Er zit meer achter de versnellingen van een motorfiets dan alleen de grootte van de grote ring. In het kort komt het erop neer dat de grootte er niet toe doet, omdat het de overbrengingsverhoudingen zijn die worden gegenereerd door elke combinatie van de kettingbladen met de tandwielen die het belangrijkst zijn. In deze post – een bijgewerkte versie van een artikel dat voor het eerst in 2014 werd gepubliceerd – bekijkt de Australische tech-redacteur Matt Wikstrom hoe je zin kunt geven aan overbrengingsverhoudingen en bespreekt hij alle nuances die ze kunnen bieden.
In de afgelopen 30 jaar is het aantal versnellingen op racefietsen gestaag toegenomen. De huidige groepen bieden nu 22 versnellingen door de combinatie van twee kettingbladen en 11 tandwielen. In die tijd zijn ook de maten van de kettingbladen en tandwielen toegenomen, zodat rijders veel ruimte hebben om de versnellingen op hun fiets te verfijnen.
Met zo’n groot aanbod aan versnellingen is het verleidelijk om te denken dat het niet veel zin heeft om eraan te sleutelen, maar de menselijke motor vraagt erom. Er is immers een eindige hoeveelheid vermogen beschikbaar en de efficiëntie van het systeem hangt af van het handhaven van een consistente cadans (~80 rpm), ongeacht veranderingen in het terrein of de rijomstandigheden.
Elke racefietser weet dat de grootte van de kettingbladen en tandwielen de gearing van de fiets bepalen, maar er is meer aan de hand dan alleen het aantal tanden. Het belangrijkste is de verhouding en de manier waarop de tandwielen de inspanning met het kettingblad vermenigvuldigen.
Een inleiding tot overbrengingsverhoudingen
Vóór de komst van de kettingaandrijving, stelden vroege fietsers vast dat de grootte van het aandrijfwiel een grote invloed had op de snelheden die gehaald konden worden. Penny-farthings werden niet ontworpen met een enorm voorwiel om esthetische redenen – de massieve omtrek maakte hogere snelheden mogelijk, mits de berijder sterk genoeg was om het wiel te draaien.
De introductie van de ketting-aandrijving verbeterde de efficiëntie van de fiets, omdat tandwielen konden worden gebruikt. Door een groot tandwiel op de cranks te combineren met een klein tandwiel op het wiel, produceerde een enkele draai aan de cranks meerdere omwentelingen van het achterwiel, zodat het net zo kon werken als het massieve aandrijfwiel van een Penny-farthing.
Het berekenen van het aantal omwentelingen van het wiel dat door de versnelling van een fiets wordt geproduceerd is eenvoudig een kwestie van het bepalen van de verhouding van het kettingblad tot het achtertandwiel. Bijvoorbeeld, wanneer een 53T kettingblad wordt gekoppeld aan een 12T tandwiel, heeft het een verhouding van 53:12, of 4,42, dus een volledige omwenteling van de crank zal het achterwiel 4,42 keer doen draaien. Daarentegen levert 39 x 25T een overbrengingsverhouding van 1,56.
Vergelijking van overbrengingsverhoudingen
Met alle opties die beschikbaar zijn voor de hedendaagse racefietser, is het mogelijk om overbrengingsverhoudingen te produceren die zo klein zijn als 1,0 en zo groot als 5,0 met stappen van 0,15-0,40. Op zichzelf zijn deze getallen niet bijzonder beschrijvend, maar ze kunnen worden omgezet in meer zinvolle waarden op een van de twee manieren.
De eerste methode is om de overbrengingsverhouding te relateren aan de wielmaat door de overbrengingsverhouding te vermenigvuldigen met de diameter van het wiel (Figuur 1A). In het geval van een wegwiel kan eenvoudigheidshalve 27 inch worden gebruikt (hoewel de werkelijke diameter van een 700c velg met een 23mm band eerder 26,3 inch is). De resulterende waarde, versnelling inch, vertegenwoordigt de diameter voor een gelijkwaardig direct-drive wiel (zoals het voorwiel van een Penny-farthing).
Bij voorbeeld, het gebruik van een hoge overbrengingsverhouding zoals 53 x 12T is gelijk aan het rijden op een penny-farthing met een voorwiel dat bijna 10 voet (of 3m) hoog is. Een lage overbrengingsverhouding zoals 39 x 25T komt daarentegen overeen met een wiel van 42 inch.
