Rubriek TRANSMISSIE:
De achterbrug of differentieel onder de loupe.
De grote achterasknobbel bij vrachtwagens en landbouwvoertuigen, het valt altijd erg op, iets minder echter bij bussen want ver ondergebouwd: de achterbrug of gemeenzaam de “pont” genoemd. Het is de laatste trap van de krachtsoverbrenging van de motor naar de wielen, via het pignon- en kroonwiel en het differentieel dat de beide steekassen aandrijft.
Drie taken krijgt dit tandwielstelsel:
het het brengt de snelheid van de cardanas terug tot die welke voor de wielen wordt verlaagd;
- - het stelt het binnenste wiel in staat langzamer te draaien dan het buitenste wanneer het voertuig een bocht maakt;
- - en het brengt (bij onze bussen) de kracht onder een rechte hoek via de beide steekassen over naar de wielen.
De reductie
Het vliegwiel van onze bussen draait soms met topsnelheden van 2200 omw/min. Dergelijke snelheden moeten drastisch worden verlaagd alvorens de kracht wordt overgebracht naar de wielen die bij 90km/u slechts 422 omw/min zullen draaien. Je kan dit zelf narekenen door de omtrek van een wiel binnen een afgelegde afstand om te rekenen. Een buswiel is de som van: 11” (die afmeting van banddikte tel je uiteraard tweemaal) plus de velg van 22,5”. Een inch is 2,54cm. De middellijn is dus 113cm, de omtrek 355cm. Bij 90km/u leg je per minuut 1500 meter af.
Eerder in de krachtgroep is er de versnellingsbak die ervoor zorgt dat de motor met aanvaardbare toerentalgrenzen het koppel optimaal kan houden, lees: de cardanas zal in dezelfde snelheidcurve blijven, los van de afgelegde wegsnelheid. In volgende artikels wil ik graag dieper ingaan over de versnellingsbak en alles wat er mee te maken heeft. Het is bijzonder boeiende materie, geloof me.
Reductie van versnellingsbak en achterbrug samen zorgen voor een gecombineerde reductie van de aandrijfwielomwenteling. Concreet betekent bovenstaande dat bus 101 (met “kleine” achterbrug) die in eerste versnelling vertrekt zijn toerental met de totale factor 25:1 gereduceerd ziet, terwijl onze “cruiser” 2274 dit doet aan 16:1. Dus als de vierde versnelling een 1:1 overbrenging doorgeeft, rest enkel nog de reductie van de achterbrug. Die vertraging wordt verkregen door een tandwielpaar: het pignon- en het kroonwiel. Het pignonwiel op de cardanas drijft een groter tandwiel, het kroonwiel, aan.
De snelheidsvertraging is afhankelijk van het aantal tanden op beide tandwielen. Bij een kroonwiel met 40 en een pignonwiel met 10 tanden spreekt men van een 4:1-brug. En die verhouding kan sterk variëren weten we ondertussen. Stadsbussen kregen een “kleine” brug: tot 6:1 met als resultaat krachtig aanzetten maar lage topsnelheid. Een achterbrug met 4:1-verhouding mag voor een bus als “groot” worden gezien. De bus zal slomer optrekken maar bij hoge snelheid merkelijk minder toeren maken.
De differentieel- en de hoekfunctie
Met het kroonwiel draait ook het differentieel rond, een tandwielstelsel, dat een verschil in snelheid tussen de aangedreven wielen mogelijk maakt wanneer de bus door een bocht rijdt.
