De Variomatic is zo bijzonder, omdat het systeem tussen de uiterste minimale en maximale overbrengingsverhoudingen een oneindig aantal reducties kan bewerkstelligen. De overbrenging is dus 'traploos', waardoor bij elke voertuigsnelheid binnen het regelbereik het optimale toerental gekozen kan worden.
De motor (1) drijft via een centrifugaalkoppeling (2) en de aandrijfas (3) de primaire poelies (4) aan. De riem (5) brengt de kracht over op de secundaire poelies (6) en die drijven via het differentieel (7) de achterwielen aan.
De riemen die de aandrijfkracht overbrengen zijn van rubber en hebben een trapeziumvormige doorsnede. De poelies waar de riemen overheen lopen bestaan ieder uit 2 helften die conisch van vorm zijn, zodat de ruimte tussen deze schijven in doorsnede een wigvorm ('V') is. De helften van de poelies zijn ten opzichte van elkaar verschuifbaar over de as. Doordat de breedte van de riem niet verandert, gaat bij een andere afstand tussen de schijven, de riem op een grotere of kleinere diameter er tussendoor lopen.
De lengte van de riem is precies zo dat als je de schijven aan beide kanten even ver van elkaar zet, de riem op beide poelies in het midden loopt. Op dat moment is de overbrengingsverhouding van de poelies dus 1 op 1. (vergelijk met de tandwielen bij een fietsderailleur)
Vanuit deze middenpositie kan de overbrenging veranderd worden door aan 1 kant de schijven dichter naar elkaar te 'knijpen'. De riem gaat aan die kant over een grotere diameter lopen, en omdat de lengte van de riem niet verandert, moet hij aan de andere kant over een kleinere gaan lopen. Het gevolg is dus dat de schijven aan de andere kant uit elkaar getrokken worden.
Hieruit kun je 2 conclusies trekken:
- De "knijpkrachten" van de 2 poelies werken via de riem tegenovergesteld aan elkaar.
- Door het evenwicht tussen de knijpkrachten te veranderen, verandert de overbrengingsverhouding.
Nu wordt het pas echt interessant: HOE wordt nou dat 'evenwicht tussen de knijpkrachten' veranderd?? Laten we eerst maar eens kijken waar die krachten allemaal vandaan komen. De 'knijpkracht' op de poelies komt namelijk op 4 verschillende manieren tot stand:
Kracht 1: Veerkracht
De secundaire poelies zijn voorzien van sterke veren, die de schijven naar elkaar toe drukken. De veerdruk is in de samengeknepen positie al heel sterk, maar wordt bij het uit elkaar schuiven van de schijven steeds groter. Hoe verder je de veer samendrukt, hoe meer kracht het kost om hem nog een millimetertje verder te knijpen.
De secundaire poelies met differentieel
Kracht 2: Centrifugaalkracht
De poelies aan de primaire kant zijn voorzien van scharnierende gewichten, die door de middelpuntvliedende kracht naar buiten willen draaien. Doordat ze zijn voorzien van een 'drukvinger' worden de schijven hierdoor naar elkaar gedrukt. De 'knijpkracht' van de primaire schijven is hierdoor afhankelijk van het toerental.
Een primaire poelie met 2 scharnierende centrifugaalgewichten.
De gestippelde pijl in de tekening geeft de richting van de centrifugaalkracht aan; de volle pijl de richting van de daadwerkelijke beweging. De bolle kant drukt tegen de schijf aan, en is daarom uitgevoerd als slijtvast kunststof blokje.
Zoals we eerder gezien hebben, is de veerkracht in de secundaire schijven erg hoog. De primaires moeten dus een bepaald minimum toerental draaien om genoeg tegenwicht te kunnen bieden. Bij een lage snelheid lukt dat niet en zal de veerkracht van de secundaire 'winnen'. Hierdoor zal de uiterste positie richting 'laagste versnelling' ingesteld worden. Als het toerental hoger wordt, wordt het verschil kleiner, en op een gegeven moment gaan de krachten elkaar opheffen. Vanaf dat moment kunnen de poelies gaan verschuiven, waardoor de overbrengingsverhouding verandert. De Variomatic schakelt op!
Op het moment dat de primaire schijven geheel naar elkaar toe gedrukt zijn, komen de centrifugaalgewichten in een uiterste stand, wat een soort 'blokkeerstand' is. Dit is belangrijk, omdat anders nog hogere toeren, simpelweg nog hogere krachten zouden geven. Door het toerental maar verder op te voeren zouden de krachten van de centrifugaalgewichten zo groot worden dat de riem ze niet meer kan overbrengen zonder stuk te gaan. In de maximale overbrengingsverhouding geeft een hoger motortoerental dus géén hogere knijpkracht meer.
