DE AANDRIJVING EN VERSNELLINGEN

  In den beginne had de fiets een enkele vaste aandrijving. Hier was het rendement van de aandrijving heel hoog, omdat de trapas direct met de naaf verbonden was; maar ook toen was er wel eens tegenwind of een heuvel. Het eerste versnellingssysteem op de fiets, de Crypto-as, dateert dan ook al van rond 1878; het tijdperk van de Hoge Bi. De Crypto was dus een naafversnelling: een planetair stelsel. Zodra we versnellingen in gaan bouwen, krijgen we te maken met extra verliezen door 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. Dit is 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 (40-28) de 97%; daarvan houden we bij het zware verzet 50-11 nog maar 91% 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 (zie FIG.1 bij A) zijn dit vermogenvreters (een tot drie procent). In het slappe part B zal het ongeveer de helft zijn.

  Elke aandrijving heeft dus verliezen. Bij een gemiddelde derailleur moeten we op ongeveer 5% rekenen; bij versnellingsnaven ligt dat percentage 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.

      FIG.2a Cyclo Ace1938                                                      FIG.2b  Dit is mijn Super Champion Modele Professionnel                     FIG.2c Vittoria Margherita              

   In FIG.2a en 2b zien we ontwerpen uit de jaren dertig. Tot na de tweede wereldoorlog is dit het gangbare type 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.

  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 was niet bedoeld voor coureurs, maar meer voor toeristen en tandemrijders. Coureurs reden in die tijd gewoonlijk met drie tandwieltjes achter; voor een echte man was dat toen blijkbaar genoeg.

 FIG.3  Deze Super Champion derailleurset uit 1937 oogt verrassend modern: driebak achter, twee voor.                                           FIG.4 Simplex 1936         

  In 1946 komt de internationale doorbraak voor Campagnolo door successen in wedstrijden met kampioenen als Bartali en Coppi.  Bij de Campagnolo Cambio Corsa ( zie FIG.5a) werd de achterderailleur bediend met twee stangetjes. Het schakelen (4-bak) vergde nogal wat behendigheid van de coureur; de naaf werd even losgekoppeld; de as had een vertanding en schoof over de achterpat (ook met een vertanding)  (zie FIG.5b ); dit nam het verschil in kettinglengte op (er was dus geen kettingspanner! ); N. B.: tijdens het schakelen moest de rijder achteruit trappen! Zie: Aldo Ross shifting a Cambio Corsa.AVI

                                                                                                            
 FIG.5a Campagnolo: Cambio Corsa               FIG.5b Campagnolo achterpat + voorderailleur                                        FIG. 6 Campagnolo Gran Sport 1953       

  De oude voorderailleurs van Simplex en Campagnolo werden via een hendel er bovenop bediend (zie FIG.5b ); dit betekende dat de coureur diep moest bukken en dat was nog al eens aanleiding voor valpartijen. Campagnolo experimenteerde vanaf 1949 met een derailleur met vervormbaar parallellogram. In 1953 komt de definitieve versie op de markt. De Campagnolo Gran Sport is de meest geïmiteerde derailleur ooit (FIG. 6).

  In 1964 komt er een nieuwe verbetering van de fabrikant Suntour; deze plaatst het parallellogram onder een hoek (“slant parallellogram”); zie de rechter afbeelding in FIG.7. 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 zie: alle fabrikanten, Shimano, Campagnolo, Sachs etc. komen ineens met hele nieuwe series, allemaal volgens dit principe.

  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. Hier 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 had voornamelijk aanhang 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.

 FIG. 7. Shimano 600 SIS met slant parallellogram.                                                                                          

  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 deze derailleur. De kwaliteit was geweldig, zowel van de lageringen in het parallellogram, als van de wieltjes. 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 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 Suntour wel andere framenokken solderen; dat was toch net een stap te ver.

  Er zijn ook prototypes geweest, waar de tandwielen over de achteras schoven, en de derailleur niet meer was als 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 ( =epiclyclisch 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.

                    FIG.8a                                                                         FIG.8b                                                          FIG.9

  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 schakelmogelijkheden 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.                      

Bij aandrijving via de planeetwieldrager geldt:   het versnellingsgetal = ( tanden ringwiel + tanden zonnewiel) : tanden ringwiel    ( >1 )
Bij aandrijving  via het ringwiel geldt:                   het versnellingsgetal = 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 deze 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 dan 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 "close ratio" bak is een samengesteld planetair stelsel (bijvoorbeeld getrapte planeet-wielen en een extra ringwiel) en daarmee wat extra verliezen.

  FIG.10 Sturmey-Archer type AR                  FIG.11 F&S- 4bak 1912

  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, merkbaar beter zijn dan in de derde.

 FIG.12 Sturmey-Archer as       

 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).

  FIG.13a Rohloff as               FIG.13b

 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.

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

  FIG.14a                                                               FIG.14b                                                               FIG.14c

 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 de 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.

  FIG.14d                                                                FIG.14e                                                                FIG.14f

 FIG.15a+b  De schakeling van een SRAM Spectro P5       

 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%.

 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.