Orbitrol-ohjaus keksittiin jo 60 vuotta sitten

Yksi patenttihakemuksen selityspiirroksista, jotka ovat olleet Lynn Charlsonin orbitrol-ohjausta koskeneen patenttihakemuksen liitteenä kesäkuussa 1956. Kuvassa esitetään, kuinka annostelupumpun seitsemästä kammiosta johtaa kanavat pyörivälle venttiilille, jossa on kuusi tuloventtiiliä ja kuusi poistumisventtiiliä ja kuinka venttiilin toiminta perustuu sen putkimaisten karojen keskinäiseen kiertymiseen. 

Orbitrol-ohjauksen keksi amerikkalainen Lynn Charlson 1956. Tätä ennen hän oli ennättänyt keksiä hydraulimoottorin, josta tuli myöhemmin maailman eniten käytetty moottorityyppi.

Lynn Charlson (1909–2004) oli itseoppinut konesuunnittelija. Kaksikymppisenä hän työskenteli hotellin yöportieerina. Aina, kun vain oli mahdollista, hän luki kirjastosta lainaamiaan erilaisia tekniikan alan kirjoja. Kerran hotelliin majoittunut tehtailija pani merkille kirjan, jonka Lynn joka kerta hänen saapuessaan pani syrjään.

Tehtailija tiedusteli Lynnin hieman erikoista kirjavalintaa. Lyhyen keskustelun aikana tehtailija vaikuttui Lynnin syvällisestä perehtyneisyydestä ja mainitsi häntä itseään kovasti vaivanneesta pulmasta tehtaassaan.

Yllättäen Lynn ehdotti teknistä ratkaisua, joka suurella todennäköisyydellä poistaisi tehtailijan ongelman. Lopputuloksena tehtailija halusi Lynnin aloittavan työt hänen edustamassaan yrityksessä. Suositellessaan Lynniä tehtaan johdolle, hän sanoi, että huolimatta siitä, että Lynn ei ole kouluja käynyt insinööri, hän ymmärtää hydrauliikasta enemmän kuin yksikään tehtailijan koskaan näkemä insinööri.

Vuonna 1942 Lynn Charlson perusti oman Char-Lynn Companyn. Lynn arveli, että hän voisi tienata keksinnöillään parhaiten omassa yrityksessä. Aluksi päätuotteena olivat renkaiden asennuksen apuvälineet. Sodan jälkeen Lynn kuitenkin mietti ratkaisua varsinkin hydrauliikan pumppujen ja moottorien saamiseksi yksinkertaisemmiksi ja samalla edullisemmiksi.

Läpimurroksi muodostui geroottoritekniikka. Lynn ajatteli, että kehittämällä sisäkkäisiin hammaspyöriin perustuvaa tekniikkaa eteenpäin, olisi mahdollista tehdä joko pumppuja tai vaihtoehtoisesti moottoreita niin pienin kustannuksin, että vastaaviin suoritusarvoihin pystyviä komponentteja ei kukaan muu kykenisi myymään lähellekään hänen hintaansa.

Geroottori on sisäkkäisen hammaspyöräparin muodostama pumppu tai vaihtoehtoisesti moottori, jossa keskellä oleva roottori pyörii yhdessä ulkokehän kanssa. Koska täyttyviä ja tyhjeneviä hammasvälejä on yhtä aikaa useampia, on geroottori voimakkaampi kuin tavallinen hammaspyöräpari, joka kierrättää öljyn ulkokehien kautta.

Lynn Charlson kaipasi vieläkin suurempaa vääntömomenttia kuin normaali geroottori-moottori kykeni antamaan. Näin sen käyttäminen täysin ilman alennusvaihdetta olisi mahdollista useimmissa käyttötarkoituksissa. Lopulta 50-luvun puolivälissä syntyi idea laittaa sisempi pyörä kiertämään orbitaalista rataa paikoillaan pysyvän ulomman hammaskehän sisällä.

