Nestekytkin

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 Ltd -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 taitteessa Daimler 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 voimanvälitykseen nestekytkintä eikä momentinmuunninta.

Luistaminen

Nestekytkin ei saa aikaan ulostulevaa vääntömomenttia, mikäli pumppupyörän (ensiöpyörä) ja turbiinipyörän (toisiopyörä) kulmanopeudet ovat samat. Tämän johdosta nestekytkin ei voi saavuttaa 100 prosenttista tehonsiirtoa. Luistamisesta osa johtuu ajoneuvon voimansiirron, massan ja ajopinnan aiheuttamasta vastuksesta (ts. stall speedistä), osa nesteen sisäisen kitkan ja turbulenssin aiheuttamasta voimanhäviöstä. Luistamiseen kulunut energia muuttuu lämmöksi ja siirtyy hydrauliikkanesteeseen.
Nestekytkimellä saavutettava paras hyötysuhde, ilman turbiinin lukitusta, on 94 %. Toisin sanoen, jokaista ensiöpyörän sataa kierrosta kohden toisiopyörä pyörähtää akselinsa ympäri 94 kertaa. Kuten on laita muidenkin hydrodynamiikkaan perustuvien laitteiden kohdalla, niiden voimansiirtokyky kasvaa yksikön koon kasvaessa. Dieselveturin nestekytkin liikuutta monituhatkertaisia massoja traktorin nestekytkimeen verrattuna.

Hydraulikkaneste

Tärkeä tekijä nestekytkimen toiminnassa on käyttöolosuhteiden mukaisen hydrauliikkanesteen valinta. Kylmissä olosuhteissa ohuempi viskositeettinen (juoksevampi) neste toimii turbiinin käynnistysvaiheessa voimansiirtäjänä heti, kun taas paksumpaa viskositeettia käytettäessä voimanlähteen energiaa kuluu nesteen sisäisen kitkan voittamiseen. Kuumissa olosuhteissa paksumpi neste siirtää voimaa paremmalla hyötysuhteella kuin ohut.

Sovellukset

Nestekytkimien käyttöösovelluksia ovat teollisuuden koneet ja laitteet, raideliikenne, meriliikenne sekä ajoneuvosovellukset.

Ajoneuvosovellukset

Ajoneuvoissa nestekytkimiä käytettiin varhaisten puoliautomaattisten ja täysautomaattisten vaihteistojen yhteydessä. 1940-luvun lopulta hydrodynaaminen momentinmuunnin on syrjäyttänyt nestekytkimen ajoneuvokäytössä.
Tyypillisesti ajoneuvosovelluksissa turbiini on kytketty joko moottorin perässä olevaan vauhtipyörään, vetolevyyn tai suoraan kampiakseliin, jolloin ne itse toimivat käynnistyksen yhteydessä vauhtipyöränä. Moottorin kampiakselin pyörivä liike saa turbiinin ensiö- eli pumppupyörän pyörimään. Moottorin kierrosluvun kasvaessa, moottorin vääntömomentti siirtyy turbiinin toisio- eli turbiinipyörälle. Tämä taas siirtää voiman vaihteiston sisäänmenoakselille. Kun vaihde on kytketty päälle ja "stall speed"-kynnys ylittyy, ajoneuvo lähtee liikkeelle.
Nestekytkimien ensimmäisiä ajoneuvokäyttäjiä oli Daimler, joka asensi niitä autoihinsa Wilson-esivalintavaihteiston yhteyteen. Daimler käytti nestekytkintä koko ajoneuvomallistossaan, ennen kuin yhtiö vuonna 1958 siirtyi käyttämään täysautomaattisia vaihteistoja. Daimler ja Alvis käyttivät nestekytkintä myös valmistamissaan sotilasajoneuvoissa.