Hoe werkt de NuVinci Harmony versnelling?

De NuVinci Harmony is een prachtig staaltje van techniek, een automatische versnelling, heel prettig bij een elektrische fiets. Maar hoe werkt zo'n automatische versnelling eigenlijk?

Zonder tandwielen

De NuVinci Harmony automatische versnelling werkt zonder tandwielen. De variabele overbrenging, waarmee de versnelling of vertraging wordt bereikt, vindt plaats met metalen kogels waarbij de rotatie-as wordt gekanteld ten opzichte van de aandrijfflens en de flens die verbonden is met de naaf van het achterwiel. Hierdoor gaat, bij gelijkblijvende rotatiesnelheid van de aandrijfflens* de buitenflens (dus achterwiel) langzamer of sneller draaien.

De aansturing van die rotatie-as gebeurt geheel automatisch waardoor de berijder een constante trapfrequentie heeft ongeacht de versnelling. Door gebruik van de kogels is de versnelling continu variabel en kent dus niet "een aantal standen".

*Hier draait het om bij de NuVinci Harmony, je wil de trapfrequentie gelijk houden, niet de trapfrequentie maar de kracht die je op de trappers uitoefent bepaalt de snelheid van de elektrische fiets. Of je weinig of veel kracht zet, de trapfrequentie blijft steeds hetzelfde.

Draaischijf in speeltuin

Voordat we de werking van de NuVinci Harmony in detail zullen uitleggen proberen we je geest een beetje op weg te helpen. Stel je bent in de speeltuin en voor je staat zo'n draaischijf waar kinderen op kunnen spelen. Stel dat die draaischijf vlak staat (wat meestal niet het geval is maar in ons gedachte-experiment kunnen we ons geen ongelukken permitteren) en we zetten, vlak bij de rand, twee eenwielfietsers (A en B) achter elkaar op de draaischijf. Wanneer de eenwielfietsers gaan rijden zal de speeltuinschijf onder de wielen gaan draaien. Zolang de eenwielfietsers op dezelfde afstand tot het midden blijven rijden (de radius van hun denkbeeldige cirkel hier aangegeven met een blauwe lijn, gelijk blijft) zullen zij even snel de pedalen rondtrappen.

Wanneer de achterste eenwielfietser (B) een stuk naar het midden van schijf opschuift en als de voorste eenwielfietser (A) aan de rand blijft fietsen en even snel blijft trappen (dus de rotatiesnelheid van de draaischijf gelijk blijft), zal de binnenste eenwielfietser (B) veel minder snel hoeven te trappen.

De voorste eenwielfietser (A) zal wanneer de draaischijf een keer rond draait (bijvoorbeeld) vier meter afleggen. De achterste eenwielfietser (B) zal in dezelfde tijd dat de schijf ronddraait het een stuk rustig aan kunnen doen, hij legt immers maar een afstand af van bijvoorbeeld twee meter. De afstand tussen de achterste eenwielfietser (B) en het midden van de draaischijf (technisch gesproken: de radius van het middelpunt tot de denkbeeldig cirkel van de binnenste eenwielfietser) bepaalt, bij gelijkblijvende rotatiesnelheid van de draaischijf, de snelheid waarin zijn wiel ronddraait. Zie hier de "overbrengingsverhouding" (in dit geval een vertraging van B ten opzichte van A).

We stellen hier dus een denkbeeldige versnelling in je achterwiel voor, de voorste eenwielfietser (A) is de aandrijving, waar je ketting dus aan vast zit en de achterste eenwielfietser (B) stelt jouw achterwiel voor, je ketting/trappers draaien nu lekker snel rond, maar je achterwiel gaat rustig rond, dat is de voorstelling van een lage versnellingsstand.

We kunnen de overbrengverhouding ook omdraaien. We vragen de achterste eenwielfietser (B) of hij weer aan de buitenrand wil gaan fietsen en we vragen de voorste (A) of hij meer naar het midden wil opschuiven. Dan zal de voorste eenwielfietser (A) lekker rustig kunnen trappen terwijl de ander (B) flink moet aanpoten. De rollen zijn hier dus omgedraaid. Hier stellen we een hoge versnelling voor, jouw trappers trappen rustig rond (dat is de eenwielfietser die een beetje in het midden rijdt dus A) maar het achterwiel (de eenwielfietser die aan de buitenrand rijdt dus B) draait relatief snel rond. We stellen hiermee een hoge versnelling in je achterwiel voor.

