Ostfalia Hochschule für angewandte Wissenschaft

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1 Ostfalia Hochschule für angewandte Wissenschaft Fachbereich Maschinenbau Institut für Konstruktion und angewandten Maschinenbau Masterarbeit Verbesserung der Lenkeigenschaften am Velomobil Milan Erstprüfer Zweitprüfer : : Prof. Dr.-Ing. F.Klinge Prof. Ahmed Ort : Hochschule Ostfalia Datum : Juli 2015 Durchführung : Stephan Apel Matrikel-Nr.:

2 Zusammenfassung Thema dieser Masterarbeit ist die Verbesserung der Lenkeigenschaften des Velomobils Milan. Hierfür wurden einzelne Komponenten des Fahrwerks, der Vorderachse und die Lenkung selbst betrachtet. Infolgedessen haben sich einige optimierungsbedürftige Aspekte ergeben, die im Folgenden noch einmal zusammengefasst werden. Zunächst wurde die untere Radaufhängung neu konstruiert, da beim Einlenken der Vorderräder Abweichungen am Lenkrollradius und eine Gleitbewegung der Räder zu erkennen waren. Bei detailierter Betrachtung der Lenkung bei Kurvenfahrt war kein optimaler Einschlagwinkel der Räder zu erkennen. Dieser Effekt ist auf das fehlende Lenktrapez zurückzuführen. Das Lenktrapez sorgt für einen unterschiedlichen Einschlagwinkel der Vorderräder, da diese dann auf verschiedenen Kurvenradien laufen. Nach Betrachtung der Handlenkhebel wurde der Befestigungspunkt der Lenkstange an den Handlenkhebeln in Richtung des Drehpunktes der Lenkhebel versetzt. Dadurch erreicht man eine größere Feinfühligkeit der Lenkung bei Kurvenfahrt. Abschließend wurden die Einstellungen des Fahrwerks untersucht und verbessert. Diese sorgen im Zusammenhang mit allen anderen Komponenten für ein komfortableres Fahrverhalten des Fahrzeuges. 1

3 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung Stand der Technik Fahrwerk und Lenkung allgemein Aufbau des vorhandenen Fahrwerks an der Vorderachse des Milan Untersuchungen des Fahrwerks und der Lenkung in Bezug auf die Lenkeigenschaften Untersuchung der Lenkgeometrie Untersuchung des Drehpunktes der unteren Radaufhängung Untersuchung der Handlenkhebel Untersuchung der Fahrwerkseinstellungen Lenktrapez Lenkgeometrie Kenngrößen der Lenkgeometrie Berechnung der Lenkgeometrie des Milan Fahrwerkseinstellungen Radsturz Spur Spreizung der Lenkachse Lenkrollhalbmesser/ Lenkrollradius Nachlauf Nachlaufversatz Radlenkwinkel Schräglaufwinkel Vermessung und Demontage der Vorderachse Aufgabenstellung Optimierung der Lenkeigenschaften des Milan Drehpunkt der unteren Radaufhängung Konstruktion des Dreiecksunterlenkers Umsetzung des Dreiecksunterlenkers am Milan Aufnahmewinkel der unteren Radaufhängung Umsetzung des Aufnahmewinkels der unteren Radaufhängung am Milan. 46 2

4 4.3 Lenkung mit Lenktrapez Konstruktion eines Lenktrapezes Umsetzung des Lenktrapezes am Milan Lenkhebel Konstruktion der Lenkhebel Umsetzung am Handlenkhebel Bewertung der optimierten Lenkung Alternative Lenkungsarten Anforderungskriterien an eine Lenkung Mögliche Lenkungsarten Mittellenkung wie vorhanden mit neu konstruierter Radaufhängung Panzerlenkung mit neu konstruierter Radaufhängung Mittellenkung mit Zahnstangenübersetzung Mittellenkung mit Drahtseilübersetzung in einer Ebene Mittellenkung mit Drahtseilübersetzung in zwei Ebenen Fazit Ausblick Quellenangaben

5 Abbildungsverzeichnis Abbildung 1: Velomobil Milan... 7 Abbildung 2: Vorhandenes Fahrwerk Milan (Draufsicht) Quelle: [P 15]... 9 Abbildung 3: Vorhandenes Fahrwerk Milan (Seitenansicht) Quelle: [P 15] Abbildung 4: Pappmodell von einer Hälfte der Vorderachse Abbildung 5: Pappmodell (Abrollradius des Rades) Abbildung 6: Pappmodell vom vorhandenen Fahrwerk Abbildung 7: Lenkhebel linke Seite Abbildung 8: Verbindung der Lenkstange mit dem Stoßdämpfer Abbildung 9: Trapezlenkung Quelle: [e 15] Abbildung 10: Lenkhebel nach vorne außen geneigt (PKW) Quelle: [Lk 13] Abbildung 11: Lenkhebel nach hinten innen geneigt (PKW) Quelle: [Lk 13] Abbildung 12: Lenkgeometrie Quelle: [Lk 13] Abbildung 13: Vorderansicht zu Bild 12 Quelle: [Lk 13] Abbildung14: Kinematischer Zusammenhang zwischen Radstand, Spurweite und Wendekreis Quelle: [Lk 13] Abbildung 15: Radsturz γ positiv Quelle: [F 13] Abbildung 16: Sturzmoment M und Sturzseitenkraft F Quelle: [F 13] Abbildung 17: Spurwinkel Quelle: [F 13] Abbildung 18: Spreizung σ, Lenkrollradius rs Quelle: [F 13] Abbildung 19: Nachlaufwinkel, Nachlaufstrecken Quelle: [F 13] Abbildung 20: Nachlaufversatz l Quelle: [F 13] Abbildung 21: Radlenkwinkel δ Quelle: [F 13] Abbildung 22: linke Seite der vorhandenen Vorderachse und Lenkstange Abbildung 23: Dreiecksunterlenker, außen, Befestigung Radaufhängung Abbildung 24: Dreiecksunterlenker, innen, Befestigung Karosse Abbildung 25: Aluminiumstreben des Dreiecksunterlenkers Abbildung 26: Befestigungspunkte der hinteren Streben Abbildung 27: Aluminiumplatte Abbildung 28: Drehbank Abbildung 29: Gewindeschneiden in die Aluminiumstrebe

