Hydraulic Power Steering: Mikä se on ja miten se toimii

Aivan kuten Apple iPhone muutti mobiiliteollisuutta, hydraulinen ohjaustehostin on vastaava autoteollisuudessa.

Autot ovat erittäin painavia esineitä ja voivat painaa jopa 1500 kiloa. Kuvittele, että yrität ohjata tätä hirviötä paljain käsin – aivan mahdotonta! Juuri siksi meillä on alun perin ohjausteline, se teki sen mahdolliseksi.

Mutta, se ei ollut täydellinen. Jos olet ajanut Perodua Kancilia, tiedät, miten jäykkä auton ohjaaminen oli. Tiesimme, että meidän oli vietävä ohjausteline seuraavalle tasolle. Vastaus oli ohjaustehostin. Ohjausteline mahdollisti auton ohjaamisen, mutta ohjaustehostin teki siitä helppoa.

Ne, jotka ovat kokeilleet molempia ohjaustelineitä, osaavat varmasti arvostaa niiden vaikutusta päivittäiseen työmatkaliikenteeseemme. Ja sen vuoksi tämä tekniikka levisi niin laajalle, että kaikki 2000-luvulla valmistetut autot ottavat käyttöön jonkinlaisen ohjaustehostimen.

Vuonna 2018 meillä on kolme erilaista ohjaustehostinta: (i) hydraulinen ohjaustehostin, (ii) sähköhydraulinen ohjaustehostin ja (iii) sähköinen ohjaustehostin. Tänään tutkimme ja saamme syvällisemmän ymmärryksen kaikkien ohjaustehostinjärjestelmien isoisästä – hydraulisesta ohjaustehostimesta: mikä se on ja miten se toimii.

• Mikä on hydraulinen ohjaustehostin?
• Hydraulisen ohjaustehostimen nousu
• Miten se toimii?
  • Ohjausnestesäiliö
  • Ohjauspumppu
  • Kääntöventtiili
  • Hydrauliikan kammio
• Hydraulisen ohjaustehostimen rajoitukset
  • Rajoitus #1: Tehoavustuksen epäsuhta
  • Rajoitus #2: Alttius vuodoille
• Hydraulisen ohjaustehostimen tulevaisuus

Mikä on hydraulinen ohjaustehostin?

Tiedättekö, insinöörit osaavat olla varsin kirjaimellisia ja käytännöllisiä asioiden nimeämisessä, ja se todella helpottaa asioiden ymmärtämistä! Puretaan se sanasta sanaan.

Sana – ”Hydraulinen” on vain hieno sana nesteen käyttämiselle, joka voi tarkoittaa vettä, öljyä ja niin edelleen. Tässä tapauksessa käytämme kirkkaan vaaleanpunaisen väristä hydraulista ohjausöljyä autoissamme.

Sitten meillä on sana – ”Power Steering”. Kun paineistamme ohjausnesteen ja käytämme niitä fiksusti (siitä lisää myöhemmin), saamme lisätehoa, joka auttaa meitä ohjaamaan autoamme helpommin.

Ja siinä se on!

Ydinasiassa hydraulinen ohjaustehostin paineistaa hydrauliikkanesteen antaakseen meille lisätehoa, joka helpottaa automme ohjaamista. Se on ergonominen apuväline, joka parantaa ohjausta ja turvallista ohjattavuutta.

Tältä tyypillinen hydraulinen ohjaustehostin näyttää. Tässä on näppärä temppu. Jos haluat tietää, onko kyseessä hydraulinen ohjaustanko, sinun tarvitsee vain kiinnittää huomiota ohjaustangon keskikohtaan. Jos näet kaksi metalliputkea, jotka työntyvät ulos ohjaustangosta, tiedät, että kyseessä on hydraulinen ohjaustanko. Et myöskään ehkä pysty sanomaan kuvasta, mutta ne ovat itse asiassa hyvin järeitä. Kukin ohjausteline voi olla jopa 1,5 metriä pitkä.

Hydraulisen ohjaustehostimen nousu – Mistä kaikki tämä voima tuli?

