Onderwerpen:
- Algemene informatie
- Enkele- en dubbele reductie
- Versnellingsbak in langs- of dwarsrichting
- Tandwielen en versnellingen
- Bediening van de versnellingsbak
- Synchroniseerinrichting
- Versnellingsbak uit elkaar halen
- Constant Mesh
- Slidinig Mesh
- Overbrengingsverhoudingen
Algemene informatie:
Het doel van een versnellingsbak is het motortoerental en dus het beschikbare motorkoppel en vermogen aan te passen aan verschillende rijomstandigheden. Dat kan zijn bij het accelereren of decelereren, het vervoeren van een zware last, het op- en afrijden van hellingen en veranderingen in de lucht- en rolweerstand die tijdens het rijden op kunnen treden. Door in deze verschillende omstandigheden naar een meer gunstige versnelling te schakelen, leidt dat in de meeste gevallen tot een gunstigere brandstofverbruik en meer koppel en vermogen.
In een lage versnelling (bijvoorbeeld de tweede) is er meer motorkoppel beschikbaar dan in een hogere versnelling (bijv. de vierde). Dat komt doordat de krukas van de motor bij de tweede versnelling meer omwentelingen maakt en bij het accelereren veel sneller op toeren is dan bij een hogere versnelling. Het is dus verstandiger om tijdens het rijden met een zware last, zoals een caravan, niet in een te hoge versnelling te rijden. Zeker niet in de bergen.
Tussen de motor en de versnellingsbak zit de koppeling die uitgevoerd is met een koppelingsplaat, een drukgroep en een druklager. Door op het koppelingspedaal de duwen, wordt er via een kabel de drukgroep bediend. Bij een hydraulische koppeling wordt er door middel van twee koppelingscilinders een vloeistof van de ene naar de andere cilinder verplaatst.
Hieronder is een blokschema te zien over hoe de aandrijving vanaf de motor tot aan de wielen tot stand komt bij voorwiel- achterwiel- en vierwielaandrijving. Voor meer informatie hierover, zie de pagina aandrijfvormen.
Enkele- en dubbele reductie:
Handmatige versnellingsbakken worden in twee groepen verdeeld, namelijk enkele- en dubbele reductie. Reductie is een ander woord voor overbrenging. Het betekent dus eigenlijk “enkele en dubbele” overbrenging. Hieronder staat afgebeeld wat ermee wordt bedoeld.
Enkele Reductie
De tandwielen van de in- en uitgaande as zijn direct met elkaar in verbinding.
A: Ingaande as (prise-as, vanaf de motor)
B: Uitgaande as (hoofdas)
Dubbele Reductie
De eerste versnelling is ingeschakeld; de aandrijfkrachten in de eerste versnelling gaan van A naar B en van C en naar D.
Via de ingaande as komt er een kracht op tandwiel A te staan. Dit tandwiel staat in directe verbinding met de tandwielen B, D en E. Omdat de eerste versnelling ingeschakeld staat, heeft de synchroniseerinrichting de uitgaande as aan tandwiel D gekoppeld (zie blauwe pijlen). Vanaf tandwiel B verlaten de aandrijfkrachten via de uitgaande as de versnellingsbak. De uitgaande as drijft het differentieel aan, welke ín de versnellingsbak kan zitten (bij voorwiel aangedreven auto’s) of kan het differentieel op een andere plaats zijn gemonteerd, zoals bij een achterwiel aangedreven auto. Later op deze pagina wordt hier meer over uitgelegd.
A: Tandwiel ingaande as (prise-as, vanaf de motor)
B, C & E: Tandwielen secundaire as
D & F: Tandwielen uitgaande as (hoofdas)
De tweede versnelling wordt ingeschakeld. De synchroniseerinrichting wordt van tandwiel D ontkoppeld en bij tandwiel F gekoppeld (zie de blauwe pijlen). Op dat moment draait tandwiel D wel mee, maar is deze niet aan de uitgaande as gekoppeld. Tandwiel F is dat wel, dus de aandrijfkrachten gaan nu van A naar B en van E naar F.
Omdat de tandwielen C en E andere afmetingen hebben, zijn de overbrengingsverhoudingen veranderd. Dit heeft als gevolg dat het motortoerental na het koppelen is gezakt bij dezelfde voertuigsnelheid.
Versnellingsbak in langs- of dwarsrichting:
In de afbeelding is een schema van een achterwiel aangedreven auto te zien. Het motorblok is in langsrichting geplaatst (in de lengte) en de versnellingsbak is uitgevoerd met een dubbele reductie. De eindvertraging (het differentieel) is bij de achteras geplaatst en drijft de achterwielen aan. Dit is het type aandrijving waar o.a. BMW veel gebruik van maakt.
