von Lennart Spenler und Bernd Czerwinski

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1 Lenkung und Spur von Lennart Spenler und Bernd Czerwinski

2 0 Inhaltsverzeichnis LENKUNG UND SPUR INHALTSVERZEICHNIS LENKUNG WO WERDEN LENKUNGEN EINGEBAUT UND WAS SIND IHRE AUFGABEN? WIE FUNKTIONIEREN LENKUNGEN? UNFALLSICHERHEIT DER LENKUNG LENKUNGSARTEN ZAHNSTANGEN - LENKUNG KUGELUMLAUF - LENKUNG Einsatzgebiet Aufbau und Funktion SCHNECKENROLLEN - LENKUNG Aufgabe Funktion SERVOLENKUNG HYDRAULISCHE SERVOLENKUNG Aufgabe Funktion ELEKTRISCHE SERVOLENKUNG Aufgabe Funktion Vorteile der Elektrischen Servolenkung FUTURE/ZUKUNFTSPLÄNE SPUR RADSTAND SPURWEITE SPUR SPURDIFFERENZWINKEL STURZ NACHLAUF SPREIZUNG LENKROLLHALBMESSER EINPRESSTIEFE IMPRESSUM Bernd Czerwinski & Lennart Spenler - 2 -

3 1 Lenkung 1.1 Wo werden Lenkungen eingebaut und was sind ihre Aufgaben? Die Lenkung ist, außer bei Kettenfahrzeugen, in jedem Fahrzeug meist vorne eingebaut. Sie soll beim Einlenken die Vorderräder auf ihrer natürlichen Bahn halten, ohne dass dabei große Seitenkräfte auftreten, welche das Fahrzeug abtriften lassen. 1.2 Wie funktionieren Lenkungen? Die Verbindung zwischen Lenkung und Räder wird bei starren Vorderachsen (nur einmal gefedert), die überwiegend bei LKW eingebaut werden, durch eine, bei Einzelradaufhängung (jedes Rad ist einzeln gefedert) durch mehrere Spurstangen hergestellt. Da diese Spurstangen insgesamt etwas kürzer sind als die Vorderachse, bilden sie bei Geradeausfahrt mit der Vorderachse ein Trapez. Dieses bewirkt, dass das kurveninnere Rad stärker eingeschlagen wird als das kurvenäußere. Um beim Einfedern nach einer unebenen Stelle der Straße Veränderungen in der Spur des Rades zu verhindern, sind die äußeren Teilstücke bei zweiteiligen Spurstangen möglichst exakt in ihrer Länge auf die Länge der Querlenker abgestimmt. Bei PKW wird die Drehbewegung des Lenkrades in einem Übersetzungsverhältnis von zu 1 über das Lenkgetriebe auf die Spurstangen übertragen. Noch wesentlich höher ist das Übersetzungsverhältnis bei LKW. Dies ermöglicht das Einlenken bei nur geringem Kraftaufwand. 1.3 Unfallsicherheit der Lenkung Das Lenkrad darf dem/der Fahrer/in bei einem Frontalunfall nur wenig entgegen kommen, da sonst große innere Verletzungen mit tödlichen Folgen entstehen können. Deshalb ist das Lenkrohr mit einem Gitter oder mit einem Ausklingmechanismus versehen. Am häufigsten aber wird ein Lenkrohr, das über zwei Kreuzgelenke abgeknickt ist, verwendet. Dies ermöglicht auch ein zusätzliche Lenkradverstellung. 2 Lenkungsarten 2.1 Zahnstangen - Lenkung Die teilweise die Spurstangen ersetzende Zahnstangenlenkung soll die Drehbewegung des Lenkrades über die Lenkwelle, die verbleibenden kurzen Spurstangen und die Spurstangenhebel in eine Schwenkbewegung umwandeln. Ein Zahnrad, das über das Lenkrohr mit dem Lenkrad verbunden ist, greift in eine Zahnstange, die beim Drehen des Lenkrades verschoben wird und die Räder in die gewünschte Richtung schwenkt. Auch ist eine variable Übersetzung vom Lenkrad auf die Räder möglich, indem man die Zahnteilung auf der Zahnstange von der Mitte nach außen hin kleiner werden lässt. Dadurch ist in der Mitte eine direkte Lenkung möglich, die zwar kräftezehrend ist, jedoch eine exakte Fahrzeugführung zulässt. Während bei einer Lenkung bis zum Anschlag (d.h. voller Lenkeinschlag), die ja nicht so oft gebraucht wird, ein geringerer Kraftaufwand im Vergleich zur Mitte nötig ist. Die mit Dauerschmierung versehene Zahnstange benötigt an ihren Enden Schutzmanschetten aus Gummi, welche die Zahnstange abdichten, da sonst Staub, Sand und Bernd Czerwinski & Lennart Spenler - 3 -

