Hydraulische Servolenkung: Was es ist und wie es funktioniert

Genauso wie das Apple iPhone die Mobilfunkindustrie verändert hat, ist die hydraulische Servolenkung das Äquivalent in der Automobilindustrie.

Autos sind extrem schwere Gegenstände und können bis zu 1500 Kilogramm wiegen. Stellen Sie sich vor, Sie versuchen, dieses Ungetüm mit bloßen Händen zu lenken – einfach unmöglich! Das ist genau der Grund, warum wir eine Zahnstangenlenkung haben, sie hat es möglich gemacht.

Aber sie war nicht perfekt. Wenn Sie schon einmal einen Perodua Kancil gefahren sind, wissen Sie, wie schwergängig das Auto zu lenken war. Wir wussten, dass wir die Zahnstangenlenkung auf die nächste Stufe bringen mussten. Die Antwort war eine Servolenkungszahnstange. Die Zahnstangenlenkung machte es möglich, ein Auto zu lenken, aber die Servolenkung war diejenige, die es einfach machte.

Diejenigen, die beide Arten von Zahnstangenlenkungen ausprobiert haben, werden sicherlich zu schätzen wissen, welche Auswirkungen sie auf unser tägliches Pendlerleben hatten. Und weil das so ist, wurde diese Technologie so weit verbreitet, dass alle Autos, die im 21. Jahrhundert hergestellt wurden, eine Form der Servolenkung haben.

Im Jahr 2018 gibt es drei Arten von Servolenkungen: (i) hydraulische Servolenkung, (ii) elektrohydraulische Servolenkung und (iii) elektrische Servolenkung. Heute werden wir den Großvater aller Servolenkungen – die hydraulische Servolenkung – genauer unter die Lupe nehmen: was sie ist und wie sie funktioniert.

• Was ist eine hydraulische Servolenkung?
• Der Aufstieg der hydraulischen Servolenkung
• Wie funktioniert sie?
  • Lenkflüssigkeitsbehälter
  • Lenkpumpe
  • Rotationsventil
  • Hydraulikkammer
• Einschränkung der hydraulischen Servolenkung
  • Einschränkung #1: Fehlanpassung der Servounterstützung
  • Einschränkung #2: Anfällig für Leckagen
• Die Zukunft der hydraulischen Servolenkung

Was ist eine hydraulische Servolenkung?

Wissen Sie, Ingenieure können sehr wörtlich und praktisch sein, wenn es darum geht, Dinge zu benennen, und das hilft wirklich, die Dinge leicht zu verstehen! Gehen wir Wort für Wort vor.

Das Wort „hydraulisch“ ist nur ein schickes Wort für die Verwendung von Flüssigkeit, also Wasser, Öl usw. In diesem Fall verwenden wir ein leuchtend pinkfarbenes hydraulisches Lenköl für unsere Autos.

Dann haben wir das Wort – „Servolenkung“. Wenn wir die Lenkflüssigkeit unter Druck setzen und sie auf intelligente Weise verwenden (dazu später mehr), erhalten wir zusätzliche Kraft, die uns hilft, unser Auto leichter zu lenken.

Und da haben wir es!

Im Wesentlichen setzt die hydraulische Servolenkung die Hydraulikflüssigkeit unter Druck, um uns zusätzliche Kraft zu geben, die das Lenken unseres Autos erleichtert. Sie ist ein ergonomisches Hilfsmittel, um die Kontrolle und die sichere Manövrierfähigkeit zu verbessern.

So sieht eine typische hydraulische Servolenkungszahnstange aus. Hier ist ein raffinierter Trick. Um zu erkennen, ob es sich um eine hydraulische Zahnstange handelt, müssen Sie nur auf die Mitte der Zahnstange achten. Wenn Sie zwei Metallrohre sehen, die aus der Zahnstange herausragen, wissen Sie, dass es sich um eine hydraulische Variante handelt. Auch wenn Sie es auf dem Bild vielleicht nicht erkennen können, sind sie tatsächlich sehr sperrig. Jede Zahnstange kann bis zu 1,5 Meter lang sein.

Aufstieg der hydraulischen Servolenkung – Woher kommt diese ganze Kraft?

