Transmissie-systemen

Van krachtbron naar werktuig(en)

Mechanische krachtbronnen, zeg maar motoren, blijken een hoger rendement te halen naarmate ze groter worden gebouwd. Bovendien zijn grote motoren per eenheid geleverde arbeid goedkoper te bouwen dan kleine. Eén grote motor is goedkoper (minder duur) dan drie kleintjes, die samen precies even veel arbeid verrichten.

Concentratie van energieopwekking was dus verstandig. We zien die tendens al sterk in achttiende eeuwse spinfabrieken, waar katoenen en wollen garens machinaal werden geproduceerd in grote ruimten, waar tientallen selfactors stonden opgesteld, aangedreven door één reusachtig waterrad. We zien dezelfde tendens in de stoommachinebouw. Bij groeiende behoefte aan drijfkracht kwamen er niet méér stoommachines te staan in een werkplaats, maar één grotere.

Om de drijfkracht van een grote motor nuttig te gebruiken, om de geleverde arbeid over te dragen aan één of aan een heel stel aangedreven werktuigen, hebben we een transmissie nodig. Daarvoor zijn in de loop der tijd diverse systemen in gebruik geweest. Ik deel ze in naar de werkwijze:

Overdracht direct (mechanisch) van één motor naar één werktuig, directe overbrenging 1:1
Overdracht direct (mechanisch) als a. maar met enige afstand tussen beide, die overbrugd moet worden, met overbrengverhouding 1:1 of met gelijktijdige aanpassing van het toerental (langzamer of juist sneller)
Distributie direct (mechanisch) van één motor naar meerdere werktuigen tegelijk
Distributie indirect (via een medium) naar meerdere werktuigen tegelijk

Ad 1 - Directe koppeling

Op de uitgaande as van de motor wordt één helft van een starre koppeling gemonteerd. De andere helft komt op de ingaande as van het werktuig. Motor en werktuig draaien precies even snel en volkomen synchroon met elkaar (in fase). De koppeling maakt in feite van de twee assen simpelweg één enkele doorlopende as.

Zijn beide assen (zoals gebruikelijk) afzonderlijk gelagerd, dan is het wel zaak om de lageringen (en dus motor en werktuig) exact uit te lijnen. Zou je dat niet doen, dan worden lagers en koppeling ontoelaatbaar belast, met kans op warmteontwikkeling, energieverlies,falen van de aandrijving. De starre koppeling kan thermische (axiale) uitzetting van lange assen NIET compenseren of opnemen.

Wanneer een volkomen starre koppeling niet persé nodig is, kun je een beweegbare koppeling gebruiken. Die kan uitlijnfouten (binnen grenzen) compenseren, zowel in radiale als in axiale zin. Komen tijdens de loop grote schokken en stoten voor, dan gebruik je een elastische koppeling om deze op te vangen. Moet het aangedreven werktuig frequent gestopt en weer gestart worden, en vraagt het bij aanlopen veel energie, dan is het verstandig om een aanloopkoppeling te kiezen. Die zal gedurende de aanloopfase doorslippen, waardoor het werktuig weliswaar trager, maar zonder piekbelasting van de motor, rustig op gang kan komen.

Op DEZE pagina laat ik zien, hoe de verschillende genoemde uitvoeringsvormen van koppelingen er uit zien en hoe ze functioneren.

Ad 2 - Enige afstand te overbruggen

Het is niet altijd opportuun of technisch haalbaar om de drijvende motor en het gedreven werktuig direct kort te koppelen. Er moet maar net voldoende ruimte beschikbaar zijn. En het toerental van de motor moet passen voor het werktuig. Als dat niet zo is, zijn er meerdere mogelijkheden denkbaar om uit te kiezen.

Synchroon lopen is strikt noodzakelijk

Wanneer het belangrijk is, dat beide assen exact synchroon lopen, moet je kiezen voor een vormgesloten uitvoering. Vormgesloten betekent dat de draaibeweging hoek-synchroon wordt overgedragen. Mogelijkheden zijn: tandwielen, een tandriem of een ketting.

Bij een ketting en een tandriem draaien motor en werktuig beide in dezelfde richting; bij een 1-traps tandwieloverbrenging (2 in elkaar grijpende tandwielen) keert de draairichting om. Bij een 2-traps tandwiel-overbrenging overigens niet.

