Over de technische achtergronden van de fiets - the technical background of the bicycle
Home » versnellingen

  Versnellingen

 

  HET VERZET

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

  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. Op de pagina Downloads kunt u een Excelfile voor deze berekening vinden.

 

 DE AANDRIJVING EN VERSNELLINGEN

  Vanaf 1865 tot circa 1884 had de fiets 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. De variatiemogelijkheden van het verzet noemen we versnellingen. Het eerste versnellingssysteem op de fiets, zat dan ook in de naaf van het voorwiel, een naafversnelling of 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.

  Op een baanfiets ( vaste aandrijving ) is het rendement van de ketting maximaal 98 %. Bij een gewone racefiets met freewheel halen we maximaal 96-97%. In het slappe part van de ketting zit namelijk de derailleur (zie FIG.1 bij B). Hier zijn 2 tot 5 procenten verlies, bij een vuile of roestige ketting zelfs het dubbele. Ook het gebruik van kleine tandwielen (11-12) op het blok kost tot 3-4 % vermogen en extra slijtage van ketting en tandwielen. De hoek die de ketting draait om de derailleurwieltjes is eigenlijk te groot (of de wieltjes te klein). Dit geldt zeker in de zware verzetten, waardoor de ketting sneller slijt. Met optimale smering halen we bij het lichte verzet (40-24) de 97%; daarvan houden we bij het zware verzet 50-11 nog maar 92% over. Bij ligfietsen wordt vaak gebruik gemaakt van slangachtige beschermingssystemen en geleiderollen voor de ketting. Zeker als ze in het trekkende deel van de ketting zitten (FIG.1 bij A) kost dit tot drie procent vermogen; in het slappe part B ongeveer de helft.

  Elke aandrijving heeft dus verliezen. Bij een gemiddelde derailleur moeten we op ongeveer 5% rekenen; bij versnellingsnaven ligt dat percentage vaak hoger. Er is namelijk een groot nadeel aan planetaire stelsels: alle tandwielen die in elkaar grijpen, roteren en krachten door geven, verliezen energie door wrijving. Gewoonlijk zijn de lageringen van de planeetwielen niet meer dan glijlagers. De verliezen door wrijving van lagers en tandwieltjes kunnen wel behoorlijk oplopen tot 10-20%. In sommige standen zullen er veel wieltjes ingeschakeld worden en bij andere minder. Het rendement van de versnellingsnaaf zal dus afhangen van de versnellingskeuze en van het type naaf. Een dure naaf als Rohloff, maakt wel gebruik van lagers; het rendement is vergelijkbaar met een derailleur. Het rendement van Shimano Nexus 7-bak was erg matig, gemiddeld 85%; de huidige 8-bak is flink verbeterd door enkele lagers en een andere schakeling.

 

DE ONTWIKKELING VAN DERAILLEURS

  Er komt rond 1895 in Engeland een systeem op de markt met een expanderend kettingwiel. Bij deze "Protean 4 speed" werd het verschil in kettinglengte, opgevangen met een kettingspanner; een arm voorzien van een hulpwieltje met drukveer, die op de achtervork afsteunde. In dat zelfde jaar is er ook een fransman, die een systeem ontwerpt met zo'n kettingspanner, maar aan de achtervork zit een beweegbaar stangetje met een vork, die de ketting van het ene op het andere tandwiel legt: een echte derailleur dus. Waarschijnlijk is deze nooit geproduceerd, maar het idee bestond dus toen al.