Het is dus belangrijk om de juiste lengte van de riem te gebruiken, en de afstand tussen de primaire en secundaire goed af te stellen. Als deze afstelling verkeerd is, kan het voorkomen dat de secundaire schijven niet meer verder uit elkaar kunnen schuiven, op moment dat de primaire schijven nog niet in de blokkeerstand staan. In die situatie wordt de aandrijfriem simpelweg stukgetrokken. Een te kleine afstand is ook niet goed, want dan komen de secundaire schijven tegen elkaar aan in de laagste 'versnelling', zodat de knijpkracht van de veren niet meer op de riem terecht komt. In dat geval gaat de riem doorslippen en daar gaat ie ook snel van kapot.
Kracht 3: Aandrijfkoppel
De krachten die door de riem overgebracht moeten worden hebben nog een bijzondere 'bijwerking'; Deze krachten worden voor een deel ook vertaald naar de knijpkracht op de poelies:
Op de aandrijvende poelie komt de riem in de 'greep' van de schijven terecht terwijl er een 'trekkende' kracht op wordt uitgeoefend. De riem loopt weer weg van de poelie met een duwende kracht. Bij de aangedreven poelie is het juist andersom; daar komt de riem binnen met een 'duwende' kracht, en wordt er met een trekkende kracht weer uit getrokken. Deze krachten zijn aan elkaar gelijk, dus je zou kunnen denken dat ze elkaar opheffen.
Dat is dus niet zo! Doordat de positie van de riem op de poelie vooral bepaald wordt op de plaats waar de riem voor het eerst vastgeklemd wordt door de poelie, Heeft de trekkracht in combinatie met de draairichting een effect op de loopdiameter van de riem.
Als je de aandrijfkracht gaat vergroten, blijkt dat de riem op de aandrijvende poelie op een kleinere diameter gaat lopen, en op de aangedreven poelie juist op een grotere. Bij een zwaardere belasting wordt dus automatisch een 'lagere versnelling' gekozen, en bij het verminderen van de trekkracht, of zelfs afremmen op de motor juist in een hogere.
Kracht 4: Regelsysteem met vacuüm
De leukste van de 4 krachten hebben we voor het laatst bewaard; het Vaccuümsysteem. Dit is namelijk een regeling van buitenaf, en daarom beïnvloedbaar naar behoefte. Het kan zelfs 2 kanten op werken; zowel richting 'opschakelen' als richting 'terugschakelen'.
Bij het rijden zonder hulp van het vacuümsysteem wordt de overbrengingsverhouding enkel bepaald door de eerste drie krachten. Dit heeft een aantal nadelen, namelijk:
- Bij een gegeven snelheid en aandrijfkoppel ligt het toerental vast, dus geen flexibiliteit mbt rijomstandigheden
- Het toerental bij constante snelheid ligt te hoog.
- Het is niet goed mogelijk om te remmen op de motor
- Bij hard remmen tot stilstand kan het zijn dat de riemen halverwege de poelies blijven hangen. Weer wegrijden is dan zeer lastig!
Het idee van Hub van Doorne in de jaren '50, om het motorvacuüm te gebruiken als ondersteuning voor het kiezen van de overbrengingsverhouding was dan ook erg slim gekozen. Een signaal door middel van vacuüm kun je namelijk rechtstreeks van het inlaatspruitstuk aftakken; je hoeft het alleen in- en uit te schakelen, en via wat leidingen naar de eindbestemming te brengen.
Om dit signaal om te zetten naar de 'knijpkracht' die voor de Variomatic zo belangrijk is, is er in de primaire poelies behalve de centrifugaalgewichten, ook nog een flexibele afscheiding gemaakt. Deze afscheiding is een stevig rubberen vlies, ook wel membraan genoemd.
Op het bovenstaande plaatje zijn de centrifugaalgewichten niet ingetekend, om duidelijker te maken waar het membraan zit en hoe het eruit ziet. Zoals je ziet is het middendeel een ronde metalen schijf, en is de rubber rand betrekkelijk smal. Nu je weet waar je op moet letten kun je het membraan wellicht ook op andere plaatjes op deze pagina terugvinden?
