling tevens koppelomvormer (A in fig. 146) en een versnellingsbak van speciale constructie (B).

De vloeistofkoppeling

Een koppeling brengt het motorkoppel (de draaikracht) naar de versnellingsbak over. We hebben gezien in fig. 6 hoe een met frictievoering beklede schijf tussen het vliegwielvlak en een drukplaat wordt geklemd. Om de koppeling vrij te maken, moet het pedaal worden ingetrapt, waarbij de drukplaat tegen de druk van een of meer veren in teruggetrokken wordt. Deze koppeling werkt dus geheel mechanisch.

Een koppeling kan echter ook hydraulisch werken en dan spreekt men van en vloeistofkoppeling. Het principe hiervan is eenvoudig. De vloeistofkoppeling bestaat uit twee schalen, ieder voorzien van een aantal schotten, ook wel schoepen genoemd (fig. 147).

De ene schaal is bevestigd aan de motorkrukas en werkt als aandrijvend deel of pomp. De andere schaal is verbonden met de versnellingsbak en vormt het aangedreven deel of turbine. Samen vormen ze een gesloten huis, gevuld met olie. Als de motor draait en daarmee ook de pomp, wordt de olie hieruit tegen de schotten van de turbine geslingerd.

Bij stationair draaiende motor is de oliestroom nog niet krachtig genoeg om de turbine mee te nemen. Maar naarmate het motortoerental toeneemt, wordt ook de oliestroom krachtiger en gaat de turbine meedraaien. Circulerende olie is nu een middel geworden om een koppel van de motor naar de versnellingsbak over te brengen. Dit gebeurt geheel automatisch, zonder tussenkomst van een koppelingspedaal.

Koppel vergroten

Een vloeistofkoppelling kan, net als een mechanische koppeling, het motorkoppel wel overbrengen, maar niet vergroten. Hiervoor is nog een derde element tussen pomp en turbine nodig, nl. een reactor, ook wel stator genoemd (fig. 148).

Wordt deze tussen pomp en turbine geplaatst, dan is wel vergroting van het koppel mogelijk. De oliestroom heeft nu immers een 'afzetpunt' gekregen, want de reactor is door middel van een vrijloopmechanisme op een as aangebracht. Hierdoor kan de reactor in één richting vrij draaien; in de andere richting is hij geblokkeerd.

Reactor draait mee

Naarmate het toerental van de turbine stijgt, is er minder behoefte aan koppelvergroting. Doordat de turbine sneller draait, komt de oliestroom onder een andere hoek tegen de schoepen van de reactor. Deze gaat nu meedraaien en biedt geen weerstand meer aan de oliestroom. Pomp en turbine fungeren nu weer als een gewone vloeistofkoppeling. De oliestroom brengt wel het koppel over, maat vergroot dit niet. Dit gebeurt weer, zodra de auto meer weerstand gaat ondervinden en het toerental van de turbine terugloopt.

Traploze koppelvergroting

Dit vergroten van het koppel gebeurt traploos, in tegensteling tot wat er in een gewone versnellingsbak geschiedt. Daar immers vinden we een aantal overbrengingsverhoudingen, die het motorkoppel 'in trappen' vergroten.

Toch kan een hydraulische koppelomvormer een mechanische koppeling niet geheel vervangen. De reductiemogelijkheid van een koppelomvormer is niet groot genoeg en daarom moet er toch een tandwielreductie aan te pas komen. Ook moet de wagen in 'achteruit' geschakeld kunnen worden. Voor de tandwielreductie wordt gebruik gemaakt van planetaire tandwielen, zie fig. 149. Het aandrijftandwiel (het zonnewiel) op as A drijft drie planeetwielen aan, die draaibaar zijn om de asjes van de planeetwieldrager (B). De planeetwielen kunnen omlopen langs de binnenomtrek van een tandwiel met inwendige verstanding, genaamd het ringtandwiel (C).

Een planetair tandwielenstelsel is bijzonder compact. Dit geheel kan diverse reducties opleveren zonder dat tandwielen in- of uitgeschakeld worden. Hiertoe kan een der elementen, bv. het ringtandwiel, worden tegengehouden of twee elementen kunnen met elkaar verbonden worden. Voor het eerste wordt een remband toegepast (fig. 150) die door oliedruk om het ringtandwiel wordt aangetrokken.

De oliedruk werkt in een zg. servocilinder op een zuiger. Het verbinden van twee elementen aan elkaar geschiedt d.m.v. een meervoudige platenkoppeling of lamellenkoppeling. Het inschakelen van de koppeling geschiedt eveneens door oliedruk die op een zuiger werkt. Zo'n koppeling is aangegeven door C in het schema van fig. 151.

Door het tegenhouden of het met elkaar verbinden van elementen kunnen allerlei gewenste combinaties worden verkregen: een reductie, omkering van de beweging (dus achteruit) of een directe aandrijving zonder reductie.

Oliepomp

Het aantrekken van de remband of het aangrijpen van de lamellenkoppeling gebeurt door oliedruk die geleverd wordt door een pomp, die door de motor wordt aangedreven. Nu is er natuurlijk een inrichting nodig die ervoor zorgt dat de oliedruk naar de juiste remband of lamellenkoppeling wordt geleid. Dit gebeurt door een kleppenstelsel (D in fig. 151) dat bv. wordt beïnvloed door het motortoerental en de stand van het gaspedaal.

