Koppeling

Belangrijke opmerking (lees dit eerst):

Dit deel van de site is under construction omdat de koppeling bij ons tot nu toe nog niet voldoende aandacht gekregen heeft. Dat betekend dat deze nog lang niet af is en de komende tijd zeker nog verfijnd wordt. Er is gekozen voor een theoretische aanpak, daar de vele ervaringen/verhalen uit de praktijk niet altijd eenduidig met elkaar overeenstemmen.

De centrifugaalkoppeling speelt een belangrijke rol in de minibike setup. Deze koppeling zit middels een conische passing vast op de rechter kruktap. Er zijn ook varianten die naast de conische verbinding ook nog een spie hebben, alhoewel de spieloze variant bij ons nog nooit tot problemen heeft geleid. Bovenstaande foto is de koppeling zoals gebruikt in onze beide bikes.

Bij een toenemend krukas toerental zullen de drie koppelingsschoentjes ten gevolge van de centrifugaalkracht naar buiten willen scharnieren. Ze worden tegengehouden door een veer die een tegengestelde kracht heeft. Wanneer deze veerkracht (lees voorspanning) overwonnen wordt, gaat de koppeling in aangrijping. De standaard Puch Maxi is dusdanig gecontrueerd dat dit bij een toerental van zo'n 1500 omw/min gebeurd. Dit toerental is niet echt geschikt voor een minibike, maar later meer daarover.

Voordat we in de theorie duiken is het eerst belangrijk om te weten hoe een slipkoppeling nu precies zijn werk moet doen. Belangrijke schakel hierin is de karakteristiek van je setup. Voordat je echt een indruk kunt krijgen van het gedrag van de koppeling zal eerst een koppelmeting uitgevoerd moeten worden op een vermogensbank. Belangrijk daarbij is te weten wat de totale overbrengverhouding vanaf krukas tot en met achterwiel is. Uteindelijk moet er bekend zijn hoe de koppel-toerencurve er aan de krukas uitziet. Voer deze meting uit met een koppeling die extreem vroeg aangrijpt, daar anders de meting teveel beinvloed wordt door het gedrag van de koppeling. Tenslotte wil je de beste match vinden tussen setup en koppeling.

 

Het aangrijpen van de koppeling heeft drie belangrijke fases:

  1. de motor bereikt het toerental waarbij de koppelingssegmenten gaan uitslaan;
  2. de segmenten bewegen zich richting koppelingskom en liggen vervolgens aan. Dit is een theoretisch punt waarbij de koppeling geen enkel moment kan overbrengen op de trommel (volledige slip);
  3. de segmenten gaan steeds meer druk uitoefenen op de trommel en het overdraagbaar moment wordt steeds groter. Bij een bepaald toerental ontstaat er een evenwicht tussen overdraagbaar koppel ten gevolge van de centrifugaalkracht en het geleverde motorkoppel. Dit is dus het echte sliptoerental.

 

 

Fase 1 (uitslagtoerental koppelingssegmenten)

 

 

Voor de beetje werktuigbouwkundig geschoolde mensen onder ons is bovenstaand plaatje bekend. Het is een zogenaamde Vrij Lichaam Schets (VLS) die alle krachten op het koppelingssegment beschrijft.

De drukveer staat voorgespannen te drukken waardoor het koppelingssegment tegen zijn eindaanslag gedrukt wordt. Door de rotatie van het voorgespannen segment ontstaat een centrifugaalkracht die de massa van het segment naar buiten drijft. Deze kracht werkt tegen de veerkracht in en neemt toe met het toerental. Er komt dan een moment dat de centrifugaalkracht de overhand krijgt en de aanslag verlaten wordt.

Even in een paar formules:

Fveer = X0 x C [N]

X0 is de voorspanning van de veer[m];
C is de veerconstante van de veer [N/m]

De koppeling draait met een zekere hoeksnelheid ω:

ω = 2 x π x n / 60 [rad/sec]

π is het getal pi [--];
n is het toerental [omw/min]

De kracht die de massa uitoefent ten gevolge van de rotatiesnelheid:

Fmassa = m x ω2 x r0

m is de massa van het koppelingssegment [kg];
ω is de hoeksnelheid [rad/sec];
r0 is de basisstraal waar het zwaartepunt van het koppelingssegment om draait [m].

 

Kijken we naar de VLS en pakken we alle formules bij elkaar dan kunnen we het volgende over het uitklaptoerental zeggen:

Indien alle eenheden als bovenstaande formules ingevuld worden, komt hier het toerental in omw/sec uit.

