Skip to main content

Porsche synchronisatie

Hakse Straatsma

Vijfentwintig jaar geleden overleed Leopold Schmid, de uitvinder van de Porsche synchronisatie. Alle reden om eens aandacht te schenken aan deze uitvinding die een grote invloed heeft gehad op de ontwikkeling van versnellingsbakken na 1950.

Leopold Schmid

Leopold Schmid

Leopold Schmid, op 14 augustus 1912 geboren in het kleine Oostenrijkse dorpje Hieflau in de provincie Stiermarken, begint zijn carrière in 1936 bij de Adler autofabriek in Frankfurt. In 1941 stapt hij over naar het Porsche constructiebureau, eerst  in Zuffenhausen bij Stuttgart en later in de oorlog in het Oostenrijkse Gemünd waar hij zich onder meer bezig houdt met ontwerp van de onderwagen en de tracks van de 190 ton zware Maus tank.

Na de oorlog blijft Schmid in Gemünd en maakt daar deel uit van het Porsche constructieteam. Op 13 maart 1947 meldt de dan 35 jarige Schmid zijn constructie voor een ”Geschwindigheits-wechselgetrieb mit Geleiglaufenrichtung ” aan bij het Patentbureau in Wenen. Om de patentkosten te kunnen betalen, verkoopt zijn vrouw Christel tapijt en haar naaimachine. Onder nummer 166088 wordt het patent in 1950 verleend. Gebruikelijk wordt een patent op de naam van het bedrijf gezet en krijgt de uitvinder afhankelijk van het succes van het patent bijvoorbeeld een loonsverhoging of bonus, maar Schmid sluit op 29 mei 1947 met de firma Porsche de overeenkomst dat hij de uitvinder van de synchronisatie is en dat Porsche deze uitvinding tegen deelname aan de opbrengsten vermarkten mag. De door Schmid bedachte synchronisatie met een onderbroken dakvormige en verende synchromeshring voorzien van een slijtvast molybdeen laag (figuur 1), zal de geschiedenis ingaan als de Porsche synchronisatie.

Figuur 1 Synchromeshringen

De eerste versnellingsbak waarin deze synchronisatie wordt toegepast is de in 1947 nog in Gemünd door Schmid ontworpen  5 versnellingsbak voor de vierwiel aangedreven Cisitalia  formule 1 wagen.

Het grote voordeel van de “Porsche synchronisatie” ten opzichte van al bestaande synchronisatie systemen zoals die van Borg-Warner (o.a. toegepast bij Opel) is dat de schakeltijd van 0,4 tot 0,1-0,2 seconden verkort wordt. Daarnaast is het een de bijzonder compacte constructie zodat de synchronisatie vaak in het bestaande huis van niet gesynchroniseerde versnellingsbakken past.

Gesynchroniseerde versnellingsbak voor de 356

In 1940 is men bij Porsche in opdracht van VW al bezig met studies om de versnellingsbak van de Volkswagen te voorzien van synchronisatie (ontwikkelingsnummer Type 126), maar dit is verder niet gerealiseerd. In 1948 volgen studies om een synchronisatie voor de VW versnellingsbak te ontwerpen volgens het Schmid systeem (Type 383 en 384). Het lukt Schmid vier synchromeshringen in het bestaande VW versnellingsbakhuis onder te brengen, alleen is er dan geen plaats meer voor de achteruit tandwielen. Deze worden buiten het huis achter een apart deksel geplaatst. Als VW tevreden zou zijn geweest met een synchronisatie voor alleen de hoogste 3 versnellingen, wat toentertijd gebruikelijk is, dan had alles in het bestaande huis gepast. Maar Nordhoff, de directeur van VW, verwerpt de Porsche ontwerpen; zijn achtergrond bij Opel, evenals die van de hoofdconstructeur van VW,  is  de oorzaak dat bij VW gekozen wordt voor de bekende  Borg-Warner synchronisatie zoals die ook bij Opel werd toegepast.