 

  In FIG.2a, 2b en 2c zien we ontwerpen uit de jaren dertig. Tot na de tweede wereldoorlog zijn dit de gangbare types derailleur in de wielersport. In Italië gebruikte men voor de oorlog voornamelijk de Vittoria Margherita, zie FIG.2c; dit is een vergelijkbare constructie, maar deze had de schakelvork omgekeerd boven de tandwielen en de coureur moest dus terug trappen om te schakelen. Dit was ook zo bij de eerste Campagnolo versnellingssystemen (zie FIG.5a). Hierbij werd eerst de achternaaf losgekoppeld. Deze kon zich via een vertanding op de as, en tanden op de achterpat (zie FIG.5b), verplaatsen om het verschil in kettinglengte op te nemen. Op Youtube is er een filmpje : https://www.youtube.com/watch?v=a19_Lkfs2ac 

 

  Maar ook voor de oorlog waren er al geavanceerdere modellen, als de Super Champion van FIG.3 en de kwetsbare Simplex van FIG.4. De voorderailleur van FIG.3 werd niet gebruikt door coureurs; meer iets voor toeristen en tandemrijders. Coureurs reden in die tijd met drie tandwieltjes achter; voor een echte man was dat toen blijkbaar genoeg.

  Na de oorlog komen er voorderailleurs van Simplex en Campagnolo op de markt, die via een hendel er bovenop bediend werden (zie FIG.5b); het betekende dat de coureur diep moest bukken en was nogal eens aanleiding voor valpartijen. Campagnolo experimenteerde vanaf 1949 met een achterderailleur met vervormbaar parallellogram. In 1953 komt de definitieve versie op de markt. De schakelhandles van de voor- en achterderailleur komen dan als setje op de onderbuis. De Campagnolo Gran Sport is de meest geïmiteerde derailleur ooit (FIG. 6).

 

  Pas in 1964 komt er een nieuwe verbetering De fabrikant Suntour plaatst het parallellogram onder een hoek (“slant parallellogram”); zie de rechter afbeelding in FIG.7a. Het bovenste derailleurwieltje blijft dan dichter bij de tandwielen en de derailleur is daarmee nauwkeuriger af te stellen. Na twintig jaar verloopt het patent en alle fabrikanten, Shimano, Campagnolo, Sachs etc. komen ineens met hele nieuwe series, allemaal volgens dit principe.

 

   Midden jaren zeventig brengt Suntour een een schakelaar uit die niet met wrijving werkt FIG.7b, maar via een ratelsysteem (micro-ratchet); dit wordt later ook door veel andere fabrikanten toegepast.

    De volgende grote sprong voorwaarts, is de indexschakeling (schakelen met stapjes). Ook hier zijn de nodige experimenten mee geweest, voor een goede oplossing voor het probleem werd gevonden. Eind jaren zeventig kwam Bridgestone met Synchro Memory Shift en Shimano met de “Positive Pre Select”  derailleur. Bij de laatste was de kabel niet gevlochten, maar een starre draad; je kon er niet alleen mee trekken, maar ook drukken. Een pennetje met een veertje schoof over een serie inkepingen op de derailleur. Het schakelde tamelijk stroef en was vooral populair bij mensen die weinig fietsten; die schrokken van geratel als het derailleurwieltje niet goed onder het tandwiel stond. Bij de roemruchte aerodynamische AX-groepen van Shimano was ook een poging gedaan om een indexering te krijgen. Hier liep een palletje over een serie trapjes op de achterderailleur; erg vaag en snel ontregeld. In 1984 kwam SIS! Shimano Index System, een systeem dat echt werkte! Iets voor oude wijven, zei men bij Campagnolo. Deze arrogantie is ze bijna fataal geworden. Campagnolo's schakelsysteem was niet meer up to date!  Van trendsetter werd het bedrijf binnen een jaar trendvolger. Hoewel ik op mijn toerfiets al jaren reed met een Suntour derailleur en crosscommandeurs, duurde het tot 1986 voor ik de Campagnolo Nuovo Record op mijn racer inruilde voor de Shimano 600 SIS derailleur. De kwaliteit was geweldig, zowel van de lageringen in het parallellogram, als van de wieltjes, en het schakelde fantastisch.

