De oorsprong van de Variomatic
In 1897 patenteerde de Amerikaan H.C. Spaulding een traploos variabele aandrijving bestaande uit een riem en twee conische riemschijven, bedoeld voor het voortbewegen van een auto.
Door middel van een door de berijder bediend hefboomstelsel werd een vlakke riem van een grotere naar een kleinere diameter op de beide poelies gedwongen en omgekeerd om zodoende als snelheidsvariatie te functioneren.
Voor zover bekend is dit systeem nooit in produktie genomen. Een vinding van de Fransman Fouillaron, die gebruik maakte van twee poelieparen, werd wel toegepast. Elk poeliepaar bestond uit twee conisch gespaakte schijven, waarvan de spaken als gespreide vingers van ineengevouwen handen in elkaar grepen. Door nu de schijven d.m.v. een hefboom uit elkaar of naar elkaar toe te bewegen, ontstond een V-vormige groef waarvan de diameter kleiner of groter werd. In deze groef werd een trapeziumvormige riem aangebracht, die bestond uit dikke schijfjes leer die als kralen aan een metalen snoer waren geregen. Ze bleken een goede levensduur te hebben, wat de reden was om de Fouillaron-aandrijving in 1900 in serieproduktie te nemen en in tientallen auto's in te bouwen.
De toenmalige materialen en produktietechnieken, maar ook het feit dat het mechanisme met de hand moest worden bediend, maakten dat deze vorm van snelheidsregeling in ongebruik raakte. Althans voor auto's, want dit systeem werd door Lang en Flender voor de aandrijving en de snelheidsregeling van de hoofdspil van hun draaibanken lange tijd toegepast.
Naast de veel toegepaste conventionele, handgeschakelde versnellingsbakken werd eerst in 1925 een serieuze poging gedaan om het schakelen te automatiseren, en wel door middel van een hydraulische koppeling en een hydraulisch geschakelde versnellingsbak. Hoewel dit type transmissie goed bleek te voldoen, heb je bij een hydraulisch geschakelde versnellingsbak nog steeds te maken met een "getrapt" systeem.
Er staat dus, net als bij de handgeschakelde versnellingsbak, slechts een beperkt aantal vaste overbrengingsverhoudingen ter beschikking. DAF oprichter Hub H.J. van Doorne haalde de vinding van de heer Spaulding terug uit de vergetelheid in de overtuiging dat een continu variabele transmissie ten opzichte van de conventionele handgeschakelde of de automatisch schakelende transmissies een principieel betere oplossing was.
Uitgaande van het idee van Spaulding werd een volledig automatisch transmissiesysteem ontwikkeld, dat onder de naam Variomatic in 1958 werd geïntroduceerd op de Daf 600 personenwagen. In de daarop volgende jaren is gebleken dat deze Variomatic, zoals die later nog door Volvo onder de naam CVT werd geproduceerd en toegepast, de ideale wijze is om zowel in stadsverkeer als op de autosnelweg een auto voort te bewegen.
Basistheorie Variomatic
Elke aandrijving heeft tot taak het door de motor geleverde vermogen aan te passen aan de rijomstandigheden en op zo'n manier op de aandrijfwielen over te brengen dat de auto zijn maximale vermogen bij verschillende snelheden kan ontwikkelen, met als beide uitersten een maximale trekkracht of een maximale snelheid. Figuur 1 geeft aan hoe met behulp van vaste reducties dit doel bereikt wordt. Tijdens het versnellen dien je er voor te zorgen, dat door het kiezen van de juiste overbrengingsverhouding (de "versnelling") het toerental van de motor tussen de hierboven genoemde waarden blijft (zie figuur 2).