4 Dreck ihren Weg in das Lenkgetriebe finden und diesem schaden könnten. Deshalb ist es wichtig, die Schutzmanschetten bei jeder Wartung zu überprüfen und rechtzeitig auszutauschen. 2.2 Kugelumlauf - Lenkung Einsatzgebiet Im Gegensatz zur Zahnstangenlenkung, die meist nur in Pkws eingebaut wird, kommt die Kugelumlauflenkung in schweren Fahrzeugen wie LKW und Baufahrzeuge usw. zur Anwendung. Sie hat ein sehr hohes Übersetzungsverhältnis und dadurch bedingt einen geringem Kraftaufwand beim Einlenken Aufbau und Funktion In die im Lenkgetriebe endende Lenkspindel ist am Ende eine gewindeartige Bahn eingefräst, in der sich Kugeln befinden. Diese Kugeln verbinden die Lenkspindel mit einer sogenannten Lenkmutter, die mit ihren Zähnen den Lenkstockhebel über ein weiteres Lenksegment in eine Schwenkbewegung versetzt. Über weitere Verbindungselemente wird diese Schwenkbewegung dann auf die Spurstange übertragen, die dann die Vorderräder in die gewünschte Richtung schwenkt. Auch hat diese Lenkungsart einen Vorteil für eine präzise Lenkung. Durch die Anordnung der Kugelbahnen, sowie durch die Verzahnung zwischen Lenkmutter und Lenksegment, kann eine exakte Einstellung der Übersetzung ermöglicht werden, die eine genaue Lenkung zur Folge hat. Die Kugeln in der Spindel werden, wenn sie am Ende ihrer Bahn ankommen, durch gebogene Rohre wieder an den Anfang transportiert. 2.3 Schneckenrollen - Lenkung Aufgabe Diese Lenkung soll eine Platz sparende Anordnung mit einer relativ leichtgängigen und reibungsarmen Ausführung verbinden, sowie den Lenkaufwand - im Vergleich zur Kugelumlauflenkung - möglichst gering halten Funktion Die von oben kommende Lenkspindel mündet in eine kugelgelagerte Lenkschnecke, auch Globoidschnecke genannt (der Durchmesser des Trapezgewindes nimmt zur Mitte hin ab). Meist liegt darunter eine Lenkrolle oder ein Zahnsegment (auch Zahnrolle genannt, die zur Reibungsvermeidung ebenfalls in Wälzlagern drehbar angebracht ist), in welche die Globoidschnecke greift. Diese Kraft wird über ein Gestänge auf die Spurstangen übertragen, die folglich die Räder in die gewünschte Richtung ausschwenken lassen. Bernd Czerwinski & Lennart Spenler - 4 -

5 3 Servolenkung 3.1 Hydraulische Servolenkung Aufgabe Die Hydraulische Servolenkung soll die Übersetzungshöhe von Lenkrohr zur Lenkwelle relativ gering halten, aber gleichzeitig eine leichte Lenkung ermöglichen. Es soll jedoch der Fahrbahnkontakt erhalten bleiben und gleichzeitig den/die Fahrer/in durch Fahrbahnstöße weitestgehend unbehelligt lassen Funktion Vor dem Eintritt der Lenkspindel in das Lenkgetriebe ist ein Steuerventil eingebaut. Sobald das Lenkrad nur ein bißchen gedreht wird, wird im Sicherheitsventil ein Widerstand, der das Durchfließen von Öl verhindert, zur Seite geschoben. Eine Hochdruckölpumpe pumpt jetzt Öl in den entgegengesetzt zur Lenkrichtung stehenden Zylinderraum. Am besten dafür ist eine doppelt wirkende, vom Motor angetriebene Flügelzellenpumpe geeignet, da sie eine gleichmäßig hohe und kontinuierliche Förderrate besitzt. Das Öl drückt in einen Arbeitszylinder, an dem eine Kolbenstange befestigt ist, über die Spurstangen wird diese Kraft dann auf die Räder übertragen und diese in die gewünschte Richtung geschwenkt. Diese Methode wird zusätzlich zu der eigentlichen Lenkung genutzt, meist eine Zahnstangenlenkung. Sie ist platzsparend und leicht zu montieren, auch die Wartung ist sehr einfach. 3.2 Elektrische Servolenkung Aufgabe Die Elektrische Servolenkung hat die gleiche Aufgabe wie die Hydraulische Servolenkung: Die Lenkvorgänge unterstützen Funktion Auch die Elektrische Servolenkung wird meist mit einer Zahnstangenlenkung kombiniert, wie die Hydraulische Servolenkung. Ein Elektromotor, der in oder an der Lenkspindel oder an der Zahnstange befestigt ist, wird immer dann von einem Steuergerät eingeschaltet, wenn der Melder an der Lenkspindel eine Bewegung spürt. Die Signale werden dann an das Steuergerät gemeldet. Der Elektromotor greift über einen Zahnradtrieb, d.h. mit Zahnräder auf die Lenkspindel zu und hilft beim Lenken, indem er in die gewünschte Richtung mit dreht. Bernd Czerwinski & Lennart Spenler - 5 -

