Lenkung
Als Lenkung bezeichnet man die Vorrichtung zur Beeinflussung der Fahrtrichtung von Fahrzeugen jeglicher Art. Dieser Artikel beschäftigt sich vor allem mit der Lenkungstechnik an zweispurigen Landfahrzeugen, insbesondere mit der Achsschenkellenkung.
Allgemein
Bei schienengebundenen Fahrzeugen geben die Schienen die Fahrtrichtung vor.
Nichtschienengebundene Landfahrzeuge hatten ursprünglich eine Schwenkachsenlenkung (oder Drehschemellenkung). Dabei wird meist der vordere starre Achskörper mit seinen an beiden Enden gelagerten Rädern um einen in der Mitte befindlichen Bolzen horizontal geschwenkt. Diese Lenkung kommt heute noch oft an mehrachsigen Anhänger-Fahrzeugen vor.
1 Lenkrad
2 Lenksäule
3 Lenkgetriebe
4 Spurstangen
5 schwenkbare Rad-Achsschenkel
6 Lenkhebel
7 Zwischenstange
8 Lenkstockhebel
9 Zwischenhebel
Bei den meisten Kraftfahrzeugen mit zwei Vorderrädern wurde fast von Anfang an – ebenfalls in der Regel an der vorderen Achse – die Achsschenkellenkung verwendet. Die beiden Achsschenkel oder Radträger, an denen die Räder gelagert sind, sind um je eine eigene, annähernd senkrecht stehende Achse unmittelbar am Rad schwenkbar gelagert. Zum koordinierten Schwenken sind die Achsschenkel gelenkig über das Lenkgestänge miteinander verbunden.[1]
Nach Erreichen der gewünschten neuen Fahrtrichtung wird das Schwenken (Lenkausschlag) aufgehoben. Lenkwinkel ist der Winkel zwischen Radebene und Geradeausfahrtstellung. Lenkausschläge sind gelegentlich auch als Lenkkorrekturen infolge von richtungsändernden Störungen wie Bodenunebenheiten, Beschleunigung bzw. Verzögerung, Bodenkontaktunterschiede rechts und links und Seitenwind erforderlich.
Der für die Lenkungstechnik einspuriger Fahrzeuge (Fahrräder und Motorräder) gebrauchte Begriff ist Steuerkopflenkung. Das Vorderrad wird mit der im Steuerkopf drehbaren Vorderradgabel zur Seite geschwenkt.
Bestandteile der Achsschenkellenkung beim Automobil
- Achsschenkel
- Achsschenkelbolzen oder Kugelgelenke zum Anschluss über die Radaufhängung an den Achskörper
- Lenkhebel am Achsschenkel
- Spurstangen (teilweise Zwischenstange, Zwischenhebel und Lenkstockhebel)
- Lenkgetriebe,
- Lenksäule,
- Lenkrad
Bestandteile der Steuerkopflenkung bei einspurigen Fahrzeugen
- Radgabel,
- Lenkkopf (Motorrad) bzw. Steuersatz (Fahrrad)
- Motorradlenker bzw. Fahrradlenker
Schwenkachs-/Drehschemellenkung
Bei der Schwenkachslenkung wird der starre Achskörper mit den an seinen Enden gelagerten Rädern als Ganzes um einen zentralen Bolzen, den „Königsbolzen“, geschwenkt. Die Aufstandsfläche des Fahrzeugs verringert sich jedoch beim Schwenken der Achse immer mehr vom Viereck bis hin zu einem Dreieck bei einer 90°-Stellung, was die Kippstabilität verringert.
Die Konstruktion mit „Königsbolzen“ wurde zur Übertragung des Kippmoments zwischen Achse und Fahrzeug beim Ausschwenken zu einem schemelartigen Gebilde erweitert, dem Drehschemel oder „Drehkranz“, der in aufwändigen Fällen mit Kugelgelenk ausgestattet sein kann.
Nur sehr einfache selbstfahrende Fahrzeuge wie Seifenkisten oder frühe dampfgetriebene Straßenwalzen wurden mit Schwenkachslenkung ausgestattet. Sie wird jedoch bei Kutschen und anderen Pferdewagen sowie allgemein bei mehrachsigen Anhängern eingesetzt, da die Deichsel zum Ziehen des Fahrzeugs hier auf einfache Weise zugleich auch zur Ansteuerung der gelenkten Achse dienen kann.
