Een wiel zet een kracht die op de omtrek wordt uitgeoefend om in een draaiing rond een vaste as. Deze koppeling van wiel en as is een eenvoudige machine uit de familie van de hefbomen, waarbij het verschil tussen de straal van het wiel en die van de as de mechanische overbrengingsverhouding bepaalt. Om dit mechanisme te begrijpen, moet je verder kijken dan alleen de vermindering van wrijving en ook de werkelijke krachten op het contactpunt, de profielgeometrie en de energetische afwegingen onderzoeken die elk wiel met zich meebrengt.
Rolweerstand: de werkelijke energiekosten van een draaiend wiel
Een wiel heft wrijving niet op, maar zet die om. Op het contactpunt tussen het wiel en de grond vervormen beide oppervlakken. Die vervorming, hoe klein ook bij een stijf materiaal, voert energie af in de vorm van warmte. Dit is de rolweerstand.
Bij een band wordt het contactvlak (het loopvlak op de grond) bij elke omwenteling samengedrukt en veert het daarna weer terug. Het rubber geeft minder energie terug dan het tijdens de vervorming opneemt: dit is de hysterese van het materiaal. Hoe soepeler de band, hoe groter het contactvlak en hoe hoger de verliezen.
Onderzoek van Queen Mary University of London wijst erop dat het verminderen van de rolweerstand rechtstreeks ten koste gaat van de grip en de levensduur van de band. Een zeer stijve band rolt met minder verlies, maar biedt minder grip en slijt anders. Een soepele band hecht beter aan de weg, maar verbruikt meer energie. De analyse van de werking van het wiel op Miss Deux Roues gaat in op deze afwegingen in de context van tweewielers, waar elke watt telt.
De norm ISO 28580 schrijft voor hoe de rolweerstand van banden wordt gemeten, en de Europese verordening inzake ecologisch ontwerp voor duurzame producten stimuleert fabrikanten om deze gegevens te publiceren. Deze parameter is dus niet onbelangrijk: hij heeft rechtstreeks invloed op het energieverbruik van een voertuig.
Bewegingsoverdracht via de combinatie van wiel en as
Het wiel-assenstelsel werkt als een draaiende hefboom. Het wiel vormt de lange hefboomarm en de as de korte. Wanneer een kracht op de omtrek van het wiel wordt uitgeoefend, wordt het koppel dat op de as wordt overgebracht vermenigvuldigd met de verhouding tussen de straal van het wiel en die van de as.
Concreet geldt: hoe groter het wiel ten opzichte van de as, hoe minder kracht er nodig is. Een deurklink illustreert dit principe: de hand legt een grote boog af langs de klink (het wiel), terwijl het interne mechanisme (de as) een korte draai maakt, maar met voldoende koppel om de dagschoot te bedienen.
Ook het omgekeerde principe wordt toegepast. Wanneer de aandrijfkracht op de as wordt uitgeoefend, neemt de draaisnelheid aan de omtrek van het wiel toe, ten koste van het koppel. Ventilatoren, centrifuges en voetbediende slijpstenen maken gebruik van deze configuratie.
Overbrengingsverhouding in een tandwielstelsel
Wanneer meerdere tandwielen worden gecombineerd, bereken je de overbrengingsverhouding door de afzonderlijke verhoudingen met elkaar te vermenigvuldigen. Een tandwieloverbrenging waarbij het aandrijvende wiel weinig tanden heeft en het aangedreven wiel veel tanden, verlaagt de snelheid en verhoogt het koppel. De verhouding wordt exact bepaald door het aantal tanden, waardoor de beweging zonder slippen constant wordt overgebracht.
- De module (de verhouding tussen de steekcirkeldiameter en het aantal tanden) moet bij beide tandwielen gelijk zijn, zodat ze goed in elkaar grijpen.
- De steekcirkeldiameter bepaalt de hartafstand tussen de twee assen en is van invloed op de benodigde ruimte voor het mechanisme.
- De kwaliteit van de vertanding (evolventeprofiel, oppervlakteafwerking) beïnvloedt het rendement, het geluid en de levensduur van de tandwieloverbrenging.
Conisch profiel van treinwielen en geleiding op het spoor
Treinwielen zijn niet cilindrisch. Het loopvlak heeft een conisch profiel, met aan de binnenzijde (bij de wielflens) een iets grotere diameter dan aan de buitenzijde. Bij een starre wielas, waarbij beide wielen vast met elkaar verbonden zijn, verandert een zijdelingse verschuiving de effectieve rolstraal van elk wiel.
Als de wielas naar rechts verschuift, rolt het rechterwiel over een grotere straal en legt het per omwenteling dus een grotere afstand af. Het linkerwiel, dat over een kleinere straal rolt, legt minder afstand af. Door deze asymmetrie ontstaat vanzelf een herstellend koppel dat de wielas naar het midden van het spoor stuurt.
Instabiliteit door slingeren boven een kritische snelheid
Dit zelfcentrerende mechanisme heeft zijn grenzen. Bij lage snelheid wordt de zijdelingse oscillatie (de sinusvormige beweging van de wielas op de rails) vanzelf gedempt. Boven een bepaalde snelheid kan de beweging juist sterker worden. Dit verschijnsel heet slingeren, ofwel hunting oscillation.
De stabiliteit hangt af van het exacte wielprofiel, de contactkrachten tussen wiel en rail (waaronder microslip in de lengte- en dwarsrichting) en het ontwerp van de vering. De conische vorm alleen garandeert geen stabiliteit: het is het volledige draaistel, met zijn veren en schokdempers, dat het gedrag bij hoge snelheid binnen veilige grenzen houdt.
Aangedreven wiel, vrij draaiend wiel en opslag van kinetische energie
Elk draaiend wiel slaat kinetische energie op die evenredig is met zijn traagheidsmoment en het kwadraat van zijn hoeksnelheid. Een zwaar wiel met massa die vooral aan de omtrek geconcentreerd is (zoals een vliegwiel), slaat bij dezelfde snelheid meer energie op dan een licht wiel.
Deze eigenschap wordt benut in mechanische vliegwielen om schokken van een motor op te vangen, maar ook in systemen die remenergie terugwinnen. Een vrij draaiend wiel (een niet-aangedreven wiel) volgt daarentegen alleen de beweging die door de grond wordt opgelegd. Het weerstandskoppel blijft daarbij beperkt tot de rolweerstand en de wrijving in de as.
- Een aangedreven wiel brengt het motorkoppel via de grip over op de grond. Als het koppel de gripgrens overschrijdt, slipt het wiel.
- Een sturend wiel verandert de stuurhoek en daarmee de rijrichting, zonder noodzakelijkerwijs aangedreven te zijn.
- Een vliegwiel gebruikt de massa aan de omtrek om kinetische rotatie-energie op te slaan en weer af te geven.
- Bij een fiets zorgt de vrijloop in de achternaaf ervoor dat het wiel sneller kan draaien dan de trapas, zonder de pedalen achteruit mee te nemen.
De werking van het wiel berust op een geometrisch principe (het verschil tussen de straal van de omtrek en die van de as) dat in uiteenlopende toepassingen terugkomt, van een fietshub tot een spoorwegdraaistel. Wat per toepassing verschilt, zijn de afwegingen: grip tegenover rendement, stabiliteit tegenover een laag gewicht, energieopslag tegenover reactievermogen. Elk wiel is een technisch compromis, afgestemd op specifieke eisen.