6 Abbildung 30: Befestigung der Streben an der Stoßdämpferaufnahme Abbildung 31: Aufnahme (Aluminiumwinkel 40x40x4) Abbildung 32: Winkel Draufsicht Abbildung 33: Winkel Seitenansicht Abbildung 34: Stoßdämpfer mit montiertem Aufnahmewinkel Vorderansicht Abbildung 35: Stoßdämpfer mit montiertem Aufnahmewinkel Seitenansicht Abbildung 36: Zeichnung für Lenktrapez Abbildung 37: Winkelvermessung an der unteren Aufnahme Abbildung 38: Mittlere Aufnahme der Spurstangen Abbildung 39: Höheneinstellung der mittleren Spurstangenaufnahme Abbildung 40: Lenkhebel links vorher Abbildung 41: Skizze Mittellenkung ohne Zahnstange Abbildung 42: Skizze Panzerlenkung Draufsicht Abbildung 43: Skizze Zahnstangenlenkung Abbildung 44: Skizze Drahtseillenkung in einer Ebene Abbildung 45: Skizze Drahtseillenkung zwei Ebenen Abbildung 46: Skizze Drahtseillenkung zwei Ebenen Vorderansicht

7 1 Einleitung Dieses ist eine Masterarbeit im Rahmen des Studiums zum Master of Systems Engineering an der Ostfalia-Hochschule für angewandte Wissenschaften im Sommersemester Sie wurde im Auftrag der Ostfalia-Hochschule, vertreten durch Herrn Prof. Dr. Ing. F. Klinge, angefertigt. Die Firma Räderwerk GmbH in Hannover gilt in Norddeutschland als Spezialist für Räder verschiedener Art. Dort werden unter anderem Liegeräder, Fahrräder, Lastenräder und Spezialräder wie zum Beispiel Ein- und Dreiräder verkauft und repariert. Durch hervorragende Entwicklungsarbeit konnten im Juli und August 2010 drei Weltrekorde mit einer Dreiradkonstruktion namens Milan erreicht werden (siehe Abbildung 1). Dieses Velomobil wurde von Dipl. Ing. Eggert Bülk entworfen und konstruiert. Es wird in Zusammenarbeit mit dem Räderwerk ständig weiterentwickelt und verbessert, sodass damit inzwischen in der Ebene eine Höchstgeschwindigkeit von ca. 80 km/h erreicht werden kann. Das Rad ist allwettertauglich und hat durch seine Vollverkleidung einen sehr geringen Luftwiderstand. Aufgrund dieser positiven Eigenschaften und ständig steigender Benzinpreise, wächst das Interesse am Velomobil weltweit. Es stellt eine umweltfreundliche und gleichsam sparsame Alternative zum PKW dar. 6

8 2 Stand der Technik Das Milan (siehe Abbildung 1) ist ein dreirädriges Velomobil. Es besitzt eine selbsttragende und geschlossene Karosse, die auch bei Wind und Wetter den Fahrer hervorragend vor Wettereinflüssen schützt. Durch die vorteilhafte aerodynamische Form können außergewöhnlich hohe Geschwindigkeiten bis zu 80 km/h erreicht werden. Da in diesem Zeitalter die umweltfreundliche Elektromobilität als Alternative zu fossilen Brennstoffen gefragt ist, erfreut sich das Milan auch einer hohen Nachfrage. Abbildung 1: Velomobil Milan 7

9 2.1 Fahrwerk und Lenkung allgemein Das Fahrwerk ist einer der Hauptbestandteile eines jeden Fahrzeuges. Es spielt eine wesentliche Rolle in den Bereichen Fahrsicherheit, Fahrkomfort, Fahrdynamik und Agilität. Es setzt sich aus folgenden Komponenten zusammen: den Rädern, Radträgern, Radlagern, Radbremsen, der Bremsanlage, der Radaufhängung, den Achsträgern, der Federung, Dämpfung, Lenkübersetzung, dem Lenkgestänge, der Lenksäule und dem Lenkrad. In dieser Arbeit wird nicht auf alle Komponenten eingegangen. Da der wesentliche Teil dieser Arbeit die Lenkeigenschaften des Velomobiles Milan behandelt, wird nur auf die Komponenten eingegangen, die hierbei eine wesentliche Rolle spielen. Um die Lenkeigenschaften optimieren zu können, wird zuerst der Aufbau des vorhandenen Fahrwerks betrachtet. Im folgenden Schritt wird untersucht, an welchen Stellen das Fahrwerk und die Lenkung selbst für bessere Lenkeigenschaften optimiert werden können. 2.2 Aufbau des vorhandenen Fahrwerks an der Vorderachse des Milan Das Fahrwerk des Velomobils Milan besteht aus wenigen Komponenten, wie in Abbildung 2 und 3 zu sehen ist. Da großen Wert auf das Gewicht gelegt wird, sind viele Komponenten des Fahrwerks aus Aluminium. Bei einseitiger Betrachtung der vorderen Achse fällt auf, dass diese aus mehreren im Folgenden aufgeführten Komponenten besteht. Eine Komponente ist der Stoßdämpfer, an dem die Radachse im 85 Grad Winkel im unteren Teil seitlich eingeklebt ist. Hinzu kommt ein Aluminiumwinkel, der am unteren Ende des Stoßdämpfers befestigt ist, eine Spurstange und eine Lenkstange mit den jeweiligen Kugelköpfen und das Rad mit den Radlagern. Um den Stoßdämpfer am unteren Ende zu fixieren, werden zwischen Karosse und Stoßdämpfer zwei Verstrebungen benötigt. In der Mitte des Fahrzeuges befindet sich ein zusätzlicher Träger, der an der Karosse befestigt ist. An diesem ist eine der Streben 8

10 zur Fixierung des Stoßdämpfers im unteren Bereich befestigt. Die zweite Strebe ist im Radkasten vorne an der selbsttragenden Karosse befestigt. Die Lenkung ist in diesem Fall als Panzerlenkung mit den entsprechenden Lenkhebeln ausgeführt. Dies ist erkennbar an den, an den Stoßdämpfer angeschraubten, Lenkstangen. Fahrtrichtung Handlenkhebel Lenkstange Befestigung 1 der unteren Radaufhängung Befestigung 2 der unteren Radaufhängung Abbildung 2: Vorhandenes Fahrwerk Milan (Draufsicht) Quelle: [P 15] 9

