Handgeschakelde Versnellingsbak:


Op deze pagina worden de volgende onderdelen beschreven:
-Algemene informatie
-Enkele- en dubbele reductie
-Versnellingsbak in langs- of dwarsrichting
-Tandwielen en versnellingen
-Bediening van de versnellingsbak
-Synchroniseerinrichting
-Versnellingsbak uit elkaar halen
-Constant Mesh
-Slidinig Mesh
-Overbrengingsverhoudingen

 

Algemene informatie:
Het doel van een versnellingsbak is het motortoerental en dus het beschikbare motorkoppel en vermogen aan te passen aan verschillende rijomstandigheden. Dat kan zijn bij het accelereren of decelereren, het vervoeren van een zware last, het op- en afrijden van hellingen en veranderingen in de lucht- en rolweerstand die tijdens het rijden op kunnen treden. Door in deze verschillende omstandigheden naar een meer gunstige versnelling te schakelen, leidt dat in de meeste gevallen tot een gunstigere brandstofverbruik en meer koppel en vermogen.
In een lage versnelling (bijvoorbeeld de tweede) is er meer motorkoppel beschikbaar dan in een hogere versnelling (bijv. de vierde). Dat komt doordat de krukas van de motor bij de tweede versnelling meer omwentelingen maakt en bij het accelereren veel sneller op toeren is dan bij een hogere versnelling. Het is dus verstandiger om tijdens het rijden met een zware last, zoals een caravan, niet in een te hoge versnelling te rijden. Zeker niet in de bergen.


(Afb. assen en tandwielen in een handgeschakelde versnellingsbak)

Tussen de motor en de versnellingsbak zit de koppeling die uitgevoerd is met een koppelingsplaat, een drukgroep en een druklager. Door op het koppelingspedaal de duwen, wordt er via een kabel de drukgroep bediend. Bij een hydraulische koppeling wordt er door middel van twee koppelingscilinders een vloeistof van de ene naar de andere cilinder verplaatst. De werking en de bediening van de koppeling wordt beschreven op de pagina Koppeling.

Hieronder is een blokschema te zien over hoe de aandrijving vanaf de motor tot aan de wielen tot stand komt bij voorwiel- achterwiel- en vierwielaandrijving:




Enkele- en dubbele reductie:
Handmatige versnellingsbakken worden in twee groepen verdeeld, namelijk enkele- en dubbele reductie. Reductie is een ander woord voor overbrenging. Het betekent dus eigenlijk "enkele en dubbele" overbrenging. Hieronder staat afgebeeld wat ermee bedoeld wordt.


Enkele Reductie

A: Ingaande as (prise-as, vanaf de motor)
B: Uitgaande as (hoofdas)



Dubbele Reductie
A:
Tandwiel ingaande as (prise-as, vanaf de motor)
B, C & E: Tandwielen secundaire as
D & F: Tandwielen uitgaande as (hoofdas)


De volgende tekst heeft betrekking tot de bovenstaande afbeelding.
De eerste versnelling is ingeschakeld; de aandrijfkrachten in de eerste versnelling gaan van A naar B en van C en naar D.
Via de ingaande as komt er een kracht op tandwiel A te staan. Dit tandwiel staat in directe verbinding met de tandwielen B, D en E. Omdat de eerste versnelling ingeschakeld staat, heeft de synchroniseerinrichting de uitgaande as aan tandwiel D gekoppeld (zie blauwe pijlen). Vanaf tandwiel B verlaten de aandrijfkrachten via de uitgaande as de versnellingsbak. De uitgaande as drijft het differentieel aan, welke ín de versnellingsbak kan zitten (bij voorwiel aangedreven auto's) of kan het differentieel op een andere plaats zijn gemonteerd, zoals bij een achterwiel aangedreven auto. Later op deze pagina wordt hier meer over uitgelegd.

De volgende tekst heeft betrekking tot de onderstaande afbeelding.
De tweede versnelling wordt ingeschakeld. De synchroniseerinrichting wordt van tandwiel D ontkoppeld en bij tandwiel F gekoppeld (zie de blauwe pijlen). Op dat moment draait tandwiel D wel mee, maar is deze niet aan de uitgaande as gekoppeld. Tandwiel F is dat wel, dus de aandrijfkrachten gaan nu van A naar B en van E naar F.