Hallintatehostin on ollut olemassa jo hyvin pitkään. Puhun noin sata vuotta pitkään. Kaikkien aikojen ensimmäinen hydraulinen ohjaustehostin sai patentin vuonna 1876. Sen jälkeen Frederick W. Lanchester paransi sitä vuonna 1902.

Sodan aikana ryhdyttiin etsimään keinoja, joilla raskaasti panssaroitua sotakonetta pystyttäisiin hallitsemaan paremmin, nopeammin ja helpommin. Etsittäessä kilpailuetua taistelussa hydraulisen ohjaustehostimen taustalla oleva tekniikka otettiin nopeasti käyttöön ja se tuli tunnetuksi. Sodan päättyessä vuonna 1945 10 000 sotilasajoneuvoa oli varustettu ohjaustehostimella.

Kun sitä testattiin ja testattiin näin laajassa mittakaavassa, on vaikea olla näkemättä tässä suhteellisen ”uudessa” teknologiassa piilevää potentiaalia. Ja niin se tapahtui. Vuonna 1951 Chrysler on ensimmäinen autonvalmistaja, joka tuo ohjaustehostimen kaupallisesti saataville. Se oli yleisön saatavilla heidän henkilöautossaan – Chrysler Imperialissa.

Pian sen jälkeen monet muut autonvalmistajat, kuten General Motors, Toyota ja Honda, keksivät nopeasti omat muunnelmansa ohjaustehostimesta ja ottivat ne käyttöön. Ja näin päästiin siihen, missä nyt ollaan. 2000-luvulla lähes kaikki autot on nyt varustettu ohjaustehostimella.

Jos todella ajattelee asiaa, ohjaustehostin on tekniikka, joka syntyi vaikeina aikoina ja kukoisti joksikin, joka muutti elämämme täysin parempaan suuntaan. Se on todella merkittävää.

Miten hydraulinen ohjaustehostin toimii?

Jos auton ohjaustehostin on sinulle täysin uusi asia, suosittelen lämpimästi aloittamaan ensin kirjan How Car Steering System Works – in Simple English. Tämä johtuu siitä, että tavallinen ei-avusteinen ohjausteline toimii hyvin samalla tavalla kuin hydraulinen ohjaustehostinjärjestelmä.

Ainut ero on se, että hydraulisessa ohjaustehostimessa on muutama ylimääräinen osa lisätehon tuottamiseksi. Tarkoitan…

• Hydrauliikkaneste
• Ohjausnestesäiliö
• Ohjauspumppu
• Kiertoventtiili
• Hydrauliikkakammio

Ohjausnestesäiliö

Aivan kuten meillä on bensiinisäiliö bensiiniä varten, niin meillä on myöskin ohjaustehostimen nestesäiliö ohjaustehostimelle. Aina kun käytämme nestettä, meillä on aina säiliö, johon ne mahtuvat, kun emme käytä niitä.

Tässä osassa ei ole mitään kovin hienoa, ja sen käyttötarkoitus on myös melko itsestään selvä. Mutta hydraulisen ohjaustehostimen matka alkaa tästä. Kun täytämme ohjaustehostinnestettä, laitamme sen tähän säiliöön. Se pitää nesteen sisällään ja toimittaa ne kumiletkujen kautta ohjauspumpulle.

Pumppu ohjaustehostimelle

Nämä korkeapaineiset ohjausnesteet lähtevät sitten ohjauspumpusta ohjausletkujen kautta ohjaustelineeseen, tarkemmin sanottuna kiertoventtiiliin.

Kiertoventtiili

Sisällä ohjaustelineessä on niin sanottu kiertoventtiili. Kiertoventtiili on erittäin herkkä metallikotelo, jossa on strategisesti sijoitettuja reikiä, jotka ohjaavat ohjausnesteen joko takaisin ohjauspumppuun tai ohjaustelineeseen.