11 Stoßdämpfer Lenkhebel Rad Befestigung 2 Abbildung 3: Vorhandenes Fahrwerk Milan (Seitenansicht) Quelle: [P 15] Nach Aussage des Räderwerkes und eines Testfahrers sind die Lenkeigenschaften verbesserungswürdig, da die Lenkung schwerfällig ist und kein optimales Rückstellmoment hat. Bei einer Fahrgeschwindigkeit von ca. 40 km/h hat das Milan keine Spurtreue mehr. Das bedeutet es muss eine Spurregelung durch den Fahrer stattfinden. Diese Probleme wurden im Rahmen einer Studienarbeit von meinem damaligen Kommilitonen Sven Glenzer und mir bei Probefahrten auf dem Contidromgelände ebenfalls festgestellt. Zur objektiven Darstellung und Konkretisierung des Optimierungsbedarfs werden im folgenden Abschnitt einige Untersuchungen vorgenommen und beschrieben. 10

12 2.3 Untersuchungen des Fahrwerks und der Lenkung in Bezug auf die Lenkeigenschaften Bei Betrachtung der Vorderachse des Velomobiles Milan fällt auf, dass bei der Lenkgeometrie kein Lenktrapez vorhanden ist. Ein Lenktrapez ermöglicht den Rädern der Vorderachse beim Einlenken einen unterschiedlichen Einschlagwinkel (inneres Rad hat einen größeren Einschlagwinkel als äußeres Rad). Das trägt dazu bei, dass eine bessere Kurvenfahrt gewährleistet ist. Die Erklärung hierzu wird in dem Kapitel Lenktrapez nochmals erläutert. Es ist aufgefallen, dass die Radachse keinen fixen Drehpunkt an der unteren Radaufhängung besitzt. Das führt dazu, dass das Rad beim Einlenken nicht sauber auf einem Kreisbogen abrollt. Auch diese Theorie wird in einem der folgenden Kapitel unter Beweis gestellt. Im nächsten Punkt wurden die Fahrwerkseinstellungen Sturz, Spreizung und Nachlauf etc. betrachtet und festgestellt, dass unter anderem kein Lenkrückstellmoment vorhanden ist. Zum Abschluss wurden die Lenkhebel der Panzerlenkung untersucht. Dabei hat sich herausgestellt, dass die Lenkung bei höheren Geschwindigkeiten sehr empfindlich auf kleine Ausschläge der Lenkhebel reagiert. Das birgt ein hohes Gefahrenpotential besonders bei Geschwindigkeiten bis zu 80 km/h. Dieser Punkt wird ebenfalls in einem der folgenden Kapitel genauer erörtert. Alle aufgezählten Aspekte treten in Wechselwirkung miteinander auf und geben letztendlich einen Rückschluss über den Fahrkomfort Untersuchung der Lenkgeometrie Bei der Untersuchung der Lenkgeometrie fällt auf, dass die Anordnung der Lenkhebel in Verbindung mit den Spurstangen und der Achse, kein Lenktrapez bilden. Das hat den Nachteil, dass die Räder der Lenkachse keine optimale Kurvenfahrt besitzen. Beide Räder sollen nach der Optimierung einen unterschiedlichen Kurvenradius fahren und müssen deshalb unterschiedliche Einschlagwinkel besitzen. Um an beiden Rädern unterschiedliche Einschlagwinkel zu erhalten, muss bei der Lenkgeome- 11

13 Verbesserung der Lenkeigenschaften am Velomobil Milan trie ein Lenktrapez pez umgesetzt werden. Auf das Lenktrapez wird im Kapitel 2.4 genauer eingegangen Untersuchung des Drehpunktes Drehpunkt der unteren Radaufhängung Bei derr Untersuchung des Fahrwerks stellt sich heraus, heraus, dass die Radachse, Radachse die in diesem Fall am Stoßdämpfer im 85 Grad rad Winkel seitlich eingeklebt ist, keinen fixen Drehpunkt an der unteren Radaufhängung besitzt. Das kann beim Einlenken zu Problemen führen. Hierbei kann das Rad nicht auf einer Kreisbahn abrollen, wie es gewünscht ist. Zum Nachvollziehen der Kernproblematik Kernprob wird ein einfaches Pappmodell, dass die Radaufhängung im unteren Bereich wiedergibt, angefertigt (siehe Abbildung 4). Hiermit wird die untere Aufhängung der Radachse im Zusammenhang mit der Lenkung dargestellt gestellt. fixer Punkt auf der Achse Abbildung 4:: Pappmodell von einer Hälfte der Vorderachse 12

14 Dieses Pappmodell der bisherigen unteren Aufhängung zeigt, wie bereits vermutet, folgendes Defizit. Beim Einschlagen der Räder nach rechts oder links können diese nicht auf einem Kreisbogen abrollen, sondern haben schon bei kleinem Lenkeinschlag eine gravierende Abweichung vom Rollradius der Räder, wie in Abbildung 5 gut zu erkennen ist. Das Abrollen ist durch einen fixen Punkt auf der Achse des Rades mit einem Stift markiert (siehe Abbildung 5). Rollradius mit Dreiecksunterlenker Abweichung vom Rollradius bei Linkseinschlag Abbildung 5: Pappmodell (Abrollradius des Rades) In diesem Modell ist ersichtlich, dass das Rad ab einem bestimmten Punkt nicht mehr abrollt, sondern zur Mitte des Fahrzeugs gezogen wird. Dadurch tritt ein erschwertes Lenken, ein höherer Reifenverschleiß und höhere Reibung auf und es ist kein großes Rückstellmoment bei Kurvenfahrt zu erwarten. Dies ist dem Fehlen eines festen Drehpunktes der unteren Radaufhängung anzulasten. In diesem Fall gibt es zwei Drehpunkte (Abbildung 6), um die sich die untere Radaufhängung dreht. In den Abbildungen 4 und 5 ist dies anschaulich dargestellt. Im elektronischen Anhang 13

15 ist hierzu auch ein Kurzvideo über das Pappmodell beigefügt, indem man den Verlauf des nachgebildeten Rades gut nachvollziehen kann. Rad Radachse Drehpunkte Radaufhängung Abbildung 6: Pappmodell vom vorhandenen Fahrwerk Untersuchung der Handlenkhebel Da diese Ausführung des Milan eine Panzerlenkung besitzt, sind zwei Lenkhebel, einer links und einer rechts, im Fahrerraum untergebracht. Über diese Lenkhebel wird jeweils eine Lenkstange betätigt. Die Lenkstange ist auf der einen Seite am Handlenkhebel und auf der anderen Seite am Stoßdämpfer seitlich mit jeweils einem Kugelgelenk befestigt (siehe Abbildung 7 und 8). 14