In deze afbeelding is een schema van een voorwiel aangedreven auto te zien. Het motorblok is in dwarsrichting geplaatst (in de breedte) en de versnellingsbak is uitgevoerd met een enkele reductie.
De aandrijfkrachten komen bij de ingaande as binnen (de prise-as) en worden via de ingeschakelde tandwielen aan de uitgaande as doorgegeven. Het differentieel zit in het versnellingsbakhuis geïntegreerd. Dit type aandrijving wordt o.a. bij een Volkswagen Golf en een Ford Focus gebruikt (en uiteraard nog bij vele andere merken!)
In de afbeelding is een schema van een voorwiel aangedreven auto te zien. Hierbij zijn zowel het motorblok als de versnellingsbak in lengterichting geplaatst. Het motorblok bevindt vóór de vooras en de versnellingsbak áchter de achteras. Het differentieel zit ter hoogte van de aandrijfassen gemonteerd. Dit systeem is o.a. op de oudere type’s VW Passat, Skoda Superb en Audi A4 toegepast. De nieuwere modellen beschikken inmiddels over een dwars geplaatst motorblok (dus de situatie hieronder).
Tandwielen en versnellingen:
Met de verschillende groottes van de tandwielen kunnen verschillende overbrengingsverhoudingen tot stand worden gebracht. Deze overbrengingsverhoudingen noemen we versnellingen. Wanneer een groot tandwiel door een klein tandwiel wordt aangedreven, kan het kleine tandwiel bijv. 3 omwentelingen maken, terwijl het grote tandwiel slechts 1 keer rond gaat. De overbrengingsverhouding is dan 1:3. De vertraging en de krachtvergroting zijn dan 3x zo groot. Wanneer het kleine tandwiel 20 tanden heeft, zal het grote tandwiel 60 tanden hebben.
Hieronder zijn de verschillende versnellingen te zien waar in geschakeld kan worden. Je ziet dat bij elke versnelling het rechter tandwiel van de bovenste as (de primaire as) bij de versnellingen 2 en 3 steeds kleiner wordt. Het het tandwiel aan de rechter kant op de secundaire as steeds groter wordt. De overbrengingsverhouding wordt hierdoor steeds vergroot, wat het uiteindelijke doel is voor het overschakelen naar een andere versnelling.
Eerste versnelling:
De aandrijfkracht komt links bij de pijl binnen op de prise-as. De aandrijfkracht wordt direct doorgegeven naar het tandwiel van de secundaire as. De secundaire as is de onderste as. Het kleinste tandwiel op de secundaire as wordt gekoppeld aan het voorlaatste tandwiel van de uitgaande as. De uitgaande as draait door de afmetingen van de tandwielen een stuk langzamer dan de ingaande as. Hierdoor is de grootste vertraging ontstaan. De eerste versnelling heeft de grootste vertraging, zodat er vanuit stilstand met veel koppelvergroting geaccelereerd kan worden.
Tweede versnelling:
De tandwielen links blijven ingeschakeld. De aandrijfkracht gaat via het derde tandwiel van de secundaire as naar het derde tandwiel van de uitgaande as. De uitgaande as draait nog steeds langzamer dan de ingaande as. Er is dus nog steeds sprake van een vertraging. De vertraging is nu wel kleiner als bij de eerste versnelling, dus bij hetzelfde motortoerental kan een hogere voertuigsnelheid bereikt worden dan bij de eerste versnelling.
Derde versnelling:
De aandrijfkracht gaat via het tweede tandwiel van de secundaire as en het tweede tandwiel van de uitgaande as. De uitgaande as draait nog steeds langzamer dan de ingaande as. De vertraging is nu weer kleiner als bij de tweede versnelling, dus ook nu kan er bij hetzelfde motortoerental weer een hogere voertuigsnelheid bereikt worden dan bij de tweede versnelling.
Vierde versnelling:
Dit wordt prise-direct genoemd. De aandrijfkracht gaat vanaf de prise-as direct naar de uitgaande as. Het motorkoppel wordt dus 1 op 1 aan de wielen doorgegeven. De versnellingsbak doet in feite nu even niet mee.
Bij een versnellingsbak met vijf versnellingen is de vierde versnelling altijd prise-direct. Echter, bij een bak met 6 versnellingen is de vijfde versnelling prise-direct.