6 3.2.3 Vorteile der Elektrischen Servolenkung Es wird wesentlich weniger Leistung durch ein geringeres Einbaugewicht benötigt. Folglich wird auch weniger Kraftstoff verbraucht, vor allem bei schneller Fahrt. Die Energie fließt nur dann, wenn sie auch wirklich gebraucht wird, d.h. ein dauernd vom Motor erstellter Öldruck muss nicht mehr erzeugt und bereitgestellt werden. Alle Bauteile der Elektrischen Servolenkung sind im Bereich der Lenkung angeordnet, nicht auch im Motorbereich, wie bei der Hydraulischen Servolenkung. Die einzelnen Teile der Elektrischen Servolenkung sind so einfach zu produzieren, dass sie schnell auf jeden Fahrzeugtypen anzupassen sind. 4 Future/Zukunftspläne Mit Einführung des 42-Volt Netzes (man müsse jedoch die gesetzlichen Vorschriften ändern) könnte man die Elektrische Servolenkung so bauen, dass es keine fest Verbindung zwischen Lenkrad und Lenkgetriebe mehr geben würde. Die Elektronik könnte dann selbst in die Lenkung eingreifen (z.b. bei Gefahr). Man könnte sogar das Lenkgetriebe überflüssig machen, indem je ein Stellmotor für ein Vorderrad zuständig ist. Dann könnte die Lenkung schlußendlich auch ganz zu einem Teil des Fahrwerkmanagements werden (z.b. über variable Spurdifferenzwinkel -> später im Bericht erklärt <-). 5 Spur 5.1 Radstand Der Radstand bezeichnet den Abstand zwischen der Mitte des Vorderrades und der Mitte des Hinterrades. Bei den meisten Fahrzeugen ist dieser Abstand jedoch ungefähr gleich. Je größer dieser Abstand ist, desto besser können eventuell auftretende Schwingungen um die Querachse (Nickschwingungen) vom Fahrwerk abgefangen werden. Die Kürze des Radstandes hat allerdings auch seinen Vorteil: das Fahrzeug ist nicht so lang, wodurch das Handling und das Rangierverhalten verbessert werden. 5.2 Spurweite Wie der Radstand wichtig für die Fahrsicherheit ist, so spielt auch die Spurweite eine wichtige Rolle. Der Abstand zwischen der Mitte des rechten und Mitte des linken Rades auf einer Achse wird als Spurweite bezeichnet. Ist die Spurweite an Vorder- und Hinterachse unterschiedlich groß, kann das Fahrverhalten negativ beeinflußt werden. Hat das Fahrzeug an der Vorderachse eine größere Spurweite, neigt es zum untersteuern. Ist aber die Spurweite der Hinterachse größer als die der Vorderachse, neigt es zum übersteuern. Dabei spricht man dann von vorne/hinten ausbrechen. Wird aber die Spurweite an beiden Achsen gleichmäßig größer oder kleiner, kann sich das Fahrwerk bei Schräglage besser auf die Außenräder abstützen. Bernd Czerwinski & Lennart Spenler - 6 -