16 oberer Bereich Drehpunkt unterer Bereich Kugelkopf/Lenkstange Abbildung 7: Lenkhebel linke Seite Kugelkopf/Stoßdämpfer Lenkstange Abbildung 8: Verbindung der Lenkstange mit dem Stoßdämpfer 15

17 An der Stoßdämpferseite wird der Hebelweg über ein Kugelgelenk in eine Drehbewegung des Stoßdämpfers umgewandelt. Bei höheren Geschwindigkeiten wurde festgestellt, dass schon eine minimale Bewegung der beiden Lenkhebel einen großen Ausschlag an den Rädern verursacht. Bei der genaueren Betrachtung der Lenkhebel stellte sich heraus, dass der Hebelarm vom Drehpunkt des Lenkhebels zum Anschlusspunkt der Lenkstange sehr groß gewählt wurde. Dies hat zur Folge, dass bei kleinem Einschlag der Lenkhebel ein zu großer Weg am unteren Ende des Lenkhebels zurück gelegt wird. An dieser Stelle müsste der Anschlusspunkt der Lenkstange näher an den Drehpunkt gelegt werden, um die Lenkung feinfühliger zu machen Untersuchung der Fahrwerkseinstellungen Da beim Milan und regulären PKW ähnliche Grundprinzipien des Fahrwerks bestehen, können bei der Untersuchung der Fahrwerkseinstellungen des Milans durch in Bezugnahme auf die Grundeinstellungen an PKWs Rückschlüsse auf die des Milans gezogen werden. Da bei diesem Vergleich einige Einstellungen massiv von denen des PKWs abweichen, zeigt sich hier erheblicher Verbesserungsbedarf. Zusätzlich muss hierbei bedacht werden, dass der untere Drehpunkt der Radachse beim PKW in der Felgenmitte liegt. Im Gegensatz zum PKW hat das Milan eine Speichenfelge, bei der der Drehpunkt außerhalb der Felgenmitte liegt. Hierdurch ist der Lenkrollradius negativ. Die daraus resultierenden Nachteile werden in Kapitel erklärt. Bei Betrachtung der Einstellungen des Fahrwerks wird klar, dass diese auf die neuen Fahrwerksgegebenheiten angepasst werden müssen, um einen guten Fahrkomfort zu erreichen, da sich durch die Neukonstruktion der Lenkung und des Dreieckslenkers ein Bedarf bei der Einstellung des Fahrwerks ergeben hat. Im folgenden Abschnitt werden die wichtigsten Einstellmöglichkeiten am Fahrwerk genauer erklärt und mögliche Einstellwerte aus dem PKW-Bereich dargestellt. 16

18 Stephan Apel Lenktrapez Ein Lenktrapez bildet sich aus Vorderachse, Spurstangenhebel und Spurstange. Um eine optimale Kurvenfahrt erreichen zu können, muss der Einschlag der beiden Vor- angewandt, derräder optimiert werden. Hierfür wird das Lenktrapez von Ackermann welches beiden Rädern zu einem unterschiedlichen Einschlagwinkel beim Einlenken verhilft, da beide Räder unterschiedliche Kurvenradien fahren (siehe Abbildung 9). Bei gleichem Einschlagwinkel beider Räder, könnte keines der beiden Räder auf sei- werden und ner Kreisbahn abrollen. Beide Räder würden voneinander beeinflusst aus ihrer natürlichen Bahn gezwungen werden. Das hätte zur Folge, dass jedes Rad nicht nur eine Rollbewegung ausführt, sondern gleichzeitig auch eine Gleitbewegung. Dadurch radieren beide Räder auf der Fahrbahn, verschleißen und beeinträchtigen die Fahrsicherheit. Da beide Räder bei Kurvenfahrt nur eine Rollbewegung ausfüh- das äußere be- ren sollen, muss das inneree Rad einen größeren Einschlagwinkel als kommen, da beide Räder einen unterschiedlichen Weg zurücklegen. Abbildung 9: Trapezlenkung Quelle: [e 15] Zur exakten Ermittlung einer reinen Ackermannlenkung beispielsweise beim PKW, müssen die Lenkhebel der beiden Lenkachsen zur Fahrzeuglängsebene geneigt sein. Nur so ergibt sich ein Lenktrapez. Dabei können die Lenkhebel nach vorne oder hinten gerichtet sein. In Fahrtrichtung nach vorne müssen die Lenkhebel zusätzlich nach außen geneigt sein (siehe Abbildung 10). In Fahrtrichtung nach hinten müssen sie nach innen geneigt sein (siehe Abbildung 11). Die erste Variante mit Fahrtrich- 17

19 tung nach vorne hätte den Vorteil, dass die Spurstangen länger wären. Das bedeutet, dass es beim Einfedern der Räder zu geringeren Relativbewegungen der Spurstangen und damit zu geringerem Eigenlenkverhalten kommt. Diese Variante ist aus Platzgründen beim Milan leider nicht anwendbar. Daher wird auf die zweite Variante mit Fahrtrichtung nach hinten zurückgegriffen. Lenkhebel Abbildung 10: Lenkhebel nach vorne außen geneigt (PKW) Quelle: [Lk 13] Lenkhebel Abbildung 11: Lenkhebel nach hinten innen geneigt (PKW) Quelle: [Lk 13] 18

20 2.5 Lenkgeometrie Es gibt verschiedene Möglichkeiten die Richtung eines Fahrzeuges gezielt zu ändern. Bei mehrspurigen Fahrzeugen kann dies entweder durch eine Drehschemellenkung, eine Knicklenkung oder eine Achsschenkellenkung erreicht werden. Dabei ist darauf hinzuweisen, dass es bei der Drehschemellenkung und bei der Knicklenkung gewisse Nachteile gibt. Bei diesen beiden Lenkungen verringert sich beim Einlenken die Standfläche und sie benötigen zudem einen großen Bauraum. Deshalb wurde beim Milan eine Achsschenkellenkung gewählt Kenngrößen der Lenkgeometrie Wenn sich ein Fahrzeug in sehr langsame Kurvenfahrt begibt, praktisch ohne Seitenkraft, dann wird angenommen, dass alle Räder tangential zu Kreisbahn stehen. Sie weisen in diesem Moment den gleichen Mittelpunkt, nämlich den Momentanpol des Fahrzeuges, auf. Hierbei lässt sich die sogenannte Ackermannbedingung zu Rate ziehen. Voraussetzung hierfür ist, dass ein Lenktrapez verbaut ist (wie oben bereits beschrieben). Diese Bedingung besagt, dass das kurveninnere Rad einen größeren Lenkwinkel bei Kurvenfahrt einnimmt als das kurvenäußere Rad (siehe Abbildung 12). Allerdings wird hierbei die Änderung der Längsposition der Räder vernachlässigt. Die idealen Lenkwinkel am kurveninneren und kurvenäußeren Rad basieren auf der geometrischen Beziehung, wie in der Abbildung 12 und 13 zu sehen ist. Die Formeln für die Radlenkwinkel lauten wie folgt [Lk 13]:, =, +,,, Ackermann Radlenkwinkel (i) inneres Rad (o) äußeres Rad nach 19

