Tandwielen blijvende industrie voortstuwen

Tandwielen zijn zo oud als de straat. De oudste vondsten gaan terug tot 3000 voor Christus. Doorheen de jaren zijn ze echter steeds geavanceerder geworden, zodat ze vandaag waardevolle componenten in tal van machines zijn. Van debietcontrole in kerncentrales, over de aandrijving in wagens, tot zelfs het zonnescherm van de vorig jaar gelanceerde James Webb telescoop. Ingenieurs vinden nog altijd manieren om hun werking verder te verfijnen en toe te passen. Vandaag ook in de luchtvaart.

Tandwielen maken gebruik van het hefboomeffect om de snelheid en het koppel van roterende assen in machines aan te passen. In de meeste gevallen heeft het een ronde vorm, waarbij in de rondte tanden zijn uitgesneden. Simpel uitgelegd passen die tanden dan perfecte in andere tandwielen (één of meerdere) om vermogen over te brengen en de snelheid te controleren. Welke vorm de tanden precies aannemen, kan enorm verschillen. Door te spelen met de afmetingen van de tandwielen, kunnen de snelheid en het koppel verhoogd of verlaagd worden in functie van de noden. Het lijken misschien eenvoudige, onopvallende componenten, maar ze stellen ons wel in staat om het vermogen te controleren en te kanaliseren om een bepaald doel in toepassingen te realiseren.

Pas door de ontwikkelingen in wiskunde en technologie (vanaf de jaren 1600) kregen tandwielen meer toepassingen. Er is immers kennis nodig van moeilijke wiskundige concepten om tandwielen te verfijnen voor complexere taken. De massaproductie van tandwielen kwam pas op gang met het begin van de eerste industriële revolutie. De eerst verspanende gereedschappen, specifiek voor het snijden van de tanden, kwamen toen op de markt voor een nauwkeurige en vooral consistente kwaliteit. Het gaf ook hun aanwezigheid in machines een boost. Ze werden steeds vaker geïntegreerd om de efficiëntie, nauwkeurigheid en snelheid te verbeteren. Niet met enkele percentjes, maar vaak met aanzienlijke sprongen vooruit. Daarbij kwam ook de overbrengingsratio steeds meer in de kijker. Dit is de maat voor de rotatiesnelheden van de twee in elkaar grijpende tandwielen. Een ratio van 3:1 betekent dat het aandrijvende tandwiel drie keer roteert, terwijl het aangedreven tandwiel maar één keer roteert.

Ook vandaag is het tandwiel nog lang niet uitgepraat. Er wordt verwacht dat het de komende jaren een fundamentele shift in de luchtvaartsector zal teweegbrengen. Een nieuw tandwiel deed in januari 2016 bijvoorbeeld zijn intrede in een straalmotor die maar liefst 136 kiloton stuwkracht levert. Een commercieel succes mogelijk gemaakt door tandwielen, want deze motoren zitten intussen in meer dan 1.000 vliegtuigen van 51 luchtvaartmaatschappijen. Het ontwerp integreert een epicyclische tandwieltrein in de straalmotor om de efficiëntie van de verschillende motoronderdelen te maximaliseren. Hierdoor kunnen deze de prestaties van motoren zonder tandwielen makkelijk overschrijden. De introductie van een tandwielkast (tandwieltrein in een behuizing) in het ontwerp van de turbofan zorgt ervoor dat elke van deze twee specifieke motoronderdelen – de ventilator en de turbine – dichter bij hun optimale snelheid kunnen draaien. 

Naarmate het gebruik van tandwielen in straalmotoren zal toenemen, zal er een geoptimaliseerde machine ontstaan – een kleinere, lichtere motorkern met minder turbine- en compressietrappen, wat resulteert in minder lawaai, brandstofverbruik en emissies. Nu de 3: overbrengingsverhouding werkt, is de fabrikant van plan om over te stappen op modellen met hogere stuwkracht en hogere overbrengingsverhoudingen. Op termijn moet dit leiden tot potentieel grotere brandstofbesparingen en mogelijk dus tot een grote ommekeer in de markt voor straalmotoren.