Automotoren · Aandrijflijn7 min leestijd

De koppeling en de versnellingsbak: hoe het vermogen bij de wielen komt

Een motor die onder de 1.000 tpm afslaat, moet toch een auto met stilstaande wielen op gang trekken. Alles tussen het vliegwiel en de wielassen bestaat om die ene tegenstelling op te lossen — met een wrijvingsschijf die je bewust laat slippen, en een bak vol ronde hefbomen.

Twee machines die het oneens zijn

Een benzinemotor leeft alleen in een smalle band: hij slaat ergens onder de 1.000 tpm af, raakt rond de 7.000 zijn toerenbegrenzer, en presteert het best daartussenin. De wielen kennen die scrupules niet — ze moeten precies stilstaan als je geparkeerd staat, zo'n 900 tpm draaien op snelwegtempo, en alles daartussenin. Koppel je de twee star aan elkaar, dan is de auto onrijdbaar: hij kan niet wegrijden (de motor zou op 0 tpm moeten draaien) en niet hard rijden zonder over zijn toerenlimiet te schieten. De aandrijflijn is de onderhandeling tussen deze twee machines, en die verloopt in twee stappen: de koppeling overbrugt de kloof bij nul toeren, en de versnellingsbak rekt de smalle band van de motor uit over het hele snelheidsbereik van de auto.

De koppeling: een gecontroleerde slip

De koppeling is prachtig lomp: een schijf wrijvingsmateriaal — familie van de voering van een remblok — geklemd tussen het vliegwiel van de motor en een drukplaat die door veren wordt aangedrukt. Pedaal los, en de veren persen die sandwich potdicht, zodat motor en versnellingsbak als één geheel draaien. Pedaal ingetrapt, en de platen laten los, zodat de motor vrij ronddraait. En daartussenin zit de hele truc: gedeeltelijk aandrukken, waarbij de schijf bewust slipt en een deel van het koppel doorgeeft terwijl beide kanten met een ander toerental draaien. Die slip is wat een motor op 1.000 tpm in staat stelt om een auto vanuit stilstand tot loopsnelheid te trekken — het snelheidsverschil verdwijnt als warmte in de schijf, een paar seconden opoffering bij elke start. Kruip lang genoeg op een slippende koppeling door een file en je ruikt hoe die onderhandeling misgaat.

De koppelingssandwich, ingeschakeld: veren klemmen de wrijvingsschijf tussen vliegwiel en drukplaat. Het pedaal indrukken duwt de plaat terug, zodat de twee assen onafhankelijk van elkaar kunnen draaien.

Een tandwielpaar is een hefboom

Eenmaal aan het rijden verandert het probleem: het koppel van de motor moet van maat veranderen. Een tandwielpaar doet precies wat een koevoet doet — het ruilt snelheid in voor kracht, tegen een vaste wisselkoers. Laat een klein rondsel met 12 tanden grijpen in een tandwiel met 24 tanden, en het grote wiel wordt gedwongen op de halve snelheid te draaien; in ruil daarvoor duwt het met het dubbele koppel. Bij die ruil gaat vrijwel niets verloren (een tandwielpaar dat goed grijpt, verspilt hooguit een procent of twee als warmte) — het product van snelheid × koppel, en dat is vermogen, komt er ongeschonden doorheen.

De wisselkoers wordt alleen bepaald door het aantal tanden, verder niets. Halveer de snelheid, verdubbel het koppel — het vermogen dat erin gaat, is het vermogen dat eruit komt.

Vijf hefbomen in een bak

Een versnellingsbak is simpelweg vijf of zes van die tandwielparen die twee assen delen, met een mechanisme dat bepaalt welk paar op elk moment is ingeschakeld. De eerste versnelling is de langste hefboom — zo'n 3,6:1, nog eens vermenigvuldigd met de eindoverbrenging van het differentieel tot ongeveer veertien keer het motorkoppel op de wielen — genoeg om anderhalve ton auto vanuit stilstand op gang te trekken. De vijfde versnelling is korter dan 1:1: een overdrive die de motor rustig laat meedraaien op lage toeren terwijl de wielen doorjagen, en die versnelling inruilt voor stilte en zuinigheid. Tussen het schakelen door brengen kleine messing kegelkoppelingen — de synchronisatieringen — de volgende versnelling eerst op de juiste snelheid voordat de tanden in elkaar grijpen; daarom hoefde schakelen vanaf ergens in de jaren 1950 geen vakmanschap meer te zijn.

Ga dieper: de rekensom van een aandrijflijnvoor ingenieurs

Alles wat een aandrijflijn met koppel en snelheid doet, komt neer op twee vermenigvuldigingen. Met versnellingsverhouding $g$ , eindoverbrenging $f$ , rendement van de aandrijflijn $\eta$ en wielstraal $r$ :

T_{wheel} = T_{engine} \cdot g \cdot f \cdot \eta \qquad \omega_{wheel} = \frac{\omega_{engine}}{g \cdot f}

Trekkracht is wielkoppel gedeeld door wielstraal, $F = T_{wheel}/r$ . Vermenigvuldig de kracht met de rijsnelheid en de verhoudingen vallen tegen elkaar weg: $F\,v = T\,\omega\,\eta$ — vermogen erin, vermogen eruit, en dat is precies waarom geen enkele versnellingskeuze de vermogenskromme van de motor kan verslaan; hij kan hem alleen anders besteden. Voor de auto uit de demo levert de eerste versnelling $220 \times 3.6 \times 3.9 \times 0.9 / 0.31 \approx 9\,000$ N aan trekkracht op; de vijfde geeft een derde van een ton minder kracht, maar drie keer de rijsnelheid bij hetzelfde toerental.

Synchromesh in detail: voordat een schakelring over de koppeltanden van een tandwiel kan schuiven, brengt een messing kegelkoppeling het tandwiel eerst op de snelheid van de kraag; de ring is zo gefreesd dat hij inschakelen fysiek blokkeert totdat het snelheidsverschil nul is. Een sequentiële racebak laat de synchronisatie helemaal weg en gebruikt rechte klauwkoppelingen — sneller, sterker, en precies zo onaangenaam als het klinkt.