Vijfde versnelling:
Bij de vijfde versnelling worden de beide achterste tandwielen met elkaar verbonden. Hierbij wordt het grootste tandwiel van de secundaire as gekoppeld aan het kleinste tandwiel van de uitgaande as. Dit wordt de ‘overdrive’ genoemd. De uitgaande as draait nu sneller als de prise-as.
De versnellingen 1, 2 en 3 zijn vertragingen; de ingaande as draait hierbij sneller dan de uitgaande as. Bij de vierde versnelling draait de ingaande as net zo hard als de uitgaande as (prise-direct). Bij deze 5e versnelling is er dus sprake van een echte versnelling, omdat bij deze versnelling als enige van alle versnellingen de uitgaande as sneller draait dan de ingaande as. Bij het rijden op de snelweg zal het motortoerental dus lager worden. Wanneer er geaccelereerd moet worden, dient er vaak wel terug geschakeld te worden naar een lagere versnelling.
Achteruit:
Er wordt bij het selecteren van de achteruit een extra tandwiel tussen de tandwielen van de secundaire en de uitgaande assen gezet. Normaal gesproken, als het onderste tandwiel linksom draait, zal het bovenste tandwiel dat er tegenaan gemonteerd zit rechtsom draaien. Wanneer je naast dat rechtsomdraaiende tandwiel nóg een tandwiel zet, zal deze weer linksom draaien. Dit word in feite ook in de versnellingsbak gedaan. De prise-as drijft gewoon op de normale manier aan, en door het extra tandwiel zal de uitgaande as de andere kan op draaien.
Conclusie:
Hierboven is uitgelegd dat er door het koppelen van tandwielen van verschillende afmetingen een andere overbrengingsverhouding (dus versnelling) gecreëerd wordt en hoe de aandrijflijn dan loopt. Hieronder wordt uitgelegd hoe het in- en uitschakelen van de versnellingen werkt wanneer de pook wordt bediend.
Bediening van de versnellingsbak:
Wanneer de schakelpook in het interieur bewogen wordt, worden de kabels of stangen (afhankelijk aan het type versnellingsbak/mechaniek) bewogen die naar de versnellingsbak toe gaan.
In de onderstaande afbeelding is te zien dat de balladeuras heen en weer kan bewegen. Deze ruimte is met roze aangegeven. De balladeuras bedient de schakelvork. De schakelvork drukt met behulp van de schakelring de synchromeshring tegen het tandwiel aan. Wanneer er naar de volgende versnelling wordt geschakeld, beweegt de balladeuras terug, zodat de schakelvork in de vrije stand wordt gezet. Door een andere versnelling in te schakelen, wordt de zelfde schakelvork door de balladeuras de andere kant op bewogen om de andere versnelling in te schakelen (bijv. van de derde naar de vierde versnelling) of er wordt een andere balladeuras gebruikt om de andere schakelvorken te bedienen.
In de versnellingsbak bevinden zich meerdere balladeurassen. Iedere balladeuras kan twee versnellingen in- of uitschakelen. Het bedienen van de verschillende balladeurassen gebeurt door het naar links en rechts bewegen van de versnellingspook. De onderstaande afbeelding geeft het H-patroon aan van de versnellingen.
Wanneer de bestuurder de eerste versnelling in wilt schakelen, zal hij de versnellingspook eerst van het midden (N van ‘neutraal’) naar links bewegen. De schakelas zal in de tanden van de balladeuras van de eerste en tweede versnelling grijpen.
Door de pook naar boven te bewegen (naar de eerste versnelling) wordt de balladeuras naar achteren geschoven (in de afbeelding naar rechtsboven). Hiermee verbindt de schakelvork het tandwiel van de eerste versnelling aan de as.
Om naar de tweede versnelling te schakelen, zal de pook naar onderen bewogen moeten worden (naar neutraal). De schakelvork verbreekt de verbinding tussen de as en het tandwiel. Door de pook verder naar onderen te bewegen, zal dezelfde schakelvork het andere tandwiel met de as verbinden; de tweede versnelling is nu ingeschakeld. Deze balladeuras verschuift dus de schakelvork tussen de eerste en tweede versnelling.
Om naar de derde versnelling te schakelen, dient het tandwiel van de tweede versnelling eerst van de as ontkoppeld te worden. Hiervoor dient de pook eerst weer naar boven bewogen te worden (naar de neutrale stand). Vervolgens dient de pook naar het midden bewogen te worden van het H-patroon. Door de pook van links naar het midden te bewegen, wordt de balladeuras van de derde en vierde versnelling aangegrepen. Het naar voren en achteren duwen van de pook zal ervoor zorgen dat de schakelvork van de derde en vierde versnelling naar voren of achteren bewogen wordt om deze versnellingen in te schakelen.
