De eerste automaat in de geschiedenis​



De originele Hydra-matic transmissie was één van de belangrijkste innovaties in de geschiedenis van de auto. Het was niet de eerste automatische transmissie, maar het was wel de eerste die echt werkte. Het grote commerciële succes baande de weg voor alle toekomstige automatische versnellingsbakken.



We kijken terug naar het ontstaan van de Hydra-matic en zijn uitvinder, Earl Thompson, die ook de eerste versnellingsbak met synchromesh ontwikkelde in de jaren 20.



Schakelen



Recent gooide Ferrari en Lamborghini de knuppel in het hoenderhok door aan te kondigen de handgeschakelde transmissie uit te faseren in het voordeel van de F1 stijl sequentiële versnellingsbakken. Deze aankondiging heeft een oude discussie weer aangewakkerd: zijn de handgeschakelde transmissie en het aparte koppelingspedaal overbodig geworden?

 

De laatste jaren is de verschuiving ook in Nederland te merken. Steeds meer modellen worden uitsluitend geleverd met een automaat. Soms is alleen de basis motorisering nog verkrijgbaar met een handgeschakelde transmissie. Door de verschuiving naar elektrische auto's zal het uiteindelijk afgelopen zijn met het handmatig schakelen. Elektrische voertuigen hebben geen versnellingen nodig en worden nu dus al standaard met een automaat geleverd. 



Buiten een kleine groep enthousiastelingen en vrachtwagenchauffeurs heeft de Amerikaanse auto industrie de handgeschakelde transmissie, op zijn best, gezien als een noodzakelijk kwaad. De versnellingsbak met meerdere versnellingen, die teruggaat tot de jaren 90 van de 19e eeuw, heeft zich aangepast aan de limieten van de vroege motoren met beperkt vermogen en een klein toerenbereik.

​

Een overbrengingsverhouding die goed genoeg was om een zware auto te laten accelereren vanaf stilstand zou de motor in de soep laten lopen boven de 25 km/h, terwijl een optimale overbrengingsverhouding voor normaal rijden flink op z'n lazer zou krijgen als je een bult op moet. Eén van de voordelen van vroege elektrische auto's , ondanks hun zeer beperkte actieradius, is dat ze zelden een andere versnelling nodig hadden. Dit kwam omdat vanaf 0 toeren al het maximale koppel beschikbaar is. Als de eerste autofabrikanten efficiëntere manieren hadden gevonden om elektriciteit op te slaan dan was de ontwikkeling van de personenauto aandrijving heel anders geweest.



Een vroege 'sliding-gear' transmissie was zelden een plezierige ervaring. Zelfs opschakelen vroeg om een exacte timing en geduld om te voorkomen dat de tandwielen knarsten, terwijl terugschakelen om 'dubbel clutchen' vroeg en het matchen van het toerental. Maar weinige bestuurders kregen dat perfect onder de knie. Toerentellers waren nog een zeldzaamheid op normale auto's, dat maakte het dus niet makkelijker. De strategie van veel bestuurders was om ze snel mogelijk in de hoogste versnelling te rijden en blijven rijden totdat je weer moest stoppen.

​

Autofabrikanten waren niet blind voor dit probleem en begonnen manieren te zoeken om dit leed te verzachten. Henry Ford prefereerde planetaire transmissies, hij leerde pas in de jaren 20 om een normale versnellingsbak te bedienen. De pedaal gestuurde planetaire versnellingsbak van de Model T was marginaal minder gecompliceerd in gebruik.

​

Preselector



Vlak na de eerste wereldoorlog begonnen een aantal uitvinders, waaronder de Britse Walter Gordon Wilson en de Franse Jean Cotal, de mogelijkheden te onderzoeken naar een meer sophisticated  'preselector' planetaire transmissie. Met een preselector transmissie kies je de gewenst overbrengingsverhouding met een selectiehendel en schakel je die in door het indrukken van een selectie pedaal die de plaats van het conventionele koppelingspedaal had ingenomen. Ze waren erg gemakkelijk. Als ze werkten.  Ze waren duur, zwaar, verbruikten veel vermogen en te gecompliceerd voor de meeste monteurs. Wilson en Cotal preselectors werden in enkele Britse en Franse auto's gebruikt tot aan de vroege jaren 50, het werd echter nooit een succes.

 

Zelfs deze preselector transmissies waren niet automatisch, hoewel ze zelf schakelen wel makkelijk maakten. Er zijn experimenten geweest vanaf 1904 met automatisch schakelen maar deze hadden alle weinig succes. Tot aan de jaren 30 waren hydraulische remmen al geavanceerd, laat staan automatisch schakelen.

