/Voorpagina
/Mensen
/Nieuws
/Opinie
/Cultuur
/Studentenleven
/Achtergrond
/English page
/Onderzoek
/Reportage
/Bestuur
/Ruis
/Ranzigt
/Colofon
/Faculteits Berichten
/Vacatures
/Mensa
/Oude cursors
/pdf formaat
/TUE
/Zoeken:
/ Cursor nummer 1 nummer 2

Jaargang 44, 29 november 2001


Achtergrond

Untitled Document

Sportief én zuinig rijden met Zero Inertia

Zero Intertia/Enith Vlooswijk
Foto's/Bart van Overbeeke
Lekker snel optrekken en toch zuinig autorijden: het lijkt een onmogelijke paradox. Met behulp van een vliegwiel zijn deze uitersten toch te combineren. De promovendi Alex Serrarens, Bas Vroemen en Roëll van Druten ontwikkelden in samenwerking met het bedrijfsleven een vernieuwend aandrijfsysteem: de Zero Inertia transmissie.

Wie vlot wil accelereren, trapt stevig op het gaspedaal zodat de motor sneller gaat draaien. Dat werkt het beste als het motortoerental bij aanvang al hoog is, dus bij een lage versnelling. Helaas is deze methode over het algemeen energieverspillend. Een auto rijdt namelijk het zuinigst wanneer het motortoerental laag is. Om brandstof te besparen, zou het beter zijn zo snel mogelijk op te schakelen naar een hoge versnelling. Het nadeel daarvan is dat de auto dan sloom reageert en, in het ergste geval, gaat 'bokken'.

In W-Laag, een van de gebouwen waarin de faculteit Werktuigbouwkunde van de TU/e is gevestigd, staat een glanzende Volkswagen Bora. De donkergrijze auto trok in september de aandacht van de nationale pers toen de kroonprins en zijn verloofde erin rondtoerden door Eindhoven. Op het eerste gezicht lijkt het een middelmatig wagentje, maar schijn bedriegt. De motorklep bedekt een ingenieus staaltje technologie dat bovenstaand dilemma verhelpt. De technologie werd ontwikkeld in het kader van het EcoDrive Project, een initiatief van het bedrijf Van Doorne's Transmissie (VDT) in Tilburg. Het project, dat in 1997 van start ging, moest een revolutionaire transmissie voortbrengen die het mogelijk maakt sportief en toch zuinig te rijden. Samen met VDT en TNO Wegtransport-middelen in Delft bracht de TU/e dit project tot uitvoering. De ontwikkelde Zero Inertia (ZI) transmissie kreeg in 1999 de prijs voor het 'meest veelbelovende idee' op de NOVEM Energieconversiedag. Bovendien leverde het systeem twee wereldwijde patenten op.

De ZI transmissie dankt haar succes aan de nauwkeurigheid waarmee alle onderdelen van de aandrijflijn op elkaar zijn afgesteld. De traploze versnelling (Continu Variabele Transmissie, CVT) neemt hierbij een bijzondere plaats in. Bas Vroemen, een van de promovendi die aan het systeem heeft gewerkt, legt uit hoe de CVT functioneert: "Vergelijk het met een sportfiets. Bij een hogere versnelling draait de ketting over een groter tandwiel. Zo hoef je voor hetzelfde aantal wieltoeren minder snel te trappen. Onze CVT heeft geen afzonderlijke tandwielen, maar bestaat uit twee paar taps toelopende kleppen met een stalen band ertussen. Als de kleppen dichter tegen elkaar aan worden gedrukt, schuift de band naar buiten. Deze draait daardoor over een grotere straal, waardoor de motor minder snel hoeft te toeren". Veel auto's bevatten een getrapte versnellingsbak. Dit betekent dat een hele reeks snelheden onder dezelfde versnellingstrap valt. Tegen het eind van zo'n reeks draait de motor steeds sneller, totdat er genoeg vermogen is om de volgende versnellingsstand in te schakelen. Door dit hoger toerental gaat veel energie verloren. De CVT van het ZI-systeem daarentegen past zich continu aan de snelheid van de auto aan en zorgt ervoor dat het motortoerental altijd laag blijft. Een laag motortoerental zorgt echter voor een comfortprobleem: snel optrekken kost meer vermogen dan de motor kan produceren. Juist daarvoor bedachten de onderzoekers een uiterst innovatieve oplossing.