Omdat de tandwielen C en E andere afmetingen hebben, zijn de overbrengingsverhoudingen veranderd. Dit heeft als gevolg dat het motortoerental na het koppelen is gezakt bij dezelfde voertuigsnelheid.
In deze afbeeldingen zijn slechts twee versnellingen weergeven, maar in werkelijkheid zijn dit er vijf of zes, plus een achteruittandwiel. Er zitten in werkelijkheid dus minstens 7 tandwielen meer in dan in de afbeeldingen te zien zijn.
 

Versnellingsbak in langs- of dwarsrichting:
In de onderstaande afbeelding is een schema van een achterwiel aangedreven auto te zien. Het motorblok is in langsrichting geplaatst (in de lengte) en de versnellingsbak is uitgevoerd met een dubbele reductie. De eindvertraging (het differentieel) is bij de achteras geplaatst en drijft de achterwielen aan. Dit is het type aandrijving waar o.a. BMW veel gebruik van maakt.




In de onderstaande afbeelding is een schema van een voorwiel aangedreven auto te zien. Het motorblok is in dwarsrichting geplaatst (in de breedte) en de versnellingsbak is uitgevoerd met een enkele reductie. De aandrijfkrachten komen bij de ingaande as binnen (de prise-as) en worden via de ingeschakelde tandwielen aan de uitgaande as doorgegeven. Het differentieel zit in het versnellingsbakhuis geïntegreerd. Dit type aandrijving wordt o.a. bij een Volkswagen Golf en een Ford Focus gebruikt (en uiteraard nog bij vele andere merken!)




In de onderstaande afbeelding is een schema van een voorwiel aangedreven auto te zien. Hierbij zijn zowel het motorblok als de versnellingsbak in lengterichting geplaatst. Het motorblok bevindt vóór de vooras en de versnellingsbak áchter de achteras. Het differentieel zit ter hoogte van de aandrijfassen gemonteerd. Dit systeem is o.a. op de oudere type's VW Passat, Skoda Superb en Audi A4 toegepast. De nieuwere modellen beschikken inmiddels over een dwars geplaatst motorblok (dus de situatie hieronder).




Tandwielen en versnellingen:
Met de verschillende groottes van de tandwielen kunnen verschillende overbrengingsverhoudingen tot stand worden gebracht. Deze overbrengingsverhoudingen noemen we versnellingen. Wanneer een groot tandwiel door een klein tandwiel wordt aangedreven, kan het kleine tandwiel bijv. 3 omwentelingen maken, terwijl het grote tandwiel slechts 1 keer rond gaat. De overbrengingsverhouding is dan 1:3. De vertraging en de krachtvergroting zijn dan 3x zo groot. Wanneer het kleine tandwiel 20 tanden heeft, zal het grote tandwiel 60 tanden hebben.

Hieronder zijn de verschillende versnellingen te zien waar in geschakeld kan worden. Je ziet dat bij elke versnelling het rechter tandwiel van de bovenste as (de primaire as) bij de versnellingen 2 en 3 steeds kleiner wordt. Het het tandwiel aan de rechter kant op de secundaire as steeds groter wordt. De overbrengingsverhouding wordt hierdoor steeds vergroot, wat het uiteindelijke doel is voor het overschakelen naar een andere versnelling.
 

1e Versnelling:
De aandrijfkracht komt links bij de pijl binnen op de prise-as. De aandrijfkracht wordt direct doorgegeven naar het tandwiel van de secundaire as eronder. Op het meest rechtse tandwiel op de secundaire as wordt de kracht op het voorlaatste tandwiel van de uitgaande as doorgegeven. De uitgaande as draait langzamer dan de ingaande as. Hierdoor is de grootste vertraging ontstaan. De eerste versnelling heeft de grootste vertraging, zodat er vanuit stilstand met veel koppelvergroting geaccelereerd kan worden.

 

2e Versnelling:
De linkse tandwielen blijven ingeschakeld. De aandrijfkracht gaat via het 3e tandwiel van de secundaire as naar het 3e tandwiel van de uitgaande as. De uitgaande as draait nog steeds langzamer dan de ingaande as, en is er dus nog steeds sprake van een vertraging. De vertraging is nu wel kleiner als bij de eerste versnelling, dus bij hetzelfde motortoerental kan een hogere voertuigsnelheid bereikt worden.