Voor een 1:1 overbrenging kies je natuurlijk kettingwielen met gelijke steek-diameter; tandriemschijven van gelijke diameter; tandwielen van gelijke steek-diameter. Je kunt de overbrengverhouding simpel varieren door met deze diameters te spelen. Daarbij moet je uiteraard rekening houden met aantallen tanden c.q. schakels .... halve tanden of schalmen zijn af te raden .... De maximaal (in 1 stap) te realiseren vertraging (versnelling) is 1:4 tot 1:5. Bij tandwielen kun je eenvoudig overstappen op een 2- of 3-traps tandwieloverbrenging om grotere vertragingen te bereiken. Ook kun je, voor het echte vertragen, denken aan een worm/wormwiel overbrenging (met dubbele of enkele spoed).

Alle drie genoemde types overbrengingen moeten in alle gevallen goed uitgelijnd zijn. Bij uitlijnfouten of overbelasting gaat de zaak kapot. Tandriemen kunnen niet al te veel vermogen overbrengen (daar zijn ze ook niet werkelijk voor bedoeld), maar lopen prachtig soepel. Kettingen kunnen duidelijk meer vermogen aan. Tandwielen zijn uitermate geschikt zowel voor kleine als voor (zeer) grote vermogens, omdat je de tandafmetingen kunt kiezen uit een ruime reeks modulen.

Deze mogelijkheden worden nader besproken op (voor tandriemen) DEZE pagina en (voor tandwielen) DEZE set van 4 pagina's.

Synchroon lopen is niet persé noodzakelijk

Wanneer enige (geringe) slip en verlies van synchronisatie acceptabel of tolerabel is, kun je kiezen uit - naast de bovengenoemde drie - de volgende extra mogelijkheden: ronde snaar, vlakke riem of V-snaar. Deze drie uitvoeringen zullen bij overbelasting slippen (en/of breken). De ronde snaar heeft als speciale bijzonderheid, dat je hem met leidwielen alle kanten uit kunt laten lopen. Bovendien is hij weinig gevoelig voor uitlijnfouten. Ontsporen is zeldzaam. Maar een snaar kan alleen geringe vermogens overbrengen. De dwarsdoorsnede is immers klein.

Vlakke riemen kunnen grotere vermogens aan, maar ze zijn - gezien hun platte profiel - zijdelings stijf en daarmee weer gevoelig voor onnauwkeurigheden in de uitlijning. Met een vlakke riem loop je altijd het risico dat deze van de riemschijven afloopt, zeker bij plotselinge grote belastingswisselingen (plots inschakelen van een zware machine zonder aanloop).

Vlakke riemen kunnen afstanden tot een tiental meters overbruggen - dat doet geen van de andere soorten transmissie hen na. Wel zijn vlakke riemen - zeker bij grote afstanden - lawaaiig door het flapperen van het vrije (niet-trekkende) part. De riemen slijten behoorlijk snel en vergen veel onderhoud.

Als derde, de V-riem. Deze werkt niet met groefpoelies (zoals een snaar) of met vlakke riemschijven (zoals een platte riem), maar met V-vormig geprofileerde poelies. De V-riem heeft een trapeziumvormige dwarsdoorsnede en hij ligt met beide flanken aan op de poelie. Het contactvlak is derhalve groot en de snaar trekt zich onder belasting lekker vast in zijn V-groef.

Het is mogelijk om de treksterkte van de snaar op te voeren door inlagen van vezels of staaldraad. Met een V-riem kun je daarom veel vermogen overbrengen. Zeker wanneer je meer snaren in parallel gebruikt: een poelie met drie of meer V-groeven dicht naast elkaar, in combinatie met drie V-riemen, bijvoorbeeld. Vroeger moesten de snaren speciaal (op lengte) bij elkaar gezocht worden, tegenwoordig is dat niet meer strikt nodig.

Alle drie genoemde types hebben 1:4 tot 1:5 als maximale overbrengingsverhouding.

Deze mogelijkheden worden nader besproken op (voor snaren) DEZE pagina, (voor vlakke riemen) DEZE pagina en (voor V-riemen) DEZE pagina.

Ad 3 - Directe mechanische distributie van één stoommachine naar (veel) meer werktuigen

In de klassieke tijden, met simpele vormen van drijfkracht en geringe vermogens, was je al blij als je krachtbron één machine in beweging kon houden. Als de hond er van tussen was, het paard koppig, de wind maar niet op wilde steken, als het maar niet wilde regenen - stond je zaak gewoon stil.