In 1951 beseft men bij Porsche dat de tot dan gebruikte versnellingsbakken van Volkswagen de steeds grotere vermogens en koppels van de vooral de 1,5 liter Porsche motoren niet meer aankunnen. De versnellingsbakproblemen van de Porsches 356 bij de rally Luik-Rome –Luik, bij de recordpogingen in Montlhery bij Parijs in 1951 en de Mille Miglia in 1952, zijn hierop terug te voeren. Daarnaast vereist het geheel ongesychroniseerde VW versnellingsbak een zeer geroutineerde chauffeur (dubbel koppelen en tussengas bij terugschakelen) om vlot en zonder te kraken te kunnen schakelen. Een handigheid die niet iedereen gegeven is.

In 1951 wordt op basis van de studies uit 1948 begonnen met de ontwikkeling van een volledig gesynchroniseerde vier versnellingsbak (type 519) voor de 356, maar nog wel in het magnesium huis van de VW bak. Daar VW niet voor de Porsche synchronisatie heeft gekozen, moet Porsche de productie van de versnellingsbak zelf realiseren. De versnellingsbakfabriek Getrag in Ludwigsburg zal de nieuwe versnellingsbakken bouwen, maar deze leverancier van vrachtauto versnellingsbakken lukt het eerst niet de Porsche kwaliteitsnorm te halen, zodat Porsche de samenbouw van de bakken zelf moet uitvoeren. In juli 1952 wordt met de productie begonnen; Porsche noemt het “das Servo –Synchrone-Getriebe (figuur 2).

Figuur 2. Uit Porsche 356 brochure 1954

De versnellingsbak van het type 519 wordt in 1957 vervangen door het type 644. Het binnenwerk van deze bak is vrijwel gelijk met het vorige type maar in tegenstelling tot het horizontale gedeelde VW huis is het aluminiumhuis van de 644 uit een stuk gegoten; een “Tunnelgehäuse”.

Licenties

De toepassing van de Schmid synchronisatie in de Porsche versnellingsbakken betekent de doorbraak van dit type synchronisatie. In de loop van de jaren wordt deze synchronisatie door vele autofabrikanten toegepast bij zowel personenwagens, vrachtauto’s als racewagens (o.a. Vanwall, Ferrari en Mercedes). Licenties gaan o.a. naar BMC, Alfa Romeo, BMW, DKW, Datsun, Glas, Lancia, Ferrari, Mercedes, Simca en Volvo. Tot 1959 zijn op basis van deze constructie en de toepassingen meer dan 70 patenten in twaalf landen aangemeld. Tot 1968 worden er per jaar meer dan een miljoen versnellingsbakken volgens het systeem Porsche geproduceerd. Porsche krijgt hieruit aanzienlijke licentie inkomsten. Het Duitse tijdschrift “Der Spiegel “ schat in 1961 dat Porsche per vrachtautoversnellingsbak 8 Mark en voor iedere personenwagenversnellingsbak 2 Mark ontvangt. Schmid krijgt zijn aandeel en dat geeft hem de financiële onafhankelijkheid die hij later goed kan gebruiken.

Verbeterd ontwerp

In 1957 ontwerpt Schmid een verbeterde uitvoering van zijn synchronisatie die eind 1958 in productie gaat in een gewijzigd huis (type 716). Hoewel deze nieuwe uitvoering gecompliceerder is als de vorige uitvoering, blijkt deze uitvoering toch nog goedkoper te produceren zijn. Deze uitvoering waarbij met een soort blokkering de synchronisatie van de tandwielen nog sneller plaats vindt, levert weer een nieuw patent op (patent DE1038925, aangemeld op 10 juli 1957).

Met de invoering van de Porsche 356B in 1959 wordt een licht gewijzigde versnellingsbak (type 741) met het zelfde binnenwerk als de 716 toegepast. Deze bak wordt vervolgens ook toegepast in de 356C.