3e Versnelling:
De aandrijfkracht gaat via het 2e tandwiel van de secundaire as en het 2e tandwiel van de uitgaande as. De uitgaande as draait nog steeds langzamer dan de ingaande as. De vertraging is nu weer kleiner als bij de tweede versnelling, dus ook nu kan er bij hetzelfde motortoerental weer een hogere voertuigsnelheid bereikt worden.



4e Versnelling:

Dit word prise-direct genoemd. De aandrijfkracht gaat vanaf de prise-as direct naar de uitgaande as. Het motorkoppel wordt dus 1 op 1 aan de wielen doorgegeven. De versnellingsbak doet 'in feite nu even niet mee'.
Bij een versnellingsbak met 5 versnellingen is de vierde altijd prise-direct. Echter, bij een bak met 6 versnellingen is de vijfde versnelling prise-direct.



5e Versnelling:

De aandrijfkracht gaat via de beide achterste tandwielen naar de uitgaande as. Dit wordt de 'overdrive' genoemd. Dat komt, omdat de versnellingen 1, 2 en 3 vertragingen zijn (de ingaande as draait sneller als de uitgaande as). Bij versnelling 4 draait de ingaande as net zo hard als de uitgaande as (prise-directe). Bij deze 5e versnelling is er dus sprake van een echte versnelling, omdat bij deze versnelling als enige van alle versnellingen de uitgaande as sneller draait dan de ingaande as. Met de overdrive is de auto het zuinigst bij een constante snelheid. Wanneer er geaccelereerd moet worden, dient er vaak wel terug geschakeld te worden naar een lagere versnelling.



Achteruit:
Er wordt bij het selecteren van de achteruit een extra tandwiel tussen de tandwielen van de secundaire en de uitgaande assen gezet. Normaal gesproken, als het onderste tandwiel linksom draait, zal het bovenste tandwiel dat er tegenaan gemonteerd zit rechtsom draaien. Wanneer je naast dat rechtsomdraaiende tandwiel nóg een tandwiel zet, zal deze weer linksom draaien. Dit word in feite ook in de versnellingsbak gedaan. De prise-as drijft gewoon op de normale manier aan, en door het extra tandwiel zal de uitgaande as de andere kan op draaien.


Conclusie:
Hierboven is uitgelegd dat er door het koppelen van tandwielen van verschillende groottes een andere overbrengingsverhouding (dus versnelling) gecreëerd wordt en hoe de aandrijflijn dan loopt. Hieronder wordt uitgelegd hoe het in- en uitschakelen van de versnellingen werkt wanneer de pook bediend wordt.

 

Bediening van de versnellingsbak:
Wanneer de schakelpook in het interieur bewogen wordt, worden de kabels of stangen (afhankelijk aan het type versnellingsbak/mechaniek) bewogen die naar de versnellingsbak toe gaan. In de onderstaande afbeelding is te zien dat de schakelas heen en weer kan bewegen in de roze ruimte. Deze schakelas bedient een schakelvork. De schakelvork drukt met behulp van de schakelring de synchromeshring tegen het tandwiel aan. Wanneer er naar de volgende versnelling geschakeld wordt, wordt doordat de schakelas terug bewogen wordt, de schakelvork in de vrije stand gezet. Door een andere versnelling in te schakelen, wordt de zelfde schakelvork de andere kant op bewogen om de andere versnelling in te schakelen (bijv. van de 3e naar de 4e versnelling) of er wordt een andere schakelvork gebruikt om de 1e of 2e versnelling in te schakelen.

Iedere schakelas kan 2 versnellingen in- of uitschakelen. Wanneer de versnellingspook van 1 naar 2 bewogen wordt, (een rechte beweging naar beneden) zal de zelfde schakelvork van de 1e naar de 2e tandwiel bewogen worden. Wanneer er naar de 3e versnelling geschakeld wordt, wordt de pook iets naar rechts bewogen (dan wordt de andere schakelas door de verdraaiing geactiveerd) en naar voren bewogen (in de bovenstaande afbeelding naar rechtsboven). Wanneer er naar de 4e versnelling geschakeld wordt, wordt de pook van voor naar achteren bewogen en zal dezelfde schakelas naar onderen bewegen.

In de onderstaande afbeelding zijn de schakelassen duidelijker weergeven.

