フォイトターボトランスミッション

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社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エンジンの同様の進歩と並行して行われ、今日ではこの組み合わせは電気駆動に次ぐ、世界中で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、トルクコンバータ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し、最終的な回転出力を生成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でローターブレードのチャネルを通過します。これが、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静圧 トランスミッションとターボトランスミッションが異なる点です。

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、流体力学の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が、動力付き鉄道車両に最適なこれらのアセンブリの主要コンポーネントです。

1932 年に登場した最初のターボ トランスミッションは、比較的シンプルな設計でした。始動フェーズ用の単一のトルク コンバータと移動フェーズ用の流体カップリングで構成され、どちらも共通のシャフトに取り付けられていました。このターボ トランスミッションの主な特徴は、流体回路の充​​填と排出でした。この原理は、Föttinger の船舶用トランスミッションで初めて採用されました。これにより、摩擦のない始動、一定の牽引力による摩擦のないギア シフト、流体回路の排出によるフリーホイール、流体カップリングのより効率的な操作などの利点が得られました。

しかし、フォイトはフェッティンガーとは対照的に、ターボトランスミッションの流体回路に水ではなく低粘度オイルを使用しました。さらに、1930年代には、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など、さまざまな改良が行われました。

1960 年代には、トルク コンバータと流体カップリングを補完する第 3 段階として、ハイドロダイナミック リターダーも導入されました。これらすべてのエンジニアリングの改善には、設置の複雑さや実証済みの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向上させるという共通の目標がありました。

1969年、より小型のT 211ターボトランスミッションが、油圧機械式バストランスミッションの代替として開発され、200～300馬力（149～224kW）の低出力範囲のディーゼル車両向けに設計されました。最初のターボトランスミッションと同様に、T 211は連結コンバーターとカップリングの組み合わせを使用していましたが、効率を高めるために高速ギアも備えていました。さらに、逆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ハイドロダイナミックリターダーを取り付けることができました。コンバーターのハイドロダイナミック回路の直径は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い305 mm（12.0インチ）でした。また、高速ギアのおかげで、メインシャフトは4,170 rpmと大幅に高速で動作できました。その結果、T 211 r には予備力があり、これは強化された機械部品 (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ました。ただし同時に、コンバータ、カップリング、リターダーの直径は変更されていません。流体回路内の全体的な流量は、205 ～ 350 kW (275 ～ 469 hp) のより高い定格出力に対応するために増加しました。350 kW (469 hp) では、メイン シャフトは 5,000 rpm 未満で動作し、車両が最高速度に達したときの (空の) コンバータの回転速度は 74 m/s になりました。高速操作中にコンバータを適切に冷却するため、より強力な流体ポンプが設置され、移動段階では熱交換器を通じて 3.5 L/s、ブレーキ段階では 9.0 L/s のオイルが供給され、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した。外から見ると、この T 211 r トランスミッションは、内蔵の電子制御ユニットと大型のエアフィルターの追加により、前モデルの 320 kW (429 hp) の T 211 re.3 とわずかに異なっています。

また、1978年には、列車用の新しいタイプの油圧ギアボックス、T320RZ + KB260 + HAが登場しました。

1995年に、ドイツ鉄道が採用してい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である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、統合型流体力学T 312 breリターダを備えたコンバーター-カップリング-カップリング設計を採用し、定格出力は650kWでした。トランスミッションの全長を短縮するために、高速ギア上にツインシャフト構造が採用されました。これは、逆転ユニットで使用される設計に似ています。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逆転シリンダーは油圧で操作されるため、車上に圧縮空気を供給する必要がありません。5年後、定格出力460kWのT 212 breトランスミッションが開発されました。このトランスミッションは設計が似ていますが、他の大型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。これは大きな利点でした。なぜなら、最高時速 200 km 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が実現したからです。T 212 bre は T 211 r と同じ流体力学的回路寸法でしたが、最高速度の 50% でのみ走行する列車の連結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にとってこれは重要で、燃料消費を大幅に改善できました。