​

De Cord 810/812 was als één van de weinige Amerikaanse auto's uitgerust met een preselector transmissie. Een 4 versnellings Bendix 'Electric Hand' bak. Hij werd gebruikt omdat hij de verbinding tussen de schakelhendel en de voor de motor geplaatste bak vereenvoudigde.

E.L. Cord, de oprichter van het merk, had technologie hoog in het vaandel staan en niet het verkopen van de auto. Ondanks het vreemde design, dat veel Amerikanen toch konden waarderen, deed de techniek Cord de das om.  Voorwiel aandrijving met onafhankelijk vering, weggewerkte koplampen, ontbrekende treeplanken en meer maakte dat de auto in niets leek op andere 1935 auto's. De productieaantallen zijn nooit gehaald en door de moeilijke techniek en de desinteresse van E.L. Cord  zorgde ervoor dat eind 1937 het verhaal over was.

​

Hoe het begon

 

Uiteraard is de automaat niet uitgevonden door één persoon en ineens
miraculeus geïntroduceerd en een instant succes. Het gaat hier dan om de eerste automaat die ook vandaag de dag nog als zodanig herkend zou worden. In Frankrijk maakten Louis-Rene Panhard en Emile Levassor een soort automaat die helaas tijdens een demonstratie in 1894 direct stuk ging. De uitleg werd verder afgerond via een demonstratie getekend op een schoolbord. In Boston, USA, werkten de gebroeders Sturtevant aan een 2 traps automaat die moest werken met centrifugaal gewichten die bij een bepaalde snelheid de koppeling zouden deactiveren. In theorie ene goed idee, de uitwerking was echter verre van betrouwbaar. De Canadees Alfred Horner Munro had in 1923 een patent aangevraagd op een automaat. Zijn uitvinding gebruikte perslucht (hij was een stoom ingenieur) maar deze was niet echt krachtig of praktisch. In Brazilië in 1932 werkten José Braz Araripe en Fernando Lehly Lemos aan een systeem dat hydraulisch druk zou gebruiken om het schakelen af te handelen. Hun ideeën en prototype werden uiteindelijk door GM gekocht om verder te gaan ontwikkelen. 

​

Syncro-Mesh Silent-Shift​



Onder de vele mensen die een manier zochten om schakelen simpeler te laten verlopen was een hydrauliek ingenieur uit Portland, Oregon, genaamd Earl A. Thompson. Thompsons eerste stap was het vereenvoudigen van het schakel proces. In 1918 vroeg hij een patent aan op hetgeen hij het 'automatisch versnellingswissel mechaniek' noemde. Het maakte gebruik van conische synchronizers om de snelheid van de tandwielen gelijk te krijgen voordat deze gekoppeld worden.  Het patent voor deze uitvinding was eigenlijk voor een preselector transmissie maar het belangrijkste was dat het zorgde voor knarsvrij schakelen zonder 'dubbel clutchen'.



Thompson ontwikkelde een werkend prototype en installeerde het in een nieuwe Cadillac die was gedoneerd door zijn jongere broer Kirk die een Cadillac dealerschap runde in Spokane, Washington. In 1924 reed Thompson de Cadillac naar Detroit om het te demonstreren aan autofabrikanten. Ondanks dat de meeste autofabrikanten niets wilde weten van buitenstaanders dachten Cadillac hoofd ingenieur Ernest W. Seaholm en president Lawrence Fisher dat Thompsons uitvinding potentie had. Zij stuurde hem door naar GMs New-Devices Committee. Thompson wilde het bijna opgeven door het algemene gebrek aan interesse. Cadillac had echter interesse en nam zelf de ontwikkeling op zich en huurde Thompson in als een consultant.



De volgende jaren was Thompson bezig zijn synchronizer mechanisme te ontwikkelen. Volgens Ernest W. Seaholm bouwde Cadillac 25 prototypes die samen 1.5 miljoen miles hebben afgelegd op de GM Proving Grounds voordat productie startte in augustus 1928. Het systeem debuteerde die herfst op de 1929 Cadillac en LaSalle modellen.



Uit kostenoogpunt waren deze vroege synchromesh transmissies alleen gesynchroniseerd in de 2e en 3e versnelling. Om naar de 1e versnelling te gaan betekende in het algemeen dat men moest stoppen. Hoe dan ook, het systeem was een flinke verbetering op de eerdere 'crash' bakken en maakte autorijden een stuk eenvoudiger. Synchromesh werd al snel bij andere GM merken leverbaar en werd vervolgens gelicenseerd door vele andere autofabrikanten. Tegen het midden van de jaren 30 was het systeem standaard op bijna alle Amerikaanse auto's en vele Europese auto's.