Hieronder is een afbeelding van het schakelmechanisme weergeven. Dit kabelbediende mechanisme wordt toegepast bij een auto met een dwars geplaatst motorblok. Doordat de hendels 1 en 2 bewogen worden door de bewegingen van de kabels, worden de schakelassen inwendig in de versnellingsbak bewogen.



Synchroniseerinrichting:
Wanneer er geen synchroniseerinrichting wordt gebruikt, zullen de tandwielen door het verschil in toerental niet, of krakend in elkaar grijpen. Om het koppelen van de tandwielen soepel te laten verlopen, worden er synchromeshringen gebruikt. De synchromeshringen zorgen ervoor dat de toerentallen van de as en het tandwiel gelijk aan elkaar zijn bij het inschakelen. Alle versnellingen (1 t/m 5 of 6) zijn gesynchroniseerd, vaak behalve het achteruittandwiel. Dat merk je ook wel, doordat het tandwiel nog wel eens wil kraken bij het inschakelen van de achteruitversnelling. Soms worden de achteruittandwielen wel gesynchroniseerd.


De tandwielen van de versnellingen die niet zijn ingeschakeld, draaien vrij om de uitgaande as. Het inschakelen van een versnelling betekent dus het koppelen van een vrij draaiend tandwiel aan de uitgaande as. Wanneer er een versnelling ingeschakeld wordt, moet het toerental van de uitgaande as overeenkomen met het toerental van het in te schakelen tandwiel. De synchromeshring zit d.m.v. spiebanen aan de uitgaande as verbonden en draait dus ook het zelfde toerental als deze uitgaande as. Het tandwiel dat ingeschakeld moet worden heeft een ander toerental dan de uitgaande as, dus ook een ander toerental dan de synchromesh. Doordat de schakelvork beweegt, neemt deze de synchromesh mee en zal het conische gedeelte van de synchromeshring tegen het inwendige conische vlak van het tandwiel gedrukt worden. De conische gedeeltes van beide delen worden tegen elkaar gedrukt, waardoor de wrijving tussen de conische vlakken gelijk gemaakt wordt. Wanneer er geen snelheidsverschil meer is tussen beide tandwielen, kan de schakelmof worden doorgedrukt, zodat de tanden in elkaar glijden en daardoor de versnelling zonder kraken ingeschakeld is. De synchroniseerinrichting werkt niet alleen bij het inschakelen van de versnellingen, maar ook bij het overschakelen en terugschakelen.

Het is erg slecht voor de synchromeshringen om heel snel te schakelen, dus om de pook heel hard in een versnelling te drukken. De synchromesh krijgt dan niet de tijd om te synchroniseren. Het is daarom het beste om bij het schakelen de pook zachtjes tegen de weerstand in te drukken en pas door te drukken als deze bijna vanzelf in zijn versnelling schiet.

Een synchromeshring is een slijtageonderdeel. Tijdens het schakelen vindt er wrijving plaats, dus zal het onderdeel na verloop van tijd slijten. Bij normaal gebruik kan de synchromeshring een autoleven meegaan, maar bij ondeskundig gebruik of sportief schakelen zullen de synchromeshringen voortijdig versleten zijn. De afstand (3) tussen de synchromeshring en het tandwiel in de onderstaande afbeelding zal daarbij kleiner worden. Dat komt doordat de synchromeshring slijt op het raakvlak waar deze het tandwiel raakt. Dit gedeelte is met afstand 1 aangegeven.



Wanneer de versnellingsbak uit elkaar gehaald is, kunnen de synchromeshringen op slijtage gecontroleerd worden. Met een voelermaatje kan de afstand tussen de synchromeshring en het tandwiel gemeten worden. Hierbij dient de versnelling niet ingeschakeld te zijn.
Wanneer de synchromeshring slijt, wordt de afstand tussen de synchromeshring en het tandwiel kleiner.



De fabrikant van de auto of versnellingsbak beschrijft in de werkplaatsdocumentatie wat de slijtagegrens van de synchromeshring is. Als de gemeten waarde kleiner is dan de maximale slijtagewaarde in de werkplaatsdocumentatie, dient deze vervangen te worden.


