Nestekytkin

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

Nestekytkin (turbiinikytkin) 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. Autoissa 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 Ltd -yhtiöstä tekivät yhdessä tutkimusta Föttingerin nestekytkimen yhdistämiseksi osaksi ajoneuvojen voimansiirtolaitteita. Sinclair oli työskennellyt Lontoon kaksikerrosbussien käyttöominaisuuksia parantavan hankkeen parissa 1920-luvun alusta alkaen. London General Omnibus Companyn ja Associated Daimlerin koekäytössä olleista linja-autoista - joihin oli asennettu nestekytkin - saadut kokemukset olivat niin hyviä, että lokakuussa 1926 Daimler päätti ruveta varustamaan linja-autonsa nestekytkimin.

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 sarjatuotantoautossa. Hydramatic käytti voimanvälitykseen nestekytkintä eikä momentinmuunninta.

Yleiskatsaus ominaisuuksiin 
Nestekytkin koostuu hydrauliikkanesteen lisäksi seuraavista mekaanisista osista:
Kuori, joka sisältää sekä nesteen että turbiinipyörät. Sisäänmeno- ja ulostuloakselien läpivientiaukot on tiivistetty akselitiivisteillä ('stefoilla').
Pumppupyörä, joka on yhteydessä sisäänmenoakseliin.
Turbiinipyörä, joka on yhteydessä ulostuloakseliin.

Nestekytkimen erottaa momentinmuuntimesta se, että nestekytkimessä ei ole staattoripyörää.

Voimanlähde, joka ajoneuvokäytössä on tyypillisimmin polttomoottori tai sähkömoottori, laittaa pumppupyörän pyörivään liikkeeseen. Kuoren sisällä pumppupyörän siivekkeet saavat hydrauliikkanesteen liikkeeseen, joka on toroidaalinen. Tämä pyörivä nestevirtaus saa turbiinipyörän liikkeeseen, jolloin sisäänmenoakselin voima saadaan siirtymään ulostuloakselille. Pyörivä nestevirtaus on lisäksi kierteinen, seuraavista seikoista johtuen:

Jos pumppupyörän ja turbiinipyörän välillä on ero siivekkeiden kulmanopeudessa, saadaan aikaan liike, joka muodostuu nesteen kiertäessä toruksen sisällä siivekkeiden muodostamien jaksojen ympäri.
Jos pumppupyörän ja turbiinipyörän kulmanopeus on molemmilla sama, ei turbiinissa synny keskihakuista voimaa ja nesteen virtaus on ainoastaan kehämäistä (sirkulaarista) sekä samansuuntaista (koaksiaalista) akselin pyörimissuunnan kanssa. Tällöin ei voimaa siirry nesteen välityksellä sisäänmeno- ja ulostuloakseleiden välillä.

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.

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.

Hydrodynaaminen hidastin 
Nestekytkintä voidaan käyttää myös hydrodynaamisena jarruna, joka muuttaa pyörivän liike-energian lämpöenergiaksi. Tässä ominaisuudessa käytettävää nestekytkintä kutsutaan suomenkielisellä termillä hidastin tai englanninkielisellä termillä retarder.

Retarder
Hydraulisen hidastimen toiminta on päinvastaista voimansiirrossa käytettyyn nestekytkimeen nähden. Nyt nesteen toroidiaalinen liike halutaan pysäyttää ja muuttaa hydrauliikkanesteeseen siirrettäväksi lämmöksi, joka on johdettavissa jäähdyttimen kautta pois. Ajoneuvokäytössä hidastin on useimmin asennettu raskaiden hyötyajoneuvojen ja linja-autojen vuoristo-olosuhteissa toimiviin versioihin sekä raskaita erikoiskuljetuksia suorittaviin ajoneuvoihin. Tällä lisälaitteella saadaan aikaan merkittävää säästöä jarrujen kulumisessa pitkissä laskuissa ja siten ajoneuvon hallittavuus ja käyttöturvallisuus ovat parempia. Haittapuolena retarderilla on yksikön hankintahinta, painonlisäys ja yksikön jäähdyttimen vaatima tila.

Hidastinyksikkö on yleensä kytketty vaihteiston jatkeeksi. Yksikön sisällä on staattinen siipipyörä ja myös yksikön seinämät ovat siivekkeillä varustetut nestevirtauksen hidastuvuuden maksimoimiseksi. Hidastinta käytettäessä yksikön sisään pumpataan nestettä, jonka aiheuttama vastus hidastaa vaihteiston ulostuloakselin liikettä. Hidastuksen tehoon voidaan vaikuttaa säätelemällä hidastinyksikköön pumpattavan nesteen määrää.

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.

Katso myös
Momentinmuunnin

Aiheesta muualla
 Nestekytkimen toiminta ja rakenne. Yhdysvaltain armeijan opetusfilmi vuodelta 1953

Lähteet

Autotekniikka