Versnellingen

 HET VERZET

De afstand die we afleggen met een omwenteling van de trapas, noemen we het verzet. De variatiemogelijkheden van het verzet noemen we versnellingen.

Hoe meer meters per omwenteling we willen afleggen, hoe harder we moeten duwen op de pedalen. Uiteindelijk zijn hiervoor de wieldiameter, en de tandwielverhouding de belangrijkste factoren. Coureurs praten vaak over de tandwielverhouding op hun racefiets: "Ik reed met 42-18 de Cauberg op". Omdat de achterwielen van racefietsen een standaard maat hebben, kun je verzetten en tandwielverhoudingen, dan direct vergelijken. Op de moutainbike is dat tegenwoordig moeilijker. In de jaren 80 en 90 reden we daar ook met een standaard maat, een velgdiameter met 559mm doorsnede; 26 inch zeggen de mountainbikers meestal. Het huidige aanbod van ATB's kent extra grote bandenmaten, die met 27,5 en 29 inch worden aangeduid. Zeker als je verschillende versnellingssystemen of wielmaten wil vergelijken, is een omrekening naar de afgelegde weg, de beste manier om die vergelijking te maken. Veel ingewikkelder wordt het als we een Rohloff 14 versnellingsnaaf of een trapasversnelling van Pinion (18 versnellingen) inbouwen. Hieronder kunt u een Excelfile downloaden voor de berekening: verzetberekening.xlsx

Een ouderwetse stadsfiets legt ongeveer 4 of 5 meter af, per omwenteling van de crank. Coureurs in een sprint of afdaling, trappen circa 10 meter. Een ATB met als kleinste tandwiel 24 voor en grootste tandwiel 32 achter (vaak de lichtste versnelling), trapt circa 1,5m weg. De snelheid zakt dan al gauw naar 5km/u en evenwicht houden wordt moeilijker. Zelfs bij een gelijke velgdiameter, kan er toch verschil zijn in de afgelegde weg; er is namelijk een grote variatie in banddikte. Door bredere banden te kiezen, of alleen al door een hogere druk op de band te zetten, wordt de afgelegde weg van het wiel per omwenteling groter. 

DE AANDRIJVING EN VERSNELLINGEN

De fiets had in de beginjaren een enkele vaste aandrijving. Het rendement van de aandrijving was hoog, omdat er geen extra wrijvingsverliezen waren, want de trapas was direct met de naaf verbonden. Met een wieldoorsnede van 1 meter, is de afgelegde weg 3,14m. Dat vinden we eigenlijk een licht verzet en om harder te rijden, koos men voor een steeds groter voorwiel. Men zocht toen naar een manier om tijdens het rijden het verzet te wijzigen. Het eerste versnellingssysteem op de fiets, zat dan ook in de naaf van het voorwiel, een naafversnelling: planetair tandwielstelsel, de Crypto-as uit 1878.

Zodra we versnellingen in gaan bouwen, krijgen we te maken met extra verliezen door de wrijving van tandwielen en/ of kettingen. Bij de introductie van de Rover Safety met kettingaandrijving in 1885, ontstond de mogelijkheid om het achterwiel uit te rusten met een tandwiel links en rechts. De rijder moest om te schakelen wel afstappen en het wiel omdraaien. De verschillen in tandwielen waren nooit echt groot, want de ketting moest blijven passen; dat kon alleen door te schuiven in de achterpat. Toch is dit tientallen jaren in de wielersport gebruikelijk geweest.

Derailleurs werden pas na 1937 toegestaan in de Tour!  

  De integratie van remhandles en derailleurschakelaars kent een lange historie; al in 1946 vraagt de Fransman Navet een patent aan, waarbij hij de derailleurschakelaar op de remhandle zet. Ook in de jaren 50 waren er wel dergelijke patenten. Mavic heeft in de jaren negentig al een groepset met elektronische schakeling uitgebracht; mede door tegenwerking vanuit de UCI (verbod op batterijen), was het geen succes. Shimano heeft het rond 2015 ook gedaan en toen heeft de UCI de regels versoepeld; deze elektronische schakeling is inmiddels flink ingeburgerd.

We zien nu een opkomst van zeer grote cassettes tot 13 tandwielen toe, met 9-52 tanden, en slechts een voorblad. Of deze mode een blijvertje is, zal zich uitwijzen.

 PLANETAIRE STELSELS

De oudste mogelijkheid om te schakelen is het planetaire stelsel ( =epicyclisch systeem ), meestal in de naaf. De basis van dit ontwerp komt uit uurwerken en werd al voor 1800 als schakelsysteem in stoommachines toegepast. De Crypto trapas voor de Hoge Bi (1878) was het eerste planetair stelsel in de fietstechniek; het had twee standen: een directe aandrijving en een versnelling. Met de uitvinding van de Safety verhuist de aandrijving naar de achternaaf. Rond 1900 komen de eerste versnellingsnaven op de markt voor achterassen; in Engeland van de fabrikant Sturmey-Archer en in Duitsland van Fichtel & Sachs.