Servolenkungen gibt es schon sehr lange. Ich spreche von etwa hundert Jahren. Die erste hydraulische Servolenkung überhaupt wurde 1876 patentiert. Sie wurde dann 1902 von Frederick W. Lanchester verbessert.

Während des Krieges suchten die Menschen nach Möglichkeiten, ihre schwer gepanzerte Kriegsmaschine besser, schneller und einfacher zu steuern. Auf der Suche nach einem Wettbewerbsvorteil in der Schlacht wurde die Technologie der hydraulischen Servolenkung schnell in den Vordergrund gerückt. Bis zum Kriegsende 1945 wurden 10.000 Militärfahrzeuge mit einer Servolenkung ausgestattet.

Wenn sie in so großem Maßstab getestet und erprobt wurde, ist es schwer, das Potenzial dieser relativ „neuen“ Technologie nicht zu erkennen. Und so geschah es. 1951 war Chrysler der erste Automobilhersteller, der eine Servolenkung auf den Markt brachte. Sie wurde der Öffentlichkeit durch ihren Personenwagen – den Chrysler Imperial – zugänglich gemacht.

Nachher haben viele andere Autohersteller wie General Motors, Toyota und Honda schnell ihre eigene Variante der Servolenkung erfunden und eingeführt. Und damit sind wir da, wo wir jetzt sind. Im 21. Jahrhundert sind praktisch alle Autos mit einer Servolenkung ausgestattet.

Wenn man wirklich darüber nachdenkt, ist die Servolenkung ein Stück Technologie, das aus schwierigen Zeiten geboren wurde und sich zu etwas entwickelt hat, das unser Leben völlig zum Besseren verändert hat. Es ist wirklich bemerkenswert.

Wie funktioniert eine hydraulische Servolenkung?

Wenn Sie völlig neu im Bereich der Autolenkung sind, empfehle ich Ihnen, zuerst mit How Car Steering System Works – in Simple English zu beginnen. Das liegt daran, dass eine normale Lenkung ohne Servounterstützung sehr ähnlich wie eine hydraulische Servolenkung funktioniert.

Der einzige Unterschied ist, dass hydraulische Servolenkungen ein paar zusätzliche Teile haben, um die zusätzliche Kraft zu liefern. Ich spreche von…

• Hydraulikflüssigkeit
• Lenkungsflüssigkeitsbehälter
• Lenkungspumpe
• Rotationsventil
• Hydraulikkammer

Lenkungsflüssigkeitsbehälter

Genauso wie wir einen Benzintank für Benzin haben, haben wir einen Lenkungsflüssigkeitsbehälter für Lenkungsflüssigkeit. Wenn wir eine Flüssigkeit verwenden, haben wir immer einen Behälter, der sie auffängt, wenn wir sie nicht benutzen.

Dieses Teil hier ist nicht allzu ausgefallen, und sein Zweck ist auch ziemlich selbsterklärend. Aber die Reise einer hydraulischen Servolenkung beginnt hier. Wenn wir die Lenkflüssigkeit auffüllen, geben wir sie in diesen Behälter. Er fasst die Flüssigkeit und führt sie über Gummischläuche zur Lenkungspumpe.

Lenkungspumpe

Diese Hochdruck-Lenkflüssigkeit verlässt dann die Lenkungspumpe, durch die Lenkungsschläuche und in die Zahnstange, genauer gesagt in das Drehventil.

Drehventil

In der Zahnstange befindet sich das so genannte Drehventil. Ein Drehventil ist ein hochempfindliches Metallgehäuse mit strategisch platzierten Löchern, das die Lenkflüssigkeit entweder zurück zur Lenkungspumpe oder in die Zahnstange umleitet.