Vliegwiel
"Kijk, dit is hem." Frans Veldpaus, projectleider en co-promotor van Vroemen en Serrarens, loopt naar een kast en haalt een stalen schijf van enkele centimeters dik tevoorschijn. "Dit is nou ons vliegwiel." Simpel uitgedrukt is een vliegwiel een schijf die, als hij eenmaal aan het draaien is gebracht, zeer lang door blijft draaien. Wordt hij echter voortijdig afgeremd, dan komt er energie vrij. In het ZI transmissiesysteem wordt deze energie gebruikt om de motor te helpen bij snelle toerenwisselingen. De naam 'Zero Inertia' staat voor 'nul massatraagheid': de massatraagheid van de motor, die snel optoeren normaal verhindert, wordt gecompenseerd door het extra vermogen dat het afgeremde vliegwiel levert.
Dit gaat als volgt in zijn werk. Het vliegwiel, de CVT en de motor zijn middels een stelsel van tandwielen -een planetaire tandwielset- aan elkaar verbonden. Dit tandwielstelsel zorgt ervoor dat het vliegwiel automatisch vaart mindert als de motor versnelt en vice versa. Wanneer de bestuurder gas geeft om te accelereren, gaat het motortoerental omhoog. Automatisch wordt dan het vliegwiel afgeremd, waarbij direct energie vrijkomt. Door deze extra energie kan de CVT snel worden teruggeschakeld zonder dat de auto gaat 'bokken'. Als de bestuurder weer wat gas mindert om de
autosnelheid vast te houden, wordt de CVT opgeschakeld naar een hogere versnelling. In de hogere versnelling maakt de motor weer minder toeren, wat het vliegwiel opnieuw in beweging brengt.

Brandstof besparen
Het vliegwiel en de CVT bestonden al langer. Het ZI systeem is echter innovatief vanwege de manier waarop deze zaken zijn geïntegreerd tot een ingenieus transmissiesysteem. Nooit eerder werd gebruik gemaakt van een mechanische vermogensbron die de motor op parallelle wijze assisteert. En dat is nog niet alles. Om nog meer energie te besparen, voegden de onderzoekers een tweede principe toe: het ZI-Stop-Go systeem.
Ronkend voor het stoplicht verbruikt een automotor nodeloos veel benzine. Beter zou het zijn de motor tijdelijk uit te zetten. Helaas kost het, met een conventioneel aandrijfsysteem, te veel tijd en energie om opnieuw te starten. Het ZI Stop-Go-systeem biedt hiervoor de oplossing. Bij stilstand van de auto slaat de motor af, terwijl het vliegwiel blijft draaien. Bij vertrek wordt het vliegwiel afgeremd, zodat er genoeg vermogen vrijkomt om de motor opnieuw te starten en tegelijkertijd de wielen in beweging te brengen. In de stad kan het ZI Stop-Go systeem tot acht procent brandstof besparen ten opzichte van een gewone auto. Voeg hier het lage motortoerental en de uitgekiende onderlinge afstelling van de transmissie-onderdelen aan toe en de totale energiebesparing loopt op tot bijna twintig procent.