1999 年、高性能幹線機関車向けに新しいツインコンバータ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 の始動コンバータと、直径 434 mm の移動位相コンバータの両方が装備されていました。新しい L 620 re U2 の設計は、1,400kW の定格出力を持つ、成功を収めた先行モデルの L 520 rzU2 に基づいています。ただし、この新しいトランスミッションの定格は 2,700kW と大幅に高く、そのため、事実上すべてのコンポーネントを拡大および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 に見られる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、ドライブシャフトの出力速度を機関車の電力要件に合わせて調整できるようになりました。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。 全体として、この新しい高性能トランスミッションは、ハイドロダイナミック カップリングの大きな可能性を明確に示しています。 重量電力比がわずか 2.06 kg/kW の新しい L 620 reU2 トランスミッションは、機関車トランスミッションの記録を樹立しました。 これと比較して、同様の L 520 rzU2 トランスミッションの重量電力比は 2.4 kg/kW とはるかに高くなっています。 さらに、新設計のハイドロダイナミック リターダー KB 385 がオプション コンポーネントとして利用可能でした。キールにある機関車メーカーVosslohでは、これらのトランスミッションが G1700 と G2000 の両方の幹線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、 3,600kW のVoith Maxima機関車で初めて使用されます。 LS 640 reU2 は、L 620 reU2 の 2 つのドライブ シャフトを使用して 6 軸ディーゼル機関車の両方の台車に動力を供給する、いわゆるスプリット ターボ トランスミッションです。

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。これらの運転条件には、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定員、鉄道路線の地形、および車両がヨーロッパ外で運転される場合の気候条件が含まれます。予想される運転条件は車両の技術要件の一部であり、次の点を決定します。

1. 最高速度
2. 複数車両列車の全電動輪軸の摩擦抵抗を考慮した始動時の加速率
3. 主に電気鉄道車両が運行されている大都市圏での交通渋滞を回避するために、移動中に加速率を上げる。
4. 長距離にわたって維持できる最低速度
5. 経済的な操作のため、高速走行時や長い下り坂を走行する際のダイナミックブレーキ要件

最高速度、車両重量、加速率、線路の勾配はすべて、モーターの性能仕様に影響します。それに加えて、エアコンユニット、モーター冷却システム、ブレーキコンプレッサー、場合によっては各客車のエアコンと暖房システムを稼働させるための別個の電源の必要性など、補助システムの要件も考慮する必要があります。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 気筒床下モーター、さらにはユーティリティ車両でよく使用されるコンパクトな 12 気筒モーターまで、さまざまなディーゼルモーターを選択できます。ほとんどの最新の電動鉄道車両では、床下マウントモーターとトランスミッションの組み合わせが推奨されるソリューションです。

ターボトランスミッションでは、トルクコンバータが明らかに全体の構造の中心的要素であり、過去数十年にわたる継続的な改良が、ディーゼルエンジン車の着実に高まる需要を満たす主な要因となってきました。ここで、各改良の目標は、始動コンバータの寸法を損なうことなく、また移動中の移動相コンバータの一貫した負荷を損なうことなく、効率と始動性能を向上させることでした。さまざまなトルクコンバータ設計の中で、遠心流タービンを使用する単段コンバータが最適であることが証明されています。このコンバータは比較的単純な構造で、タービンの半径方向の安定性により、高回転動作に適しています。

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 コンバータの開発により (始動トラクションに近づき)、それまで使用されていた 3 コンバータ トランスミッションに代わる 2 コンバータ トランスミッションが設計されました。そして今日でも、トルク コンバータは高度な段階に達していますが、まだ改良が続けられています。最新の数値流体力学(CFD) により、回転するタービン ホイール内部のフロー 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オイル充填回路が、各グリッド交差点でのフロー特性を示すコンピューター グリッドとして表現されます。これらの各ポイントについて、流量、速度、圧力を計算できます。後の分析フェーズでは、回路のフロー パターンの 3 次元モデルを表示して、渦、表面乱流、タービン ホイールに沿った流体の方向の誤りなど、コンバータの効率を低下させるフローの乱れを特定できます。さらに、エンジニアはこれらの流れの乱れを視覚化するだけでなく、CFD を使用してコンバーターの効率の損失を計算することもできます。

最終的には、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利用して、改善の余地がある領域を特定できます。予測値は、実際の動作測定値とほぼ一致しますが、時間を節約するために簡略化されたシミュレーションを使用しているため、多少の差異は生じます。それでも、CFD を使用すると、既存のコンバータを最適化したり、コンピューターを介して新しい仮想コンバータ タイプを開発したりできます。その後、プロトタイプを構築し、実際のパフォーマンス結果を検証して、開発フェーズが完了します。

• Voith Turbo-Transmissions 1930-1985、Vol. 1 Locomotive Transmissions、ヴォルフガング ペツォルト、ハイデンハイム、2002
• Voith Turbo-Transmissions 1930-1985、Vol. 2 Railcar Transmissions、ヴォルフガング ペツォルト、ハイデンハイム、2004
• Voith Drive Technology、Föttinger 原理の 100 年、Springer-Verlag、ISBN  3-540-31154-8、ベルリン 2005

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