7 5.3 Spur Spur heißt der Winkel, in dem die Räder zueinander angeordnet sind. Der Winkel ist positiv, wenn sich die Räder an der Achse leicht aufeinander zu bewegen, auch Vorspur genannt. Der Winkel ist Spur negativ, wenn sich die Räder der Achse leicht voneinander weg bewegen, auch Nachlauf genannt. Die Aufgabe dieses Winkels ist es, das Flattern beim Geradeauslauf der Räder einer Achse zu vermeiden, sowie Geradeauslauf und Spurhaltung zu sichern. Früher wurden frontangetriebene Fahrzeuge auf Nachspur und heckangetriebene auf Vorspur eingestellt. Bei der heutigen Fertigungsqualität haben die Fahrzeuge in der gesamten Lenkung aber nur noch sehr geringe Toleranzen, so dass an den Rädern oder an anderen Teilen nichts flattern kann. Somit ist ein Spurwinkel nicht mehr unbedingt nötig. Eine geringe Vorspur verhindert jedoch oft leichte Radbewegungen (Schwingungen) um die Schwenkachse. Wenn aber ein Heckantrieb bei Starrachsen vorliegt, ist der Spurwinkel immer Null. 5.4 Spurdifferenzwinkel Bei Kurvenfahrten muss das kurveninnere Rad mehr eingeschlagen werden als das kurvenäußere. Dies wird durch das Lenktrapez erreicht. Die Differenz zwischen dem kurveninneren Winkel des rechten Rades (β) (Fahrtrichtung) und dem kurveninneren Winkel des linken Rades (α) (Fahrtrichtung) bei 20 Lenkeinschlag heißt Spurdifferenzwinkel. Dieser Winkel ist auch am Dreh- oder Mittelpunkt (beides das Gleiche) der Kreisbögen aller Räder zu messen. Der Drehpunkt liegt auf der Verlängerung der Hinterachse, dadurch wird der Spurdifferenzwinkel mit Zunahme von Spurweite und Radstand größer. Je größer Spurweite und Radstand, desto stärker weicht das Lenktrapez von einem Rechteck ab und desto größer ist der Spurdifferenzwinkel. Dieser muss so exakt eingestellt werden, damit das Rad ohne große Querkräfte seiner Kurvenbahn folgen kann. Breite Spurdifferenzwinkel β α Radstand Radius Bernd Czerwinski & Lennart Spenler - 7 -

8 5.5 Sturz Mit Sturz bezeichnet man den Winkel, den das Rad durch die Radsenkrechte zur Senkrechten der Fahrbahn hat. Positiver Sturz: Das Rad ist oben nach außen geneigt. Negativer Sturz: Das Rad ist oben nach innen geneigt. Bei Geradeausfahrt ist der Sturz Null oder leicht negativ, bei Kurvenfahrt ist ein positiver Sturz beim kurveninneren Rad zu messen, beim kurvenäußeren ist der Sturz meistens Null. Das ist durch die Belastung der Räder und durch das Gewicht im Fahrzeug zu erklären. Bei Geradeausfahrt (1, Abbildung übertrieben) sind beide Räder belastet. Da sie auf Gelenken lagern, "knicken" diese leicht nach innen ein. Bei Kurvenfahrt (2, Abbildung übertrieben) wollen die positiv eingestellten Räder in ihre Ausgangsposition, die sie bei Stillstand des Fahrzeugs haben, "zurückknicken". Da aber in der Kurve eine Fliehkraft herrscht, die das Gewicht auf die kurvenäußere Seite drückt, das dort wiederum auf das Rad drückt, welches nachgibt, wird das kurvenäußere Rad um eine 0 - Winkelposition gedrückt. Mit dem Wiedereinfedern wird der Neigungswinkel wieder negativer. Ziel ist es, das die Räder, trotz aller Kräfte, die auf sie wirken, immer vollen Fahrbahnkontakt haben. Zuviel negativer Sturz wirkt sich ungünstig auf die Geradeausfahrt aus. Bei Heckantrieb mit Starrachse ist der Sturz immer Null. (2) (1) 5.6 Nachlauf Der Nachlauf soll, zusammen mit der Schwenkachse Spurpunkt Spreizung, die gelenkten Räder Nachlaufpunkt Fahrtrichtung sowie den Sturz Nachlauf nach einer Kurvenfahrt zurückstellen. Der Nachlauf ist ein Maß, das den Abstand zwischen Spurpunkt (Punkt, an dem die theoretische Verlängerung der Schwenkachse auf die Fahrbahn trifft) und Nachlaufpunkt (theoretische Senkrechte von der Fahrbahn bis zum Radmittelpunkt) bemißt. Man sagt, das Rad läuft nach -> Nachlauf. Weiterhin kann der Nachlauf als Längenmaß oder als Neigungswinkel der Schwenkachse angegeben werden, der dann den Sturz des kurveninneren Rades positiv und den Sturz des kurvenäußeren Rades negativ beeinflusst. Auch durch Versetzen der Schwenkachse kann ein Nachlauf erreicht werden. Hinzu kommt, dass bei nicht angetriebenen Rädern die Reifenaufstandsfläche ebenfalls nachläuft, was auch zusätzlich für die Rückstellung der Lenkung nach dem Lenkvorgang sorgt. Gleichzeitig wird dadurch die Geradeausfahrt stabilisiert. Bernd Czerwinski & Lennart Spenler - 8 -