De Variomatic heeft een volledig andere schakelkarakteristiek (figuur 3). Dit houdt in, dat iedere overbrengingsverhouding tussen een bovenste en een onderste grens automatisch wordt ingesteld in relatie tot gekozen motorvermogen en optredende rijweerstand. Voor een beter begrip van deze eigenschap maken we onderscheid tussen twee verschillende manieren van rijden:
1: van stilstand uit met volgas wegrijden; je probeert daarbij zo snel mogelijk de topsnelheid te bereiken. Daarbij is een zo groot mogelijke versnelling vereist (ofwel aandrijfkracht aan de wielen), bij een maximaal motorvermogen. Aan deze eis komt de Variomatic in hoge mate tegemoet. Het eerste deel van de curve wordt bij volgas wegrijden op dezelfde wijze doorlopen als bij een handgeschakelde aandrijving. De automatische koppeling komt in aangrijping en snelheid en toerental nemen toe volgens de grootste overbrengingsverhouding (imax-lijn). Op het moment, dat het maximale vermogen bijna is bereikt, blijft het motortoerental ongeveer constant en wordt automatisch elke overbrengingsverhouding ingeschakeld, totdat de kleinste overbrengingsverhouding (imin-lijn) is bereikt (figuur 3, lijn A).
2: het rijden met constante snelheid, waarbij van de motor geen maximum vermogen wordt vereist, maar alleen dat wat nodig is om onder de aanwezige rijomstandigheden met gelijk blijvende snelheid te blijven rijden (deellast). De motor moet zo zuinig mogelijk zijn, geen lawaai maken en zo schoon mogelijke uitlaatgassen produceren. Aan deze eisen kan zo goed mogelijk worden voldaan als het motortoerental laag blijft. De punten verkregen door met deellast (bepaalde stand van het gaspedaal) te rijden, liggen daarom op de getekende curve, de zgn. deellast kromme (figuur 3, lijn B). Alle reductie instellingen binnen de hiervoor geschetste uitersten zijn mogelijk (deellast gebied). Samenvattend mag worden gesteld, dat dankzij de Variomatic een ideale aanpassing wordt verkregen tussen het beschikbare vermogen aan de ene kant en het gevraagde vermogen aan de andere kant, terwijl daarenboven de aanpassing geheel automatisch gaat. Een automatische koppeling in samenwerking met een schokabsorberende aandrijfas zorgen zo voor een soepele transmissie van de aandrijfkrachten.
Principe van de Variomatic
Het vermogen van de motor (1) wordt via een automatische koppeling (2) en een primaire aandrijfas (3) naar de eerste of primaire kast van de Variomatic overgebracht (zie figuur 4).
Dit primaire deel bestaat uit een verdeelkast, waarin een schakelmechanisme zit. Op de uitgaande as van de primaire kast vind je 2 paar schijven (4), die samen met 2 paar schijven op de tweede of secundaire kast (6) en met de daartussen aangebrachte V-vormige riemen (5) het essentiële deel van de Variomatic vormen en samen voor een continu variabele overbrengingsverhouding zorgen.
De linker en de rechter schijfparen van de primaire kast bestaan elk uit een vaste en een beweegbare schijf; de buitenste schijf kan verschuiven op de as waarop deze is bevestigd. Hierdoor kan er een variatie optreden in de riemloopdiameter; de schijven van elkaar af voor een kleine omloopdiameter van de riem, en de schijven naar elkaar toe voor een grote omloopdiameter van de riem. De schijvenparen van de secundaire kast zijn elk ook voorzien van een vaste en een beweegbare schijf. Bij de primaire kast is de buitenste schijf de bewegende, terwijl bij de secundaire kast de binnenste schijf de beweegbare is.
Dit is van belang om te zorgen dat, bij het veranderen van de riemloopdiameter, de riem altijd recht tussen de schijven blijft lopen.
De hartafstand tussen primaire en secundaire schijven is zodanig gekozen dat er afhankelijk van de omstandigheden, twee uiterste standen zijn: primair op de kleinste diameter, waarbij de riemen secundair op de grootste diameter lopen, of andersom, met tussen deze beide uitersten een oneindig aantal tussenstanden, die dus even zo veel overbrengingsverhoudingen tot stand brengen tussen het primaire en het secundaire deel van de Variomatic.