   De meeste derailleurs en schakelaars van Shimano zijn uitwisselbaar. Een uitzondering vormen de eerste 3 series van Dura-ace. De achterderailleurs van 1984 tot 1993 zijn uitsluitend met Dura-ace schakelaars te gebruiken. Het maakt niet uit of de schakelaar 6, 7, of 8 kransjes kan schakelen, de achterderailleur is uitwisselbaar. Shimano deed een meesterzet op marketingbeleid: derailleurs, tandwielen en kettingen moesten allemaal van Shimano zijn, om de SIS schakelactie zo optimaal mogelijk te laten verlopen. Niet alleen bij racefietsen, maar ook bij de nieuwe mode: de All Terrain Bikes. Met de topgroepen als XT en Dura-ace verwenden ze de fietsers, die na een proefrit niet meer anders wilden; de standaard was gezet! Elke concurrent moest minstens bijna zo goed schakelen, als de Shimano groep in zijn prijsklasse, om op de markt te blijven. Elke vernieuwing als RapidFire en STI (de schakelaar in de remgreep), werd in de topgroep ingezet en sijpelde daarna door naar beneden. Suntour is verdwenen, Huret en Sachs zijn opgekocht door SRAM. Alleen in de racemarkt speelt Campagnolo nog mee; de hele ATB-markt zijn ze na 1 poging kwijt geraakt. Shimano rules!

  Is de derailleur daarmee uitontwikkeld? Eh, nee; er zijn door diverse fabrikanten alweer verbeteringen aangebracht. De loop van de kabel met een bocht bij de achterderailleur is zeer inefficiënt. Suntour, SRAM en M5 (U-turn-away) hebben daar al verbeteringen voor bedacht. De framebouwers moesten voor de Suntour S1 wel andere framenokken solderen; dat was toch net een stap te ver. Feitelijk was de Suntour een herontwerp van de Nivex uit '38 en Altenburger uit de jaren 50.

  Er zijn ook prototypes geweest, waar de tandwielen over de achteras schoven, en de derailleur niet meer was dan een vaste kettingspanner. Zo voorkom je het scheeflopen van de ketting, maar de constructie wordt ingewikkelder en duurder (simplesse oblige).

 

    PLANETAIRE STELSELS

  Een andere 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.8a) ; 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.8b.

  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 en 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 dan vaker rond als 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. 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.9 ), 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. Gewoonlijk zijn de lageringen van de planeetwielen niet meer dan glijlagers. De tandwieltjes worden gemaakt via sinteren van metaalpoeder (geperst en gebakken). Het oppervlak is wat ruwer (meer wrijving). Een voordeel is dat de smeermiddelen  beter kleven en hechten in de holtes. De verliezen door wrijving van lagers en tandwieltjes kunnen wel behoorlijk oplopen tot 10-20%. In sommige standen zullen er veel wieltjes ingeschakeld worden en bij andere minder. Het rendement van de versnellingsnaaf zal dus afhangen van de versnellingskeuze. Alleen Rohloff gebruikt overal echte lagers in de tandwieltjes. Die wieltjes maken ze bovendien via verspaning (alleen de SRAM Spectro P5 Cargo heeft ook verspaande wieltjes). Gewoonlijk is er één schakeling waarbij het kettingwiel aan het naafhuis gekoppeld wordt; het rendement is dan maximaal (96%).

 Het aantal tanden op het ringwiel, is gelijk aan het aantal tanden op het zonnewiel, + 2 maal het aantal tanden van het planeetwiel.            

 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, zoals Hercules, Steyr, Suntour, Brampton, enz.                    

Bij aandrijving via de planeetwieldrager geldt:   het versnellingsgetal = ( tanden ringwiel + tanden zonnewiel) / tanden ringwiel    ( >1 ) Bij aandrijving  via het ringwiel geldt: het versnellings-getal = tanden ringwiel / ( tanden ringwiel + tanden zonnewiel)    ( < 1 ).