Versnellingsbak uit elkaar halen:
In deze paragraaf wordt beschreven hoe een versnellingsbak uit elkaar gehaald kan worden. Hierbij kan een goed beeld geschetst worden hoe de binnenzijde van de versnellingsbak er in werkelijkheid uit ziet en hoe de onderdelen in de versnellingsbak vervangen kunnen worden.



Bij de afgebeelde versnellingsbak kunnen aan de achterzijde een aantal bouten gedemonteerd worden. Vervolgens kan de achterzijde er van af geschoven worden.



Het binnenwerk met de assen en tandwielen zit aan de achterkant vast. Het complete binnenwerk komt bij het demonteren mee het versnellingsbakhuis uit.



Aan de binnenzijde (aan de rechter kant van het gat waar in gemonteerde toestand de prise-as doorheen zit) is het lager van de secundaire as te zien. Aan de linker kant van het gat van de prise-as zijn vijf gaten te zien. In deze vijf gaten zitten de vier uiteinden balladeurassen en de schakelas gemonteerd.



In de onderstaande afbeelding zijn de prise-as, de tandwielen en de balladeurassen met de schakelvorken te zien. Bij het schakelen draaien en bewegen de balladeurassen, zodat de schakelassen de synchromeshringen van de tandwielen bedienen.



Nadat de geklemde pinnetjes of schroefjes gedemonteerd zijn waarmee de de schakelvorken op de balladeurassen verbonden zijn, kunnen de balladeurassen eruit geschoven worden. Daarmee komen de schakelvorken los te liggen. De schakelvorken kunnen van de assen afgeschoven worden.



In de onderstaande afbeelding is zichtbaar hoe de tandwielen eruit zien. Wanneer er tandwielen of synchromeshringen vervangen moeten worden, dienen de assen uit de andere kant van het versnellingsbakhuis verwijderd te worden. De tandwielen en de synchroniseerinrichting moeten van de assen geperst worden. De nieuwe onderdelen moeten vervolgens weer op de as geperst worden.



Om te controleren of de synchromeshringen nog in orde zijn, dient de afstand tussen het tandwiel en de synchromeshring gemeten te worden. Wanneer de afstand groter is dan de maximale waarde die de fabrikant opgeeft, is de synchromeshring versleten. De synchromeshring zal vervangen moeten worden. Hoe de meting verricht moet worden, wordt onder de paragraaf "synchroniseerinrichting" op deze pagina beschreven.


Constant Mesh:
Bij een Constant Mesh versnellingsbak zijn de tandwielen 'constant' in elkaar gegrepen. De tandwielen zijn op de uitgaande as bevestigd en worden met elkaar verbonden met behulp van schakelmoffen en klauwkoppelingen. In de uitleg hierboven is steeds de Constant Mesh versnellingsbak behandeld.
In de onderstaande afbeelding verschuift de rechter schakelmof naar rechts om de eerste versnelling in te schakelen en naar links om de tweede versnelling in te schakelen.





Sliding Mesh:
Dit zijn Engelse woorden voor 'schuiven' en 'in elkaar grijpen'. Bij dit type overbrenging worden tandwielen verschoven om een bepaalde versnelling in te schakelen. Dit wordt tegenwoordig nog gebruikt bij achteruitversnellingen, maar eigenlijk nooit meer bij moderne versnellingsbakken, dus we gaan er ook niet te ver op in. De tanden zijn recht met aan de uiteinden een schuine kant. Met dit type versnellingsbak zul je altijd gekraak horen bij het schakelen omdat deze natuurlijk niet gesynchroniseerd is.


 


Overbrengingsverhoudingen:
De overbrengingsverhoudingen in de versnellingsbak moeten nauwkeurig berekend en geconstrueerd worden. In de afbeelding hieronder is de voertuigsnelheid op de X-as te zien en de kracht op de wielen op de Y-as. Er is te zien dat de 1e versnelling veel kracht aan de wielen heeft, maar ophoudt bij een lage voertuigsnelheid. Elke versnelling daarna heeft minder kracht aan de wielen en een hoger snelheidsbereik.
Klik hier om naar de pagina Overbrengingsverhoudingen te gaan, waar via de meetkundige reeks en de gecorrigeerde meetkundige reeks (de reeks van Jante) met de K-factor alle overbrengingsverhoudingen worden berekend. Per overbrenging kan vervolgens ook de maximale voertuigsnelheid berekend worden.