De totale overbrengingsverhouding tussen motor en achterwielen bedraagt afhankelijk van het type DAF of Volvo minimaal 3,60:1 en maximaal 28,83:1.
Tussen deze grenzen is dankzij het idee, dat aan de Variomatic ten grondslag ligt, elke overbrengingsverhouding mogelijk, waarbij voor elke bedrijfsomstandigheid de daarbij gunstigste overbrengingsverhouding automatisch wordt gekozen.
Factoren die de reductieinstelling beïnvloeden
Centrifugaalkracht
In figuur 5a is de positie van de schijven en de riem aangegeven in de grootste overbrengingsverhouding. Dit is de stand waarbij vanuit stilstand moet worden weggereden. Wanneer de schijven primair naar elkaar toe bewogen worden, wordt de riem op een grote diameter gedwongen (figuur 5b). Doordat de lengte van de riem een vaste maat heeft, wordt de riem bij de secundaire schijven naar binnen getrokken. De primaire schijven drijven dus d.m.v. de riemen de secundaire schijven aan, waarbij geen slip mag optreden. Daartoe moet de riem krachtig tussen de schijven worden geknepen. Aan de secundaire kant wordt deze knijpkracht geleverd door een spiraalveer en een set schotelveren; aan de primaire kant door enkele regelorganen, waarvan de centrifugaal- en vacuumkrachten de voornaamste zijn. Tijdens het opschakelen zal deknijpkracht aan de primaire schijven dus groter moeten zijn dan de knijpkracht aan de secundaire schijven, terwijl omgekeerd bij het terugschakelen de knijpkracht aan de secundaire schijven de grootste dient te zijn.
In de trommelvormige beweegbare schijven van de primaire kast bevinden zich onder andere 2 paar centrifugaalgewichten (figuur 6). Deze centrifugaalgewichten zijn scharnierend bevestigd aan het meenemerhuis, die op zijn beurt weer bevestigd is op de verdeelas.
Bij het toenemen van het (motor) toerental zwaaien de centrifugaalgewichten om hun scharnierpunten naar buiten. De daarbij optredende centrifugaalkrachten worden omgezet in een axiale kracht op de beweegbare schijf. Wanneer deze primaire knijpkracht de secundaire knijpkracht overwint, wordt de beweegbare schijf in de richting van de vaste schijf bewogen en wordt daarmee de riem in de primaire schijven op een grotere riemloopdiameter gedwongen.
Doordat de riemlengte niet verandert, wordt de riem in de secundaire schijven op een kleinere diameter gedwongen, wat een verandering van de overbrengingsverhouding betekent: de Variomatic schakelt op.
Blijft de knijpkracht in de primaire schijven groter dan de knijpkracht in de secundaire schijven dan zal de Variomatic steeds verder opschakelen tot de kleinst mogelijke overbrengingsverhouding bereikt is (figuur 7).
Op het moment dat tussen de krachten in de primaire en secundaire schijven een evenwichtsituatie ontstaat, zal de Variomatic niet verder schakelen en zal de dan bereikte overbrengingsverhouding behouden blijven (figuur 8).
Bij het afnemen van het motortoerental (tot nagenoeg stilstand van de auto) wordt de evenwichtsituatie verstoord. Door de nu grotere knijpkracht aan de secundaire schijven gaan deze naar elkaar toe en worden de primaire schijven uit elkaar getrokken (figuur 9).
De Variomatic schakelt terug totdat om en nabij stilstand de maximale overbrengingsverhouding bereikt is. Want wanneer de auto stilstaat moeten de primaire schijven "geopend" zijn zodat de auto (weer) vlot kan wegrijden.