Ajattele, että se on kuin liikennepoliisit vilkkaasti liikennöidyssä tienristeyksessä. Se kertoo ohjaustehostimelle, mihin suuntaan pitää mennä sen mukaan, mihin suuntaan käännät ohjauspyörää. Näin se toimii…

• Jos ohjauspyörä on alkuperäisessä asennossaan, kiertoventtiili ohjaa ohjausnesteen takaisin ohjauspumpulle eikä mitään tapahdu. Sykli, jossa ohjausneste siirtyy säiliöstä pumppuun ja kiertoventtiiliin, vain toistaa itseään.
• Mutta kun kuljettaja kääntää ohjauspyörää, kiertoventtiili avautuu ja ohjausneste ohjauspumpusta ohjautuu uudelleen. Tällä kertaa se ei mene takaisin ohjauspumppuun, vaan se poistuu kiertoventtiilistä nestelinjojen kautta johonkin ohjaustelineen hydrauliseen kammioon.

Hydraulinen kammio

Kun ohjausneste kiertoventtiilistä ohjautuu hydrauliseen kammioon, käynnistyy ohjaustehostin! Mutta otetaanpa askel taaksepäin ja katsotaan, miten kaikki tapahtui.

Hydraulikammiossa on hydraulimäntä aivan keskellä. Se jakaa hydraulikammion kahteen yhtä suureen osaan: vasempaan ja oikeaan. Ohjausneste ohjataan näihin kahteen kammioon, mutta tässä on käänne – ne eivät saa yhtä paljon ohjausnestettä!

Kun hydraulisen kammion toisella puolella on enemmän ohjausnestettä, se luo paine-eron kammion yli. Ohjausneste työntää tällöin hydrauliikkamäntää kohti hydraulikammion heikompaa puolta ja ohjaustanko liikkuu sen mukaisesti.

Jokainen teistä saattaa nyt ihmetellä, miksi paine-ero on olemassa.

Nesteen dynamiikan vuoksi. Tai tarkemmin sanottuna Bernoullin yhtälöstä. Antaakseni teille metaforan, joka auttaa ymmärtämään asian, kuvitelkaa kaksi samankokoista huonetta, joiden keskellä on siirrettävä seinä, jota voitte työntää. Toisessa huoneessa on 50 ihmistä ja toisessa 100 ihmistä. Koska huoneessa on niin kuuma ja tunkkainen, työntäisin seinää, jotta saisin enemmän tilaa huoneeseeni. Mutta hei, toinen huone haluaa myös enemmän tilaa! Hyvin nopeasti tästä tulee köydenveto, jossa vahvempi joukkue työntää seinää toiselle puolelle.

Jokatapauksessa tämä ”seinän työntäminen” on se, mikä antaa meille lisävoimaa. Koska ohjaustangon molemmat päät on liitetty auton pyöriin, kun ohjaustanko liikkuu oikealle, niin myös auton pyörät liikkuvat. Ja… Voilà! Auto vaihtaa suuntaa ja ohjausneste virtaa takaisin ohjausnestesäiliöön toistamaan koko prosessin uudelleen.

Ja näin, ystäväni, hydraulinen ohjaustehostin toimii.

Hydraulisen ohjaustehostimen sisäsyntyiset rajoitukset – eikö se ole tarpeeksi hyvä?

Hydraulinen ohjaustehostin on hämmästyttävä. Se tarjoaa kipeästi kaivattua ohjausapua jokapäiväisessä työmatkaliikenteessämme. Mutta kuten kaikessa muussakin maailmassa… Mikään ei ole täydellistä. Myös hydraulisessa ohjaustehostimessa on luontaisia puutteita.

Puute nro 1: Tehoavustuksen epäsuhta.

On valitettavaa, ettemme voi hallita saamamme tehoavustuksen määrää. Saamamme tehoavustus ei välttämättä ole sitä, mitä tarvitsemme.

Selitän, mitä tarkoitan.