21 Radstand in mm = Spreizungsabstand in mm (Bei negativem Rollradius wird das Vorzeichen positiv) Der Lenkdifferenzwinkel, der zwischen dem kurveninneren und kurvenäußeren Rad entsteht, berechnet sich wie folgt [Lk 13]: =,, Abbildung 12: Lenkgeometrie Quelle: [Lk 13] Der Durchmesser ist der Spurkreisdurchmesser vom kleinsten fahrbaren Kreisbogen des äußeren gelenkten Rades. 20

22 = = +,, Spurkreisdurchmesser in mm Spurkreisradius in mm größter Einschlagwinkel des kurvenäußeren Rades Lenkrollradius mm Spurdifferenzwinkel in Grad Abbildung 13: Vorderansicht zu Bild 12 Quelle: [Lk 13] EG Spurspreizungsachse Spurweite vorne in mm Wenn man die Beziehungen zwischen dem Radstand zum maximalen Einschlagwinkel betrachtet, sollte der Radstand möglichst klein und der maximale Einschlagwinkel möglichst groß sein, um einen kleinen Wendekreis zu erhalten. Wichtig ist, dass ein 21

23 zu kurzer Radstand für die Fahrdynamik nachteilig ist. Dazu kommt, dass der maximale Einschlagwinkel durch den eingeschränkten Freiraum im Radkasten begrenzt ist. Infolgedessen muss bei der frühen Entwicklungsphase eines Fahrzeuges beachtet werden, dass der Radstand und die Spurweite einen direkten Einfluss auf den Lenkwinkelbedarf haben. Darüber hinaus gibt es einen kinematischen Zusammenhang zwischen der Spurweite, dem Radstand und dem Wendekreis (siehe Abbildung 14). Abbildung14: Kinematischer Zusammenhang zwischen Radstand, Spurweite und Wendekreis Quelle: [Lk 13] Bei geringer Fahrgeschwindigkeit (reines Rollen ohne Einfluss von Reifenschlupf und Elastizität der Radaufhängung) sind nur sehr kleine Schräglaufwinkel zu erwarten. Hierbei liegt der Momentanpol auf der Hinterachse (siehe Abbildung 14). Bei zuneh- 22

24 mender Geschwindigkeit steigen automatisch auch die Seitenführungskräfte. Das führt dazu, dass die Schräglaufwinkel des Rades größer werden. Dadurch wandert der Momentanpol weiter in Fahrtrichtung nach vorne. Da der Spurkreisdurchmesser einen theoretischen Wert darstellt, wird zusätzlich der Wendekreisradius ermittelt. Dieser ist praktisch anschaulicher für den Fahrer. Der Wendekreisradius wird auch Bordsteinradius genannt. Er wird wie folgt berechnet [Lk 13]:! =, =" #,$% + + &, ',! &, Wendekreisradius des Hinterrades in mm Spurkreisradius in mm Lenkwinkel des kurvenäußeren Rades Reifenbreite hinten in mm =" +(! +) *,,) Spurweite vorne bzw. hinten Wendekreisradius des Fahrzeuges in mm Abstände in mm Im Allgemeinen liegt der Wendekreisdurchmesser (PKW) bei ca. 11m. 23

25 2.5.2 Berechnung der Lenkgeometrie des Milan Die Berechnung wurde mit folgenden Werten durchgeführt. =, =13 maximaler Einschlagwinkel =./# =01# =#22 &, =01# # =1$ )=3$ =.//# Radstand Spur vorne Spur hinten Reifenbreite Rollradius Abstand Abstand = # =$$# Der Spreizungsabstand beträgt 550mm., = (, + ), = 14,4 Der äußere Einschlagwinkel beträgt 14,4. =,, =.,1 Die Lenkwinkeldifferenz beträgt 1,4. = =7 + 8 = =10303,5;;=10,3;, 24

26 Der Spurkreisdurchmesser beträgt 10,3m., =" #,$% + + &, ', =10$<,/$ Der Wendekreisradius, des Hinterrades beträgt 4659mm 466cm. =" +(! +) * =$<< Nach den vorangegangenen Berechnungen hat das Velomobil Milan einen Wendekreisradius von 5299mm 530cm. Das entspricht einem Wendekreisdurchmesser von 10598mm 10,6m. 2.6 Fahrwerkseinstellungen Grundvoraussetzung für gute Lenkeigenschaften ist eine optimale Fahrwerkseinstellung. Hierfür müssen die wichtigsten Aspekte wie Sturz, Spur, Spreizung, Nachlauf und Lenkrollhalbmesser gut aufeinander abgestimmt sein. Nur auf diese Weise können ein guter Geradeauslauf, ein gutes Lenkverhalten, ein geringer Reifenverschleiß, ein Rückstellmoment und ein günstiges Einlenkverhalten gewährleistet werden. In den folgenden Abschnitten wird auf diese Aspekte genauer eingegangen. 25

27 2.6.1 Radsturz Als Sturz wird der Winkel zwischen der Radmittelebene und einer zur Fahrbahn senkrechten Ebene (siehe Abbildung 15) bezeichnet. Der Winkel wird mit dem Buchstaben γ gekennzeichnet und in Grad angegeben. Radmittelebene Senkrechte Ebene zur Fahrbahn Abbildung 15: Radsturz γ positiv Quelle: [F 13] Durch den Radsturz werden Seitenkräfte und damit auch die Querdynamik beeinflusst. Wird der Sturz als positiv bezeichnet, ist das Rad nach außen geneigt. Ist er negativ, ist das Rad nach innen geneigt. Durch einen negativen Sturz können Seitenkräfte besser auf die Fahrbahn übertragen werden und so die Querführung der Achse verbessern. Zusätzlich muss darauf geachtet werden, dass auch beim Einfedern des Rades der Sturz nie positiv wird, um durchgehend gute Seitenkraftübertragung beizubehalten. Ein zu großer Sturzwinkel führt zu höherem Reifenverschleiß und höherem Rollwiderstand. Bei Kurvenfahrt spielt der negative Sturz eine wichtige Rolle für die Reifenseitenführung. Die Sturzseitenkraft und das Sturzmoment entstehen, weil der Reifen durch den Sturzwinkel wie ein Kegel um den Schnittpunkt zwi- 26