 

 

Fase 2 (aanliggen koppelingssegment tegen koppelingskom)

 

Door het toenemende toerental zal het koppelingssegment steeds verder naar buiten gaan totdat er een rustpositie tegen de koppelingskom gevonden wordt. De extra indrukking van de veer wordt dan bepaald door de speling tussen het segment en de kom.

Xv = (lw / lv ) x speling [m]

Xv is de indrukking van de veer door het uitslaan van het koppelingssegment tegen de kom [m];
lw is de afstand tussen hart wrijvingsschoen en het scharnierpunt [m];
lv is de afstand tussen hart van de veer en het scharnierunt [m];
speling is de afstand tussen het koppelingssegment en de kom [m]

Door deze indrukking zal de veerkracht toenemen tot zijn maximum waarde en is dan weer te berekenen met de veerkracht formule (echter nu met een kleine uitbreiding):

Fveer = (Xv + X0 ) x C [N]

Xv is de indrukking van de veer door het uitslaan van het koppelingssegment tegen de kom [m];
X0 is de voorspanning van de veer[m];
C is de veerconstante van de veer [N/m]

Het koppelingssegment ligt inmiddels tegen de kom aan waardoor de straal waar deze massa om draait, groter is geworden. De kracht die de massa uitoefent ten gevolge van de rotatiesnelheid:

Fmassa = m x ω2 x (r0 + Δr)

m is de massa van het koppelingssegment [kg];
ω is de hoeksnelheid [rad/sec];
Δr is de straalvergroting die de massa doormaakt ten gevolge van de indrukking van de veer [m];
r0 is de basisstraal waar het zwaartepunt van het koppelingssegment om draait [m].

Kijken we dan weer naar de VLS en pakken we alle formules bij elkaar dan kunnen we het volgende over het aanligtoerental komen:

Dit toerental zegt niets over het sliptoerental. Het segment ligt nu net aan op de kom en is niet in staat enig koppel van de krukas op het secundaire tandwiel over te brengen.

 

Fase 3 (opbouwen overdrachtskoppel)

Dit is de belangrijkste fase. Door het verder toenemen van de toerental, zal het koppelingssegment het frictiemateriaal steeds harder tegen de kom aandrukken. Deze zogenaamde normaalkracht drukt op het staal en zal afhankelijk van het type voeringmateriaal een wrijvingskracht teweeg brengen.

De normaalkracht die uitoefend wordt op de kom is:

Fmassa en Fveer zijn te berekenen met de formule uit fase 2.

 

De wrijvingscoëfficiënt tussen koppelingssegment en trommel moet door metingen bepaald worden omdat het effect van de olie een grote rol speelt. Om de wrijvingscoëfficiënt experimenteel te bepalen, kan gebruikt gemaakt worden van een hellend vlak van staal (bijvoorbeeld een blank getrokken strip). Dit vlak dient bevochtigd te worden met ATF-olie om een realistische waarde te vinden. Plaat een koppelingssegment op dit stuk strip (met het wrijvingsmateriaal tegen de strip)

Het hellende vlak dient steeds stijler gemaakt te worden totdat onder toenemende helling. Op het moment dat het voorwerp begint te schuiven, meet men de hoek van het hellende vlak. De tangens van de hoek is dan de wrijvingscoëfficiënt. Dit is gemakkelijk uit te rekenen: is de strip 300 mm lang en kan de strip aan één zijde 60 mm opgetild worden voordat het segment begint te glijden, dan is de wrijvingscoëfficiënt 0,2 (60 gedeeld door 300).

Met deze gegevens kan nu de wrijvingskracht bepaald worden:

FW = FN x μ [N]

Fw is de opgewekte wrijvingskracht tussen frictiemateriaal en kom [N];
FN is de normaalkracht van het segment op de kom [N];
μ is de wrijvingscoëfficient tussen frictiemateriaal en koppelingskom [--]

 

Het moment dat de koppeling dan over kan brengen is:

Moverdraagbaar = Fw x (Dkom / 2 ) x n [Nm]

Moverdraagbaar is het maximaal over te dragen moment door de koppeling [Nm];
Fw is de opgewekte wrijvingskracht tussen segment en de kom [N];
Dkom is de diameter van de kopelingskom [m];
n is het aantal segmenten in de koppeling [--]

 

 

In de praktijk zal er nu een evenwicht ontstaan tussen het beschikbare motorkoppel en het overdraagbare koppel. Voor bovenstaande grafiek betekent het dat de koppeling slipt op 6700 toeren. Hoe stijler de rode lijn, des te eenduidiger het aangrijppunt is, maar te stijl laat de koppeling te abrupt aangrijpen. Hier dient een balans in gevonden te worden die voor eenieder weer anders kan zijn.