  Toen de derailleur nog in z'n kinderschoenen stond, was de schakeling met planetaire stelsels al volwassen. Voor de tweede wereldoorlog werd er ook door coureurs wel gebruik van gemaakt; vooral in Engeland. Als optie hadden de naven vleugelmoeren om snel wielen te kunnen wisselen bij lekke banden; er zaten kleinere stapjes tussen de versnellingen ("close ratio"). Een topper was de Sturmey-Archer 3-bak type AR uit de jaren dertig ( FIG.10); in 1939 werd er zelfs een 4-bak type FM uitgebracht.

 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.

  De manier waarop je je planetaire stelsel(s) wil laten schakelen, is een van de problemen bij het ontwerp. De Fichtel & Sachs 4-bak uit 1912 (FIG.11) had zelfs al drie planetaire stelsels; deze constructie was ingewikkeld, om het schakelen simpel te houden.

  Bij het schakelsysteem van de Sturmey-Archer 3-bak (FIG.12) bedient een kettinkje de controlestift. Het dwarsbalkje gaat door de gleuf in de as. De schroefdraad van de controlestift wordt in het dwarsbalkje gedraaid. Tijdens het schakelen neemt het dwarsbalkje de sterclutch (koppeling) mee, en brengt zo de verbindingen tot stand. De veerwerking zorgt ervoor dat de sterclutch terugkomt. Als de controlestift niet bediend wordt, schakelt de naaf door de veerwerking naar de zware versnelling. Als we een 3-bak combineren met een terugtraprem, zal de remwerking in de eerste versnelling, soms merkbaar beter zijn dan in de derde (afhankelijk van de constructie).

 Bij planetaire stelsels zal het vaste zonnewiel het koppel dat de rijder kan brengen, via de as doorgegeven naar het frame. De as van SA in FIG.12 is daarom afgeplat, zodat hij niet kan roteren. Veel fabrikanten voegen daarom nog speciale ringen met een blokkeringsnok toe. Bij Rohloff (FIG.13b), een naaf die veel door sterke rijders gebruikt wordt, en waar veel lichte versnellingen in zitten, kiezen ze zelfs voor heel rigoureuze oplossingen. Er is een flinke hevel aan de as gekoppeld, die afsteunt op de achtervork. Deze hevel kan vervallen als men gebruikt maakt van de speciale achterpatten van Rohloff zelf; deze zijn bovendien voorzien van kettingspanners. De Rohloff is de absolute topper onder de versnellingsnaven. Dit is een zeer doordacht ontwerp; er is niet beknibbeld op de prijs van de onderdelen. Alles moet topkwaliteit zijn en super betrouwbaar; alles is gelagerd en loopt in olie. Het rendement is vergelijkbaar met de derailleur, zo'n 95%. Bij lage vermogens als 70W (10% verlies), is het rendement veel lager dan bij 300W (4% verlies). De tanden van de tandwielen zijn van hoge kwaliteit machinestaal; om gewicht te sparen, zijn de grotere tandwielen deels van kunststof, met carbon versterking. Het totale gewicht is ongeveer 1,7 kilo. De prijs van de naaf is al gauw 900 euro. Het bereik van deze naaf is zeer groot, 526%; de 11de versnelling is de directe aandrijving. De naaf is zowel bij stilstand, als onder belasting te schakelen. Vooral dat laatste is bijzonder, want bij Shimano kost je dat al gauw een nieuwe bak. Zowel bij Shimano als bij Rohloff, kan het hele tandwielstelsel er in z'n geheel uitgehaald worden.

 

.

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 in de as van deze naven gebeurt met een ingewikkeld stelsel nokken; aan de buitenkant is er niets van te zien. Zelfs als je de bak gedemonteerd hebt, is het vaak moeilijk, of zelfs onmogelijk, de schakelactie en volgorde te doorgronden (zie de nokken, kogeltjes, palletjes en veertjes van het schakelsysteem van een Rohloff naaf FIG.13a . In de YouTube video doet men een poging om het uit te leggen.