De tweede methode, roll-out (ook wel meters ontwikkeling genoemd), wordt berekend door de overbrengingsverhouding te vermenigvuldigen met de omtrek van het wiel (gemeten in meters, Afbeelding 1B). Deze waarde vertegenwoordigt de afstand die de fiets zal afleggen met één crankomwenteling. Zo levert 53 x 12T 9,28 meter roll-out op voor een racefiets met 25C banden, tegen 3,28 meter voor 39 x 25T.
Van de twee is roll-out iets informatiever, al was het maar omdat het tastbaarder is dan een theoretische wieldiameter. Niettemin kunnen beide waarden worden gebruikt om eenvoudig de verwachte snelheid voor een gegeven cadans te berekenen:
Snelheid (km/h) = Roll-out/1000 x cadans (rpm) x 60
Snelheid (mijl/u) = Versnelling inch/63, 360 x Pi (3,14159) x cadans (rpm) x 60
Dergelijke overwegingen zijn van cruciaal belang voor rijders die een vaste versnelling gebruiken (bijv. baan- en BMX-racers). In deze omgeving kan een klein verschil in versnelling (0,1m/1 versnelling inch) van invloed zijn op hoe gemakkelijk de rijder kan versnellen en de maximale snelheid die hij kan bereiken. Op de weg zijn dergelijke verschillen echter niet voelbaar en zijn grotere stappen (0,5 m/5 versnellings inch) over het algemeen zinvoller.
Een blik op de roll-out voor weggroepen
Figuur 2 toont het bereik van de roll-outs van elk van de belangrijkste kettingringcombinaties – standaard (53/39T), semi-compact (52/36T), en compact (50/34T) – met een verscheidenheid aan tandwielmaten. Op het eerste gezicht is het gemakkelijk te zien dat een standaard crankstel hogere roll-outs genereert dan de andere kettingringcombinaties, maar er is ook veel overlapping. Er is zelfs veel meer overeenkomst tussen de drie cranksets dan dat er verschillen zijn.
Er zijn bijvoorbeeld zes kettingblad combinaties die 5m roll-out opleveren: 39 x 16T, 36 x 15T, 34 x 14T, 53 x 23T, 52 x 21T, en 50 x 21T. Bij een cadans van 80rpm zal een fietser altijd 24km/h halen, ongeacht de combinatie die hij gebruikt.
Hetzelfde geldt voor bijna elke uitrol: de overbrengingsverhouding is veel belangrijker dan het aantal tanden. Het is alleen wanneer een rijder hoopt de uitloop van de fiets te maximaliseren, of te minimaliseren, dat het belangrijk wordt om aandacht te besteden aan de grootte van de kettingbladen en/of tandwielen.
2x transmissies produceren een aanzienlijk aantal redundante overbrengingsverhoudingen
Op het eerste gezicht belooft de combinatie van twee kettingbladen en 11 tandwielen een indrukwekkende reeks overbrengingsverhoudingen, maar het geeft ook aanleiding tot een aanzienlijke hoeveelheid redundantie, ongeacht het crankstel en de tandwielen die worden gebruikt (Figuur 3A).
Deze redundantie treedt altijd op rond het midden van het bereik van de overbrengingsverhoudingen, waar de roll-outs gegenereerd door de kleine kettingring en de kleinste tandwielen in wezen overeenkomen met die geproduceerd door de grote ring en de grootste tandwielen. Wanneer deze overlapping wordt weggenomen, kan het aantal discrete overbrengingsverhoudingen dat een 2 x 11 transmissie biedt zo klein zijn als 14 en zo groot als 17, afhankelijk van het bereik van de tandwielen (figuur 3B; zie ook figuur 7).
Voor rijders die ijverig afzien van cross-chaining zal veel van deze redundantie onopgemerkt blijven. Het is simpelweg het product van het relatief bescheiden verschil tussen de grote en kleine kettingbladen, dus er is geen manier om het te verminderen of te elimineren zonder te kiezen voor een heel andere combinatie van kettingbladen.
Bijv. een 53/28T crankstel gecombineerd met een 7-speed 11-19T cassette levert hetzelfde aantal discrete verhoudingen op als een standaard crankstel gekoppeld aan een 11-speed 11-27T cassette, zoals te zien is in Figuur 4.
Hoewel het idee van een aandrijflijn zonder overbodige overbrengingsverhoudingen misschien heel aantrekkelijk is, maken deze “verspilde” combinaties de transmissie handiger in het gebruik. Het is namelijk niet strikt noodzakelijk om van het ene kettingblad naar het andere te schakelen om de volgende overbrengingsverhouding te vinden. Dat elke fabrikant van groepen voorderailleurs heeft gemaakt die beter geschikt zijn voor het kruiskoppelen, draagt alleen maar bij aan dit gemak.
