Voith Turbo-Transmissions

ターボトランスミッションは、内燃機関を使用する鉄道車両用に設計された流体力学的な多段駆動アセンブリです。最初のターボトランスミッションは、1932年にドイツのハイデンハイムにあるフォイトによって開発されました。それ以来、ターボトランスミッションの改良はディーゼルモーターの同様の進歩と平行しており、今日、この組み合わせは電気駆動の使用に次いで世界的に主導的な役割を果たしています。

ターボトランスミッションは、最終的な回転出力を生成する前に、トルクコンバーターと流体カップリングを介して、モーターの機械的エネルギーを流体の運動エネルギーに変換する流体力学的リンクとして機能します。ここで、流体は、高流量と低圧力でローターブレード管を介して駆動されます。これは、ターボトランスミッションが、変位原理に従って低流量と高圧を使用して動作する同様の油圧トランスミッションと異なるところです。

原理

ターボトランスミッションは、流体力学のフェッティンガー原理に基づいた性能を持つ流体力学的な多段駆動アセンブリです。トルクコンバーター、流体カップリング、オプションの流体力学的リターダーは、これらのアセンブリの重要なコンポーネントであり、動力鉄道車両に最適です。

歴史

1932年からの最初のターボトランスミッションは、比較的単純な設計を使用していました。それは、両方とも共通のシャフトに取り付けられた、始動フェーズ用の単一のトルクコンバーターと移動フェーズ用の流体カップリングで構成されていました。このターボトランスミッションの重要な特徴は、流体力学回路の充填と排出でした。これは、フェッティンガーのマリントランスミッションで最初に使用された原理です。これは、摩擦のない始動、一定の牽引力での摩擦のないギアシフト、流体力学回路を空にすることによるフリーホイール、および流体カップリングのより効率的な操作の利点を提供しました。

しかし、フェッティンガーとは反対に、フォイトは水ではなくターボトランスミッションの流体力学回路に低粘度のオイルを使用していました。さらに、1930年代には他のさまざまな改善が行われました。高速ギアの追加、よりコンパクトなハウジング、さまざまなモータータイプとの互換性の向上、自動化ギアシフト、熱交換器による冷却。

1960年代には、流体力学的リターダーもトルクコンバーターと流体カップリングを補完する第3段階として導入されました。これらのエンジニアリングの改善にはすべて、共通の目標がありました。設置の複雑さや信頼性を損なうことなく、トランスミッションの性能評価を継続的に高めることです。

鉄道車両用の二重回路トランスミッション

1969年、ハイドロメカニカルバストランスミッションの代替として、より小さなT 211ターボトランスミッションが開発され、200〜300 hp（149〜224 kW）の低出力範囲のディーゼル鉄道車両用に設計されました。最初のターボトランスミッションと同様に、T 211はリンクされたコンバーターとカップリングの組み合わせを使用しましたが、効率を高めるために高速ギアも備えていました。さらに、反転ギアアセンブリが追加され、必要に応じてオプションの流体力学的リターダーを取り付けることができます。コンバーターの流体力学的回路の直径は346 mm（13.6インチ）で、流体カップリングの直径はわずかに小さく305 mm（12.0インチ）でした。また、高速ギアにより、メインシャフトは4,170 rpmで大幅に高速化する可能性があります。その結果、T 211 rには予備動力があり、これは、強化された機械コンポーネント（ギア、ベアリング、シャフト）およびトランスミッションコントロールに反映されていました。しかし、同時に、コンバーター、カップリング、およびリターダーの直径は変化しませんでした。 205〜350 kW（275〜469 hp）の高い定格電力に対応するために、流体力学回路内の全体的な流量が増加しました。 350 kW（469 hp）で、メインシャフトは5,000 rpm未満で回転し、車両が最大速度に達したときに（空の）コンバーターの回転速度は74 m / sになりました。高速運転中のコンバーターの適切な冷却を確保するために、より強力な流体力学流体ポンプが設置されました。これは、走行段階では3.5リットル/秒、ブレーキ段階では9.0リットル/秒のオイルを熱交換器に供給しますリターダーローターは追加の循環ポンプとしても機能します。外側から見ると、このT 211 rトランスミッションは前のモデルである320 kW（429 hp）のT 211 re.3とは異なり、内蔵の電子制御ユニットと拡大エアフィルターをわずかに追加するだけでした。