Epicyclische systemen zijn gebaseerd op het rollerprincipe (zie FIG.1) ; als we een plank (zwart) op twee rollen (blauw) leggen, zal de rol na een omwenteling over de bodem (geel) de omtrek 2 * π * r hebben afgelegd. Het draaipunt van de plank op de ondergrond gaat rond de straal d, en legt de afstand 2 * π * d af, twee maal zoveel dus. Dat lijkt misschien even vreemd, maar anders zou je een kast op twee losse rollers door het huis kunnen verplaatsen. We voorzien alles van tanden, rollen de bodem en de plank op tot een cirkel, en krijgen FIG.3.

Een planetair stelsel bestaat uit: een zonnewiel (geel), planeetwielen (blauw) de planeetwieldrager (rood) en een ringwiel (zwart). N.B. De planeetwieldrager draait langzamer dan het ringwiel. Het planetair stelsel zit in een naaf; de naaf bevat een as, een naafhuis waar het wiel aan vast zit en een aandrijfkop waar het kettingwiel aan vast zit. De as zit vast in het frame; bij een driebak zit het zonnewiel vast op de as. We gaan nu schakelen door het naafhuis en de aandrijfkop te verbinden met de planeetwieldrager of het ringwiel. Als we de aandrijfkop verbinden met de planeetwieldrager (langzaam) en het ringwiel (snel) met het naafhuis hebben we een versnelling. Als we de aandrijfkop verbinden met het ringwiel (snel), en de planeetwieldrager (langzaam) met het naafhuis hebben we een vertraging. Het kettingwiel gaat zo vaker rond dan het naafhuis. In onze drieversnellingsbak bestaat niet alleen de mogelijkheid om te versnellen of te vertragen; de aandrijfkop kan ook direct aan het naafhuis gekoppeld worden (prise directe). Dit gebeurt in de tweede versnelling. 

Onze driebak kent dus: 1. Een vertraging 2 . Een directe aandrijving 3. Een versnelling. 

Door het planeetwiel dubbel uit te voeren ("getrapt" zie FIG.2 ), kan het bij voorbeeld een tweede ringwiel aandrijven. Dit breidt de schakel-mogelijkheden verder uit. Er is een groot nadeel aan planetaire stelsels: alle tandwielen die in elkaar grijpen, roteren en krachten door geven, verliezen energie door wrijving. Meestal is er één schakeling waarbij het kettingwiel aan het naafhuis gekoppeld wordt; het rendement is dan maximaal (96%).

 De verhoudingen tussen de tandwielen bepalen de stappen tussen de versnellingen en vertragingen. Het hangt er vanaf of het ringwiel of de planeetwielen aangedreven worden, of we een versnelling ( >1 ) of een vertraging (< 1 ) hebben. Als de lichte versnelling 3/4 is van de vaste aandrijving, dan is de zware versnelling 4/3 van de vaste aandrijving. Dit is bij voorbeeld zo bij de klassieke Sturmey-Archer AW en copie naven ervan, als Hercules, Steyr enz.   

Als we het zonnewiel heel klein maken, maken we de stapjes tussen versnellingen kleiner. Helaas zullen de krachten die doorgegeven worden, hetzelfde blijven. De sterkte van de kleine wieltjes is onvoldoende en de constructie wordt onbetrouwbaar. De stappen bij een enkelvoudig planetair stelsel zijn daarom groot (bij een 3-bak geeft een grote versnelling vanzelf een grote vertraging). De consequentie van een echte "close ratio" bak, als de AR, is een samengesteld planetair stelsel (getrapte planeetwielen en een extra ringwiel) en daarmee wat extra verliezen.

Als er meer dan 1 planetair stelsel gebruikt wordt, is het een hele puzzel om de stappen tussen de versnellingen goed te verdelen en de schakelvolgorde logisch te houden. Dit is zeker het geval als alles met 1 schakelaar bediend wordt, en er 4 tot 14 versnellingen verdeeld zijn over 2 of 3 planetaire stelsels; de Shimano 8-bak heeft zelfs 4 zonnewielen. De schakelactie van deze naven gebeurt met een ingewikkeld stelsel nokken; aan de buitenkant is er niets te zien.        Bij het werken aan zo'n versnellingsbak is een "exploded view" en/of een handleiding belangrijk. De download hieronder van de Stumey Archer Heritage website en geeft links naar hun collectie folders en handleidingen.

VERSNELLINGSSYSTEMEN IN DE TRAPAS

Terwijl bij een naafversnelling het koppel meer dan gehalveerd is door de overbrenging, gaat het bij een trapasbak er vol doorheen. Kenmerkend voor alle trapasversnellingsbakken, is het feit dat het kettingwiel sneller of langzamer kan draaien dan de trapas.

In 1878, de tijd van de Hoge Bi, was er al de Crypto-as. Dit planetair stelsel had twee standen en was natuurlijk zowel een naaf- als trapas-versnelling. In de eerste catalogus van Peugeot 1886 staat al een fiets waar men een dergelijke trapasbak gebruikt in een Safety. In dit ontwerp zat de schakelactie rechts, en op de Hoge-bi werd die afgesteund op de voorvork. Om het wegvallen van het steunpunt op te vangen, werd een grote beugel over de trapas gezet en schoof het kettingwiel naar de linkerkant van het frame.

De techniek staat niet stil en schakelsystemen in naven en trapassen worden ingewikkelder. 

Het overzicht voor de ontwikkeling van derailleurs is hier te vinden. 

Voor rem-/ versnellingsnaven hier