Aandrijflijn
Mechanisch gezien is het nieuwe aandrijfsysteem relatief eenvoudig. Dankzij deze eenvoud kon Roëll van Druten een zeer compacte ZI transmissie ontwerpen die zonder al te veel problemen in de Volkswagen werd gepast. De werking en de besturing van de aandrijflijn zijn echter uitermate complex.
Alex Serrarens, die een groot deel van het regelsysteem voor zijn rekening nam, opent de motorkap van de Volkswagen. Hij buigt zich voorover en laat met een vinger de gasklep open en dicht klapperen. "Zie je deze gasklep? Die is elektronisch bestuurbaar. Als de bestuurder op het gaspedaal trapt, wordt dit vertaald naar een 'vermogenswens'. Dit zorgt voor een bepaalde stand van de gasklep, die zo precies de juiste overbrengingsverhouding van de CVT teweegbrengt. Zo blijft het motortoerental optimaal."
Een dergelijk regelsysteem vereist complexe software. In de motorbak wemelt het dan ook van de draden en de meetinstrumenten. Een computer in de kofferbak verwerkt en analyseert de meetgegevens. Deze computer staat weer in verbinding met een laptop voorin de Volkswagen. Op het scherm is precies te lezen hoe het systeem reageert op verschillende instellingen. "Met de laptop kunnen we het gedrag van de auto naar believen wijzigen", licht Serrarens enthousiast toe. "Dit was vooral interessant tijdens de eerste testritten, waarbij de auto eenvoudig van een 'oude-mensen-wagentje' kon worden omgetoverd in een 'sportieve leasebak'."
Het Stop-Go gedeelte van het ZI-systeem is alleen getest op een proeflijn. Ook de ZI transmissie behoeft nog verdere verbeteringen. Niettemin is het principe van het ZI systeem in krap vier jaar volledig tot ontwikkeling gebracht, wat relatief snel is. Bram Veenhuizen, projectleider bij Van Doorne's Transmissie, was hierdoor 'aangenaam verrast': "Ik had niet verwacht dat het project zo voorspoedig, volgens budget en tijdsplanning, zou verlopen. De drie promovendi werkten behoorlijk autonoom en hadden al vrij snel een heldere route voor ogen. Voor een technische universiteit is dat meestal moeilijk". Volgens Frans Veldpaus was het succesvolle verloop van het project ten dele te danken aan de interdisciplinaire aanpak. Alex Serrarens en Bas Vroemen zijn afkomstig uit de groep Control Systems Technology, terwijl Roëll van Druten promoveert binnen de groep Aandrijf- en Tribotechniek. "Er wordt ontzettend veel gesproken over interdisciplinair werken, maar uiteindelijk gebeurt het niet zo veel", verzucht Veldpaus. "Dat is jammer, want het gezamenlijk nadenken over problemen levert heel veel op." Bas Vroemen, die het regelsysteem van de CVT ontwierp, voegt toe: "Vaak wordt de regeltechniek er pas achteraf bijgehaald om een constructie goed te laten functioneren. Nu waren we er vanaf het begin bij. Dat werkt veel efficiënter en effectiever".

Patenten
Dat het bedrijfsleven langzamerhand een grotere rol krijgt binnen het wetenschappelijk onderzoek, is geen nieuws. Met name de technische universiteiten laten zich voorzichtig inspireren door de behoeften van de markt. Het EcoDrive-project bewijst dat zowel de universiteit als het bedrijfsleven hiervan de voordelen plukt. "Wij willen onze klanten, de autoproducenten, laten zien wat je met een CVT allemaal kunt", vertelt Veenhuizen. "Bovendien hebben we er twee patenten aan over gehouden. Middelgrote bedrijven zoals wij zijn gericht op korte-termijnprojecten. Langdurige, vernieuwende onderzoeksprojecten overleven de schommelende markt niet. Dan is het goed als we dergelijk onderzoek kunnen 'beleggen' bij een universiteit."
Ook de promovendi steken hun enthousiasme over de samenwerking niet onder stoelen of banken. Vroemen vertelt: "Een groot deel van de vraagstellingen komt van buiten. We definiëren niet zelf het probleem om dan maar te wachten tot de interesse vanzelf komt. Aan de andere kant lossen we natuurlijk niet de 'klussen' van het bedrijfsleven op".
"Bedrijven krijgen steeds beter door wat hun rol kan zijn bij academisch onderzoek", voegt Serrarens toe. "We werken op langere termijn, wat veel bedrijven niet kunnen. Het blijft natuurlijk wel fundamenteel onderzoek, dat is ook voor de subsidiegevers belangrijk. We willen uiteindelijk geen concurrent zijn voor ingenieursbureaus."