28 schen Fahrbahn und Radachse rollt (Abbildung 16). Dadurch ist das Rad bestrebt auf einem Kreisbogen um den Schnittpunkt der verlängerten Radachse und der Fahrbahnebene abzurollen. Radachse Fahrbahnebene Abbildung 16: Sturzmoment M und Sturzseitenkraft F Quelle: [F 13] Wenn der Sturzwinkel positiv eingestellt ist, nehmen die Seitenführungskräfte der Räder ab. Das bedeutet, umso größer der positive Sturzwinkel, desto geringer werden die Seitenführungskräfte am Rad [F 13]. Die üblichen Einstellwerte des Sturzwinkels bei PKW s liegen zwischen 0 und

29 2.6.2 Spur Die Spur ergibt sich aus der Winkelstellung δ der Räder ohne Lenkeinschlag in Längsrichtung zur Mittellinie des Fahrzeuges (Abbildung 17). Abbildung 17: Spurwinkel Quelle: [F 13] Wenn die Räder der Vorderachse in Fahrtrichtung vorne nach innen stehen, handelt es sich um eine Vorspur. Hierbei ist der Abstand vorne kleiner als hinten. Bei exakt paralleler Ausrichtung der Vorderräder befinden sie sich im Zustand Spur Null. Die dritte Variante ist die Nachspur. Die Nachspur ergibt sich, wenn die Räder an der Vorderachse in Fahrtrichtung hinten nach innen stehen. Der Abstand ist dabei hinten kleiner als vorne. Die Spur hat einen großen Einfluss auf die Geradeausfahrt, das Kurvenverhalten, den Reifenverschleiß und den Rollwiderstand. Reifenverschleiß und Rollwiderstand sind am geringsten, wenn die Räder exakt geradeaus laufen. Um eine gute Fahrstabilität bei Geradeausfahrt zu erlangen, wird bewusst ein geringer statischer Vorspurwinkel eingestellt [F 13]. Die üblichen Einstellwerte bei PKW s für die Spur liegen bei Hinterachsantrieb zwischen 0 und

30 Spreizung der Lenkachse Spreizung bedeutet, dass die Lenkachsen einen Neigungswinkel σ nach außen bekommen. Die Lenkachse verläuft über das Federdämpfersystem E zum unteren Drehpunkt G der Radaufhängung. Der Neigungswinkel σ ergibt sich zwischen der Lenkachse und einer senkrechten Linie zur Fahrbahn (Abbildung 18). Senkrechte Linie Lenkachse Abbildung 18: Spreizung σ, Lenkrollradius rs Quelle: [F 13] Wenn die Lenkachse nach innen geneigt ist, ist der Neigungswinkel positiv. Ist sie nach außen geneigt, ist der Neigungswinkel negativ. Bei der Auslegung des Neigungswinkels muss darauf geachtet werden, dass der Abstand rs, auch Lenkrollradius bezeichnet, zwischen der Radmittelebene und der optisch verlängerten Lenkachse zur Fahrbahn möglichst klein gehalten wird. Dadurch können Hebelarme, die durch angreifende Kräfte am Rad entstehen, klein gehalten werden. Der Abstand rs kann durch zwei unterschiedliche Aspekte verringert werden. Zum einen wird das untere Kugelgelenk der Lenkachse möglichst weit in die Felgenschüssel (nach außen) gelegt. Zum anderen kann der Neigungswinkel etwas vergrößert werden. Unter anderem bestimmt die Spreizung den Lenkrollradius und sorgt für ein Lenkrückstellmoment, welches für einen guten Fahrkomfort sorgt. Durch die Spreizung und einen positiven Lenkrollradius wird das Fahrzeug beim Einlenken leicht angehoben. Da- 29

31 durch entsteht ein Lenkrückstellmoment, das dafür sorgt, dass das Lenkrad bei Geradeausfahrt wieder in die neutrale Stellung zurückdreht. Zusätzlich ist darauf zu achten, dass sich die Spreizung beim Einfedern möglichst wenig verändert, da sich dadurch der Störkrafthebelarm verändert und es zu ungewolltem Einlenken kommen kann [F 13]. Der Spreizwinkel σ liegt bei PKW s zwischen 5 und Lenkrollhalbmesser/ Lenkrollradius Der Lenkrollhalbmesser rs, auch Lenkrollradius genannt, ist der Abstand zwischen dem Durchstoßpunkt der Lenkachse mit der Fahrbahnebene und der Schnittlinie des Radmittelpunktes (siehe Abbildung 18). Dieser ist positiv, wenn der Durchstoßpunkt der Lenkachse mit der Fahrbahn von der Mittellinie des Rades aus zur Fahrzeugmitte liegt. Er ist negativ, wenn der Punkt außen liegt. Bei neueren PKW s liegt er bei annähernd 0mm, da es keinen Einfluss durch das verbaute ABS (Antiblockiersystem) auf das Lenkmoment geben darf [F 13]. Der Lenkrollhalbmesser bei PKWs sollte zwischen -20 und +80mm liegen Nachlauf Nachlauf bedeutet, dass die Lenkachse eine Neigung in Richtung Fahrzeuglängsrichtung nach hinten bekommt. Diese Neigung wird auch Nachlaufwinkel genannt (Abbildung 19). 30