Dreirädrige Lastenfahrräder mit zwei Vorderrädern und vornliegender Ladefläche haben überwiegend eine Drehschemellenkung, um technischen Aufwand und Gewicht zu begrenzen. Damit zu fahren erfordert allerdings Übung.[2]
An kurzgekuppelten Hängerzügen werden mehrere Drehschemel (Drehkränze) verwendet. Dabei wird die Achse um verschiedene vertikale Drehpunkte bewegt, um dadurch ein Anschlagen der Fahrzeugecken an die Zugmaschine zu verhindern.
Einzelradlenkung
Hat jedes gelenkte Rad seine eigene Drehachse, liegt eine Einzelradlenkung vor. Bei zweispurigen Fahrzeugen kommt die Achsschenkellenkung mit außerhalb der Radebene liegendem Achsschenkel, bei einspurigen Fahrzeugen die Steuerkopflenkung mit Drehachse in der Radmittenebene zur Anwendung.
Achsschenkellenkung
Die Achsschenkel-Lenkung, bei der jedes Vorderrad eine eigene Schwenkachse hat, wurde im Jahr 1761[3] von Erasmus Darwin erfunden. Patentiert wurde sie erstmals 1816 dem Hofwagner Georg Lankensperger aus München. Dieser überließ sie in England dem Verleger und Unternehmer Rudolph Ackermann, weshalb sie dort unter dem Begriff „A-Steering“ bekannt wurde. An Ackermann erinnert auch die Bezeichnung des Lenkwinkels als Ackermann-Winkel und die Ackermann-Funktion, die die Lenkwinkeldifferenz beschreibt, die von Radstand, Spurweite und Lenkwinkel abhängt. Weitere Patente erhielten Amédée Bollée 1876 in Frankreich[4] und Carl Benz 1891.[5][6][7] Diese Bauart wird in heutigen mehrspurigen Kraftfahrzeugen beinahe ausschließlich verwendet, ebenfalls bei hinterachsgelenkten Fahrzeugen wie Gabelstaplern oder Erntemaschinen. Die Radnabenlenkung einiger Motorräder kann als Achsschenkellenkung aufgefasst werden. Yamaha verwendete diese eine Achsschenkellenkung beim Motorrad Yamaha GTS 1000 Anfang der 1990er Jahre.
Lenktrapez
Beide Räder sollen bei Kurvenfahrt auf einer Kreisbahn mit gleichem Mittelpunkt rollen, dem Momentanpol der Bewegung. Bei der Drehschemellenkung ist das automatisch der Fall. Bei einer Einzelradlenkung muss das innere Rad, das näher am Mittelpunkt liegt und dem äußeren vorauseilt, stärker einlenken als das äußere. Bei der Achsschenkellenkung müssen die Räder unterschiedlich geschwenkt werden, das außen liegende weniger stark als das innen liegende. Das erreicht man mit der Bildung des sogenannten Lenktrapezes aus dem Achskörper, den beiden leicht nach innen weisenden Lenkhebeln an den Achsschenkeln und einer Spurstange, die kürzer als der Achskörper ist. Dadurch entstehen beim Schwenken der Räder ungleich lange wirksame Hebelarme, so dass sich die Verlängerungen aller Radachsen ungefähr im Kurvenmittelpunkt schneiden (Ackermann-Prinzip). Ein Hinweis auf ein richtig dimensioniertes Lenktrapez ist die Tatsache, dass sich die verlängerten Lenkhebel an den Achsschenkeln in Geradeausstellung in der Mitte der Hinterachse treffen (siehe oben in obiger Abbildung).
Lenkgeometrie
Spur (Spurwinkel) und Sturz bestimmen sich durch die Lage der Radachse (des Achsstummels), Spreizung und Nachlauf durch die Lage der Lenkachse.[8]
Vorspur
Vorspur bedeutet, dass die Räder bei Geradeausfahrt nicht genau parallel stehen, sondern in Fahrtrichtung einen spitzen Winkel bilden. Das verbessert den Geradeauslauf.[9] Durch die leicht "schielende" Einstellung der Räder wird die Lenkmechanik unter Spannung gehalten. Das unterbindet das Flattern der Lenkung durch Lagerspiel. Idealerweise gleicht die leichte Vorspur das Lagerspiel gerade aus, so dass die Räder bei normaler Fahrt wieder parallel stehen.
