Nestekytkin

Nestekytkimen halkileikkaus

Tämä artikkeli käsittelee nesteen virtaukseen perustuvaa (hydrodynamiikka) voimansiirtoyksikköä , nesteen viskositeettimuutoksiin perustuvista kytkimistä kertoo artikkeli Viskokytkin.

Nestekytkin on hydrodynaamiseen eli nesteen virtaukseen perustuvaan voimansiirtoon tarkoitettu yksikkö. Nestekytkintä käytetään laajalti teollisuuden laitteissa, silloin kun halutaan välttää jonkin laitteen käynnistymisen mekaanisen kytkennän aiheuttama isku. Nestekytkintä käytetään myös merikytkinsovelluksena. Autoisssa nestekytkin oli käytetty sovellus ennen momentinmuuntimiin perustuvia automaattivaihteistoja.

Historia

Nestekytkimen juuret johtavat 1900-luvun alun Saksaan. "AG Vulcan Stettin"-telakan pääsuunnittelijana toiminut Dr. Hermann Föttinger teki tutkimuksia ja kehitystyötä nestekytkimien ja momentinmuuntimien saralla ja vuonna 1905 hän patentoi näitä koskevat keksintönsä.

Myöhemmän "Vulcan-Werke Hamburg und Stettin"-yhtiön edustaja Dr Bauer ja englantilainen insinööri Harold Sinclair "Hydraulic Coupling Patents Limited"-yhtiöstä tekivät yhteistyönä tutkimusta yhdistää Föttingerin nestekytkin osaksi ajoneuvojen voimansiirtolaitteita. Sinclair oli työskennellyt Lontoon kaksikerrosbussien käyttöominaisuuksia parantavan hankkeen parissa jo 1920-luvun alusta. London General Omnibus Companyn ja Associated Daimlerin koekäytössä olleista linja-autoista saadut kokemukset olivat niin hyviä, että lokakuussa 1926 Daimler päätti ruveta varustamaan linja-autonsa nestekytkimellä.

1920-30-lukujen taittteessa Daimler Motor Company Ltd alkoi käyttää valmistamiensa linja-autojen sekä Daimler Double-Six luistiventtiili V12-moottorilla varustettujen huippumalliensa voimansiirtolaitteina nestekytkintä ja Wilson-esivalintavaihteistoa. Vuonna 1933 tämä voimansiirtojärjestelmä kattoi kaikki yhtiön valmistamat Daimler, Lanchester, BSA ja AEC-ajoneuvot, pienimmästä henkilöautosta raskaimpaan hyötyajoneuvoon. Nestekytkimen käyttö laajennettiin pian myös Daimlerin valmistamiin sotilasajoneuvoihin. Näitä nestekytkimiä kutsutaan usein Daimler- tai Vulcan-Sinclair-kytkimiksi.

Vuonna 1939 General Motors Corporation esitteli Hydramatic-vaihteiston, ensimmäisen täysautomaattisen vaihteiston sarjatuotantona valmistetussa autossa. Hydramatic käytti voimansiirtoon nestekytkintä eikä momentinmuunninta.

Yleiskatsaus ominaisuuksiin

Nestekytkin koostuu hydrauliikkanesteen lisäksi seuraavista mekaanisista osista:

• Kuori, joka pitää sisällään sekä nesteen että turbiinipyörät. Sisäänmeno- ja ulostuloakselien läpivientiaukot on tiivistetty ns. stefoilla.
• Pumppupyörä, joka on yhteydessä sisäänmenoakseliin.
• Turbiinipyörä, joka on yhteydessä ulostuloakseliin.

Nestekytkimessä ei ole momentinmuuntimen sisältämää staattoripyörää.

Voimanlähde, joka ajoneuvokäytössä on tyypillisimmin polttomottori tai sähkömoottori, laittaa pumppupyörän pyörivään liikkeeseen. Kuoren sisällä pumppupyörän siivekkeet saavat hydrauliikkanesteen liikkeeseen, joka on toroidiaalinen. Kolmeulotteisena liikkeen voi käsittää esim. munkkirinkilää tai auton sisärengasta vastaavana muotona. Tämä pyörivä nestevirtaus saa turbiinipyörän liikkeeseen, jolloin moottorin voima saadaan siirtymään eteenpäin.

Stall speed

Kun nestekytkimiä valitaan eri sovelluksiin, eräs huomionarvoinen seikka on turbiinin stall-speed. Termille ei ole olemassa käyttökelpoista suomenkielistä vastinetta. Suomennoksena englannin kielen sana "stall" kuvaa voiman hiipumista ja lentokoneen sakkausta. Stall speed on se moottorin kierrosluku jolla turbiini ottaa kokonaan kiinni ja vääntömomentti voittaa esim. rengasta paikallaan pitävät vastusvoimat. Vastusvoimat ovat auton massa lisättynä muilla mahdollisilla vastuksilla, ts. jos autoa pidetään esim. jarrulla paikallaan. Siihen asti kunnes turbiinin vääntömomentti voittaa vastuksen, kaikki moottorilta tuleva energia muuttuu nestekytkimellä lämpöenergiaksi. Liiallinen lämpeneminen johtaa hydrauliikkanesteen ominaisuuksien huonontumiseen ja turbiinivaurioon.

STC-kytkin

Liiallisesta lämpenemisestä aiheutuvien ongelmien vähentämiseksi Fluidrive Engineering Company kehitti yksinkertaisesta nestekytkimestä "STC"-muunnoksen (Step-circuit coupling).

STC-kytkin sisältää varaimen, jonne osa hydrauliikkanesteestä siirtyy painovoimaiseti silloin, kun ulosmenoakselin pyörintänopeus laskee alle stall speedin. Tällöin sisäänmenoakselin ja pumppupyörän pyörintävastus pienenee ja liike-energian muuttuminen lämmöksi on vähäisempää. Käytännön hyötynä tällä saadaan aikaan polttoaineenkulutuksen lasku ja ajoneuvon ryömiminen tyhjäkäynnillä on vähäisempää.

Turbiinin sisällä on riittävästi öljyä, että pumppupyörän kierroksia nostettaessa turbiinipyörän kierrokset saadaan kasvamaan. Tällöin varaimessa ollut öljy siirtyy keskipakoisvoiman avulla takaisin turbiiniin ja voima saadaan siirtymään täysimääräisesti.

Aiheesta muualla

http://www.youtube.com/watch?v=leCEmJA0WsI nestekytkimen toiminta ja rakenne. Yhdysvaltain armeijan opetusfilmi vuodelta 1954.