Techniek: de versnellingsbak
Bijna geen enkele motorrijder denkt er bij na wanneer hij in een fractie van een seconde met een korte tik tegen het schakelpedaal een andere versnelling inschakelt. Op dat moment draait, schuift, klikt en klakt het echter weldadig in de versnellingsbak!
Een korte duw op het pedaal, de één klakt erin en we zijn weg. Voor je het weet ben je aan het eind van de eerste versnelling, de korte overbrenging heeft een supersnelle acceleratie opgeleverd. Vlak voor het rode gebied draait de rijder het gas iets terug, trekt hij de koppeling in en tikt de tweede versnelling in. Daarbij beweegt hij het schakelpedaal ongeveer drie centimeter naar boven of, bij een race configuratie, naar beneden. Snelle rijders hebben daarbij ongeveer 0,15 seconden nodig tot het moment dat de krachtonderbreking voorbij is en de gaskleppen weer vol open staan. Puur voor de schakelbeweging is ongeveer een tiende van een seconde nodig, waarin de eerste versnelling wordt losgekoppeld en het tandwiel voor de tweede versnelling circa zes millimeter axiaal wordt verschoven, waarna de schakelklauwen goed zijn ingegrepen.
Maar hoe komen de versnellingsbaktandwielen in een fractie van een seconde in de juiste positie? En hoe zijn we ervan verzekerd dat er in de haast niet twee versnellingen tegelijk ingeschakeld worden, wat zowel voor de versnellingsbak als de rijder een zeer pijnlijk einde van de rit zou kunnen betekenen? Verder kun je je afvragen hoe de steeds wisselende tandwielen het bruut inkomende motorvermogen en de achteloos ingetikte versnellingen overleven? Om te begrijpen wat er zich in een conventionele, klauwen geschakelde motorfietsversnellingsbak afspeelt, volgen we het schakelproces in stappen en zien we hoe de draaibeweging van het schakelpedaal in een axiale verschuiving van de tandwielen resulteert.
Om de verticale beweging van het pedaaltje en de daaruit resulterende draaibeweging van de schakelas om te zetten in een lineaire, axiale verschuiving van de tandwielen, zijn er een paar mechanische stappen nodig. Als eerste moet de korte draaibeweging van de schakelas worden overgebracht op de schakelwals. Daarvoor zijn er verschillende mogelijkheden in de vorm van vertanding, een hevel- of palmechanisme. Alle systemen zijn voorzien van een ratelmechaniek dat de schakelas mogelijk maakt om de schakelwals een bepaald aantal graden te verdraaien, om vervolgens het pedaal weer in zijn oorspronkelijke stand terug te laten keren (zie foto’s pagina 80). Het zijn daarna de uitgefreesde banen in de schakelwals die de draaibeweging in een lineaire beweging omzetten. De schakelvorken volgen de banen in de schakelwals en schuiven de beweegbare tandwielen in de gewenste positie.
De schakelwals wordt in zijn beweging gestuurd door de zogenaamde schakelklok. Deze heeft de taak om de schakelwals door middel van nokken en een veerbelast arrêterings- of vergrendelmechanisme betrouwbaar in de juiste posities te parkeren. De spitse nokvorm zorgt er daarbij in combinatie met de veerbelaste nokvolger voor dat de schakelwals vanaf het midden van de beweging wordt versneld, wat het inschakelen sneller en zekerder maakt.
Door de snelheid van het schakelen, ontstaan er wrijvings- en massakrachten. Beide zijn zeker bij sportmotoren in het geheel niet welkom, aangezien trekkrachtonderbreking aan het achterwiel tijdverlies en onrust in het rijwielgedeelte geeft. Bij kwalitatief hoogwaardige sportmotoren lopen schakelas en schakelwals daarom in naald- of kogellagers, om die krachten zoveel mogelijk te beperken. Bij professioneel opgebouwde racemotoren worden ook nog naaldgelagerde schakelpedalen en spelingsvrije, wrijvingsarme kwaliteitskogelgewrichten in het hevelmechanisme gebruikt, alles om speling en wrijving tot een absoluut minimum te reduceren. De massatraagheid in de hele versnellingsbak gaat men daarbij met lichtgewicht onderdelen te lijf. Zo zijn de stalen schakelwalsen doorgaans hol gegoten of verregaand uitgefreesd. Nog lichter zijn schakelwalsen van een slijtvaste aluminiumlegering, die een supersnelle draaibeweging van de wals toestaan.