9 5.7 Spreizung Bei einem gelenkten Rad bildet die Schwenkachse einen Neigungswinkel zur Bodensenkrechten, der Spreizung Bodensenkrechte Spreizung genannt wird und oben nach Schwenkachse innen geht. Dieser Winkel soll zusammen mit dem Nachlauf die Rückstellkräfte und den Sturz des gelenkten Rades bestimmen. Weiterhin soll er zusammen mit der Einpresstiefe der Felgen den Lenkrollhalbmesser beeinflussen. Je größer der Winkel ist, umso mehr wird der Sturz beim Lenken positiv beeinflusst. Außerdem, da der vordere Teil des Fahrzeuges beim Einlenken leicht angehoben wird, nehmen die Rückstellkräfte mit der Größe des Winkels zu. 5.8 Lenkrollhalbmesser Zwischen dem seitlichen Spurpunkt und der Reifenaufstandsflächenmitte (also die Mitte der Fläche, mit welcher der Reifen auf der Fahrbahn aufsteht) ist ein Maß, um das die Reifenaufstandsfläche vom seitlichen Spurpunkt abweicht. Dies nennt man Lenkrollhalbmesser oder auch Lenkrollradius. Am Spurpunkt trifft die theoretische Verlängerung der Schwenkachse des Rades auf die Fahrbahn. Negativer Lenkrollhalbmesser: Der Spurpunkt befindet sich außen (siehe Abbildung). Positiver Lenkrollhalbmesser: Der Spurpunkt befindet sich auf der Innenseite des Rades. Seitlicher Spurpunkt Lenkrollhalbmesser Der negative Lenkrollhalbmesser wird auch spurkorrigierender Lenkrollhalbmesser genannt, da er durch die unterschiedlichen Kräfte ein automatisches Gegenlenken bewirkt. Solche Kräfte entstehen, wenn sich das Fahrzeug, z.b. bei unterschiedlicher Haftung der Räder auf der Fahrbahn, dreht. Trifft die Schwenkachse genau in der Reifenmitte die Fahrbahn, ist der Lenkrollhalbmesser gleich Null, die Einflüsse der Fahrbahn auf die Lenkung sind sehr gering, z.b. findet kein Gegensteuern statt. Moderne Fahrzeuge haben jedoch einen solchen spurkorrigierenden Lenkrollhalbmesser. 5.9 Einpresstiefe Die Einpresstiefe ist der Abstand zwischen Radmitte und der inneren Auflagefläche der Felge auf der Radnabe, Bremstrommel oder der Bremsscheibe. Die Einpresstiefe soll genügend Raum für eine dimensionierte und gekühlte Bremsanlage schaffen, gleichzeitig aber auch die Spurweite und den Lenkrollhalbmesser beeinflussen. Die Einpresstiefe ist positiv, wenn die Felgenschüssel nach außen gewölbt ist, weil dadurch ein größerer Abstand gewonnen wird. Je größer die Einpresstiefe, umso kleiner die Spurweite und negativer der Lenkrollhalbmesser. Schließt das Rad bei der Montage breiterer und neuerer Reifen und Felgen bündig mit der Karosserie ab, wird die Einpresstiefe ebenfalls größer. Bernd Czerwinski & Lennart Spenler - 9 -

10 6 Impressum Quellen Text: Bilder: Bearbeitung: Seitenlayout: Überarbeitung: Druck: Internet Internet; Privat Bernd Czerwinski Lennart Spenler Bernd Czerwinski Lennart Spenler Bernd Czerwinski Lennart Spenler Bernd Czerwinski & Lennart Spenler