Op de onderstaande foto's zien we de binnenkant van een SRAM Spectro P5 met 2 schakelbare zonnewielen, 3 getrapte planeetwieltjes, en 1 ringwiel.     

  In FIG.14a zien we de schakelnokken op de as bij B; deze worden bediend door de controlestift. Ze kunnen het kleine zonnewiel A of het grote C blokkeren. Beide zonnewielen staan permanent in verbinding met getrapte planeetwielen. Er zijn twee sets pallen; aan de rechterkant op het ringwiel (zie FIG.14c+e) en aan de linkse kant in de naaf zitten de pallen van de planeetwieldrager (zie bovenkant FIG.14f ). In FIG.14d kunnen we de twee rijen nokken zien, waar de pallen aangrijpen in het naafhuis.

  De bediening van de schakeling gaat via de clickbox ( 4 in FIG.15a). Hier bedient de kabel van de schakelaar, via een nokkenschijf, de dubbel uitgevoerde controle-stift. De kunststof fixeerbus met geleide nok, zorgt voor de verbinding tussen controlestiften en de clickbox. De stalen controlestift  ( 1 in FIG.15b) bedient de schakelnokken die de zonnewielen vastzetten ( B in FIG.14a). Het aluminium buisje eromheen ( 2 in FIG.15b) bedient het koppelstuk (clutch) tussen de drijfkop, en de planeetwieldrager of het ringwiel. In de eerste twee versnellingen gaat de aandrijving via de linker pallen (planeet-wieldrager) en in de andere drie via de rechter pallen (van het ringwiel).

De werking van de 7-bak van SRAM is hetzelfde. Het enige verschil is, dat er dan 3 schakelbare zonnewielen zijn en dat de planeetwielen 3 trapjes bezitten.  

De constructie van de 7-bak van SA, is enigszins vergelijkbaar met de SRAM (allebei drie zonnewielen).

De constructie van de Shimano 7-bak is totaal anders; met 4 zonnewielen, twee ringwielen en twee planeetwieldragers. Doordat er geen directe aandrijving is en de krachten soms door beide stelsels gaan, is het rendement in sommige versnellingen lager dan 80%, en gemiddeld ongeveer 85%.

De 8-bak van SA weer heel anders. De eerste versnelling is hier de directe aandrijving; dat betekent dat alle andere overbrengingen echte versnellingen zijn. Kies dus een heel lage overbrenging, als 32 voor en 24 achter, bij deze bak.

  Begin jaren negentig werkte Sachs aan een 12-bak; dit zou de grote sprong voorwaarts worden. Er werd veel geïnvesteerd in ontwikkeling en automatisering, maar het resultaat was een relatief dure en zware naaf. Er waren wat kinderziektes en financiële problemen; dit maakte Sachs rijp voor een overname door SRAM. Na een jaar staakte SRAM de productie, ontwikkeling en ondersteuning van het product.

  De Nexus 8-bak is een ontwerp met 4 vertragingen, de vijfde versnelling is een directe aandrijving, en er zijn drie versnellingen. Door de planeetwielen te voorzien van naaldlagers, en het feit dat er een directe aandrijving is, komt het gemiddelde rendement van deze bak boven de 90% uit. Het bereik (het verschil tussen de hoogste en laagste versnelling) van de 8-bak is bovendien gestegen naar 307%, in plaats van de 244% van de 7-bak.

   In 2010 kwam de Shimano Alfine 11 bak op de markt. Het gewicht is ongeveer 2kg; de smering gaat via een oliebadje, het bereik is 409% en de prijs circa 390 euro; daarmee is dit een geduchte concurrent voor Rohloff, die echter op alle punten, behalve de prijs, wat beter scoort.