Riemtrekkracht
Er is nog een tweede, zeer belangrijke factor die de reductie-instelling beïnvloedt, namelijk de riemtrekkracht die afhankelijk is van:
- de rijweerstand
- het motorkoppel
- de overbrengingsverhouding van de Variomatic
Over de rijweerstand valt het volgende te vertellen: zolang de auto met een constante snelheid over een vlakke weg rijdt, zal de trekkracht in de riemen zich beperken tot het "leveren" van de vereiste stuwkracht aan de achterwielen, die nodig is om de auto met de, onder die omstandigheden gekozen snelheid, rijdende te houden.
Maar wanneer de rijweerstand toeneemt, bijvoorbeeld bij het oprijden van een helling, bij het veranderen van de wegdekcondities of bij het opsteken van een tegenwind zal, om de gekozen snelheid te kunnen handhaven, een grotere stuwkracht aan de achterwielen en daarmee dus een grotere trekkracht in de riemen nodig zijn.
Als voorbeeld is de trekkracht in één riem schematisch weergegeven in figuur 10.
Er van uitgaande dat de primaire schijven de riem aandrijven en dat de riem de secundaire schijven aandrijft, zal deze riemtrekkracht de riem tussen de primaire schijven op een kleinere diameter trekken, terwijl de riem tussen de secundaire schijven dan op een grotere diameter zal gaan lopen (zie figuur 11).
De trekkracht in de riemen is dus zelden constant en is behalve van de hiervoor geschetste omstandigheden ook nog afhankelijk van accelereren of decelereren. Voorts wordt de trekkracht in de riemen beïnvloed door de luchtweerstand (imperiaal op dak), het trekken van een aanhanger en de belading van de auto. De situaties waaronder zich het krachtenspel tussen de riemtrekkrachten en de centrifugaal kracht afspeelt, kunnen aan de hand van de volgende voorbeelden nader worden toegelicht:
- Bij een constante rijsnelheid is een bepaalde reductie-instelling bereikt, waarbij de invloed van de centrifugaalkracht van de gewichten en de trekkracht in de riemen in evenwicht zijn.
- Bij een toenemende rijweerstand, maar bij gelijkblijvend motorvermogen, neemt de snelheid van de auto af en de trekkracht in de riemen toe. Het evenwicht tussen centrifugaal- en trekkracht is hierdoor verbroken, met als gevolg dat de riemen in de primaire schijven naar een kleinere riemloopdiameter gaan; de Variomatic schakelt terug.
- Om bij een groter wordende rijweerstand de bereikte snelheid toch te behouden, moet de motor tengevolge van dat "terugschakelen" meer toeren gaan maken. Het enige dat de bestuurder dus heeft te doen, is het gaspedaal wat verder in te trappen, zodat de snelheid van de auto gehandhaafd blijft.
- Bij de overgang van het beklimmen van een helling naar een vlak weggedeelte geschiedt het omgekeerde als onder b. werd beschreven; de snelheid neemt toe, de trekkracht in de riemen neemt af en de Variomatic "schakelt op". Om nu de gekozen snelheid te handhaven, moet men het gaspedaal zover laten opkomen totdat het motortoerental zich heeft aangepast aan de gewijzigde reductie-instelling.
- Wil men de snelheid plotseling verhogen, dan kan worden volstaan met het gaspedaal gehéél in te trappen. Daardoor neemt het motortoerental en de trekkracht in de riemen toe, wat resulteert in een grotere stuwkracht aan de achterwielen. Zoals wij reeds eerder uiteenzetten, schakelt de Variomatic onder deze omstandigheden sterk terug, waardoor fel accelereren mogelijk is. Wij noemen dit verschijnsel het "kick-down" effect. Wanneer men het gaspedaal hierna weer zover laat opkomen, dat de door het accelereren verhoogde snelheid constant blijft, dan geschiedt het omgekeerde: motorvermogen, riemtrek en stuwkracht nemen af, waardoor automatisch wordt opgeschakeld naar een kleinere overbrengingsverhouding. Wij noemen dit het "overdrive" effect.