Me kaikki tiedämme, että auton moottori käyttää ohjauspumppua moottorihihnan kautta. Ne ovat fyysisesti yhteydessä toisiinsa, emmekä voi mitenkään kontrolloida, kuinka paljon voimaa annetaan tai ei anneta. Halusit tai et, ohjauspumppumme nopeus on suoraan yhteydessä auton moottorin kierroslukuun. Kun ajamme kovempaa, auton moottorin kierrosluku kasvaa ja pumppu käy nopeammin. Kun taas ajamme hitaammin, auton moottorin kierrosluku laskee ja pumppu hidastuu. Mieti nyt näitä kolmea skenaariota…

• Ajettaessa alhaisella nopeudella / paikallaan
• Ajettaessa suurella nopeudella
• Ajettaessa suoraan

Ajettaessa alhaisella nopeudella tai tyhjäkäynnillä tarvitsimme enemmän ohjaustehostinta, koska autoa on vaikeampi ohjata ilman vauhtia. Todellisuudessa auton moottorin kierrosluku on kuitenkin alhainen tyhjäkäynnillä, ja siksi saamme vain vähiten tehoavustusta, kun esimerkiksi liikumme parkkipaikalle ja sieltä pois.

Korkealla nopeudella ajettaessa on hyödyllistä saada jäykempi ohjauspyörä, jotta ohjauspyörä tuntuu tukevammalta ja vakaammalta. Mutta kun ajetaan kovaa, auton moottori ylikuormittaa ohjauspumppua ja saamme aivan liikaa ohjaustehostinta. Pienikin ohjauspyörän painallus voi yliohjata autoa suuntaan, johon emme halua.

Suoraan ajettaessa emme tarvitse lainkaan ohjaustehostinta, koska emme käännä autoa. Mutta moottori pyörittää silti ohjauspumppua, tarvitsimme sitä tai emme. Kun liikutetaan tarpeettomia osia, energiaa menee hukkaan, ja se heikentää polttoainetalouttamme.

Rajoitus nro 2: Alttius vuodoille

On vielä yksi ongelma.

Hydrauliikan luonteen vuoksi tarvitsemme ohjaustehostimen nestettä, jotta järjestelmä toimisi. Nesteet ovat hyvin ovelia, minne tahansa ne menevätkin, ne löytävät minkä tahansa pienen aukon paetakseen. Tämä tarkoittaa sitä, että aina kun käytämme nestettä, voit olla helvetin varma, että tulee aika, jolloin se alkaa vuotaa.

Meidän tapauksessamme ei ole mitenkään harvinaista havaita ohjaustehostimen nestevuotoja ohjaustehostimen letkussa, ohjauspumpussa, tai hammastangon kohdalla, kun sitä on käyttänyt muutama vuosi. Kun näin tapahtuu, alat huomata, että ohjauspyörä tuntuu vaikeammalta kääntää. Tai huomaat joutuvasi jatkuvasti täyttämään ohjausnestettä noin kahden viikon välein.

Tämä on vain yksi monista ongelmista, joita hydraulisessa ohjausjärjestelmässä voi esiintyä. Jos haluat tietää lisää, olemme listanneet Top 7 Steering Rack Problems you can Identify just for you.

Give it a read, it will be worth every minute.

The Future of Hydraulic Steering System

Yes, there are flaws. Hydraulinen ohjaustehostin on kuitenkin kehittynyt pitkälle ja tehnyt ajamisesta helpompaa ja turvallisempaa kuin koskaan ennen. En tiedä sinusta, mutta minä en voi enää kuvitella ajamista ilman ohjaustehostinta!

Tekniikka on hienoa, ja siksi yritämme jatkuvasti parantaa sitä. Tai ainakin olemme yrittäneet. Huono uutinen on se, että olemme saavuttamassa hydraulisen ohjaustehostimen kypsyysasteen joidenkin luontaisten rajoitusten vuoksi.

Hyvä uutinen on se, että juuri tästä syystä olemme alkaneet nähdä siirtymistä elektronisiin ohjaustehostimiin, koska voimme ottaa käyttöön paljon paremman hallinnan koko ohjaustehostimessa. Aivan kuten ABS-anturit paransivat jarrujärjestelmää, voimme tehdä saman myös ohjaustehostimelle. Ja kuka tietää, se saattaa olla ponnahduslauta kuljettajatonta autoa varten tulevaisuudessa. Mutta se olisi toinen tarina toiselle päivälle.

Siihen asti, aja turvallisesti ja aja fiksusti!