  In oude (vouw)fietsen vinden we nog wel eens naven van Sachs met een 2-bak; zie de pagina Duomatic. Hier schakel je door achteruit te trappen; een latere uitvoering van deze naaf was zelfschakelend: de Automatic, die onlangs door SRAM in een nieuw jasje is gestoken als Automatix. Ook S-A heeft vroeger zo'n 2-bak gehad: de S2 (1966). Bij Sturmey Archer is in 2010 zelfs een hele nieuwe serie van deze naven verschenen; voor de het gemak heten deze S-2 Duomatic. Bij S-A recyclen ze dus zelfs typenamen; wat een armoe!

 COMBINATIE DERAILLEUR EN PLANETAIR STELSEL

  Het is natuurlijk mogelijk om een derailleur en een planetair stelsel te combineren. Met name Sachs heeft deze combinatie wel toegepast. Bij de "Torpedo 2x3" werd een drieversnellingsnaaf met terugtraprem, gecombineerd met een derailleur en twee tandwieltjes. Als je dan remt, wordt eerst de derailleur vlakgetrokken; dit betekent een extra lange dode slag voor de rem in werking treedt. Het is dan ook niets geworden.

   De Sachs Orbit was een twee versnellingsnaaf, tevens uitgerust met een tandwielblok met 5-6-7 tandwieltjes. Zo kon het tweede kettingwiel en de voorderailleur vervallen. Deze constructie was succesvoller. Later werd een 3-bak gecombineerd met een 7 of 8 cassette in de DualDrive, eerst van Sachs en, na de overname, van SRAM. Helaas combineer je niet alleen de voordelen van beide versnellingssystemen, maar ook de nadelen. Alleen in bepaalde gevallen, zoals een Alleweder ligfiets, heb ik voor deze oplossing gekozen.

De Efneo GTRO Gearbox 3 Speed is een andere optie om een 28/40/50 Triple Crankset na te bootsen; verkrijbaar met Twist Shifter, Trigger Shifter, of Bar End Shifter.

 

 DE CONTINUE VARIABELE TRANSMISSIE

  Sinds 2007 is er een traploos regelbare versnellingsnaaf: de Nuvinci, dit is geen epicyclisch systeem, maar een tractie-aandrijving. Deze CVT ‘schakelt’ met roterende kogels in plaats van tandwielen, zoals dat in de conventionele versnellingsnaven gebeurt. De speciale tractie-olie in de naaf speelt een belangrijke rol in de overbrenging. Afhankelijk van de afstand van het raakpunt van de input schijf (verbonden met het tandwiel, rechts) en de output schijf (verbonden met de naaf, links) ten opzichte van de as van de kogels versnelling lichter (tandwiel snel, kleine straal) of zwaarder (tandwiel langzaam, grote straal). Het raakpunt is traploos instelbaar door middel van een eenvoudige draaischakelaar die is verwerkt in het handvat van de fiets. Een lichte beweging is voldoende om de overbrenging aan te passen en in iedere gewenste stand te brengen. Dit zorgt voor een bijna oneindige variatie in het aantal  ‘versnellingen‘.

Het rendement van de naaf is in het middengebied matig  (85%); in de laagste of hoogste versnellingen zijn de verliezen zelfs behoorlijk, zeker bij hoge vermogens. Sinds 2011 is er een nieuwe versie van de naaf uit, die weegt nog maar 2,5 kg en heeft  een bereik van 360%. De technische mogelijkheden van deze naaf nemen ook toe, zoals schijfrem toepassing en uitval-as. Qua gegevens kom je dan in een echte concurrentiepositie met bij voorbeeld een Shimano Alfine 8 of 11 bak. Een nieuwe ontwikkeling is de Harmony-bak, die bij een bepaalde instelbare pedaaldruk, de versnellingsbak automatisch aanpast. Deze Harmony-bak is vooral bedoeld voor montage in E-bikes en in potentie zeer veel belovend: produceren naar vermogen, gebruiken naar behoefte (een oud socialistisch ideaal). Vooral bij toepassing van een middenmotor is de Harmony een goede oplossing, want de bak "schakelt" ook goed onder belasting; bij Shimano is dat een zwak punt. Zorg wel dat de accu's niet leeg raken, want het trainingseffect van deze combinatie is aanzienlijk.