Het pignon- en het kroonwiel brengen ook de kracht over onder een hoek van 90°, nodig omdat onze liggende 6 cyl. busmotoren in lengterichting zijn geplaats: de krukas staat dus 90° op de steekassen. Dit wordt mogelijk gemaakt omdat het conisch geconstrueerde tandwielen zijn. Er zijn drie soorten tandwielen hiervoor:
- rechte tanden, weinig nog gebruikt behalve voor de achteruitversnelling van een auto, (neiging om door akoestische resonantie te gaan “zingen”, dus ook goed te horen bij achteruitrijden personenwagens),
- spiraalvormig, (grijpt gelijkmatig in, dus geen resonantiegeluid),
- hypoïd-spiraalvormig (heeft andere hartlijnen). Die laatste gebruikt men om de cardanas bij personenwagens met achterwielaandrijving zo diep mogelijk te plaatsen en zo de storende binnentunnel achterwege te kunnen laten, maar ook om een lage busvloer te garanderen.
De werking van het differentieel
Wanneer een bus een bocht maakt, leggen de binnenste wielen een kortere weg af dan de buitenste. Het buitenste wiel neemt door de middelpuntvliedende kracht
meer asdrukgewicht op, het binnenste wiel verliest dit asdrukgewicht evenredig. Mochten beide wielen vast op de door het kroonwiel aangedreven as zijn bevestigd, dan zouden ze met dezelfde snelheid moeten draaien en zou het binnenste wiel gaan doorslippen.
Dit wordt voorkomen door de as in twee halve steekassen te scheiden. Iedere as wordt afzonderlijk aangedreven en wel zo, dat als het binnenste wiel langzamer gaat draaien, het buitenste wiel evenveel sneller gaat lopen, zodat het kroonwiel met de gemiddelde snelheid van beide wielen draait.
Slipbeperkend differentieel
Het nadeel van een differentieel is dat het ene wiel dat op een glad wegdek geen grip kan krijgen, door kan draaien met de dubbele snelheid van het kroonwiel, terwijl het andere wiel stil blijft staan; want het differentieel verdeelt altijd het koppel gelijkmatig over beide wielen.
Wanneer een wiel doordraait en geen werk verricht, zal ook het andere wiel geen werk verrichten. Aan deze moeilijkheden wordt bij sommige bruggen met groot vermogen tegemoet gekomen door een slipbeperkend differentieel, waarbij zelfblokkerende- of wrijvingsmechanismen worden gebruikt. Deze wrijvingsweerstand is te gering om de differentieelwerking uit te schakelen wanneer de wagen een bocht maakt; maar hij neemt sterk toe wanneer een groter koppel op het differentieel wordt uitgeoefend – bijvoorbeeld, bij vol gas in een lage versnelling.
Dan is er ook nog het sperdifferentieel, met volledige doorslipprotectie, maar dit vind je bij 4x4 terreinwagens. Hiermee wordt alle differentieelwerking (tijdelijk) buiten werking gezet. In- en uitschakelbaar dus, door middel van een extra pookje meestal, of door een manipulatie op de steekas zelf, want als deze functie op gewone droge wegen wordt gebruikt loopt het voertuig bij het nemen van scherpere bochten ernstige schade op. Of road zal het binnenste wiel bij een bocht dus dezelfde snelheid aannemen als het buitenste en doorslippen, zonder krachtverlies evenwel.
Voertuigen met vierwielaandrijving hebben tussen voor- en achteras een extra differentieel om alle verschillen tussen beide assen op te heffen. Het al dan niet inschakelen hiervan bepaalt of enkel voor achterwielpropulsie of vierwieltractie wordt gekozen. In old skool jeeps heb je hiervoor een extra pookje naast de versnellingspook en de “kleine boite”-pook. Die laatste is een voorschakelkast met extra reductie van de beschikbare versnellingen. Drie pookjes zijn zo bij die voertuigen een vertrouwd fenomeen.
Nog even dit
Een achterbrug heeft een autonome smering met achterbrugolie. Ook dit apparaat moet regelmatig op oliepeil worden gechecked, ook de olie zelf gaat niet eeuwig mee. Bij het verversen moet goed naar metaaldeeltjes worden gespeurd; het zou een indicatie van ernstige slijtage kunnen zijn. Een bonkende achterbrug bij aanzetten spreekt ook boekdelen. Het is eveneens absoluut te vermijden om met onze bussen met grote aanzetkracht heel korte bochten te nemen. De achterbrug kan dat wel aan, maar echt gezond is het niet, het wordt door VanHool-specialisten zelfs sterk afgeraden. Als er “op een zakdoek” moet worden gekeerd, laat de bus best rustig “kruipen”. Ter motivatie? Een inruil-revisiemodel kost 5.000 EUR, een nieuwe 10.000. Los van het werk zelf.
