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. Op deze pagina kunt u een Excelfile voor de berekening vinden.
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.
FIG.1a Licht verzet 40x32 FIG.1b Zwaar verzet 50x12
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.
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. 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.
De eerste Campagnolo versnellingssystemen (zie FIG.5a) hadden de schakelvork ook omgekeerd boven de tandwielen ; zo moest de coureur moest dus ook terug trappen om te schakelen. 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. Het YouTube filmpje laat dat zien.
FIG.6b Navet schakel/rem combi (1946)
Het schakelen van een Campagnolo Gambia Corsa.
Er was in 1946 zelfs al iemand die schakelaar en rem wilde combineren (FIG. 6b). 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 soms 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 op de onderbuis. De Campagnolo Gran Sport is de meest geïmiteerde derailleur ooit (FIG. 6a)
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.
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! Moderne productietechnieken in CNC maken een steeds betere integratie tussen ketting tandwielen mogelijk, dit beperkt de verliezen, maar men gaat dan weer een 9 als zwaarste verzet introduceren, van de inmiddels 13 tandwielen op een cassette.
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.
De integratie van remhandles en derailleurschakelaars kent een lange historie; al in 1946 vraagt de Fransman Navet een patent aan FIG.6b, 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.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 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.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. Meestal is er één schakeling waarbij het kettingwiel aan het naafhuis gekoppeld wordt; het rendement is dan maximaal (96%).
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; dat is de verklaring voor het grote prijsverschil. Die wieltjes maken ze via verspaning (alleen de SRAM Spectro P5 Cargo had ook verspaande wieltjes).
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 nokken op de as bij B. Ze kunnen het kleine zonnewiel A of het grote C blokkeren; deze worden bediend door de controlestift. . 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) schuift een van de zonnewielen op de vaste nokken (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 300 euro; daarmee is dit een geduchte concurrent voor Rohloff, die echter op alle punten, behalve de prijs, wat beter scoort. Elektronisch schakelen en schijfremmen horen tot de opties. Bij Sheldon Brown vinden we ook heel veel info:
Shimano Nexus en Alfine: https://www.sheldonbrown.com/nexus-mech.html
SRAM 8 en 9 bakken: https://www.sheldonbrown.com/sram-g8.html en https://www.sheldonbrown.com/i-motion-9.html; oude naven van SRAM 1999 (3 tot 12) in de pdf onderaan de pagina.
Daar vinden we ook een ouder handboek in het Engels met Sturmey Archer en Sachs naven.
Nog meer over naafversnellingen is te vinden volgende pagina's :
1. Chronologische opsomming versnellingsnaven 2. Internal parts of gearhubs 3. Duomatics 4. Extra links
FIG.15c Moderne twee-bak derailleur combinatie van Classified
COMBINATIE DERAILLEUR EN PLANETAIR STELSEL
De Sachs Orbit was een twee versnellingsnaaf, tevens uitgerust met een tandwielblok met 5-6 of 7 tandwieltjes. Zo kon het tweede kettingwiel en de voorderailleur vervallen. 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 in het bracket, is een andere optie om een 28/40/50 Triple Crankset na te bootsen. Te combineren met een achterderailleur of versnellingsnaaf. De eerste versnelling is de direct drive, de tweede is +43% en de derde is +79%. Er is nu ook een Belgische firma met een draadloos geschakelde 2bak in de achternaaf . https://classified-cycling.cc/en/ De hoge versnelling is de direct drive; de lichte versnelling schakelt 32% lager. De batterij in de naaf kan via micro-USB opgeladen worden, voldoende voor 10.000 schakelingen. Zie FIG.15c.
FIG.16 Roterende kogels
DE CONTINUE VARIABELE TRANSMISSIE
Sinds 2007 is er een traploos regelbare versnellingsnaaf: de Nuvinci /Enviolo, 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 concurrentiepositie met de Shimano Alfine 8 of 11 bak.
Een nieuwe ontwikkeling is de Enviolo Harmony-bak, die bij een bepaalde instelbare pedaaldruk, de versnelling 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. De Bosch middenmotor is hiermee goed te combineren. Zie ook de video onderaan de pagina. 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).
Inmiddels heeft de fabrikant Nuvinci de naam Enviolo gekozen, en is zich meer op de E-bike gaan richten, met behoorlijk veel succes.
FIG.17a Een Franse trapas versnelling uit 1903 (Magnat-Debon).
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.