Die Vorspur kann nur bei geradestehenden Rädern eingestellt werden. Beim Einschlagen der Lenkung bekommen die Räder Nachspur: Die Räder bilden einen Winkel, der sich nach vorne öffnet, damit das kurveninnere Rad einem kleineren Kurvenradius folgen kann, als das kurvenäußere Rad.
Sturz
Die Radachsen oder Achsstummel stehen nicht genau horizontal, sondern weisen am äußeren Ende leicht nach unten oder nach oben. Der erstgenannte Fall wird fahrzeugbezogen positiver Sturz genannt. Hier werden die Räder nach innen gedrückt und so das Spiel in den Lagern ausgeschaltet. Negativer Sturz gleicht demgegenüber die Wankneigung in Kurven aus und verbessert die Haftung der Reifen in der Kurve.
Spreizung
Die Schwenkachsen der Räder sind leicht nach innen geneigt, so dass sich die Verlängerung der Schwenkachse der Aufstandsfläche des Rads annähert. Dadurch verkleinert sich der Lenkrollradius. Die Lenkkraft und die Rückwirkung der Räder (zum Beispiel durch Bremsen auf rechts und links nicht gleich griffigem Boden) auf die Lenkung verringern sich. Bei positivem Lenkrollradius bewirkt die Spreizung beim Einschlag ein leichtes Anheben des Wagenvorderteils, was eine selbsttätige Rückstellung in den Geradeauslauf bewirkt, auch im Stehen (Rückstellmoment).
Stoßradius und Störkrafthebelarm
In der Ansicht von hinten auf das Rad hat die Spreizachse vom Radmittelpunkt die Abstände Stoßradius rσ und Störkrafthebelarm rSt. Ihr zur Fahrbahn paralleler Abstand ist der Stoßradius, ihr kleinster Abstand ist der Störkrafthebelarm. Beide Werte sind positiv, wenn der Radmittelpunkt weiter als die Spreizachse von der Fahrzeugmitte entfernt ist. Sie sollen möglichst klein sein, damit keine störenden Kräfte in der Lenkung erzeugt werden.
Nachlaufstrecke
Das auf das Lenkrad wirkende Rückstellmoment bei Kurvenfahrt entsteht im Wesentlichen durch das Reifenrückstellmoment und durch das Moment von Seitenkraft und Nachlaufstrecke der Räder. Diese entsteht durch leichte Neigung (Nachlaufwinkel) der Schwenkachsen (Spreizachsen) der Räder nach hinten und den Nachlaufversatz. Die Nachlaufstrecke ist definiert als Abstand zwischen dem Durchstoßpunkt der Spreizachse auf der Fahrbahn und dem Radaufstandspunkt in einer Ansicht seitlich auf das Rad.
Steuerkopflenkung bei einspurigen Fahrzeugen
Ein anderer Begriff ist Gabellenkung. Eines ihrer Merkmale ist die Rechts-Links-Symmetrie, das Lenkverhalten ist in beide Richtungen gleich.
Außer bei einspurigen (Fahrrädern, Motorrollern) wird sie auch bei dreispurigen Fahrzeugen angewendet. Das einzelne Vorder- oder auch Hinterrad wird geschwenkt, so bei klassischen Dreirädern und auch bei Rollstühlen und hinten gelenkten Gabelstaplern.
Beim Leichtmotorrad Riedel Imme ist keine Rechts-Links-Symmetrie gegeben; sein Konstrukteur Norbert Riedel gibt in einer Patentschrift zwei Möglichkeiten an, die die Nachteile der Unsymmetrie verringern sollen.
Andere Bauarten bei zweispurigen Fahrzeugen
Knicklenkung
Bei der Knicklenkung besteht das Fahrzeug aus zwei Teilen mit je einer meistens ungefederten Starrachse. Beide Teile sind durch ein um eine vertikale Achse drehendes Gelenk miteinander verbunden. Das Lenken erfolgt durch Schwenken der beiden Fahrzeugteile gegeneinander. Im Vergleich mit der ebenfalls eingelenkigen Schwenkachslenkung ist die Aufstandsfläche im geschwenkten Zustand und damit die Standsicherheit größer.