Het is juist deze continu veranderlijke kracht, welke zo'n belangrijke rol speelt bij het instellen van een bepaalde overbrengingsverhouding. Op deze manier wordt geheel automatisch een overbrengingsverhouding verkregen, die zich continu aanpast aan de steeds wijzigende rijomstandigheden.
Onderdruk
Een derde factor die de reductie-instelling van de Variomatic beïnvloedt, is de onderdruk die in het inlaatspruitstuk van een lopende motor heerst. Hierbij zijn de beweegbare schijven van het primaire deel van de Variomatic beide in twee helften verdeeld door middel van een op de verdeelas bevestigde membraan (figuur 12). De twee helften worden met de naam "kamers" aangeduid; we spreken daarbij van een buiten- en een binnenkamer.
Uitgangspunt is, dat de druk in de beide kamers atmosferisch is. Door nu op het juiste moment onderdruk in één van deze kamers te creëren, verkrijg je een onderdruk ondersteuning om de eerder genoemde "kick-down" en "overdrive"-effecten te versterken. Door in de buitenkamer een onderdruk te creëren (figuur 13a), zal de beweegbare schijf naar de vaste schijf toe willen bewegen. De riem wordt daardoor gedwongen om op een grotere riemloop-diameter te gaan lopen; de Variomatic schakelt dus op. Omgekeerd zal door het creëren van een onderdruk in de binnenkamer de beweegbare schijf naar buiten worden gedrukt (figuur 13b), dus van de vaste schijf af, waardoor de riem op een kleinere diameter gaat lopen en de Variomatic (versneld) terugschakelt.
Concluderend zijn er drie factoren aanwezig, die de Variomatic doen schakelen:
- De centrifugaalkracht (afhankelijk van het motortoerental)
- De riemtrekkracht (welke voornamelijk wordt beïnvloed door de voertuigweerstand)
- De onderdruk, die het schakelen van de Variomatic ondersteunt.
Bedrijfsomstandigheden Variomatic
In de praktijk zullen de hiervoor genoemde drie factoren nooit alleen optreden. Hieronder zullen we de invloeden die deze factoren op elkaar uitoefenen verder bespreken.
1. Accelereren
Wanneer vanuit stilstand met volgas wordt weggereden tot, bijvoorbeeld, 80 km/u, gebeurt het volgende (figuur 14): door het opvoeren van het motortoerental zwaaien de centrifugaalgewichten in de schijven van het primaire deel van de Variomatic naar buiten, waardoor de beweegbare schijf naar de vaste schijf wordt gedrukt. De te overwinnen voertuigweerstand is echter groot; de gehele massa van de auto moet namelijk vanuit stilstand in beweging worden gebracht, zodat de trekkracht in de riemen groot zal zijn. Omdat de invloed van deze trekkracht tegengesteld is aan die van de centrifugaalkracht, zal de transmissie dan ook in een wat teruggeschakelde positie worden gehouden. Ondanks het feit, dat de buitenkamers van de primaire variomatic in deze positie in verbinding staan met het inlaatspruitstuk, zal geen merkbare onderdrukondersteuning plaatsvinden, doordat bij deze stand van de gasklep (accelereren) nagenoeg geen onderdruk in het inlaatspruitstuk heerst.
2. Overdrive positie
Wanneer nu de auto een snelheid van 80 km/u heeft bereikt, wil je deze snelheid handhaven. Dan laat je het gaspedaal iets opkomen en omdat de snelheid, en daarmee het vermogen dan niet verder wordt opgevoerd, zal de riemtrekkracht afnemen. De centrifugaalgewichten krijgen nu de gelegenheid verder naar buiten te zwaaien: de Variomatic schakelt op (figuur 15).
Om dit effect te versterken, wordt nu tegelijkertijd onderdruk gecreëerd in de buitenkamer van de beweegbare schijf, waardoor het opschakelen van de Variomatic in belangrijke mate wordt ondersteund. We noemen dit de overdrive positie.