Door de binnenste (grote) kamer vacuum te zuigen, en in de buitenste (kleine) kamer buitenlucht toe te laten, onstaat er een drukverschil. Dit geeft een kracht op het membraan, die de knijpkracht van de centrifugaalgewichten tegenwerkt. Dit leidt dus tot een lagere versnellingsverhouding. Door de aansluitingen van het vacuum en de buitenlucht om te draaien, wordt de knijpkracht van de gewichten juist ondersteund, en dus een hogere versnellingsverhouding ingesteld.
Op het plaatje kun je ook het 'doorvoerpotje' en de aansluitpijpjes zien. Dit ingenieuze brokje lagertjes en keerringen maakt het mogelijk dat er slangen worden verbonden met de 2 ruimtes voor en achter het membraan, terwijl het geheel met 6000 toeren per minuut kan ronddraaien, én ook nog eens ten opzichte van elkaar kan verschuiven.
De momenten waarop het regelsysteem 'opschakelvacuüm' en 'terugschakelvacuüm' geeft, zijn nogal afhankelijk van het type auto waar de variomatic in zit. De specifieke eigenschappen van het systeem in de Volvo 300 Serie vind je op ...
Conclusie: Wat is het resultaat van deze krachten?
Het is moeilijk om de 'belangrijkste' kracht aan te wijzen, omdat elke kracht zijn eigen rol speelt in het proces. Wel blijkt uit de praktijk dat de veerdruk en centrifugaalkracht de 2 grootste krachten zijn, en dat de andere 2 vooral van belang zijn ter correctie.
- de veerkracht werkt altijd richting 'lage versnelling'
- de centrifugaalkracht werkt altijd richting 'hoge versnelling'
- de riemkracht werkt bij optrekken richting 'lage versnelling' en bij remmen op de motor richting 'hoge versnelling'
- de vacuümkracht kan beide kanten op gestuurd worden
De stelregel is: zolang de krachten met elkaar in balans zijn, wordt de ingestelde 'versnelling' vastgehouden Voorbeeldsituaties
Volgas optrekken Voor een maximale acceleratie is het belangrijk dat de motor in een hoog toerengebied kan draaien. Zoals je weet geeft een hoog toerental een grote centrifugaalkracht. Deze wordt zoals altijd tegengewerkt door de veerkracht, en daarnaast ook nog eens flink tegengewerkt door de riemkracht. Bij volgas is er geen motorvacuüm meer, dus dat heeft geen invloed. De veerkracht en riemkracht kunnen de centrifugaalkracht tegenwicht bieden tot ongeveer 100 km/h. Daarboven dwingt de centrifugaalkracht de riem altijd in de hoogste overbrengingsverhouding. Een hogere snelheid wordt dan dus ook alleen nog gehaald door een hoger motortoerental.
Constante snelheid onder de 80 km/h Bij het rijden van een constante snelheid is het van belang om een zo laag mogelijk toerental te draaien, vanwege het verminderen van lawaai, verbruik en schadelijke uitstoot. De centrifugaalkracht wordt bij het rijden op vlak terrein zoals altijd tegengewerkt door de veerkracht, en ook nog een klein beetje door de riemkracht (de riem hoeft enkel de kracht over te brengen die nodig is om de snelheid vast te houden, dus die kracht is op vlak terrein niet zo groot). Op deze momenten speelt de vacuümregeling zijn grootste rol; de centrifugaalkracht wordt dan namelijk zoveel mogelijk geholpen met opschakelen. Bij een lage rolweerstand, vlak terrein en geen sterke tegenwind is het bij de meeste auto's met variomatic al mogelijk om vanaf 50 a 60 km/h in de hoogste versnellingsverhouding te rijden. Zodra er een tegenwind opsteekt of de weg loopt omhoog, zal de riemkracht groter worden, en dus meer tegen de centrifugaalkracht en vacuümkracht in werken.
Remmen op de motor Om het mogelijk te maken dat er op de motor wordt afgeremd, kan de vacuümkracht richting 'terugschakelen' gezet worden. De vacuümkracht werkt dan samen met de veerkracht tegen de centrifugaalkracht en riemkracht in. Doordat bij remmen op de motor het inlaatvacuum hoog oploopt, kan deze kracht van grote invloed worden, zodat een zeer lage versnellingsverhouding wordt ingeschakeld (en de motor dus een hoog toerental gaat draaien) Bij het remmen op de motor zonder vacuüm ondersteuning zal een veel lager toerental gekozen worden.
Voor een YouTube filmpje van een variomatic in werking klik op onderstaande afbeelding
De betreffende auto is op bokken geplaatst zodat de achterwielen vrij ronddraaien.