Het is belangrijk om op te merken dat als een rijder lange tijd kruiskoppelt, dit de slijtage van de ketting, cassette en kettingbladen zal versnellen.
De grootte van de kettingbladen heeft een subtiel effect op alle overbrengingsverhoudingen
Ik heb al besproken dat standaard, semi-compact, en compact crankstellen allemaal veel van dezelfde overbrengingsverhoudingen genereren. Voor een bepaalde tandwielset zal een standaard crankset echter altijd meer roll-out genereren dan semi-compacte en compacte cranksets (Figuur 2). De keuze van de kettingbladen bepaalt dus voor een groot deel hoe de versnelling van de fiets aanvoelt.
Voor renners die graag tollen en lange tijd een hoge cadans kunnen aanhouden, zijn compacte kettingbladen waarschijnlijk beter geschikt dan een standaard combinatie. Daarentegen zullen rijders die bij een lagere cadans grotere versnellingen kunnen rijden, eerder de voorkeur geven aan grotere kettingbladen.
Het effect van de grootte van de kettingbladen op de gearing van de fiets is echter meer dan alleen het maximaliseren of minimaliseren van de roll-out. Het heeft ook een effect op de grootte van de stappen tussen elke overbrengingsverhouding. Figuur 2 geeft hiervan een idee, maar het is gemakkelijker te visualiseren door dezelfde waarden in een lijngrafiek uit te zetten, zoals in figuur 5A.
Het is de helling van elke lijn in deze figuur die belangrijk is: deze wordt steiler naarmate de stappen tussen de overbrengingsverhoudingen groter worden. In dit voorbeeld voor een 11-speed 11-28T cassette is de helling van de lijn voor een standaard crankset steiler dan voor een compact crankset, vooral voor het kleine kettingblad, zodat er relatief grotere stappen tussen elke overbrengingsverhouding zijn. Hetzelfde geldt voor semi-compact cranks, hoewel de verschillen niet zo groot zijn.
Worden ze op de weg gevoeld? Voor sommige rijders is het antwoord een volmondig ja, terwijl het voor anderen misschien niet meer dan een nuance zal zijn. Uiteindelijk zal het afhangen van hoe gemakkelijk een renner in staat is om zijn cadans te variëren en of hij de vrijheid heeft om zijn eigen tempo te bepalen. Voor die renners die hun cadans voor een bepaalde snelheid nauwkeurig moeten afstellen (bijvoorbeeld bij wedstrijden of tijdritten), zullen dergelijke nuances belangrijk zijn en de voordelen kunnen worden gemeten in termen van comfort en efficiëntie.
Er komt echter een punt waarop de stappen tussen versnellingen te groot kunnen zijn voor wielrennen op de weg. Figuur 5B vergelijkt de rollouts voor een 1×11 transmissie (50T kettingblad/10-42T cassette) met een standaard crankset gekoppeld aan een 11-32T cassette. Aan de lage kant bieden beide combinaties dezelfde overbrengingsverhoudingen met relatief kleine stappen, maar naarmate de roll-out toeneemt, worden de stappen steeds groter voor de 1x transmissie.
Terwijl deze grotere stappen een grotere toename in snelheid beloven bij elke versnellingswissel, kunnen renners het veel moeilijker vinden om een gelijkmatige cadans aan te houden zonder abrupte veranderingen in hun snelheid te maken (of vice versa). Desondanks zal ten minste één professioneel team volgend jaar in het peloton een 1x transmissie gebruiken, zij het met een verandering naar een 12-speed cassette en misschien de introductie van een 9T tandwiel.
Het is de moeite waard om ook op de tandwielen te letten
De grootte van de tandwielen heeft ook invloed op het verloop van de overbrengingsverhoudingen. Wanneer er kleine verschillen zijn tussen de tandwielen (bijv. 1-2T), zullen de overbrengingsverhoudingen relatief kleine stappen vertonen in vergelijking met een cassette met grotere verschillen tussen de tandwielen (bijv. 3-4T).
Bijv. een 11-speed 11-23T cassette biedt een zeer vloeiend verloop van de roll-outs doordat er één tand verschil is tussen alle, behalve de grootste twee tandwielen (Figuur 6A). Daarentegen zijn de meeste tandwielen (9/11) waaruit een 11-32T cassette bestaat twee tanden of meer van elkaar verwijderd, dus hoewel het drie lagere overbrengingsverhoudingen biedt, zijn de stappen over het algemeen steiler en de progressie veel hobbeliger.