Begin twintigste eeuw was de 2-bak van Sunbeam (een planetair stelsel) in Engeland succesvol. In Frankrijk was er een 3-bak met een schuivend tandwielblok ( zie FIG 17a ); deze is zelfs 25 jaar in productie geweest, en werd pas eind jaren '20 verdrongen door de goedkopere derailleurs.
De Wanderer 2-bak en de Adler 3-bak uit eind jaren 30 werkten via hetzelfde principe.
Kijk naar de middelste figuur van FIG.17a; het grote tandwiel links, zit vast aan het kettingwiel. Er is een de hulp-as, parallel aan de trapas. Het kleine tandwiel links op de hulp-as, is altijd in contact met het grote tandwiel op de trapas. Er is schuifbaar tandwielblok op de trapas; in de middelste figuur zijn de middelste tandwielen met elkaar in contact. De aandrijfkrachten gaan via de trapas naar de hulp-as, en drijven via het kleine en grote tandwiel links, het kettingwiel aan. Het kettingwiel draait dus langzamer dan de trapas: een lichtere versnelling (feitelijk een vertraging). Het grote tandwiel links heeft ook aan de binnenkant een vertanding; als we het blok erin drukken, neemt de trapas het kettingwiel mee: de zware versnelling. Gaat het tandwielblok helemaal naar rechts, dan draait de hulp-as nog langzamer en zijn we in de lichtste versnelling. Het schakelen dient met beleid te gebeuren, want de tanden moeten in elkaar schuiven!
Verschillende Duitse fabrikanten hadden voor de oorlog ook een trapas versnelling: Bismarck, Wanderer en Brennabor waren 2-bakken, Adler een 3-bak en Rappa een 4-bak ( FIG 17b ). De Leeuwarder fietsenfabriek Phoenix, zie http://www.rijwiel.net/phoenixn.htm , heeft van eind jaren dertig tot circa '56 een echte 3-versnellingsbak (geen planetair stelsel) de Mutaped (Zwitsers) ingebouwd. Hiervoor was 'n speciaal groot bracket nodig, zie FIG17c Een download is te vinden op de pagina. Hier vinden we ook een download van de Vilex-B.U.E.C. ; dit is een fraai Frans ontwerp uit 1949: een vijfbak met vaste aandrijving en rem en freewheel in het bracket (zie FIG 17d ) . Werkende exemplaren zijn zeer zeldzaam.
FIG.17b Duitse 2-bakken, Bismarck, Wanderer (1935) en de Rappa 4-bak uit 1938
FIG.17c Phoebus Mutaped een Zwitsers ontwerp eind jaren '30. De pallen 11, 12, en 13 in de trapas schakelen de tandwielen 30 , 31 en 32 via nokkenschijf 16 .
FIG.17d Vilex - Boite Universelle d’Equipements pour Cycles, een 5-bak van eind jaren 40.
FIG.17e Moderne schakeltechniek uit Duitsland 2013 : de Pinion.
In 2013 is deze moderne versnellingstrapas (zie FIG 17e ) 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%, zie A. Oehler; 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). Een Franse look-a-like: https://www.effigear.com/en/114-gearboxes
Trapasversnellingsbakken worden vaak gecombineerd met riemaandrijving: http://www.gatescarbondrive.com/ ; een tendens die we bij de naafversnellingen van Rohloff en Shimano Alfine ook zien.
Het achterframe van deze fietsen moet dan deelbaar zijn, omdat de riem niet gesplitst kan worden. Ze gaan lang mee, maar t.o.v. een goed gesmeerde ketting verlies je wel iets aan rendement.
Een bak die we in Nederland weinig zien, is de 2-bak van Schlumpf. Deze zit niet in de naaf, maar bij de trapas. 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. In de jaren 90 was er nog een epicyclische 4-bak van Bridgestone (de FM-4); in de USA en in Japan redelijk populair, maar die is in Europa nooit op de markt gebracht. Een vergelijkbare Shimano FM-5 uit die periode, is nooit verder gekomen dan enkele jaren bij Miyata. De Strida vouwfiets maakt soms gebruik van een trapasversnelling van Sun Race: de Sturmey-Archer KS3.
Er is een Shimano patent voor een derailleur-versnellingsbak in de trapas; uiteraard is ook hier een speciaal bracket nodig. Als grote OEM fabrikant kunnen zij zich een dergelijk systeem veroorloven; zij bepalen de standaard! Het boutpatroon zou identiek zijn aan de bevestiging van hun E-bike motor, hetgeen de toepassing van het bracket in massafabricage waarschijnlijker maakt.