Toen de eerste synchromesh auto's verkocht werden, promoveerde Fisher en Seaholm Thompson tot assistent hoofd ingenieur. Thompson had het knarsen uit het schakelproces gehaald. De volgende stap was het automatiseren van het schakelen.

 

Militair transmissie project



Sinds het midden van de jaren 20 probeert GM president Alfred P. Sloan ontwikkelings chef Charles Kettering een werkende automatische transmissie te laten ontwikkelen. Dit diende zowel een commercieel als een persoonlijk doel, Sloan was volgens eigen zeggen geen goede bestuurder en kon niet overweg met een conventionele transmissie.



In de late jaren 20 begon de Dynamics afdeling met het werken aan een frictie transmissie gebaseerd op een patent dat overgenomen was van Citroën. Het ontwerp gebruikte  een set torus lagers en tandwielen om de energie over te brengen, gecombineerd met een automatische koppeling. Het geheel functioneert net als een CVT. Het was een samenwerking tussen Buick en Cadillac, geleid door Owen Nacker, Cadillac, John Dolza, Buick en GM onderzoeks ingenieur John Almen. 



Buick investeerde veel geld in het ontwikkelen van 'The Roller'. Hoewel het goed werkte op de GM Proving Grounds woog het systeem 2x zoveel als een conventionele transmissie en hadden ze een korte levensduur. Erger nog, Buick accountants hadden berekend dat met de geprognosticeerde verkoopaantallen de Roller transmissie voor minstens $500 verkocht moest worden, $8000 in hedendaags geld. Harlow Curtice annuleerde het project in 1932.



Bij Cadillac had Earl Thompson een hele andere richting in gedachten. Ernest Seaholm vertelde dat Thompson's inspiratie van een 1930 Daimler kwam die Cadillac voor evaluatie had gekocht. Deze Daimler had een Wilson preselector transmissie gecombineerd met een vloeistof koppeling. De Daimler moest altijd nog met de hand geschakeld worden, maar Thompson zag hierin wel het potentieel voor een automatische transmissie. 

 

Aan het begin van 1932 startte Thompson met ontwikkelaars Ralph Beck en Walter Herndon het project voor een eigen automatische transmissie. De volgende lente werd Owen Nacker assistent hoofd ontwikkelaar bij Cadillac waardoor Thompson al zijn tijd kon besteden aan het project. Het team werd uitgebreid met drie extra leden voor het testwerk, William Carnegie, Maurice Rosenberger en Oliver Kelley. Het team kreeg de naam 'Militair Transmissie Project' met een vervaarlijk 'verboden toegang' bord op de deur. Hoewel hun werk later veel militaire toepassingen kreeg was het slechts een codenaam, net als tijdens de ontwikkeling van de Cadillac V16, dat project was vermomd als bus motor project. Cadillac begon ook patenten op te kopen voor andere automatische schakel systemen. Vele waren onbruikbaar, maar Thompson wilde zeker zijn en geen rechtszaken krijgen. Eén ervan was dus van de Braziliaanse uitvinders José Braz Araripe en Fernando Lehly de Lemos. Araripe claimde dat de AST (zie verderop) er alleen is gekomen doordat hij naar Detroit was gereisd en zijn uitvinding had verkocht voor $ 10.000. Of ook het patent van Oscar H. Banker voor zijn automaat daarbij zat is onbekend. Er is info te vinden maar geen echt bewijs. 

​

Misschien kwam het door de Wilson transmissie, maar Thompson stapte van de preselector over naar een planetair tandwielenstelsen. Dit systeem bestond al langer in de auto industrie. Henry Ford gaf er de voorkeur aan, net als Ford ontwikkelaar Howard Simpson, wiens eigen latere automatische transmissie systeem gebruikt zou worden door Chrysler, Ford, GM en Mercedes. Cadillac had al twee- en drie traps transmissies gebruikt met een planetair tandwielstelsel maar was hiervan af gestapt ten faveure van de 'sliding-gear' transmissie.

 

Het voordeel van een planetair tandwielenstelsel is dat het de verhoudingen veranderd door het wisselend toepassen van koppelingen en rembanden. Dit kan geregeld worden door elektromagneten of hydraulische dan wel vacuüm servos. Zelfs met zulke automatisering moest de bestuurder alsnog iedere versnelling zelf kiezen. Thompson en zijn team bedachten een hydraulisch systeem dat de schakelmomenten automatisch bepaald op basis van het toerental, stand van het gaspedaal en andere inputs.