Er zijn testen gedaan met een aantal van de beschreven versnellingsnaven, waarvan we in een grafiek de Duitse ingenieur Andreas Oehler, de rendementen kunnen aflezen. Enige kennis van de Duitse taal is handig bij het lezen van die website, maar de grafiek geeft een goed beeld. De dikke lijnen zijn voor een (sportief) vermogen van 200 watt. Bij zeer lage vermogens (50W) neemt het rendement altijd af (dunne lijntjes).     

VERSNELLINGSSYSTEMEN IN DE TRAPAS

   Een bak die we in Nederland weinig zien, is de 2-bak van Schlumpf. Deze zit niet in de naaf, maar bij de trapas. Terwijl bij een naaf het koppel al gauw meer dan gehalveerd is door de overbrenging, gaat het bij Schlumpf er vol doorheen. Je schakelt deze 2-bak, door de trapas naar links of naar rechts te schuiven. De stappen tussen de versnellingen zijn groot; vooral bij een vouwfiets (o.a. Brompton) of ligfiets is het bruikbaar (extra lichte of extra zware versnellingen). Schlumpf biedt ook een voorwielnaaf met trapas aan, en met een 150% versnelling, type FSU, voor eenwieler of imitatie hoge-bi; bij een bandkeuze van 60-787 kom je dan toch aan een verzet van 4,27m.

  Er zijn ook andere trapasversnellingen in gebruik geweest. De Leeuwardense fietsenfabriek Phoenix heeft van eind jaren dertig tot eind jaren vijftig een echte 3-versnellingsbak (geen planetair stelsel) type Mutaped (Zwitsers) ingebouwd, waarvoor een speciaal groot bracket nodig was http://www.rijwiel.net/phoenixn.htm. Verschillende Duitse fabrikanten hadden voor de oorlog, ook een dergelijke versnellingstrapas.  Bismarck, Wanderer en Brennabor waren 2-bakken, Adler een 3-bak en Rappa een 4-bak; allemaal fraaie staaltjes techniek ( zie FIG 17a/b ) 

 

 

 In 2013 is deze moderne versnellingstrapas ( zie FIG 17c/d ) in productie genomen; de Duitse Pinion  heeft 18 versnellingen en een bereik van 636% ! Het gewicht is 2,7 kg. Je moet er natuurlijk wel speciale frames voor bouwen. Het rendement ligt rond de 91%; iets minder dan Rohloff, maar zeker zo goed als andere versnellingsnaven en met een groter bereik. Inmiddels is er ook een 12-bak en twee 9-bakken: wide ratio (XR), en close ratio (CR).

  Deze bak wordt vaak gecombineerd met riemaandrijving: http://www.gatescarbondrive.com/ ; een tendens die we bij de bakken van Rohloff en Shimano Alfine ook zien. Het achterframe van de fiets moet dan deelbaar zijn, omdat de riem niet gesplitst kan worden. Ten opzichte van een goed gesmeerde ketting verlies je wel iets aan rendement.

                                                                                        FUTURISTISCHE AANDRIJFSYSTEMEN

 

 

Totaal nieuwe concepten voor de aandrijving komt uit Denemarken.

De trapas drijft hier een generator (dynamo) aan en de stroom die je door het trappen opwekt, drijft de elektromotor in het achterwiel aan. De ketting en tandwielen kunnen dan vervallen; de combinatie met een batterij of accu, wordt nu wel heel eenvoudig. Onderhoud wordt ook veel eenvoudiger. Voor de woon-werkfietser op de E-bike kan dit een zeer interessant product zijn, maar het is nog niet zo lang op de markt. Of het rendement ook voldoende is voor de gewone fiets, waag ik te betwijfelen.

 

FIG.18b  CeramicSpeed vaste aandrijfas met 13 versnellingen.