Tot de volgende editie waarbij ik het graag over de versnellingsbak zal hebben.
Wist je dit…?
George Westinghouse is een bekende naam in de wereld van treinliefhebbers. Juist! Na het uitvinden (op 19 jarige leeftijd) van zijn roterende stoommachine en zijn “wagonterugplaatser” (om ontspoorde wagons terug op de rails te plaatsen) zag zijn luchtdrukrem voor treinen het licht. Maar veel minder bekend is dat we aan hem een tiental jaren later onze elektriciteit uit het stopcontact kennen. Hij ontwikkelde “wisselspanning” als tegenhanger van Edison’s “gelijkspanning”. Edison kennen we ook van de gloeilamp. Wie won? Door de verkoop van de patenten op zijn uitvinding wist hij het toen heersende monopolie van General Electric te breken. Mede hierdoor won Westinghouse de strijd op Edison. Toch was Edison niet de gehele verliezer. Kijk maar naar alle spoorwegspanningen binnen Europa, mooi verdeeld en ieder houdt koppig vol. De wisselspanning kon men via heel hoge spanningen (tot boven 300kV) zonder teveel verlies op langere afstanden overbrengen zonder al te dikke kabels te gebruiken. Wisselspanningen konden ook vlot via een transformator worden verhoogd of verlaagd. Wisselspanning naar gelijkspanning omvormen ging eenvoudig via 4 diodes en wat electrolitische condensators. Ook aansturen van wisselstroommotoren via frequentiesturing en/of hakkers gaf grote mogelijkheden. Westinghouse stond tevens aan de wieg van de…elektrische stoel, dit even terzijde.
Gelijkspanning, onze batterijen bijvoorbeeld, en in de transportsector zelden hoger dan enkele duizend volt, kon met niet met transformators wijzigen, wel met spanningdelers verlagen. Erg hoge spanningen in gelijkstroom vroegen, om transportverlies te verkleinen, veel te dikke kabels. Omvormen naar wisselspanning kan nu op electronische wijze, maar vroeger was dat niet zo evident.
Edison’s gloeilamp daarentegen had wel een bijzondere eigenschap: die werkte even goed of wissel- als op gelijkspanning. En daar…brandt de lamp!
Wist je dit…?
Over lampen gesproken… Gloeilampen moesten nog niet zo lang geleden expliciet uit de rekken verdwijnen wegens slecht voor de ecologische voetafdruk. Blijkt dat de huistemperatuur sinds de opkomst van de spaarlampen met anderhalf graden Celsius is gezakt. Bijstoken kost meer aan het milieu dan een paar oude lampen inschroeven. Men gaat in Duitsland gloeilampen nu opnieuw als “warmtelampen” toelaten. Beter voor de portemonnee?
Wist je dit…?
Over geld gesproken… Geld maakt niet gelukkig, blijkt. Stel, je hebt 1.000.000 EUR op je rekening en je wint er 100.000 bij. Je geluk zal veel kleiner zijn dan de grootte van je frustratie en ontgoocheling bij het verlies van 100.000 EUR, blijkt nu na grondig psychiatrisch onderzoek. Alsof we dat zelf nog niet wisten…
Er is het waar gebeurd verhaal van de miljardair die 2 miljard bijeengeharkt had, maar door pech één miljard verloor, en prompt onder een afstormende en wellicht al noodremmende trein sprong. Wat ons weer bij Westinghouse zou kunnen brengen. En zo kan in deze rubriek alles herbeginnen.
Auteur: Jan Huylebroeck