Hetzelfde effect is te zien bij een vergelijking tussen een 11-speed 11-28T cassette en een 14-28T cassette (Afbeelding 6B). In beide gevallen zorgt een kleiner bereik van tandwielmaten er niet alleen voor dat de progressie van roll-outs wordt afgevlakt, maar ook dat het aantal discrete overbrengingsverhoudingen toeneemt. Het totale bereik van overbrengingsverhoudingen wordt echter beperkt, dus rijders moeten bereid zijn om ten minste een paar versnellingen aan de ene kant van het spectrum op te offeren om te kunnen genieten van kleine stappen tussen elke overbrengingsverhouding.
Op dit punt is het de moeite waard op te merken dat 3x-transmissies veel van dit soort compromissen kunnen ondervangen, door het bereik van lage overbrengingsverhoudingen uit te breiden met behoud van een bescheiden mate van progressie (hoewel dit uiteindelijk zal afhangen van de keuze van de achterste tandwielen). 3x transmissies zijn echter grotendeels van de markt verdwenen, en voor de producten die er nog zijn, geldt dat ze niet altijd compatibel zijn met een modern wegframe.
Bandmaat heeft effect op de gearing van een fiets
De laatste jaren is er een verandering in denken opgetreden en zijn wegrenners zich gaan verheugen op het extra comfort en de grip die bredere banden bieden. Als een band breder wordt, wordt hij ook hoger, waardoor zowel de diameter als de omtrek van het wiel groter worden. Dit zal op zijn beurt de roll-out voor elke versnellingscombinatie op de motor vergroten.
Dit effect kan grotendeels worden genegeerd wanneer het verschil in bandenmaat klein is. De omtrek van een 28C-band is bijvoorbeeld slechts 1,4% groter dan die van een 23C-band, zodat dit slechts een gering effect heeft op de uitrol (figuur 7A). De diameter van een 40C-band is daarentegen bijna 4% groter dan een 23C-band, en het effect op de uitrol van de motorfiets komt overeen met het toevoegen van twee extra tanden aan elk kettingring (figuur 7B).
Dus, voor degenen die kijken naar een gravel/all-road fiets, is het de moeite waard een compact of zelfs een sub-compact crankstel te overwegen om de verandering in gearing te compenseren.
Hoe kies je een versnelling
De enige manier om te bepalen hoe deze effecten op de versnelling van een fiets zich op de weg vertalen, is ze aan de tand te voelen. Dit kan een kostbare aangelegenheid zijn, vooral wanneer een wijziging van de kettingbladen wordt overwogen, dus het beste moment om de kwestie te onderzoeken is wanneer een of alle onderdelen van de transmissie aan vervanging toe zijn. In het algemeen zal het vervangen van de tandwielen een kleiner effect hebben op de versnelling van de motorfiets dan het vervangen van de kettingbladen.
Voor de rijders die van plan zijn een reis te maken om meer uitdagend terrein aan te pakken (bijvoorbeeld een bezoek aan de Franse Alpen), dan is het mogelijk om een aantal gissingen te doen op basis van het bereik van de lage overbrengingsverhoudingen die momenteel in gebruik zijn. Niemand wil ooit vast komen te zitten met de wens naar een lagere versnelling, dus is het verstandig om ten minste één extra lage versnelling toe te voegen om het ergste scenario het hoofd te bieden.
In deze context is er meestal veel minder behoefte aan hoge versnellingen, vooral wanneer je over onbekende wegen naar beneden suist, dus een paar hoge versnellingen kunnen worden opgeofferd zonder de bruikbaarheid van de motor te beïnvloeden. In feite wordt er over het algemeen veel te veel nadruk gelegd op het behoud van hoge versnellingsverhoudingen op racefietsen, omdat de meerderheid van de rijders simpelweg niet de paardenkracht heeft om deze versnellingen op enig moment te gebruiken, behalve tijdens een afdaling, op welk punt de zwaartekracht veel van het werk kan doen.
Voor degenen die bezig zijn met het selecteren van de onderdelen voor een op maat gemaakte racefiets, zal de versnelling op een bestaande fiets dienen als een vrij goed uitgangspunt. Als de wiel- en bandenmaten identiek zijn, dan zijn kleine veranderingen in de tandwielmaten wellicht voldoende, maar het is de moeite waard om de overbrengingsverhoudingen van specifieke kettingringcombinaties (zoals hierboven beschreven) te vergelijken voordat je een definitieve beslissing neemt over de cranks.