Roottorilla on näin kaksi yhtäaikaista kiertoliikettä: roottorin keskipiste kiertää kehää, jonka suuruus määräytyy ulomman hammaskehän keskelle jäävän tilan perusteella. Samalla roottori kiertää jatkuvasti oman keskipisteensä ympäri. Ulomman hammaskehän syvennykset muodostavat tässä moottorissa kukin oman kammion, johon paineen alainen öljy alkaa virrata roottoripyörän hampaan noustessa syvennyksen pohjalta.

Jotta öljy virtaisi oikea-aikaisesti kammioihin ja niistä pois, tarvitsee moottori pyörivän jakoventtiilin. Lynn Charlson keksi käyttää jakoventtiilinä putkea, jonka virtauskanavat muodostuvat siihen koneistetuista urista. Tätä voi pitää hänen nerokkaimpana keksintönään.

Orbitrol-rakenne antaa moottorille suuremman vääntömomentin kuin tavallisen sisäkkäisesti pyörivän hammaspyörän pari kykenee antamaan. Orbitaalinen kiertoliike toimii tavallaan samaan tapaan vääntömomenttia lisäten kuin mekaaninen planeettapyörästö. Orbitrol-moottorissa vääntömomentti saavutetaan kuitenkin hyvin pienellä määrällä erillisiä osia, mikä tekee siitä pienikokoisen ja edullisen valmistaa.

Vuonna 1956 Lynn Charlson haki patenttia myöhemmin orbitrol-ohjauksena tunnetuksi tulleelle hydrostaattiselle ohjausjärjestelmälle. Sen perustana oli hänen hieman aikaisemmin patentoimansa moottori. Orbitol-moottoria ei voi käyttää käänteisesti pumppuna niin kuin useimpia muita hydraulisia moottoreita. Lynn Charlson kuitenkin oivalsi, että orbitrol-moottorista voisi muokata annosteluventtiilin hydrostaattista ohjausta varten.

Keksijä on kertonut, että hän alun perin oli halunnut kehittää edullisen ja järkevän ratkaisun maataloustraktoreiden ohjauslaitteeksi. Hieman yllättäen orbitrol-ohjauksen ottivat ensimmäiseksi käyttöön vastapainotrukkien valmistajat ja traktoreihin järjestelmä tuli vasta kaksi vuosikymmentä myöhemmin.

Sittemmin monien erilaisten runko-ohjattujen koneiden tulo markkinoille loi orbitrol-ohjaukselle lähes loputtomat markkinat. Nykyisin orbitroliin perustuva hydrostaattinen ohjaus on vakioratkaisu kaikissa pyörillä kulkevissa koneissa.

Tanskalainen Danfoss oli ensimmäinen valmistaja Euroopan puolella, joka hankki lisenssin geroottori-moottoreiden ja orbitrol-ohjauksen valmistamiseen vuonna 1961. Itse asiassa nämä komponentit olivat Danfossille ensimmäiset hydrauliikkaan liittyvät tuotteet yrityksen historiassa. Tämän jälkeen Danfossista tuli johtava valmistaja hydrostattisen ohjauksen komponenteille Euroopassa.

Eaton osti Char-Lynnin vuonna 1970 ja Eatonista tuli näin USA:ssa tärkein orbitrol-ohjauskomponenttien valmistaja. Nykyisin Lynn Charlsonin tekemään keksintöön pohjautuvaa ohjausjärjestelmää valmistavat lukemattomat yritykset maailmassa.

On hämmästyttävää, miten vähän orbitol-ohjauksen periaate ja varsinkin sen tärkeimmän osan – annosteluventtiilin – käytännön rakenne on vuosikymmenten aikana muuttunut. On myös pakko ihmetellä, miten yksi ainoa ihminen on kyennyt suunnittelemaan kolmiulotteisesti näin vaativa ja erittäin monitahoisen rakenteen. Keksinnön syntyaikaan ei tietokoneavusteisesta 3D-suunnittelusta osattu edes uneksia.

Jussi Laukkanen