As-aandrijvingen zijn er natuurlijk al 125 jaar, maar de efficiëntie is gewoonlijk minder dan 90%.

Een nieuwe benadering van de vaste as aandrijving is de CeramicSpeed Driven

https://www.ceramicspeed.com/en/driven/

Er moeten helaas speciale frames voor gebouwd worden. De fabrikant zegt dat de CNC-freesbank 8 uur bezig is aan het achtertandwiel met 13 schakelposities  en horizontale (!) vertanding.

CeramicSpeed claimt een halvering van de verliezen t.o.v. een goede derailleur; zoals we gezien hebben heeft die zo'n 4% verlies. Dit betekent een rendement van 98% . Klinkt leuk, maar blijft dat heel in een spurt? En wat moet die fiets kosten?

FIG.19 CyFly: verschuivende cranks met ovaal kettingblad.

Ovale kettingbladen zijn ook al meer dan 100 jaar oud. Shimano heeft het midden jaren tachtig nog eens geprobeerd. In Frankrijk heeft Polchlopeck zo'n 20 jaar lang op beperkte schaal ovale bladen geproduceerd voor de kleine schare liefhebbers.

Rotor heeft afgelopen 10 jaar zelfs met succes kampioenen op hun producten laten rijden. De voordelen, als die er al zijn, zijn nauwelijks meetbaar. De nadelen, als het wennen aan de "onronde" draaibeweging en de hogere prijs, zijn overbrugbaar. Recentelijk heeft de Duitse firma CyFly een crankstel variant met bewegende crankpositie ontworpen: https://www.youtube.com/watch?v=TQ2VBt46_Zo  

Technisch allemaal wel leuk hoor, maar duur en er is weer een speciaal frame noodzakelijk bij deze toepassing. Dat maakt commercieel succes moeilijk.

 

 

Meer www.weten?

 VRIJWEL ELKE OUDE REMNAAF EN VERSNELLINGSNAAF IS HIER TE VINDEN! http://sheldonbrown.com/sutherland.html

 Rekensheets:  http://john-s-allen.com/gearing/hubratios.htm  

 VRIJWEL ELKE OUDE DERAILLEUR IS HIER TE VINDEN!  http://www.disraeligears.co.uk/Site/Home.htm

 Heel veel archiefmateriaal van Campagnolo:  http://www.campyonly.com/history/catalogs.html

 Het moderne gebeuren van Campagnolo: http://www.campagnolo.com/jsp/en/index/index.jsp

 Onderlinge uitwisselbaarheid van onderdelen bij Shimano:  http://sheldonbrown.com/k7.html#dura-ace.html   ;  http://sheldonbrown.com/dura-ace.html

 Shimano:  http://cycle.shimano-eu.com  en  http://www.paul-lange.de/service/Support/Shimano/Support.php#anker_werk

 Informatie van Shimano voor monteurs:  http://si.shimano.com/

 SRAM: http://www.sram.com

 Oude SA-naven: http://www.sturmey-archerheritage.com/index.php?page=history&type=technic ;  http://hadland.wordpress.com/category/cycle-technology-history/

 Op rijwiel.net vindt u deze interessante pagina:  http://www.rijwiel.net/4versnln.htm

 De officiële geschiedenis van SA:  http://www.sturmey-archerheritage.com/index.php

 Info over Fichtel & Sachs Torpedo-naven:  http://www.3gang.de/3-gang/index.htm  ;  http://www.radhaus-freiburg.de/tech/getr_srm.htm

 Veel handleidingen en onderdelen van Fichtel & Sachs: http://www.scheunenfun.de http://www.velo-classic.de

 Een traploos regelbare versnellingsnaaf: www.nuvinci.com 

 Een tweebak in de trapas: www.schlumpf.ch 

 Rohloff, als kwaliteit het enige is dat telt:  www.rohloff.de 

 Liefhebbers van versnellingsnaven hebben een eigen plek op het internet: http://hubstripping.wordpress.com/