Voor de 911 en 912 (later ook toegepast in de 914) wordt een geheel nieuwe versnellingsbak, type 901, met 4 of 5 versnellingen ontworpen die tot 1972 wordt toegepast. Ook deze versnellingsbakken krijgen de Schmid synchronisatie. Door de toename van het motorkoppel wordt vanaf 1972 het versnellingsbak type 915 toegepast (voortgekomen uit de bak van de 908). In ons clubblad van april, juli, oktober en december 2009 (zie ook de website van onze club) heeft Piet Kraan uitgebreid geschreven over deze versnellingsbakken. Bij de 911 heeft dit type synchronisatie tot 1987 standgehouden. Maar de concurrentie heeft intussen niet stilgezeten. Het gevolg is dat bij de volgende generatie versnellingsbakken, de G50, een Borg-Warner synchronisatie wordt toegepast. De reden om over te gaan op dit type synchronisatie is de goedkopere productie en de soepeler schakeling.

Gedurende de gehele periode, van begin jaren 50 tot in de jaren 80, is de Schmid synchronisatie bij vrijwel alle Porsche typen toegepast, ook bij de sport- en racewagens. Een uitzondering zijn de 924 en 944 die een Audi versnellingsbak met de Borg-Warner synchronisatie krijgen. Alleen de 924 Turbo modellen worden uitgerust met een Getrag bak met Porsche synchronisatie.

Carrière van Leopold Schmid

Leopold Schmid maakt in de jaren vijftig van de vorige eeuw carrière bij Porsche en is in 1961 een van de hoofdconstructeurs onder de leiding van Klaus von Rücker  en de oude hoofdconstructeur Karl Rabe.  Als Karl Rabe in die tijd met pensioen gaat en Klaus von Rücker naar BMW overstapt, hoopt Leopold Schmid  een verdere carrièrestap  te maken. De opvolger van Rücker wordt echter niet Schmid maar Hans Tomala, een relatief onbekende ingenieur afkomstig uit de tractorconstructie.

Schmid trekt zijn conclusies en op 31 mei 1962 neemt hij ontslag bij Porsche en begint zijn eigen uitvinderbureau in Stuttgart. In zijn tijd bij Porsche krijgt hij al een groot aantal patenten op zijn naam maar daarna overspoeld hij tot zijn overlijden op 8 april 1988 het patentbureau met patentaanvragen. Meer dan 100 patenten staan tenslotte op zijn naam variërend van veiligheidsstuurkolommen, plaatsbesparende reservewielen, schokdempers, schijfremmen, ruitenwissers tot kruiskoppelingen. Als een van de laatste patenten is een patent voor een verbetering van zijn synchronisatie. Als hij bij Porsche gebleven was hadden wij mogelijk bij onze nieuwe auto’s nog steeds met een weer verbeterde versie van de door Leopold Schmid bedachte synchronisatie rondgereden.

Geraadpleegde en geciteerde bronnen:

  1. Die Porsche-Techniek, Jeff Daniels
  2. Porsche Geschichte und Technik der Renn- und Sportwagen; Karl Ludvigsen
  3. Deutsches Patent- und Markenamt
  4. Motor Klassiek, juli 1988
  5. Blad Klassieke 911&912 club Nederland, Piet Kraan, uitgave juli, oktober, december 2009
  6. Pelican Parts, Technical Forum
  7. Website auto-techniek.com
  8. “Der Spiegel “ uitgave 41 van 4 oktober 1961

 

Hoe werkt de Schmid synchronisatie?

Figuur 3 geeft een beeld van de eerste Porsche versnellingsbak (type 519) en de onderdelen van de synchronisatie.