Stellen Sie sich das Drehventil wie die Verkehrspolizei an einer belebten Straßenkreuzung vor. Sie weist der Lenkflüssigkeit den Weg, je nachdem, wohin Sie Ihr Lenkrad drehen. So funktioniert es…

• Wenn sich das Lenkrad in seiner ursprünglichen Position befindet, leitet das Drehventil die Lenkflüssigkeit zurück zur Lenkungspumpe und nichts passiert. Der Kreislauf der Lenkflüssigkeit vom Vorratsbehälter zur Pumpe und zum Drehventil wiederholt sich einfach.
• Wenn der Fahrer jedoch das Lenkrad dreht, öffnet sich das Drehventil und die Lenkflüssigkeit wird von der Lenkpumpe umgeleitet. Diesmal geht es nicht zurück zur Lenkungspumpe, sondern es verlässt das Drehventil durch die Flüssigkeitsleitungen und gelangt in eine der Hydraulikkammern der Zahnstange.

Hydraulikkammer

Wenn die Lenkflüssigkeit vom Drehventil in die Hydraulikkammer umgeleitet wird, bekommen wir eine Servounterstützung! Aber gehen wir einen Schritt zurück und sehen uns an, wie das alles passiert ist.

In der Hydraulikkammer befindet sich ein Hydraulikkolben in der Mitte. Er teilt die Hydraulikkammer in zwei gleiche Teile: die linke Seite und die rechte Seite. Die Lenkflüssigkeit wird in diese beiden Kammern umgeleitet, aber der Clou ist, dass sie nicht die gleiche Menge an Lenkflüssigkeit erhalten!

Wenn sich mehr Lenkflüssigkeit auf einer Seite der Hydraulikkammer befindet, entsteht ein Druckunterschied in der Kammer. Die Lenkflüssigkeit drückt dann den Hydraulikkolben in Richtung der schwächeren Seite der Hydraulikkammer und die Zahnstange bewegt sich entsprechend.

Nun fragen sich einige von Ihnen vielleicht, warum es einen Druckunterschied gibt.

Wegen der Fluiddynamik. Oder, genauer gesagt, wegen der Bernoulli-Gleichung. Um Ihnen eine Metapher zu geben, die Ihnen hilft, es zu verstehen, stellen Sie sich zwei gleich große Räume mit einer beweglichen Wand vor, die Sie in die Mitte schieben können. Ein Raum ist mit 50 Personen gefüllt, der andere mit 100 Personen. Weil es in dem einen Raum so heiß und stickig ist, würde ich die Wand verschieben, damit ich mehr Platz in meinem Raum habe. Aber hey, der andere Raum will ja auch mehr Platz haben! Das wird sehr schnell zu einem Tauziehen, bei dem der Stärkere die Wand auf die andere Seite schiebt.

Jedenfalls ist dieses „Schieben der Wand“ das, was uns die zusätzliche Kraft gibt. Da beide Enden der Zahnstange mit den Rädern des Autos verbunden sind, bewegen sich die Räder des Autos nach rechts, wenn die Zahnstange sich nach rechts bewegt. Und… Voilà! Das Auto ändert die Richtung und die Lenkflüssigkeit fließt zurück in den Lenkflüssigkeitsbehälter, um den gesamten Vorgang zu wiederholen.

Und so, meine Freunde, funktioniert eine hydraulische Servolenkung.

Inhärente Grenzen der hydraulischen Servolenkung – nicht gut genug?

Die hydraulische Servolenkung ist erstaunlich. Sie bietet die dringend benötigte Lenkunterstützung in unserem täglichen Leben. Aber, wie bei allem auf der Welt, ist nichts perfekt. Auch die hydraulische Servolenkung hat ihre Schwachstellen.

Schwäche Nr. 1: Unangepasste Servounterstützung.

Bedauerlicherweise können wir die Menge der Servounterstützung nicht kontrollieren, die wir erhalten. Die Servounterstützung, die wir bekommen, ist vielleicht nicht das, was wir brauchen.

Ich erkläre, was ich meine.