Anderhalf jaar geleden kreeg de faculteit Werktuigbouwkunde een nieuwe leerstoel, gericht op CVT-aandrijftechnieken. De functie wordt bezet door Nort Liebrand, voormalig directeur van VDT. Volgens Bram Veenhuizen is dit mede te danken aan het succes van het EcoDrive-project. "De succesvolle samenwerking tijdens het project gaf de aanstelling zeker een duwtje in de rug. Het is de bedoeling dat de leerstoel meer van dit soort samenwerkingsprojecten gaat opleveren."
Het lijkt allemaal te mooi om waar te zijn. Brengt de samenwerking tussen de universiteit en het bedrijfsleven dan enkel rozengeur en manenschijn? "Natuurlijk botsen de belangen van beide partijen soms wel", geeft Veenhuizen toe. "De universiteit is bijvoorbeeld gebaat bij publicaties. Zo komen resultaten soms voortijdig op straat te liggen. Daarover zijn duidelijke afspraken met de bedrijfspartner nodig. In ons geval zijn de resultaten daarom eerst gepattenteerd."

Kruisbestuiving
De kruisbestuiving is de jonge onderzoekers zo goed bevallen dat het drietal inmiddels zelf een bedrijf heeft opgericht: Drive Train Innovations (DTI). In samenwerking met Van Doorne's Transmissie, de TU/e en wellicht andere partners gaan ze hun opgedane kennis exploiteren en verder uitbreiden. "Tijdens congressen bleek dat heel veel mensen geïnteresseerd zijn in ons project", vertelt Serrarens. "Ook mensen die dichter bij de markt staan dan wij. We denken daarom dat het project een grote commerciële spin-off kan krijgen."
Het visitekaartje dat Serrarens uit zijn portemonnee plukt, illustreert zijn ondernemingslust. Is het vooruitzicht van economisch succes het enige dat de jonge ondernemers drijft, of speelt ook ideologie een rol? Serrarens laat er geen twijfel over bestaan: "Ik wil graag iets doen voor de maatschappij, daar leef ik tenslotte zelf ook in. Het geeft een fijn gevoel mijn ouders te kunnen zeggen dat mijn werk maatschappelijk nut heeft. Vaak staat wetenschappelijk onderzoek veel verder van de samenleving af".
Vroemen stemt daar volledig mee in. "Mijn doel is een zuinige auto te maken die betaalbaar én in grote aantallen te produceren is. Zo bespaar je misschien minder brandstof per auto, maar bereik je iets op grotere schaal."
Over de hoeveelheid energie die nog bespaard kan worden, zijn de wetenschappers optimistisch. "Volgens onze berekeningen kan de gemiddelde auto nog zeker 53 procent zuiniger worden", aldus Serrarens. Enige scepsis is echter geboden. "Elke procent brandstof die je bezuinigt, komt er door andere technologische vernieuwingen weer bij", merkt Vroemen fijntjes op. "Denk bijvoorbeeld aan airconditioning."
Terwijl Vroemen en Serrarens over hun plannen vertellen, kijkt Veldpaus glimlachend toe. Hij is zichbaar tevreden. "Over dik anderhalf jaar ga ik met pensioen en dit is een van de mooiste projecten tot nu toe", verklapt hij later. "Het komt niet vaak voor dat behoorlijk conceptuele projecten een degelijke uitvoering krijgen in de praktijk."
De euforie waarmee de onderzoekers uitwijden over hun EcoDrive-project, geeft te denken. Hoe zit het met de gebruikelijke struikelblokken? De vraag ontlokt een vrolijk gelach. "Overal waren struikelblokken!" Serrarens maakt een wegwuivend gebaar. "We hadden onophoudelijk praktische problemen. Zo zaten er op een gegeven moment scheurtjes in de CVT. Als het ene probleem was opgelost, diende het volgende zich aan." Veldpaus relativeert: "Er waren regelmatig praktische problemen in verband met de
protobouw, maar principiële struikelblokken hebben we niet gehad. Dit komt doordat we het concept heel simpel hebben gehouden en dit stapje voor stapje hebben uitgewerkt".

Nu het project bijna is afgerond, rest de vraag wat er met de Volkswagen gaat gebeuren. Veldpaus is nogal in zijn nopjes met het antwoord. "De auto zou eigenlijk teruggaan naar VDT, maar de laatste anderhalf jaar is hun aandacht wat verschoven naar hun kernactiviteit. Hopelijk kunnen we de auto nu hier houden om verder mee te experimenteren. Zo willen we de CVT verbeteren en een nieuw vliegwiel inbouwen om een extra besparing te bereiken. Het geld is er al, nu de promovendus nog."/.

[an error occurred while processing this directive]













Website Cursor