3. Kick-down positie
Wanneer je vervolgens de snelheid verder verhoogt van 80 naar 110 km/u gebeurt het volgende (figuur 16): om de massa van de auto weer te versnellen is een grotere riemtrekkracht nodig. Daarom wordt het gaspedaal geheel ingedrukt. Door de nu groter wordende trekkracht in de riem zal de Variomatic iets terugschakelen. Om dit effect te versterken wordt de onderdruk ondersteuning van de buitenkamer uitgeschakeld en wordt tevens door het volledig intrappen van het gaspedaal de buitenkamer in open verbinding met de buitenlucht gebracht. De buitenkamer wordt "belucht". We noemen dit het kick-down effect. Wordt bij 110 km/u weer iets gas teruggenomen, waardoor de trekkracht in de riemen vermindert en waarbij tevens weer een onderdruk in de buitenkamer wordt gecreëerd, dan zal de Variomatic weer opschakelen naar de overdrive positie.
4. Remmen met de voetrem
Indien sterk wordt afgeremd van 110 km/u tot stilstand, hebben de centrifugaalgewichten en de riemen (figuur 17), die een bepaalde traagheid bezitten, enige tijd nodig om in de stilstandspositie terug te keren. De riemtrek, zoals eerder besproken bij het accelereren, werkt nu omgekeerd: de secundaire schijven (achterwielen) drijven nu de primaire schijven aan. Dit heeft tot gevolg dat door de riemtrek de riem in de primaire schijven op een grotere en in de secundaire schijven op een kleinere diameter wil gaan lopen. De beide hierboven genoemde redenen zullen de Variomatic zeker niet versneld doen terugschakelen. Om nu te voorkomen dat de Variomatic nog in enigszins opgeschakelde positie staat als de auto tot stilstand komt, wordt tijdens het remmen een onderdruk in de binnenkamer gecreëerd. Door deze onderdruk wordt een axiale kracht opgewekt, die de beweegbare schijf van de vaste schijf afdrukt (figuur 17).
De afstand tussen de primaire schijven wordt groter en de knijpkracht in de secundaire schijven zal de riem dieper tussen beide primaire schijven trekken, waardoor de Variomatic sneller in de volledig teruggeschakelde positie komt. Dit snelle terugschakelen veroorzaakt tevens een oplopen van het motortoerental, waardoor sterk op de motor wordt afgeremd.
5. Remmen op de motor
Zowel bij het oprijden van een berg als bij het afdalen is een zo groot mogelijke overbrengingsverhouding gewenst. Bij het oprijden van de berg is de riemtrekkracht zo groot, dat de Variomatic in teruggeschakelde positie zal worden gehouden. Maar bij het afdalen is dit niet het geval; bij geheel teruggenomen gaspedaal en de berg afrijdend zullen de achterwielen (secundaire schijven) namelijk de primaire schijven aandrijven en de Variomatic zal net als bij de positie "remmen" de neiging hebben om op te schakelen. Door nu in de binnenkamer een onderdruk te creëren wordt in de beweegbare schijf een axialekracht opgewekt, die de invloed van de centrifugaalkracht tegenwerkt en de beweegbare schijf van de vaste schijf af drukt (figuur 18). De riem gaat hierdoor "primair" op een kleinere diameter lopen en wordt dan op de kleinst mogelijke diameter gehouden. Het motortoerental blijft dus hoog en er kan sterk op de motor worden afgeremd.
Conclusie
Drie krachten, de centrifugaalkracht, de riemtrekkracht en de kracht ten gunste van de onderdruk, zorgen voor de reductie-instelling. Door een simpele beweging van het gaspedaal worden deze krachten geregeld en gestuurd en dat maakt van de Variomatic een volautomatische transmissie, die ervoor zorgt dat onder alle rijomstandigheden de juiste stuwkracht aan de achterwielen beschikbaar is.