Die Knicklenkung eignet sich in erster Linie für kurze und eher langsamfahrende Fahrzeuge. Massen, die sich vor der Vorder- oder hinter der Hinterachse befinden (wie etwa Schaufeln und andere Arbeitsgeräte), wirken bei Fahrzeugen mit Knicklenkung stabilisierend. Das Fahrzeug wird durch die Knicklenkung in einen vorderen und einen hinteren Teil separiert, die sich gegenseitig stützen. Je gleichmäßiger sich die jeweilige Achslast auf den Bereich vor und den Bereich hinter der betreffenden Achse aufteilt, desto geringer ist die Kippgefahr bei Lenkbewegungen des Fahrzeugs.
Die Kombination von Knicklenkung und Achsschenkellenkung wird als Stereolenkung bezeichnet.
Panzerlenkung
Die Richtungsänderung erfolgt meist durch zwei Hebel, rechts und links vom Fahrer, welche den Antrieb auf der jeweiligen Seite abbremsen. Die unterschiedlichen Drehzahlen der beiden angetriebenen Ketten von Panzern und anderen Kettenfahrzeugen (wie Raupenfahrzeuge) und auch Rad-Fahrzeugen (z. B. Kompakt- und Hoflader) bewirken ein Lenken zur langsamer drehenden Seite.
In der einfachsten Form geschieht dies durch eine Lenkbremse mit Bremsbändern, die jedoch schnell verschleißen. Daher wird meist ein Überlagerungslenkgetriebe verwendet, das auch die Antriebsverluste minimiert.
Lenkbremse, zusätzlich zu Achsschenkellenkung
Die Achsschenkellenkung lässt sich bei Heckantrieb durch zeitweises Bremsen eines der Antriebsräder unterstützen. Wegen des in der Regel an der Hinterachse vorhandenen Differentialgetriebes entsteht kein Verlust an Antriebsleistung. Bei Fahrzeugen mit geringer Vorderachslast (Rollstühle und manche Zugmaschinen) kann die Lenkbremse die Richtungsänderung allein bewirken. Der RS14 ist ein Fahrzeug mit Lenkbremse.
Lenkungsarten in Bezug auf die Fahrzeug-Achsen
Lenkung einer Achse (Zweiradlenkung)
Bei der Zweiradlenkung werden die beiden Räder derselben Achse gelenkt. Dies ist die gängigste Form der Lenkung bei Straßenfahrzeugen.
- Hinterradlenkung wird in der Regel nur bei langsam fahrenden Fahrzeugen angewandt, da hinten gelenkte Fahrzeuge zum Übersteuern neigen und sich dieser Effekt gefährlich verstärken kann, wenn sich bei fortschreitendem Verschleiß ein erhöhtes Lagerspiel einstellt. Gabelstapler mit Hinterradlenkung profitieren von erhöhter Wendigkeit. Bei Gabelstaplern und Mähdreschern vereinfacht die Hinterradlenkung die Konstruktion der hoch belasteten Vorderachse.
Hinterradlenkung
Gabelstapler mit Hinterradlenkung
- Vorderradlenkung ist die übliche Lenkung bei den meisten Kraftfahrzeugen. Bei 3-achsigen Fahrzeugen mit ungelenkten Hinterachsen (Doppelachse oder Tandemachse) werden die Hinterräder bei Kurvenfahrt schräg zur Rollrichtung geschoben und radieren dabei auf dem Untergrund. Durch den Reibungswiderstand zwingen sie dem Fahrzeug ein untersteuerndes Verhalten auf. Je enger die beiden Hinterachsen zusammen stehen, desto weniger wird die Lenkung behindert. Die gelenkte Vorderachse darf bei Fahrzeugen mit großen Nutzlasten nicht zu weit vorne stehen. Wenn aufgrund einer großen Zuladung auf der hinteren Ladefläche des Fahrzeugs ein zu geringer Anteil des Fahrzeug-Gesamtgewichts auf die Vorderachse wirkt, würden sonst die Vorderräder beim Lenken ihre Haftung verlieren.