Ook de bestuurder zelf kan kleppen inschakelen door middel van een hefboompje. Hiermee kan de achteruit worden gekozen of een bepaalde reductie kan geblokkeerd worden, bv. bij een lange afdaling. Ook is er natuurlijk een 'neutraal'- en een parkeerstand.

Laten we met behulp van fig. 151 alles nog even herhalen:

A is de koppelomvormer die automatisch het koppel kan vergroten, maar binnen een beperkt bereik. De koppelvergroting moet dan ook uitgebreid worden met een planetair tandwielenstelsel (B) die een of meer reducties kan opleveren alsmede een directe aandrijving en de achteruit. Dit wordt bereikt met behulp van hydraulisch bediende rembanden en/of lamellenkoppelingen (C).

In sommige gevallen geschiedt de bediening door de bestuurder die door middel van een hefboom kleppen in een bepaalde stand brengt (D). Ook een reductie kan met de hand worden ingeschakeld, maar tijdens normaal rijden gebeurt dit inschakelen automatisch door een inrichting die gevoelig is voor wagensnelheid en motorbelasting.

Brandstofverbruik

Het nadeel van de automatische transmissie met koppelomvormer is dat in laatstgenoemde slip optreedt. Een deel van de aandrijfkracht gaat dus verloren en dit is er de oorzaak van dat een automaat 10 à 15 % meer brandstof verbruikt dan een overeenkomstige auto met een handgeschakelde versnellingsbak. Daar staat dan wel tegenover dat een automaat beter de juiste versnelling weet te kiezen dan vele bestuurders met een handgeschakelde bak.

Toch zijn er de laatste tijd gewijzigde constructies verschenen die ten doel hebben het meerverbruik van de automaat te verhinderen. Een van deze mogelijkheden is het buiten werking stellen van de koppelomvormer, waneer deze geen koppel hoeft te vergroten.

Dit buiten werking stellen gebeurt dan door de koppelomvormer te overbruggen door een plaatkoppeling. Bij normaal rijden - zonder koppelvergroting - is daarmee de slip opgeheven en op die manier kan ca 5 % brandstof worden bespaard.

Een andere mogelijkheid is om ook de planetaire versnellingsbak achter de koppelomvormer van een 'overdrive' te voorzien, zodat hetzelfde effect wordt verkregen als bij de vijfde versnelling van een handgeschakelde bak.

Ook elektronisch

Op het hier beschreven systeem zijn variaties mogelijk. Zo kan men de commando's voor de hydraulisch in te schakelen lamellenkoppeling of rembrand langs elektronisch i.p.v. langs mechanische weg verkrijgen. Op de rol die de elektronica in verband met een automatische transmissie en vermindering van het brandstofverbruik kan spelen, komen we in een later hoofdstuk nog terug.

Mechanisch

En dan is er verder nog de volautomatische 'variomatic' van DafVolvo, een geheel mechanisch systeem. Het principe is bijzonder eenvoudig. Het motorkoppel wordt via een automatische koppeling (geen vloeistofkoppeling; ook een mechanische koppeling kan met behulp van centrifugaalgewichten automatisch werken) naar de variomatic overgebracht. Deze omvat twee riemschijven waarvan de diameter veranderliijk is en die onderling verbonden zijn door een V-riem (fig. 152).

De riemschijven bestaan uit twee helften, waarvan een zich kan verplaatsen. Loopt de riem aan de aandrijfzijde over een grote diameter, dan trekt de riem aan de gedreven zijde de helften van elkaar en loopt daar over een kleine diameter. Het verschil in diameter van de aandrijfschijf komt tot stand door een stel centrifugaalgewichten, ondergebracht in een tegen de schijf aangebouwde trommel. Als het toerental van de motor - en daarmee ook dat van de aandrijfschijf - toeneemt, gaan de gewichten naar buiten (richting van de pijlen) en worden de schijfhelften naar elkaar toe geduwd.

Het motortoerental bepaalt dus de overbrengingsverhouding, maar ook de motorbelasting draagt hiertoe bij. De ruimte in de trommel wordt nl. ook beïnvloed door het motorvacuum en deze ondersteunt de werking van de centrifugaalgewichten of gaat de werking hiervan tegen, al naargelang de bedrijfstoestand.

Halfautomaten

Ten slotte zijn er, meestal voor personenauto's in de kleinere klasse, nog de zg. halfautomaten. Gewoonlijk is dit een combinatie van een koppelomvormer, een natte koppeling en een gewone versnellingsbak. Een koppelingspedaal is dan overbodig.

Aanpassing

De laatste jaren staat de transmissie als geheel sterk in de belangstelling van autoconstructeurs. Men wil nl. de transmissie zo goed mogelijk aan het motorkarakter aanpassen en de overbrengingsverhoudingen afstemmen op een economisch brandstofverbruik. De komende jaren kunnen er dan ook nieuwe constructies worden verwacht waarbij waarschijnlijk ook de elektronica een rol zal spelen.

Maar thans moeten we het nog met de gewone versnellingsbak (of de automaat) doen. Wat de eerste betreft kunnen we zelf veel aan de brandstofeconomie doen door de juiste versnelling te kiezen.