Enige opmerkingen over de hardware
Er was een tijd (meer dan 20 jaar geleden) dat tandwielen per stuk werden verkocht en rijders de maten voor het achterwiel konden kiezen die ze wilden. Tegenwoordig worden kopers beperkt door wat cassette fabrikanten kiezen om te assembleren, dus er is veel minder vrijheid als het gaat om het kiezen van de vertanding voor een fiets.
Bij voorbeeld, als we kijken naar de 11-speed cassettes die momenteel worden aangeboden door Shimano en SRAM, bijna allemaal geven de voorkeur aan een 11T tandwiel, zelfs als er tandwielen van 32T of 36T worden bijgeleverd. Er zijn slechts drie uitzonderingen – 12-25T, 12-28T, en 14-28T – die allemaal door Shimano worden aangeboden.
Hetzelfde soort beperkingen geldt ook voor de selectie van kettingbladen – waar het vroeger mogelijk was om kettingbladen voor de weg te krijgen in stappen van één tand, is dat nu beperkt tot slechts een paar keuzes. De keuzemogelijkheden voor een bepaalde crank worden verder beperkt door het boutpatroon (bijvoorbeeld vier bouten versus vijf bouten) en de diameter van de boutcirkel (bijvoorbeeld 110 mm versus 130 mm). Als gevolg hiervan zijn de kettingbladen veel minder onderling uitwisselbaar dan men zou verwachten.
Een aantal incompatibiliteiten heeft ook gevolgen voor de derailleurs. In het geval van de voorderailleur, terwijl het mogelijk is om veel van de huidige modellen te gebruiken met een reeks van grote ringen (46-54T), is er een limiet (als gevolg van de afmetingen van de kooi) op hoeveel kleiner de tweede kettingring kan zijn. Dit is typisch niet meer dan 16T, dat is de reden waarom een 34T nooit kan worden gekoppeld aan een 53T.
Wat betreft de achterderailleur, de geometrie van dit onderdeel dicteert welke maat tandwielen kan worden gebruikt. De derailleurs met een korte kooi zijn beperkt tot 28T (of 29T in het geval van Campagnolo); kooien van gemiddelde lengte kunnen tandwielen tot 32T bevatten; terwijl een derailleur met een lange kooi nodig is voor een 36T tandwiel. In sommige gevallen is het mogelijk om voor een derailleur een iets groter tandwiel te gebruiken, maar dit moet van geval tot geval worden beoordeeld, bij voorkeur door een ervaren monteur.
Eindgedachten en samenvatting
De hedendaagse racefietser heeft meer overbrengingsverhoudingen dan ooit, en dankzij de steeds groter wordende tandwielen en de krimpende kettingbladen zijn die overbrengingsverhoudingen ook steeds kleiner geworden. Het is dit laatste dat de sport goed van pas komt, het verlaagt de drempel om te beginnen en maakt het voor gelegenheidsfietsers mogelijk om meer tijd op de fiets door te brengen.
Hoewel de industrie een redelijk genereus aanbod van kettingbladen en tandwielmaten heeft geleverd, is er geen gemakkelijke manier voor een fietser om het nut van een bepaalde combinatie te bepalen zonder deze in gebruik te nemen. Uiteindelijk is versnelling een persoonlijke keuze en iedere fietser zou de vrijheid moeten hebben om zelf over deze zaak te beslissen in plaats van de conventionele wijsheid te volgen.
In dit opzicht laat het verschijnen van nieuwe technologieën rond elektronische groepenstellen veel belovend zien. Het is nu mogelijk om te bekijken en gegevens te verzamelen over hoeveel tijd wordt besteed aan het gebruik van elke versnelling op de fiets en dit soort informatie zal van onschatbare waarde blijken voor het beoordelen van het nut van specifieke kettingring en tandwiel combinaties. In combinatie met metingen van de hartslag en/of het vermogen is het mogelijk om die versnellingen te identificeren die het meest efficiënt zijn voor een rijder, terwijl ook eventuele slechte gewoonten die ze hebben ontwikkeld (zoals cross-chaining voor langere perioden) aan het licht komen.
Op den duur kunnen wegversnellingssystemen zich ontwikkelen tot het punt waar intelligent schakelen een realiteit wordt, die de efficiëntie van de menselijke motor in stand houdt in plaats van de keuze van de versnelling in de handen van een onervaren rijder te laten. Hoewel dit idee puristen kan beledigen, is er de belofte dat het rijders zal bevrijden van de last van het bedienen van de versnellingen, zodat ze beter in staat zijn van de activiteit te genieten.