32 Senkrechte Lenkachse E Abbildung 19: Nachlaufwinkel, Nachlaufstrecke n Quelle: [F 13] Dieser Nachlaufwinkel ergibt sich zwischen der nach hinten geneigten Lenkachse E und der Senkrechten auf der Fahrbahn. Der Nachlaufwinkel ist positiv, wenn die Lenkachse nach hinten geneigt ist und negativ, wenn sie nach vorne geneigt ist. Durch den Nachlaufwinkel entsteht eine Nachlaufstrecke n. Diese Nachlaufstrecke n befindet sich zwischen den beiden Durchstoßpunkten von der Senkrechten und der Lenkachse E mit der Fahrbahn. Der Nachlauf soll zusammen mit der Spreizung dazu beitragen, dass das Fahrzeug beim Einlenken leicht angehoben wird. Es wird durch das Eigengewicht des Fahrzeuges und die entstehenden Seitenkräfte auf die Reifen ein Lenkrückstellmoment auf die Lenkachse erzeugt, welches die Räder in Geradeauslauf zurücklenkt. Zusätzlich erzeugt der Nachlaufwinkel beim Einschlagen der Räder am kurvenäußeren Rad einen negativen Sturz, der dafür sorgt, dass die Seitenkraftübertragung verbessert wird. Es ist darauf zu achten, dass sich der Nachlaufwinkel beim Federn des Rades möglichst wenig verändert, da sich damit gleichzeitig die Nachlaufstrecke ändern würde. Die Nachlaufstrecke n ist ebenfalls dafür verantwortlich, dass die Lenkrückstellung und die Spurhaltungsstabilität vorhanden bleiben. Das Rad läuft praktisch hinter der Lenkachse her und bleibt dadurch immer in der Spur. Hierfür sorgt ein Rückstellmoment, welches durch die Querkräfte, die am Reifen angreifen, erzeugt wird [ F 13]. 31

33 Allgemein liegt der Nachlaufwinkel bei der Konstruktion bei mechanischen Lenkungen zwischen 1 und 10 und die Nachlaufstrecke zwischen 0 und 10mm Nachlaufversatz Der Nachlaufversatz l ist der Abstand zwischen dem Mittelpunkt des Rades und der Lenkachse (siehe Abbildung 20). Er ist positiv, wenn der Mittelpunkt des Rades hinter der Lenkachse liegt. Durch den Nachlaufversatz gibt es die Möglichkeit den Nachlauf unabhängig vom Nachlaufwinkel auszuwählen. Da sich die Radaufhängung beim Einfedern um ihre Längsachse dreht, ändern sich Nachlaufwinkel und Nachlaufstrecke und müssen begrenzt werden, damit das Rückstellmoment nicht zu sehr beeinflusst wird. Das kann durch ein größeren Abstand (Nachlaufversatz l) verhindert werden [F 13]. Abbildung 20: Nachlaufversatz l Quelle: [F 13] Im Allgemeinen liegt der Nachlaufversatz bei PKWs zwischen 35 bis 60mm. 32

34 2.6.7 Radlenkwinkel Der Radlenkwinkel δ befindet sich zwischen der Fahrzeuglängsmittellinie und der Mittellinie des Rades in Fahrtrichtung in der Fahrbahnebene (Abbildung 21). Je größer der Radlenkwinkel, desto geringer ist der Wendekreis. Dabei ist zu beachten, dass der Radlenkwinkel begrenzt ist. Er hängt vom Platz im Radkasten und von der Anordnung der Radaufhängung ab. Abbildung 21: Radlenkwinkel δ Quelle: [F 13] Hinzu kommt, dass beide Räder der Vorderachse im eingelenkten Zustand unterschiedliche Radlenkwinkel besitzen [F 13]. Die Ursache hierfür kann mit der Ackermannbedingung, wie oben bereits beschrieben, erklärt werden. 33

35 2.6.8 Schräglaufwinkel Beim Schräglaufwinkel = (siehe Abbildung 21) handelt es sich um den Winkel zwischen dem Geschwindigkeitsvektor entlang der Mittellinie des Rades und der realen Bewegungsrichtung des Fahrzeuges im Aufstandspunkt des Rades. Der Schräglaufwinkel entsteht nur unter Einwirkung von Seitenkräften an der Radaufstandsfläche. Um diese Seitenkräfte abzufangen, muss ein Querschlupf in der Reifenlauffläche vorhanden sein. Je höher die Geschwindigkeit des Fahrzeuges, desto größer der Schräglaufwinkel. Zusammen mit den Fahrbahn- und Reifeneigenschaften bestimmt der Schräglaufwinkel die Höhe der noch zu übertragenden Seitenkräfte [F 13]. 2.7 Vermessung und Demontage der Vorderachse Vor der Demontage des Fahrwerks wurden die Fahrwerkseinstellungen der vorhandenen Vorderachse einschließlich der Lenkung (Ausschnitt siehe Abbildung 22) noch einmal genau vermessen. Anschließend wurde die Vorderachse komplett demontiert. 34

36 Abbildung 22: linke Seite der vorhandenen Vorderachse und Lenkstange Es wurden Radstand, Spur, Sturz, Spreizung, Vorspur und der Nachlauf gemessen. Die Messungen ergaben folgendes Ergebnis: Radstand: Spurweite: 1270mm 650mm Spreizung: 13 Sturz: 17 Vorspur: 20 Nachlauf: 8 Diese Werte sind für die Neuteilkonstruktion ein guter Anhaltspunkt. Der genaue Aufbau der komplett vorhandenen Vorderachse wurde in Kapitel 2.2 bereits ausführlich beschrieben. 35

37 3 Aufgabenstellung Die Aufgabe dieser Masterarbeit ist die Verbesserung der Lenkeigenschaften des Velomobils Milan. Darunter fällt nach ausführlicher Analyse des Istzustandes, die Neukonstruktion mehrerer Bestandteile von Fahrwerk und Lenkung und gegebenenfalls deren Umsetzung in die Praxis am Milan. 4 Optimierung der Lenkeigenschaften des Milan Im Zuge der Untersuchungen haben sich, wie oben beschrieben, gewisse verbesserungsbedürftige Aspekte ergeben, die es zu beheben gilt. Im Detail bedeutet dies die Entwicklung einer Radaufhängung mit einem fixen Drehpunkt, die Umsetzung eines Lenktrapezes und die Optimierung der Fahrwerkseinstellungen. 4.1 Drehpunkt der unteren Radaufhängung In Kapitel wurde erfasst, dass die Befestigung der Radaufhängung im unteren Befestigungspunkt keinen fixen Drehpunkt besitzt. Um dieses Problem zu beheben, muss eine neue Befestigung zwischen Karosse und der unteren Radaufhängung konstruiert werden. Hierfür wird ein Dreiecksunterlenker ähnlich wie beim PKW konstruiert. Die untere Radaufhängung muss neu konstruiert werden, um einen Befestigungspunkt für den Dreiecksunterlenker zu erhalten. 36