Wir wissen inzwischen alle, dass der Automotor unsere Lenkungspumpe über den Riemen antreibt. Sie sind physisch miteinander verbunden, und es gibt keine Möglichkeit zu kontrollieren, wie viel Kraft wir geben oder nicht geben sollen. Ob Sie es wollen oder nicht, die Geschwindigkeit unserer Lenkungspumpe steht in direktem Zusammenhang mit der Motordrehzahl. Wenn wir schneller fahren, steigt die Motordrehzahl und die Pumpe läuft schneller. Wenn wir hingegen langsamer fahren, sinkt die Motordrehzahl und die Pumpe läuft langsamer. Betrachten wir nun diese 3 Szenarien…

• Bei niedriger Geschwindigkeit / im Stand
• Bei hoher Geschwindigkeit
• Bei Geradeausfahrt

Bei niedriger Geschwindigkeit oder im Leerlauf benötigen wir mehr Kraftunterstützung, da es schwieriger ist, das Auto ohne Schwung zu lenken. Aber in Wirklichkeit ist die Motordrehzahl im Leerlauf niedrig, und deshalb bekommen wir nur die geringste Kraftunterstützung, wenn wir z.B. in eine Parklücke ein- und ausparken.

Wenn wir mit hoher Geschwindigkeit fahren, ist es hilfreich, ein steiferes Lenkrad zu haben, damit sich das Lenkrad fester und stabiler anfühlt. Aber wenn man schnell fährt, überlastet der Motor des Autos die Lenkungspumpe und wir bekommen viel zu viel Kraftunterstützung. Ein leichter Druck auf das Lenkrad kann das Auto in eine Richtung lenken, in die wir nicht wollen.

Wenn wir geradeaus fahren, brauchen wir überhaupt keine Servounterstützung, weil wir das Auto nicht drehen. Aber der Motor treibt trotzdem die Lenkungspumpe an, ob wir sie brauchen oder nicht. Wenn Sie unnötige Teile bewegen, wird Energie verschwendet, und das verringert den Kraftstoffverbrauch.

Einschränkung Nr. 2: Anfällig für Leckagen

Es gibt noch ein weiteres Problem.

Da es sich um ein hydraulisches System handelt, benötigen wir Lenkflüssigkeit, damit es funktioniert. Flüssigkeiten sind sehr heimtückisch: Wo immer sie hingehen, finden sie eine kleine Öffnung, um zu entweichen. Das bedeutet, dass, wann immer wir Flüssigkeit verwenden, Sie verdammt sicher sein können, dass irgendwann ein Leck auftritt.

In unserem Fall ist es nicht ungewöhnlich, dass Lenkungsflüssigkeit am Lenkschlauch, an der Lenkungspumpe oder an der Lenkungszahnstange nach nur wenigen Jahren der Nutzung leckt. Wenn das passiert, werden Sie feststellen, dass sich das Lenkrad schwerer drehen lässt. Oder Sie werden feststellen, dass Sie Ihre Lenkflüssigkeit etwa alle 2 Wochen nachfüllen müssen.

Dies ist nur eines der vielen Probleme, die bei einem hydraulischen Lenksystem auftreten können. Wenn Sie mehr darüber erfahren möchten, haben wir für Sie die 7 wichtigsten Probleme mit der Lenkung aufgelistet, die Sie erkennen können.

Lesen Sie es durch, es ist jede Minute wert.

Die Zukunft der hydraulischen Lenkung

Ja, es gibt Fehler. Aber die hydraulische Servolenkung hat einen langen Weg hinter sich und macht das Fahren einfacher und sicherer als je zuvor. Ich weiß nicht, wie es Ihnen geht, aber ich kann mir das Fahren ohne Servolenkung nicht mehr vorstellen!

Die Technologie ist großartig, und deshalb versuchen wir, sie ständig zu verbessern. Oder zumindest haben wir es versucht. Die schlechte Nachricht ist, dass die hydraulische Lenkung aufgrund einiger ihr innewohnender Beschränkungen an ihre Grenzen stößt.

Die gute Nachricht ist, dass wir gerade deshalb eine Verlagerung hin zu elektronischen Servolenkungen erleben, weil wir so viel mehr Kontrolle über das gesamte Servolenkungssystem haben. So wie die ABS-Sensoren das Bremssystem verbessert haben, können wir das Gleiche auch für die Servolenkung tun. Und wer weiß, vielleicht ist das ein Sprungbrett für ein fahrerloses Auto in der Zukunft. Aber das wäre eine andere Geschichte für einen anderen Tag.

Bis dahin, fahren Sie sicher und fahren Sie klug!