Met de toenemende grootte van de krachtbron - de stoommachine - werd het noodzakelijk, de opgewekte energie toe te leiden aan meer machines tegelijk. Daartoe werd in een werkplaats, direct onder het dak, een heel stelsel assen opgehangen, die met vlakke riemen op riemschijven met elkaar en met de stoommachine werden verbonden.

In dat systeem kon je voor elke as (dus voor elke groep werktuigen) het benodigde toerental instellen (door de riemschijfdiameters aan te passen). Je kon de riemschijven op de assen zo plaatsen, dat de riemen precies goed bij de machines uitkwamen. Elke machine kreeg twee schijven op de ingaande as. Moest hij draaien, dan schoof je zijn drijfriem op de schijf die vast op de machineas bevestigd was. Moest de machine stilstaan, dan schoof je z'n drijfriem een stukje opzij, op de tweede schijf, die vrij kon ronddraaien op de machineas, zonder de machine mee te nemen.

Het was immers onmogelijk, het hele assenstelsel stop te zetten: dan zouden ALLE machines stilstaan. Dit systeem van losse en vaste schijf per machine werkte vrij behoorlijk, al was het verschuiven van de (draaiende!) riem altijd een hachelijke zaak.

Het systeem kende echter een vrij fundamenteel bezwaar. Het complete drijfassen-stelsel stond voortdurend te draaien, zelfs als alle machines waren uitgeschakeld. Dat verspilde nogal wat energie. Een leegloopverbruik van 10% van het nominaal vermogen van de aandrijfmachine was normaal. Een assenstelsel vlak onder het dak had nog een tweede bezwaar. Het was zwaar werk om het te installeren, het was zwaar ploeteren om het allemaal goed uitgericht te krijgen, het was een voortdurend gedoe om het goed te onderhouden.

Maar er was geen andere mogelijkheid, nog niet, om precies te zijn. Drijfassen-systemen zijn van begin negentiende eeuw tot zeg 1920 alom in fabrieken en werkplaatsen in gebruik geweest. Ze werden verdrongen door electriciteit. Elke machine kreeg zijn eigen electromotor en een simpele aan/uit schakelaar. Rond 1935 was deze transitie voltooid.

Ad 4 - Distributie indirect (via een medium) naar meerdere werktuigen tegelijk

Het medium is water (waterhydrauliek)

De krachtbron - een stoommachine - drijft een direct gekoppelde pomp. Water wordt opgepompt in een watertoren met een groot reservoir op bijvoorbeeld 30 meter hoogte. De waterdruk is dan 3 atmospheer (3 bar). Je sluit een distributienetwerk van pijpen op de begane grond aan en koppelt op de plaats waar je energie nodig hebt, een slang aan.

Aan de Binnenhaven in Rotterdam vond je vanaf 1878 naast waterhydraulische kranen ook dito kaapstanders, voor het verhalen van schepen, alsmede een hydraulisch bediende basculebrug. Een jaar of tien later kwam daar een hydraulische kolentip bij.

In plaats van een watertoren kon je, als het waterverbruik in spreiding begrensd was (op locatie en/of in kleinschalige installatie), ook met een gewicht-belaste accumulator werken. Dat scheelde aanzienlijk in de bouwkosten. Dergelijke opzet kwam je bijvoorbeeld tegen op grote scheepswerven, waar hydraulische klinkmachines onder meer in de stoomketelbouw belangrijk waren. Ook grote constructiewerkplaatsen gebruikten wel hydraulische klinkapparatuur.

Dit distributie-systeem kende twee belangrijke nadelen: veel lek, en veel weerstand in de leidingen, dus druk- en daarmee krachtverlies. Het werd in de periode 1900-1920 volkomen verdreven door electriciteit.

Waterhydraulische kraan en accumulator, omstreeks 1890

Het medium is lichtgas (stadsgas)

Vanaf de jaren 1840-1850 ontstond in veel steden een locaal distrubutienet voor lichtgas. Dit werd in de plaatselijke gasfabriek gemaakt uit steenkool en diende voor de verlichting (gaslantaarns, binnen- en buitenshuis). Met de opkomst van de verbrandingsmotor, vanaf 1870, werd lichtgas OOK gebruikt om (kleine) gasmotoren te voeden.