鉄道車両向けトリプルサーキットトランスミッション

1995年、ドイツ鉄道（ドイツ鉄道）が使用する傾斜技術を備えた高速列車向けに、まったく新しいトランスミッション設計VT 611/612が開発されました。この新しいトランスミッションのコンセプトは、統合された流体力学的T 312ブレターリターダーを備えたコンバーターカップリングカップリングデザインを使用し、650 kWの定格電力を有していました。トランスミッションの全長を短縮するために、ハイギア上にツインシャフト構造が使用されました。これは、リバースユニットで使用される設計に似ていました。電子制御ユニットもトランスミッションに組み込まれました。さらに、トランスミッションの反転シリンダーは油圧で作動するため、圧縮空気を搭載する必要がありませんでした。 5年後、T 212 breトランスミッションは、460 kWの定格電力で開発されました。このトランスミッションのデザインは似ていましたが、他の大きなトランスミッションとは異なり、T 212 breは駆動モーターに直接取り付けることができました。これは、最大200 km / hで走行できる高速列車用の非常にコンパクトなモーターとトランスミッションの組み合わせをもたらしたため、大きな利点でした。 T 212 breは、T 211 rと同じ流体力学的回路寸法を有していましたが、最大速度のわずか50％で動作する列車の結合効率が向上するというさらなる利点がありました。高速ディーゼル列車では、燃料消費を劇的に改善できるため、これは重要でした。

機関車用のツインコンバータートランスミッション

1999年、高性能のメインライン機関車用に、新しいツインコンバータートランスミッションL 620 reU2が開発されました。新しいL 620 reU2には、直径525 mmの起動コンバーターと、直径434 mmの移動相コンバーターの両方が装備されていました。新しいL 620 re U2の設計は、成功した前身であるL 520 rzU2に基づいており、出力定格は1,400 kWでした。ただし、この新しいトランスミッションの定格は2,700 kWと大幅に高いため、事実上すべてのコンポーネントを拡大するとともに強化する必要がありました。トランスミッションの標準バージョンでは、古いL 520 rzU2のアイドラーホイールを使用するのではなく、2つのギアがセカンダリシャフトに取り付けられていました。その結果、駆動軸の出力速度は機関車の動力要件に合わせて調整できます。ドライブシャフトのメインベアリングも550 mmに拡大されました。一般に、この新しい高性能トランスミッションは、流体力学的カップリングの膨大な能力を明確に示しています。わずか2.06 kg / kWの重量対電力比で、新しいL 620 reU2は機関車トランスミッションの記録を樹立しました。比較すると、同様のL 520 rzU2トランスミッションは、2.4 kg / kWのはるかに高い重量対電力比を有していました。さらに、新たに設計された流体力学的リターダーKB 385がオプションのコンポーネントとして利用できました。キールに本拠を置く機関車メーカーのVoshlohでは、これらのトランスミッションがG1700とG2000の両方のメインライン機関車に搭載されました。最後に、最新の開発はLS 640 reU2トランスミッションで、3,600 kWのフォイトマキシマ機関車で初めて使用されます。 LS 640 reU2は、いわゆるスプリットターボトランスミッションで、L 620 reU2の2本のドライブシャフトを使用して、6軸ディーゼル機関車の両方のボギーに動力を供給します。

ターボトランスミッションのパフォーマンス標準の設定

鉄道車両の運転条件は、モーターとトランスミッションの両方の電力要件を決定する重要な要素です。これらの動作条件には、ディーゼル機関車の牽引荷重、ディーゼル鉄道車両の乗客収容能力、鉄道の地形、および車両がヨーロッパ以外で運転されるときの気候条件が含まれます。予想される動作条件は車両の技術的要件の一部であり、以下のポイントを決定します。