Figuur 3. Doorsnede versnellingsbak type 5190001

Het tandwielpaar van de achteruit  liggen geheel links buiten het eigenlijke  huis achter een eigen afdekkap,  de tandwielparen  van de 1ste t/m de 4de in het huis. Bij het schakelen van een versnelling wordt steeds het tandwiel van een tandwielpaar  dat los om de as kan draaien, vast met de as verbonden.  Deze koppeling door het in elkaar schuiven van twee tandkransen, een aan het tandwiel (de zgn. hondentanden) en de andere aan de schakelring kan alleen zonder tandgeknars tot stand komen als het tandwiel en de schakelring het zelfde toerental hebben (gesynchroniseerd). De synchronisatiering moet hiervoor zorgen. Deze onderbroken verende synchronisatiering die links van tandwiel is getekend zit in werkelijkheid rond het linker cilindrische deel van het tandwiel en valt met de opening in het slot zodat de ring niet verdraaien kan, maar wel de ruimte heeft om wat ingedrukt te worden. Als nu bij het schakelen de schakelring die met de as verbonden is via het verbindingsstuk naar rechts wordt bewogen (zie figuur 4) komen de conische vlakjes van de getande binnenkant van de schakelmof en de synchronisatiering tegen elkaar.

Figuur 4, uit Description of the Porsche synchromesh, uitgave Porsche

Door de schakelring nog verder naar rechts te bewegen zal de verende synchronisatiering in elkaar worden gedrukt zodat de wrijvingskrachten op de conische vlakken toenemen (hoe groter de wrijving hoe meer de synchronisatiering naar buiten gedrukt wordt) en de toerentallen van de schakelring en het tandwiel snel gelijk worden. Dan kan de vertanding van de schakelmof gemakkelijk in de tandkrans van het tandwiel worden geschoven en de verbinding tussen tandwiel en as is dan tot stand gebracht. De dakvormige synchronisatiering zit dan opgesloten in het overeenkomstige profiel van de schakelring zodat de schakelring niet gemakkelijk terug schiet.

Bij de door Schmid verbeterde synchronisatie, in deze uitvoering toegepast vanaf versnellingsbak type 716, wordt nog een extra kracht gegenereerd bij het schakelen. Hoe groter de toerentalverschillen hoe groter deze extra kracht. Dit heeft als voordeel dat het koppelen van de twee tandkransen pas kan gebeuren als de toerentallen gelijk zijn ook al wordt er veel kracht gebruikt. In goed Duits noemt Porsche dit “Sperrsynchronisierung mit Servowirkung”. Hierbij zijn onder de synchromeshring nog twee halve veerringen (Sperrband) geplaatst met daartussen stootblokjes (ook wel stenen genoemd) waarvan er een in de opening van de synchromeshring valt en de andere in een opening van de tandkrans.

  

Figuur 5a Porsche-synchronisatie

Wanneer de schakelring richting  versnellingstandwiel wordt gedrukt, glijdt de synchromeshring in de schakelring (Figuur 6a), echter dit gebeurt pas volledig wanneer deze samengedrukt wordt, aangezien de buitenste diameter anders te groot is.

   

Figuur 6a Synchromeshring wordt samengedrukt                                                                                Figuur 6b vertanding schuift in elkaar

Figuur 6c geheel in elkaar geschoven

Als de toerentallen niet gelijk zijn, wordt de synchromeshring meegedraaid en steunt daarbij op een los ingelegd stootblokje, dat via twee halve veerringen  op het met het versnellingstandwiel vast verbonden stootblokje werkt. Afhankelijk van het toerentalverschil tussen as en tandwiel wordt één van de halve veerringen gespreid en verhindert (spert) daardoor een samendrukken van de synchromeshring; hoe groter het toerentalverschil  en hoe groter de kracht op de schakelring,  hoe groter de sperwerking. Pas wanneer er door de wrijving het zelfde toerental wordt bereikt, werkt er geen kracht meer op de  halve veerringen. De synchromeshring kan dan  in de schakelring worden gedrukt (Figuur 6b en 6c). Aangezien de werking van de halve veerringen slechts in één richting gaat, worden twee halve veerringen gebruikt, waarvan de ene bij het versnellen en de andere bij het afremmen werkt.

Hakse Straatsma