De versnellingsbak zelf bestaat uit de ingaande as, met aan het uiteinde de koppeling, en de uitgaande as, waarvan het uiteinde uit het motorblok steekt. Hierop zit het voortandwiel die de kracht middels de ketting naar het achterwiel transporteert.
Elke versnelling heeft zijn eigen tandwielpaar. Aangezien deze permanent in aangrijping zijn (‘constant mesh’), moet elk paar een vrij draaiend tandwiel hebben. Vrij draaiende tandwielen zijn niet vast met de as verbonden, maar draaien op een naald- of glijlager vrij rond op de betreffende as. De vaste tandwielen zijn starre, niet verschuifbare tandwielen die ofwel aangegoten ofwel opgeperst zijn. De verbinding van de vrij draaiende tandwielen met hun as wordt gerealiseerd door de verschuifbare tandwielen (zie foto’s), die op spiebanen op de as zitten en daarom wel zijdelings kunnen verschuiven, maar niet kunnen verdraaien op de as. Deze schuivende tandwielen grijpen met hun zijdelingse klauwen in de uitsparingen van de vrij draaiende tandwielen, die daardoor ook met de as worden verbonden. Het schuivende tandwiel fungeert in dit geval enkel als verbindingsmiddel voor zijn buurman, de tanden van het schuivende tandwiel brengen in deze situatie geen aandrijfkracht over.
Uiteraard zijn de schuivende tandwielen zelf, net als de vaste tandwielen, met een vrij draaiend tandwiel op de andere as in aangrijping. Het schuivende tandwiel gaat wel zelf kracht overbrengen wanneer dat vrij draaiende tandwiel op de andere as door diens schuivende buurman aan de as wordt doorverbonden. De schakelvorken positioneren de schuivende tandwielen telkens zo, dat er altijd maar één tandwielpaar aan beide zijden aan hun as is gekoppeld. Een fraai puzzelwerkje dus!
Het nadeel van de dubbele schuivende tandwielen is hun hoge gewicht, waardoor bij snel schakelen flinke massakrachten op de schakelvorken werken. Deze vorken moeten dus een grote buigstijfheid hebben.
De overbrengingsverhoudingen van elke versnelling worden gekozen naar behoefte van het beoogde inzetgebied en de motorkarakteristiek. Sport- en raceversnellingsbakken worden zo gespatieerd dat je op het circuit alle versnellingen kunt gebruiken, om zo de toerenval bij het opschakelen zo klein mogelijk te maken en de piekeriger getunede sportmotorblokken goed in hun powerband te kunnen houden. Daarom wordt de eerste versnelling lang uitgevoerd en liggen de verdere versnellingen steeds dichter bij elkaar. Dat zorgt ervoor dat je vooral op hoge snelheid en bijbehorende hoge rijweerstand (lucht- en rolweerstand) zo dicht mogelijk bij het toerental van maximaal vermogen kunt blijven. Toermotoren worden daarentegen vaak uitgerust met een korte eerste versnelling voor gemakkelijk manoeuvreren en een opvallend lange zesde versnelling voor comfortabel en zuinig kruisen (zie versnellingsdiagrammen).
De tandvorm van de tandwielen is beslissend voor een zo stil mogelijke loop van de versnellingsbak. Daarbij wordt de combinatie van ingrijphoek, afrolkarakteristiek, modulus en vele andere parameters vaak als absoluut fabrieksgeheim bewaakt. Het meest soepel en stil lopen exemplaren met schuine vertanding. Dat soort versnellingsbakken vereisen echter een heel ander schakelmechanisme, waarbij de krachtdoorvoer niet via schuivende tandwielen, maar via schakelmoffen wordt gerealiseerd. Het voordeel van schakelmoffen is dat ze dankzij hun lage gewicht zeer snel en gemakkelijk kunnen worden verschoven, reden waarom juist in de racerij wel met dat soort schakelsystemen is geëxperimenteerd. Het nadeel is dat de versnellingsbakassen iets langer zijn dan bij klauwen geschakelde bakken, waarbij complete tandwielen worden verschoven.