De NuVinci Harmony versnelling werkt op het zelfde principe als met de twee eenwielfietsers en de draaischijf in de speeltuin. Alleen is de draaischijf vervangen door metalen kogels maar het principe blijft gelijk. De metalen kogels hebben in het midden een as. Rond die as draait de kogel rond. De relatie tussen de kogel in de automatische versnelling is dat de omtrek van de cirkel de radius bij de draaischijf het grootst is bij de buitenrand en wordt kleiner naarmate je naar binnen gaat. Bij de metalen kogel is de omtrek van de denkbeeldige cirkel, de radius, in het midden van de kogel het grootst. Naarmate je de zijkant van de kogel benadert, dus in de buurt komt van de rotatie-as, zal de omtrek van de cirkel en radius afnemen.

Kanteling rotatie-as

In de illustratie boven aan de pagina is een schematische voorstelling te zien van de NuVinci Harmony versnelling. Aan de linkerzijde zit een flens (cirkelvormig stuk metaal) die tegen de metalen kogels aan drukt (in de illustratie zie je maar een heel klein gedeelte van die flens en je ziet ook maar een kogel terwijl in de NuVinci versnelling een stuk of 11 kogels zitten). Die linker flens zit vast aan je achtertandwiel die door de ketting wordt aangedreven.

Die linkerflens stelt dus "A" voor uit het voorbeeld hiervoor. Aan de rechterzijde van de kogels zit een flens die verbonden is met je middennaaf waar de spaken in zitten van je achterwiel (dat is dus "B" uit het vorige voorbeeld). Bij de NuVinci Harmony traploze (en automatische) versnelling draait het om het variëren van de verhouding tussen radius Ri en radius Ro. De radius input (Ri) en de radius van de output (Ro). De verhouding tussen die twee bepaalt de versnelling / vertraging.

In de linker illustratie boven aan de pagina is de situatie afgebeeld bij een lage versnellingsstand. Op de plaats waar "Ri" (radius input) staat raakt de aandrijfflens de kogels die daardoor rond de rotatie-as gaan draaien. Omdat de radius (afstand as tot buitenkant kogel) bij Ri groot is, of anders geschreven, omdat de omtrekt van de kogel daar relatief groot is, zal de aandrijfflens relatief snel moeten draaien om de kogel in een bepaalde snelheid rond te draaien. De rechter flens, bij Ro heeft een kleine radius en omtrek van die denkbeeldige cirkel zal klein zijn en de rechterflens zal daarom rustig ronddraaien, een lage versnelling dus.

In de illustratie boven aan de pagina in het midden is de overbrengingsverhouding tussen de aandrijving (links) een wiel (rechts) gelijk, dat is dus een versnelling in de middenstand.

In de rechter illustratie is een hoge versnelling afgebeeld. De aandrijfflens links heeft maar een korte radius (Ri). Als de rotatiesnelheid van de trappers, dus ook van de kogels, constant gehouden wordt, dan zal de snelheid bij Ro (dus het achterwiel) juist hoog zijn. Een hoge versnelling dus.

Bij de NuVinci Harmony wordt door het variëren van de hoek van de rotatie-as van de metalen kogels, bij gelijkblijvende rotatiesnelheid aan de linkerzijde, zal de de snelheid van het achterwiel langzamer of sneller gaan. Het enige wat je moet variëren om langzamer of sneller te gaan rijden is je de kracht die je op de trappers uitoefent en dus niet meer de trapfrequentie én kracht op je pedalen zoals dat bij een handgeschakelde versnelling het geval is.

Computer past constant aan

De NuVinci Harmony heeft een kleine computer die de snelheid meet en de overbrengverhouding van de versnelling daar razendsnel op aanpast. Welke snelheid je ook fietst, de trapfrequentie zal constant gehouden worden. De energie die hiervoor nodig is wordt geleverd door de accu van de elektrische fiets.