Aandrijven van de naaf.

Het aandrijven van de naaf, naafversnelling werkt met een systeem van tandwielen, een planeetwielmechanisme. Door het manipuleren van de versteller aan het stuur, die via een stalenkabel met het mechanisme is verbonden, worden de tandwielen geschakeld en verandert de overbrengingsverhouding. Er bestaan ook naven die worden bediend door even terug te trappen.

Planeetwielmechanisme

De basis van het planeetwielmechanisme (=epicyclisch systeem of planetair stelsel) komt uit uurwerken en werd al voor 1800 als schakelsysteem in stoommachines toegepast. De Crypto-trapas voor de hoge bi (1878) was het eerste planetair stelsel in de fietstechniek; het had twee standen: een directe aandrijving en een versnelling. Met de komst van de kettingaandrijving kan naafversnelling in de achternaaf worden toegepast.

Epicyclische systemen – Aandrijven van de naaf

Epicyclische systemen zijn gebaseerd op het rollerprincipe; als we een plank (zwart) op twee rollen (blauw) leggen, zoals boven in de afbeelding, is de snelheid van de plank twee keer zo groot als die van de rollen. We voorzien alles van tanden, en rollen de bodem en de plank op tot een cirkel. Een planetair stelsel bestaat uit: een zonnewiel (geel), de planeetwielen (blauw) die gekoppeld worden in een stalen planeetwieldrager (rood), en een overkoepelend ringwiel (zwart). Het zonnewiel staat stil en de planeetwieldrager draait langzamer dan het ringwiel.

Het planetair stelsel

Het planetair stelsel zit in een naaf; de naaf bevat een as, een naafhuis waar het wiel aan vastzit en een aandrijfkop waar het kettingwiel aan vastzit. De as zit vast in het frame; het zonnewiel zit vast op de as. We gaan nu schakelen door het naafhuis en de aandrijfkop te verbinden met de planeetwieldrager of het ringwiel. Als we de aandrijfkop verbinden met het ringwiel (snel), en de planeetwieldrager (langzaam) met het naafhuis hebben we een vertraging. Het kettingwiel gaat nu vaker rond dan het naafhuis. Als we de aandrijfkop verbinden met de planeetwieldrager (langzaam) en het ringwiel (snel) met het naafhuis, hebben we een versnelling. In de drieversnellingsbak bestaat niet alleen de mogelijkheid om te versnellen of te vertragen. In de tweede versnelling wordt de aandrijfkop direct aan het naafhuis gekoppeld. De driebak kent dus:

1. een vertraging
2. een directe aandrijving
3. een versnelling.

Grootte van de versnelling – Aandrijven van de naaf

Grootte van de versnelling. Als zonnewiel en ringwiel Z resp. R tanden hebben, dan correspondeert met één omwenteling van de planeetwieldrager 1+Z/R omwentelingen van het ringwiel. De versnelling bedraagt dus Z/R ofwel 100 Z/R %. Dat dit zo is kan als volgt worden ingezien. Draai het zonnewiel één omwenteling linksom, terwijl de planeetdrager wordt vastgehouden. Het passeren van de Z tanden van het zonnewiel wordt door de (rechtsom draaiende) planeten doorgegeven aan het ringwiel, dat dus gelijkertijd rechtsom draait over eveneens Z tanden. Het ringwiel maakt dus een gedeelte Z/R van een hele omwenteling rechtsom. Draai vervolgens het hele mechanisme één omwenteling rechtsom. Dit resulteert in de volgende eindtoestand: Het zonnewiel is weer terug in zijn uitgangspositie. De planeetwieldrager was eerst gefixeerd, en maakte dus in totaal alleen die éne omwenteling rechtsom mee. Het ringwiel draaide eerst een gedeelte Z/R van een omwenteling rechtsom, en vervolgens nog een hele omwenteling; tezamen dus de gestelde 1+Z/R omwenteling. Zie planeetwielmechanisme voor een algemenere behandeling.

Derailleur – Aandrijven van de naaf

Anders dan bij een derailleur verandert bij een naafversnelling de fietsketting niet van plaats. De ketting kan dus altijd in een rechte kettinglijn blijven lopen. Een ander voordeel van een naafversnelling boven een derailleur is dat het tandwielsysteem opgesloten is in de behuizing van de naaf, en daar stof- en vochtvrij werkt. Ook kan daardoor beter voor smering worden gezorgd zodat met bijzonder weinig wrijving kan worden geschakeld.

Het veranderen van versnelling bij een naafversnelling vindt plaats in onbelaste toestand door even geen kracht op de trappers te zetten. Dit veranderen van versnelling kan ook plaatsvinden, als er niet getrapt wordt, bijvoorbeeld als de fiets stilstaat (dit in tegenstelling tot bij de derailleur).

Mogelijkheden – Aandrijven van de naaf

Het aantal versnellingen is 2 tot 14; het gangbaarst zijn de naven met 3, 5 en 7 versnellingen. Bij meer dan 3 versnellingen worden meerdere planetaire stelsels gecombineerd. Het grootste aantal van 14 versnellingen is te vinden in de Rohloff Speedhub 500/14. Er bestaat ook een naaf met traploze verstelling, de NuVinci; dit is echter een tractie-aandrijving en geen epicyclisch systeem.

In sommige ontwerpen wordt naast het versnellingsmechanisme ook een dynamo of een remmechanisme in de naaf ingebouwd. Vaak is dat een trommelrem maar ook terugtrapremmen komen voor. Een buitenbeentje is de kabelloze Torpedo tweeversnellingsnaaf Duomatic uit 1964 van Fichtel & Sachs. Deze schakelt door even terug te trappen en remt door krachtig terug te trappen. In 1974 werd hier een zelf-schakelende versie uit ontwikkeld: de Automatic; het schakelen gebeurt op basis van vliegwielwerking. Rond 1980 is de productie van deze naven gestaakt. In 2011 heeft Sturmey-Archer een nieuwe versie van de Duomatic uitgebracht en de firma SRAM een nieuwe versie van de Automatic.

Stel de lichtste versnelling is 63% van de directe aandrijving, en de zwaarste versnelling is 158% van de directe aandrijving. Dan zeggen we: het bereik van de naaf is (158: 63) x 100% = 251%. Dit geeft dus de spreiding van de versnellingen aan. Hoe groter het verschil tussen de lichtste en de zwaarste versnelling, hoe groter het getal in procenten.