最大速度
マルチカー列車のすべての電動ホイールセットの摩擦抵抗を考慮した起動時の加速率
主に電気鉄道車両も運行している大都市圏での交通渋滞を避けるための輸送時の加速率
長距離にわたって維持できる最低速度
経済的な動作による高速での走行時および/または長い下り坂での走行時のダイナミックブレーキ要件

最大速度、車両重量、加速率、および鉄道の勾配はすべて、モーターの性能仕様に影響します。さらに、空調装置、モーター冷却システム、ブレーキコンプレッサーなどの補助システムの要件も考慮する必要があり、場合によってはそれぞれの空調および加熱システムを実行するための個別の電源が必要です乗用車。ここでは、機関車用の大型フレームVモーターから、電動鉄道車両用のフラット6シリンダーサブフロアモーター、またはユーティリティ車でよく使用されるコンパクトな12シリンダーモーターまで、さまざまなディーゼルモーターを選択できます。最新の電動式鉄道車両の場合、推奨されるソリューションは、床下に取り付けられたモーターとトランスミッションの組み合わせです。

トルクコンバーターの高度な開発

ターボトランスミッションでは、トルクコンバーターは明らかに構造全体の中心的存在であり、過去数十年にわたってその継続的な改善は、ディーゼル車の需要の着実な増大に主に応えてきました。ここで、各改善の目標は、効率と起動性能の向上であり、起動コンバーターの寸法を損なうことなく、輸送中の移動相コンバーターの負荷を一定にします。多くの異なるトルクコンバーターの設計の中で、遠心流タービンを使用したシングルステージコンバーターが最適であることが証明されています。比較的シンプルな構造で、タービンの半径方向の安定性により、コンバータは高回転数の運転に適しています。

1970年代には、トラクション特性が改善された新しいトルクコンバーターの開発のおかげで（始動時のトラクションに近づく）、2コンバータートランスミッションが以前使用されていた3コンバータートランスミッションに代わるように設計されました。そして、今日でも、トルクコンバーターはまだ改良されていますが、高度な段階に達しています。最新の計算流体力学（CFD）は、回転タービンホイール内の流れパターンに関する詳細な情報をエンジニアに提供できるようになりました。ここでは、タービンが回転する油で満たされた回路が、各グリッド交差点での流動特性を示すコンピューター化されたグリッドとして描かれています。これらの各ポイントについて、流量、速度、および圧力を計算できます。解析フェーズの後半で、回路の流れパターンの3次元モデルを表示し、コンバーターの効率を低下させる流れの乱れを特定できます。たとえば、渦、表面乱流、タービンホイールに沿った誤った方向の流れです。さらに、これらの流れの混乱を視覚化するだけでなく、エンジニアはCFDを使用してコンバーター効率の損失を計算することもできます。

最終的に、コンバータ回路のフローパターンの変化とトルクコンバータの効率との関係を使用して、潜在的な改善領域を特定できます。時間を節約する単純化されたシミュレーションを使用するため、いくつかの違いが発生しますが、予測値は実際の運用測定値とほぼ一致しています。それでも、CFDを使用すると、既存のコンバーターの最適化と、コンピューターを介した新しい仮想コンバータータイプの開発が可能になります。その後、プロトタイプの構築と実際のパフォーマンス結果の検証により、開発フェーズが終了します。

文献

Voith Turbo-Transmissions 1930-1985、Volume 1 Locomotive Transmissions、Wolfgang Petzold、Heidenheim、2002
Voith Turbo-Transmissions 1930-1985、Volume 2 Railcar Transmissions、Wolfgang Petzold、ハイデンハイム、2004
Voith Drive Technology、100年のフェッティンガー原理、Springer-Verlag、ISBN 3-540-31154-8、ベルリン2005