 

Een enkelvoudig planetair tandwielstelsel is normaal gesproken geschikt voor maar twee voorwaartse versnellingen, dus de meeste van Thompson's concepten gebruikten twee planetaire tandwielstelsels in serie, zodoende was er de beschikking over 4 voorwaartse versnellingen. De vroegste ontwerpen, gepatenteerd in '34 en '35, bediende één tandwielenstelsel handmatig en de andere automatisch door gebruikmaking van een lamellenkoppeling en een remband bediend door een hydraulische remband. Deze ontwerpen gebruikten nog steeds een conventioneel koppelingspedaal en waren voorzien van een 'low' en 'high' range. Low range bood automatisch schakelen tussen één en twee, terwijl high range automatisch schakelde tussen drie en vier. De bestuurder startte in 'low' en schakelde handmatig naar 'high' range. Afhankelijk van de motorsnelheid werd dan de derde of vierde versnelling gekozen.

 

Hoewel de resultaten veelbelovend waren, werd het project al snel onbetaalbaar. Door de depressie was de financiële toestand van Cadillac nogal precair. Rond 1934 overwoog GM zelfs het merk Cadillac op te heffen. Service manager Nicholas Dreystadt overtuigde het bestuur om Cadillac een tweede kans te geven, helaas werd daardoor wel het ontwikkelingsbudget gehalveerd.  De ontwikkeling van de stuurbekrachtiging, die rond dezelfde tijd plaatsvond, werd geannuleerd. Het automatische transmissie project was te waardevol om te schrappen vond Alfred P. Sloan. In januari 1935 werden Thompson en zijn team overgebracht naar het corporate ontwikkelings team, rapporterend aan hoofd ontwikkeling Ormond E. Hunt.

​

The Automatic Safety Transmission by Olds

 

Het automatische transmissie project kwam al snel onder de aandacht van de manager van Oldsmobile, Charles McCuen, en hoofd ontwikkeling Harold T. Youngren. McCuen was bekend met Buicks eerdere 'Roller' project. Hij was enthousiast in verband de ontwikkeling van een automatische transmissie voor Oldsmobile. Hij gaf Youngren's team de opdracht nauw samen te werken met Thompson's 'Transmission Development Group' om zo een productierijpe versie voor Oldsmobile te ontwikkelen.  Thompson en zijn team waren verantwoordelijk voor het conceptuele ontwerp terwijl het personeel van Oldsmobile zich concentreerde op het vertalen van die ideeën in produceerbare vorm. 

 

Het eerste resultaat van deze inspanningen was een semi-automatische versnellingsbak die door GM de Automatic Safety Transmission (AST) werd genoemd. Het veiligheidsaspect was dat het zogenaamd mogelijk was voor de bestuurder om beide handen aan het stuur te houden. De AST had 4 voorwaartse versnellingen met behoud van een conventionele frictie koppeling maar het schakelen gebeurd automatisch. Het behouden van de koppeling was een compromis, Thompson en zijn team hoopte nog steeds een vloeistof koppeling te gebruiken, maar McCuen zette hem onder druk om iets te ontwikkelen wat hij kon bouwen en verkopen. Daardoor was er te weinig tijd om een werkende vloeistof koppeling te ontwikkelen.

 

De AST ging in het begin van 1937 in productie en in de verkoop vanaf juni. Hoewel het in wezen een Oldsmobile project was werd de transmissie gebouwd in een voormalige Buick fabriek in Flint, Michigan. Buick ingenieurs waren helemaal niet enthousiast over de AST, zij hadden hun eigen ideeën over een automatisch transmissie, die zou uitmonden in de naoorlogse Dynaflow. Oldsmobile had echter niet de capaciteit of de apparatuur om de AST te bouwen. Buick gaf $5 miljoen uit aan machinerie die zij terugverdiende door Oldsmobile een forse $180 te factureren voor elke gebouwde transmissie.

 

De AST was aanvankelijk een $80 kostende optie voor de achtcilinder Oldsmobiles, het werd ook een optie op de zescilinders vanaf het modeljaar 1938. Buick had niet de intentie de AST te gebruiken, maar onder druk van GM introduceerde Buicks directeur Harlow Curtis met tegenzin de 'Self Shifting Transmission' als optie op de 1938 Specials. In tegenstelling tot Oldsmobile bood Buick de transmissie niet aan op de duurdere modellen en stopte in het midden van 1938 de levering vanwege de lage verkoopcijfers. 