Bij het opschakelen naar de vijfde versnelling wordt de pook helemaal naar rechts geduwd. Hierbij wordt de balladeuras van de vijfde versnelling en de achteruit gekoppeld. Om de vijfde versnelling te selecteren, wordt de balladeuras naar voren geduwd, zodat de schakelvork het tandwiel met de as kan verbinden.
De afbeelding toont een schakelmechanisme. Dit kabelbediende mechanisme wordt toegepast bij een auto met een dwars geplaatst motorblok. Doordat de hendels 1 en 2 bewogen worden door de duwende of trekkende beweging van de kabels, worden de schakelvorken door een zogenaamde schakeltoren bewogen.
Synchroniseerinrichting:
Wanneer er geen synchroniseerinrichting wordt gebruikt, zullen de tandwielen door het verschil in toerental niet, of krakend in elkaar grijpen. Om het koppelen van de tandwielen soepel te laten verlopen, worden er synchromeshringen gebruikt. De synchromeshringen zorgen ervoor dat de toerentallen van de as en het tandwiel gelijk aan elkaar zijn bij het inschakelen. Alle versnellingen (1 t/m 5 of 6) zijn gesynchroniseerd, vaak behalve het achteruittandwiel. Dat merk je ook wel, doordat het tandwiel nog wel eens wil kraken bij het inschakelen van de achteruitversnelling. Soms worden de achteruittandwielen wel gesynchroniseerd.
De tandwielen van de versnellingen die niet zijn ingeschakeld, draaien vrij om de uitgaande as. Het inschakelen van een versnelling betekent dus het koppelen van een vrij draaiend tandwiel aan de uitgaande as. Wanneer er een versnelling ingeschakeld wordt, moet het toerental van de uitgaande as overeenkomen met het toerental van het in te schakelen tandwiel. De synchromeshring zit d.m.v. spiebanen aan de uitgaande as verbonden en draait dus ook het zelfde toerental als deze uitgaande as. Het tandwiel dat ingeschakeld moet worden heeft een ander toerental dan de uitgaande as, dus ook een ander toerental dan de synchromesh. Doordat de schakelvork beweegt, neemt deze de synchromesh mee en zal het conische gedeelte van de synchromeshring tegen het inwendige conische vlak van het tandwiel gedrukt worden. De conische gedeeltes van beide delen worden tegen elkaar gedrukt, waardoor de wrijving tussen de conische vlakken gelijk gemaakt wordt. Wanneer er geen snelheidsverschil meer is tussen beide tandwielen, kan de schakelmof worden doorgedrukt, zodat de tanden in elkaar glijden en daardoor de versnelling zonder kraken ingeschakeld is. De synchroniseerinrichting werkt niet alleen bij het inschakelen van de versnellingen, maar ook bij het overschakelen en terugschakelen.
Het is erg slecht voor de synchromeshringen om heel snel te schakelen, dus om de pook heel hard in een versnelling te drukken. De synchromesh krijgt dan niet de tijd om te synchroniseren. Het is daarom het beste om bij het schakelen de pook zachtjes tegen de weerstand in te drukken en pas door te drukken als deze bijna vanzelf in zijn versnelling schiet.
Een synchromeshring is een slijtageonderdeel. Tijdens het schakelen vindt er wrijving plaats, dus zal het onderdeel na verloop van tijd slijten. Bij normaal gebruik kan de synchromeshring een autoleven meegaan, maar bij ondeskundig gebruik of sportief schakelen zullen de synchromeshringen voortijdig versleten zijn. De afstand (3) tussen de synchromeshring en het tandwiel in de onderstaande afbeelding zal daarbij kleiner worden. Dat komt doordat de synchromeshring slijt op het raakvlak waar deze het tandwiel raakt. Dit gedeelte is met afstand 1 aangegeven.
Wanneer de versnellingsbak uit elkaar gehaald is, kunnen de synchromeshringen op slijtage gecontroleerd worden. Met een voelermaatje kan de afstand tussen de synchromeshring en het tandwiel gemeten worden. Hierbij dient de versnelling niet ingeschakeld te zijn. Bij een slijtende synchromeshring wordt de afstand tussen de synchromeshring en het tandwiel kleiner.
De fabrikant van de auto of versnellingsbak beschrijft in de werkplaatsdocumentatie wat de slijtagegrens van de synchromeshring is. Als de gemeten waarde kleiner is dan de maximale slijtagewaarde in de werkplaatsdocumentatie, dient deze vervangen te worden.