Zo werd de grootschalige centraal opgewekte energie (weliswaar in chemische vorm en niet in mechanische) gedistribueerd. Het systeem liep al vrij snel vast op zijn "grenzen aan de groei". Motoren verbruiken VEEL meer gas dan gaslicht .... De gasfabriek kon de vraag niet aan, dus werd de tarifering aangepast en werd lichtgas voor gebruik in motoren peperduur. Waarop de gasmotor-eigenaren massaal (noodgedwongen) overstapten op eigen gasgeneratoren. Vanaf 1900 verdwenen de kleine gasmotoren weer uit de werkplaatsjes en ateliers: verdrongen door electriciteit.

Deutz lichtgasmotor, circa 1915

Het medium is lucht (perslucht)

De krachtbron - een stoommachine, later een electromotor - drijft een compressor aan. Lucht wordt onder druk gebracht en opgeslagen in een drukvat. De druk is 6 kgf/cm². Met 2-traps compressie is 10-11 kgf/cm² mogelijk. Opslag van perslucht biedt veel voordelen in vergelijking met water. Het vat staat gewoon op de grond, er is geen hoge watertoren nodig. De energiedichtheid is stukken hoger, of anders gezegd, uit een gelijk volume valt veel meer energie te putten.

Het gebruik van perslucht als distributiemedium gaat terug tot rond 1890. In enkele grote steden, Parijs voorop, werd een (aanvankelijk klein) persluchtnet gelegd, dat oorspronkelijk alleen diende voor het (met drukpulsen) aansturen van de (talloze) stadsklokken op straat. Het net bleek ook dienst te kunnen doen als krachtleverancier voor kleinschalige gebruikers in hun stadsateliers.

Compressoren in een der persluchtcentrales van de Société Urbaine d’Air Comprimé in Parijs

Perslucht speelt ook vandaag een belangrijke rol in ons (industrieel) leven. Bijna elk bedrijf heeft zijn eigen (schroef) compressor-installatie. Dat werd mogelijk toen compressoren met electro-aandrijving op de markt verschenen, zo rond 1920. Moderne perslucht drijft (hand) gereedschap, supersnel draaiende turbine-slijpspilletjes, met luchtpistolen wordt werk schoogespoten, je kunt met lucht koelen ....

Ik documenteerde ooit een ijzergieterij (inmiddels gesloten en gesloopt) en vond daar rijen Rüttelmaschinen. Die werden gebruikt bij het invormen van de gietmodellen in vormzand. Ze schudden, of trilden, het vormzand vast aan rond het model, zodat dit veilig uit de vorm getild kon worden. Al die Rüttelmaschinen werden gevoed uit het compressorhuis, waar twee grote zuigercompressoren vrijwel continu stonden te dreunen. Het nadeel van perslucht werd daar al snel duidelijk. Overal siste het, overal lekte lucht weg. Er werd ook weinig aandacht aan onderhoud geschonken. Men nam de verliezen op de koop toe - want de pneumatische machines waren onmisbaar. Direct-electrische versies (van voldoende kaliber) bestonden eenvoudigweg niet.

Verticale vrijstaande Rüttelmachine met persplaat (model UGR, fabrikaat Gustav Zimmermann, Düsseldorf/Chemnitz)

Het medium is olie (oliehydrauliek)

De motor drijft een hogedrukpomp, die een druk van ca. 400 bar genereert. In speciale gevallen wordt zelfs met 750 bar gewerkt. Die druk levert een extreem hoge energiedichtheid op, zodat heel grote krachten opgewekt kunnen worden zonder in onmogelijk grote zuigerafmetingen te vervallen.

Zulke hoge drukken distribueer je natuurlijk niet over grotere afstand. Je wekt de benodigde druk dus direct op bij het werktuig dat je in beweging wilt brengen. Oliehydrauliek is tegenwoordig overal aanwezig waar grote krachten in kleine ruimte nodig zijn. Aandrijving door (mobiele) verbrandingsmotoren maakt dat mogelijk. Denk aan bulldozers, shovels, graders en dergelijke.

Een heel vroege toepassing van oliehydrauliek: de oliedruk-klepsturing van Meier-Mattern op een Stork stoommachine, geleverd aan de aardappelmeelfabriek Oranje, 1914

Het medium is electriciteit

Vanaf 1920, 1930 kwamen steeds grotere electrische centrales tot stand, en werd electriciteit het universele distributiemedium. Dat is het nog immer (al gaan de centrales verdwijnen ....).