 

De AST was geenszins de eerste of de enige semi-automatische transmissie van die tijd. Reo had zijn Self-Shifter gelanceerd in mei 1933 met veel tamtam, maar zowel de transmissie als het merk waren in het midden van de jaren '30 verdwenen. Rond 1937 was Chrysler bezig zijn eigen M4 halfautomatische transmissie te ontwikkelen, deze debuteerde in 1940.

​

De meeste semi-automaten waren probleemgevallen, de AST was geen uitzondering. Er waren veel kinderziektes en de transmissie van zo complex dat Oldsmobile dealers adviseerde deze niet te repareren maar op te sturen naar de fabriek voor vervanging. Buick bood weinig hulp, de ontwikkelaars in Flint beschouwden het als een probleem van Oldsmobile. De productie  van de AST was erg beperkt. Slechts 7% van de 1937-1939 Oldsmobiles en waarschijnlijk 3000 Buicks gebruikten het. Aangezien Oldsmobile meer betaalde voor iedere transmissie dan ze er voor vroegen heeft het ze heel veel geld gekost. Het lijkt er op dat het doel van de AST was om meer real-world ervaring op te doen voor de volautomatische transmissie die Thompson en McCuen ooit hoopten te gaan aanbieden.

 

Hydra-matic

 

In 1939 had Oldsmobile 5000 pre-productie auto's gebouwd met een nieuwe versie van de AST, genaamd Hydra-matic. Intern was de Hydra-matic vergelijkbaar met de AST. Hij gebruikt echter een derde planetair tandwielstelsel voor de achteruit. Twee oliepompen, één aangedreven door de motor, de andere door de uitgaande as, zorgde voor de werkdruk van het kleppenhuis. Een vloeistof koppeling verving de conventionele koppeling. Oliver Kelley, de hoofd ontwerper en degene op wiens naam het patent was ingediend, noemde het de 'vloeistof turbo koppeling'. Deze koppeling had een onorthodoxe functie die het handelsmerk van de Hydra-matic zou worden: om te voorkomen dat de auto vooruit kruipt bij stationair loop stuurde het motorvliegwiel het vloeistof koppeling schoepenrad aan, door het voorste planetaire tandwielstelsel, in plaats van rechtstreeks. Hierdoor draaide het schoepenrad altijd langzamer dan de motor waardoor de kruipneiging verminderd werd. 

 

Zoals bij de AST zorgde 'low' range voor het automatisch schakelen tussen één en twee. Drive functioneerde net als 'High' range van de AST, maar de 'governor' is zodanig aangepast dat hij automatisch schakelt tussen alle vier de versnellingen. De schakeling van twee naar drie was nog steeds complex en neigden schokkerig te zijn als de banden en verbindingen niet perfect afgesteld waren. Er was geen koppelingspedaal en men hoefde alleen handmatig te schakelen naar neutraal of de achteruit. Er was geen park stand, maar er was wel een parkeer pal die geactiveerd kon worden door de transmissie in 'reverse' te zetten. De eerste versnelling was erg kort omdat een vloeistofkoppeling niet erg efficiënt is. De eerste versnelling was zo kort dat de auto als opschakelde als je nog niet eens in beweging was gekomen. Daarom had de Hydra-Matic ook 4 versnellingen.

 

In tegenstelling tot de AST werd de Hydra-matic niet door Buick gebouwd maar door GMs Detroit Transmission Division in Livonia, Michigan. De productie startte in mei 1939. Toen de 1940 Oldsmobiles in productie gingen in oktober werd Hydra-matic een reguliere optie. Opmerkelijk was dat de prijs van $57 lager was dan van de laatste AST ($73). Waarschijnlijk wederom een stuk lager dan de werkelijke productie kostte.

 

Toen Alfred P. Sloan, GMs hoofd, zijn eerste rit maakte in een Oldsmobile uitgerust met Hydra-matic was hij onder de indruk. 'Al 15 jaar vind ik dat een versnellingspook niet in een echt moderne auto thuishoort. Het is slechts een kwestie van tijd totdat alle auto's dit type transmissie zullen hebben'. Zijn uitspraak kwam al heel dicht bij de waarheid. In Amerika komt een handgeschakelde transmissie weinig voor. Ook in Europa zien we de laatste jaren een flinke verschuiving naar automaten, sommige merken leveren zelfs geen handbakken meer in de luxere modellen.

​

​

​