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T5 mit Vorderradlenkung
Mehrere gelenkte Achsen in Kombination mit ungelenkten Achsen
- Doppelvorderradlenkung wird die Lenkung zweier kurz hintereinander liegender Vorderachsen genannt. Die hintere Achse hat einen geringeren Lenkwinkel als die vordere Achse, dadurch wird bei der Kurvenfahrt das Radieren der zweiten Achse vermieden. Diese Lenkung wird verwendet, um eine hohe vordere Achslast auf zwei Achsen zu verteilen. Die Alternative wäre es, die vorderen Reifen zu vergrößern, was bei vorne liegendem Motor jedoch den Motorraum einschränkt. Zwei angelenkte Vorderachsen sind bei Spezialfahrzeugen wie großen Autokranen anzutreffen. Vermehrt werden auch Baufahrzeuge wie Schüttguttransporter (Muldenkipper) und selbstfahrende Betonmischer damit ausgestattet. Die Übernahme einer höheren Last durch die beiden Vorderachsen verringert den Reifenverschleiß durch das Radieren der Reifen an den ungelenkten Hinterachsen bei Kurvenfahrt. Gelegentlich wird auch auf eine zweite Hinterachse verzichtet.
Doppelvorderradlenkung
TPz FUCHS 2 mit Doppelvorderradlenkung
- Die Vorderrad-Hinterradlenkung wird bei 3-achsigen Nutzfahrzeugen mit doppelter Hinterachse verbaut. Bei ihr lenkt zusätzlich zur Vorderachse eine der beiden Hinterachsen mit. Ist die erste Hinterachse die Lenkachse, so lenkt diese gleichsinnig mit der Vorderachse. Die zweite Hinterachse als Lenkachse lenkt gegensinnig zur Vorderachse. Da ein Radieren der Hinterachsen vermieden wird, ist das Fahrzeug leichter zu handhaben. Insbesondere bei Anlenkung der hintersten Achse reduziert sich der Wendekreis. Anwendung vor allem bei schweren Lkw, die oft auf engem Terrain bewegt werden müssen (z. B. Müllwagen).
Vorderrad-Hinterradlenkung
Von den acht Achsen des MZKT-79221 sind die vorderen drei und die hinteren drei Achsen lenkbar.
Allradlenkung
Eine Allradlenkung ermöglicht einen kleinen Wenderadius Eine Allradlenkung findet sich unter anderem bei landwirtschaftlichen Fahrzeugen oder bei Schwerlasttransportern. Man unterscheidet folgende Arten:
- Proportionallenkung, bei der die Hinterräder in einem bestimmten Verhältnis zu den Vorderrädern eingeschlagen werden, beispielsweise das Vorderrad bewegt sich um 2°, das Hinterrad entsprechend um 0,4°.
Proportionallenkung
GMC Sierra Denali mit Proportionallenkung
- Gleichlauflenkung, bei der die Vorder- und Hinterräder gleichmäßig verdreht werden, was zur Folge hat, dass bei konstanter Kurvenfahrt die Hinterräder genau in der Spur der Vorderräder laufen.
Gleichlauflenkung
Teleskoplader mit Gleichlauflenkung
- Verzögerungslenkung, bei der die Hinterräder erst angelenkt werden, wenn die Vorderräder einen bestimmten Lenkwinkel erreicht haben.
- Hundeganglenkung ist eine vor allem in der Landwirtschaft eingesetzte Lenkung. Dabei werden die Vorderräder und die Hinterräder in die gleiche Richtung ausgelenkt. Dies ermöglicht es, die Hinterräder auch bei Geradeausfahrt versetzt zu den Vorderrädern laufen zu lassen. Dies reduziert die Spurrinnenbildung und vermindert die Kippgefahr im steilen Gelände. Tandemwalzen können mit dieser Lenkung eine größere Fläche Walzasphalt walzen.