De details van het patent wijzen op een ontwerp voor het midden-marktsegment, maar het is nog niet duidelijk of dit systeem ook werkelijk in productie gaat. Feitelijk is het een geduchte concurrent voor hun Alfine 11 versnellingsnaaf. De cassettes bevatten zeven tandwielen met 19-21-25-29-33-37-41 tanden; de onderste cassette uit FIG.20b kan een stapje opschuiven naar links. Diagonaal via D2, schuift een derailleur mee. Voor de ketting op de onderste cassette zijn er dus twee posities; op het laatste tandwiel slechts een. Er zijn dus 13 "versnellingen". De ketting loopt altijd in een rechte lijn; de toepassing van een oliebakje verhoogt het rendement. Dat zal tussen een derailleur en een naafversnelling liggen, circa 90-92%; het bereik van de bak is 467%. De patentaanvrage is onderaan te downloaden.
FIG. 18a Deze Shimano 13 bak heeft ook een speciaal bracket nodig.
Shimano's patentaanvrage van FIG.18a/b
FIG.18b Het binnenwerk van de Shimano bak bevat twee cassettes met ketting.
FIG.19a As-aandrijving Spalding Chainless 1898
FIG.19b CeramicSpeed vaste aandrijfas met 13 versnellingen.
Ook ovale kettingbladen zijn al meer dan 125 jaar oud. Shimano heeft het midden jaren tachtig nog eens geprobeerd. In Frankrijk heeft Polchlopek 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 moeilijker.
Totaal nieuwe concepten voor de aandrijving komen 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. Mogelijk dat het voor een stads- of vouwfietsje een goede oplossing is.
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 ook uit Denemarken: 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 tanden.
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.19c CyFly: verschuivende cranks met ovaal kettingblad.
ELECTRONISCH SCHAKELEN
De eerste firma die een elektronisch schakelsysteem op de markt bracht was Mavic in 1992. In 1999 werd het systeem zelfs "wireless" : de Mavic Mektronic. Meer dan 10 jaar later, zijn ook andere fabrikanten als Shimano en SRAM in die markt gestapt. Overigens had Campagnolo in 1994 ook alvast een patent aangevraagd voor elektronisch schakelen, zie patentaanvrage onderaan de pagina.
Mavic maakte in 1992 al gebruik van een kleine dynamo in een pulley-wieltje van de derailleur. Een ontwerp dat Campagnolo schaamteloos in dit patent ook vastlegt , zie FIG.21b bij nr.31.
Draadloos schakelen wordt tegenwoordig ook toegepast bij naafversnellingen als Classified , Rohloff , Shimano Alfine; en Pinion trouwens....
FIG.20a Mavic Mektronic wireless shifter.
Meer www.weten?
oude naafversnellingen
VRIJWEL ELKE OUDE REMNAAF EN VERSNELLINGSNAAF IS HIER TE VINDEN! http://sheldonbrown.com/sutherland.html ; en Internal-Gear Hubs (sheldonbrown.com)
De officiële geschiedenis van SA: http://www.sturmey-archerheritage.com/index.php
Op rijwiel.net vindt u deze interessante pagina: http://www.rijwiel.net/4versnln.htm
Oude SA-naven: http://www.sturmey-archerheritage.com/index.php?page=history&type=technic ; http://hadland.wordpress.com/category/cycle-technology-history/
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
oude derailleurs
VRIJWEL ELKE OUDE DERAILLEUR IS HIER TE VINDEN! http://www.disraeligears.co.uk/Site/Home.htm
Een belangrijk boek over de ontwikkeling van de derailleur: The Dancing Chain: History and Development of the Derailleur Bicycle [Berto, Frank]
Deze zelfde auteur schreef ook een artikel over Suntour, te downloaden op deze pagina https://www.mechanischehirngespinnste.de/wp-content/uploads/2021/07/sunset_of_suntour.pdf
Heel veel archiefmateriaal van Campagnolo: http://www.campyonly.com/history/catalogs.html
Onderlinge uitwisselbaarheid van onderdelen bij Shimano: http://sheldonbrown.com/k7.html#dura-ace.html ; http://sheldonbrown.com/dura-ace.html
Rem- schakelhandles: https://kuromori.home.blog/an-incomplete-history-of-the-brifter/
Versnellingen van deze tijd....
Het moderne gebeuren van Campagnolo: http://www.campagnolo.com/jsp/en/index/index.jsp
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/ en voor SRAM: http://www.sram.com
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
Een nieuwe speler op de markt met een onderhoudsvrije naaf: https://www.3x3.bike/en/nine-gear-hub