Het al dan niet goed schakelen van een versnellingsbak hangt af van vele factoren. Naast de al genoemde mechanische wrijving speelt onder andere ook de schakelcurve op de schakelwals een grote rol, net als de plaatsing, de speling en het aantal schakelklauwen. Deze onderdelen moeten immers bij het maximumtoerental, en dat is in de versnellingsbak ongeveer een derde van het krukastoerental, in en uit de vrij draaiende tandwielen schuiven. Om te garanderen dat de tandwielen zich goed vastzetten in aangegrepen positie, zijn de klauwen vooral bij krachtige motoren voorzien van een lichte zwaluwstaartvorm van circa vier graden (zie foto). Dit zorgt ervoor dat de tandwielen zich onder belasting tegen elkaar aan trekken.
Statistisch gezien is een volledig weerstandsloze schakelbeweging ongeveer in de helft van de gevallen mogelijk. En wel precies dan wanneer de klauwen meteen precies in de uitsparingen van het naastliggende tandwiel schuiven. Wanneer dat niet het geval is, dan drukt de schakelvork het tandwiel net zo lang tegen het vrij draaiende tandwiel totdat de klauwen in de gaten vallen. Hoe groter de vrije verdraaihoek, ofwel de speling van de klauwen, hoe groter de kans op een directe voltreffer en dus vlekkeloze schakelbeweging. Het nadeel van die grote speling is echter logischerwijs meer transmissiespeling en dat heeft weer een ongunstig effect op de lastwisselreacties. Daarom zoeken de constructeurs meestal naar een compromis tussen licht schakelen en een vloeiende, rukvrije overbrenging. Waar dat compromis ligt, is weer afhankelijk van het karakter van de betreffende motorfiets.
In de regel geldt: hoe groter de stappen tussen de versnellingen, hoe minder vloeiend het schakelen. De reden hiervoor is het grote toerentalverschil tussen de tandwielen, wat in een bruusker aangrijpen van de klauwen resulteert. Datzelfde verschijnsel treedt ook bij veel motoren op tijdens het inschakelen van de eerste versnelling, iets wat vaak met een metalige klap gepaard gaat. Dit is extra merkbaar bij koude motor, wanneer de koppeling door de dikke olie nog ietsje kleeft.
Ook de draaiende massa’s in het motorblok, het hydraulische ‘meeneemmoment’ van de oliebadkoppeling en de transmissiedempers in de aandrijflijn hebben afhankelijk van toerental invloed op het schakelkarakter. Snel opschakelen is doorgaans ook zonder gebruik van de koppeling mogelijk, er is enkel een heel kort ontlasten van de aandrijflijn nodig, dus even het gas terug, om de tandwielen te kunnen verschuiven. Het vraagt wel enig gevoel om het netjes te doen, ben je te ruw dan knallen de versnellingen er hard en luidruchtig in.
Goede quickshifters, waarbij je gewoon met gas open kunt opschakelen, kunnen dit kunstje inmiddels feilloos. De elektronica onderbreekt namelijk heel kort de ontsteking, gestuurd door druksensoren in het schakelmechanisme. De echt goede systemen hebben niet alleen voor elke overgang een aangepaste onderbreking (steeds korter naarmate je verder opschakelt), maar houden ook rekening met het toerental en gasklepstand. Slimme elektronica kan zelfs nog een tussenvonkje geven en zo het schakelen niet alleen tot circa 0,02 seconde verkorten, maar ook nog de versnellingsbak ontzien en het rijwielgedeelte rustiger houden onder acceleratie.
In het volgende deel van deze serie bekijken we hoe het vermogen van de motor via ketting of cardan op het achterwiel wordt overgebracht en hoe die krachten inwerken op de swingarm, de vering en het bochtgedrag.