Hundeganglenkung
Teleskoplader im Hundegang
Bei PKW ist ein Lenkverhalten erwünscht, das sich mit proportional eingeschlagenen Rädern nicht erzielen lässt: kleiner Wendekreis mit gegensinnig einschlagenden Rädern bei niedriger Geschwindigkeit, erhöhte Fahrstabilität bei hoher Geschwindigkeiten mit gleichsinnig einschlagenden Rädern. Honda verwirklichte ein solches System ab 1987 im Modell Prelude. Mit einem Planetenrad-Lenkgetriebe an der Hinterachse wurden die Räder bei kleinem Lenkwinkel gleichsinnig, bei großem Lenkwinkel gegensinnig eingeschlagen. Moderne Systeme arbeiten mit rechnergesteuerten elektrischen Stellmotoren. Damit kann der Lenkeinschlag der Hinterräder in Abhängigkeit von der Fahrgeschwindigkeit und fahrdynamischen Größen unabhängig von der Stellung der Vorderräder eingestellt werden, um die Fahrstabilität zu verbessern. Solche Systeme können Teil einer Lenkung sein, die ohne mechanische Verbindung zwischen Lenkrad und Rädern auskommt (Steer-by-Wire).
Lenkung von Wasserfahrzeugen und Flugkörpern
Die Lenkung von Wasserfahrzeugen und Flugkörpern wird meist Steuerung genannt. Sie wirkt auf den Antrieb (zum Beispiel bei Hubschraubern oder Ruderbooten), über bewegliche Steuerflächen auf das umströmende Medium (Wasser oder Luft – über Höhen-, Seiten-, Querruder bei Flugzeugen und Steuerruder bei Schiffen) oder die Lenkung hat eine eigene Energiequelle (zum Beispiel als Steuertriebwerke bei Raketen und Bugstrahlruder bei Schiffen).
Eigenlenkung und Fernlenkung
Bodenfahrzeuge haben normalerweise eine Eigenlenkung, sie sind selbstgesteuert. Das Gegenteil, die Fernlenkung oder Fernsteuerung, überträgt die Lenkbefehle von außen auf das Fahrzeug, wie bei einem ferngesteuerten Modellauto oder einem Satelliten.
Literatur
- Erik Eckermann: Die Achsschenkellenkung und andere Fahrzeug-Lenksysteme. Deutsches Museum, München 1998, ISBN 3-924183-51-1. [online http://www.be-tech.bplaced.net/inhalt/02tew/techwerk/lenkung/sachinformation/lenkungssysteme.pdf, abgerufen 2016-09-13]
- Anthony Bird, Edward Douglas-Scott Montagu of Beaulieu: Steam Cars, 1770–1970. Littlehampton Book Services, 1971, ISBN 0-304-93707-X. (englisch)
Siehe auch
Weblinks
- Steering Equipment, Regelung TRANS/WP.29/GRRF/2002/5 (PDF; 110 kB) der Economic Commission for Europe
Einzelnachweise
- Drehschemellenkung, Achsschenkellenkung. In: hako-lehrmittel.de. Hako Lehrmittel, archiviert vom Original am 27. November 2018; abgerufen am 6. April 2020 (bildlicher Vergleich der beiden Bauarten).
- Cargobike. Lenkungen Lastenrad. Abgerufen am 7. November 2021.
- Den noch früheren Versuch einer Einzelradlenkung gibt Erik Eckermann an in Kultur & Technik, 04/2003, S. 54 [online: http://www.deutsches-museum.de/fileadmin/Content/data/020_Dokumente/040_KuT_Artikel/2003/27-4-54.pdf, abgerufen 2016-09-13]
- Bird, Montagu of Beaulieu: Steam Cars, 1770–1970(1971), S. 52.
- Ein Jahrhundert Automobiltechnik – Nutzfahrzeuge. VDI-Verlag, 1987, ISBN 3-18-400656-6, S. 164, 174, 175.
- Ein Jahrhundert Automobiltechnik – Personenwagen. VDI Verlag, 1986, ISBN 3-18-400620-4, S. 368.
- Hinweise und Aufzeichnungen der Royal Society of London © 2002 The Royal Society
- Konrad Reif, Karl-Heinz Dietschke: Kraftfahrtechnisches Taschenbuch. 27. Auflage. Vieweg & Sohn, 2011, ISBN 978-3-8348-1440-1, S. 318.: (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
- Motorlexikon.de: Die Vorspur hält die Lenkung unter Spannung [beide Räder lenken ein wenig, was sich gegenseitig durch Querschlupf aufhebt] und verringert damit Lenkstörungen, auch Flattern genannt.