Versnellingsbak uit elkaar halen:
In deze paragraaf wordt beschreven hoe een versnellingsbak uit elkaar gehaald kan worden. Hierbij kan een goed beeld geschetst worden hoe de binnenzijde van de versnellingsbak er in werkelijkheid uit ziet en hoe de onderdelen in de versnellingsbak vervangen kunnen worden. Het gaat hierbij om een versnellingsbak van een achterwiel aangedreven auto waarbij de motor in lengterichting geplaatst is.
Bij de afgebeelde versnellingsbak kunnen aan de achterzijde een aantal bouten gedemonteerd worden. Vervolgens kan de achterzijde er van afgeschoven worden. Vanzelfsprekend dient eerst de versnellingsbakolie afgetapt te worden voordat er delen gedemonteerd worden.
Het binnenwerk met de assen en tandwielen zit aan de achterkant vast. Het complete binnenwerk komt bij het demonteren mee het versnellingsbakhuis uit.
Aan de binnenzijde (aan de rechter kant van het gat waar in gemonteerde toestand de prise-as doorheen zit) is het lager van de secundaire as te zien.
Aan de linker kant van het gat van de prise-as zijn vijf gaten te zien. In deze vijf gaten zitten de vier uiteinden balladeurassen.
In de afbeelding zijn de prise-as, de tandwielen en de balladeurassen met de schakelvorken te zien. Bij het schakelen draaien en beweegt de desbetreffende balladeuras, zodat de schakelvork de synchromeshring van het tandwiel bediend, om de versnelling in te schakelen.
Nadat de geklemde pinnetjes of schroefjes gedemonteerd zijn waarmee de de schakelvorken op de balladeurassen verbonden zijn, kunnen de balladeurassen eruit geschoven worden. Daarmee komen de schakelvorken los te liggen. De schakelvorken kunnen van de assen worden afgeschoven.
In de onderstaande afbeelding is zichtbaar hoe de tandwielen eruit zien. Wanneer er tandwielen of synchromeshringen vervangen moeten worden, dienen de assen uit de andere kant van het versnellingsbakhuis verwijderd te worden. De tandwielen en de synchroniseerinrichting moeten van de assen geperst worden. De nieuwe onderdelen moeten vervolgens weer op de as worden geperst.
Om te controleren of de synchromeshringen nog in orde zijn, dient de afstand tussen het tandwiel en de synchromeshring gemeten te worden. Wanneer de afstand groter is dan de maximale waarde die de fabrikant opgeeft, is de synchromeshring versleten. De synchromeshring zal vervangen moeten worden. Hoe de meting verricht moet worden, wordt onder de paragraaf “synchroniseerinrichting” op deze pagina beschreven.
Constant Mesh:
Bij een Constant Mesh versnellingsbak zijn de tandwielen ‘constant’ in elkaar gegrepen. De tandwielen zijn op de uitgaande as bevestigd en worden met elkaar verbonden met behulp van schakelmoffen en klauwkoppelingen. In de uitleg hierboven is steeds de Constant Mesh versnellingsbak behandeld.
In de onderstaande afbeelding verschuift de rechter schakelmof naar rechts om de eerste versnelling in te schakelen en naar links om de tweede versnelling in te schakelen.
Sliding Mesh:
Dit zijn Engelse woorden voor ‘schuiven’ en ‘in elkaar grijpen’. Bij dit type overbrenging worden tandwielen verschoven om een bepaalde versnelling in te schakelen. Dit wordt tegenwoordig nog gebruikt bij achteruitversnellingen, maar eigenlijk nooit meer bij moderne versnellingsbakken, dus we gaan er ook niet te ver op in. De tanden zijn recht met aan de uiteinden een schuine kant. Met dit type versnellingsbak zul je altijd gekraak horen bij het schakelen omdat deze natuurlijk niet gesynchroniseerd is.
Overbrengingsverhoudingen:
De overbrengingsverhoudingen in de versnellingsbak moeten nauwkeurig berekend en geconstrueerd worden. In de afbeelding hieronder is de voertuigsnelheid op de X-as te zien en de kracht op de wielen op de Y-as. Er is te zien dat de 1e versnelling veel kracht aan de wielen heeft, maar ophoudt bij een lage voertuigsnelheid. Elke versnelling daarna heeft minder kracht aan de wielen en een hoger snelheidsbereik.
Klik hier om naar de pagina Overbrengingsverhoudingen te gaan, waar via de meetkundige reeks en de gecorrigeerde meetkundige reeks (de reeks van Jante) met de K-factor alle overbrengingsverhoudingen worden berekend.
Per overbrenging kan vervolgens ook de maximale voertuigsnelheid worden berekend.