38 4.1.1 Konstruktion des Dreiecksunterlenkers Die vorhandenen Befestigungen 1 und 2 (Abbildung 2 siehe Kapitel 2.2) werden hierbei komplett durch einen Dreiecksunterlenker (siehe Abbildung 23 und 24) ersetzt. Dieser besitzt im Gegensatz zur vorherigen Befestigung den Vorteil, dass nur ein Befestigungspunkt an der unteren Radaufhängung existiert (ähnlich wie beim PKW) und dieser genau auf der verlängerten Mittellinie der Radachse liegt. Dadurch kann gewährleistet werden, dass das Rad auf einer Kreisbahn abrollt. Der Befestigungspunkt an der Karosse wird so gestaltet, dass der Kipppunkt des Dreiecksunterlenkers auf der gleichen Linie liegt, wie der Spurstangenanschluss in der Mitte. Diese Linie liegt parallel zur Mittellinie der Fahrzeuglängsrichtung. Diese Anordnung verhindert das automatische Einlenken der Räder beim Einfedern. Abbildung 23: Dreiecksunterlenker, außen, Befestigung Radaufhängung 37

39 Abbildung 24: Dreiecksunterlenker, innen, Befestigung Karosse Die Maße für den Dreiecksunterlenker werden in der bisherigen Position des Rades an der alten Achse gemessen. Die genaue Fahrwerkseinstellung kann später am Gewinde der Kugelköpfe vorgenommen werden. Der Dreiecksunterlenker wird folglich aus zwei Aluminiumstreben mit jeweils einer Länge von 210mm und 205mm und einen Durchmesser von 12mm konstruiert. Diese beiden Streben bekommen jeweils einen Kugelgelenkkopf an beiden Enden. (siehe Abbildung 25). Die Streben haben eine Länge von 270mm. 38

40 Innerer Kugelkopf äußerer Kugelkopf Der Durchmesser des Aluminiumstabes wurde so gewählt, dass die Wandung für ein eingebohrtes M8x1,5 Gewinde ausreichend ist. Für die Kugelköpfe werden je zwei verschiedene Baugrößen gewählt, da der Bauraum in der Mitte des Fahrzeugs unter anderem durch die vorhandenen Bohrungen der bisherigen Streben (wie unten beschrieben) begrenzt ist. Für den inneren Kugelkopf wird ein Kugelkopf mit Kugelbolzen M8 verwendet (siehe Abbildung 25). Dieser hat einen geringeren Außendurchmesser und ist deshalb besser geeignet für das vorhandene Bohrloch. Bei der in diesem Projekt nötigen Nutzung der vorhandenen Bohrlöcher würden größere Kugelköpfe gegenseitig kollidieren. Der Nachteil der kleineren Kugelköpfe ist, dass sie ein sehr geringes Spiel im Gelenk haben. Hinzu kommt, dass diese ein Innengewinde aufweisen, welches durch einen Gewindebolzen mit der Strebe verbunden werden muss. Bei kompletter Neumontage eines Milans könnten die kleinen Kugelköpfe durch spielfreie, größere Kugelköpfe ersetzt werden. Bei einem komplett neu konstruierten Milan wären noch keine alten Bohrungen in der Karosse vorhanden, nach denen man sich richten müsste. Der äußere Kugelkopf (siehe Abbildung 25) ist spielfrei, hat dafür einen größeren Außendurchmesser und muss durch eine Maschinenschraube 8x40 mit der unteren Radaufhängung verbunden werden. Die Bohrungen für die beiden Befestigungshintere Strebe vordere Strebe Abbildung 25: Aluminiumstreben des Dreiecksunterlenkers 39

41 punkte an der Karosse werden auf der Längslinie parallel zur Fahrzeugmittellinie (siehe Abbildung 26) festgelegt, da auf der gleichen Längslinie auch die Kugelköpfe der Spurstangen liegen und dadurch beim Einfedern keine große Spuränderung zu erwarten ist. Parallele Linie zur Fahrzeugmittelline Fahrzeugmittellinie in Fahrtrichtung Bisheriger Befestigungspunkt hinterer Kugelkopf re. Abbildung 26: Befestigungspunkte der hinteren Streben Bei der Bestimmung der genauen Position der Bohrungen auf der Längslinie muss sich nach dem bisherigen Befestigungspunkt von einer der bisherigen Befestigungsstreben gerichtet werden. Der Abstand zwischen den beiden Bohrungen auf der Längslinie wird mit 120mm angenommen. Ein größerer Abstand ist nicht möglich, da der Bauraum im Milan nicht mehr Platz bietet. Der Abstand zwischen Fahrzeugmittellinie und der parallelen Längslinie wird mit 12,5mm festgelegt. Dieser Abstand ergibt sich durch den Abstand der Kugelkopfposition der Spurstangen zur Mittellinie des Fahrzeuges. Die Bohrungen müssen mit einem Gewinde M8x1,5 versehen werden, da der Durchmesser der Kugelkopfbolzen der Streben ebenfalls ein Gewinde M8x1,5 besitzt. Die Gewindebolzen der Kugelköpfe werden zusätzlich mit einer M8 Mutter gegen etwaiges Losdrehen gesichert. Um eine größere Stabilität an den beiden hin- 40

42 teren Befestigungspunkten an der Karosse zu erreichen, wird zusätzlich an der Innenseite (im Fahrerraum) eine 3mm starke Aluminiumplatte mit den Abmaßen 40x60mm angebracht (siehe Abbildung 27). Diese Platte wird mit der Karosse durch zwei Hohlnieten der Größe 4x16mm zur Fixierung verbunden. Hohlniete Aluminiumplatte Sicherungsmutter Abbildung 27: Aluminiumplatte Bei der Montage des Dreieckunterlenkers muss unbedingt darauf geachtet werden, dass die hintere Strebe zuerst an der Radaufhängung befestigt wird. Der Grund hierfür liegt an dem Platzbedarf der Spurstangen, die im hinteren Bereich über den hinteren Streben des Dreiecksunterlenkers verlaufen. 41

43 4.1.2 Umsetzung des Dreiecksunterlenkers am Milan Zuerst werden die vier Streben aus Aluminiumrundstab zugeschnitten. Jeweils zwei für hinten mit 21cm Länge und jeweils zwei für vorne mit der Länge von 20,5cm. Daraufhin muss der jeweilige Stab an beiden Enden mit einem Gewinde M8x1,5 für den jeweiligen Kugelkopf versehen werden. Hierfür wird mit einem Zentrierbohrer auf einer Drehbank an beiden Enden eine Kernbohrung von 6,5mm Durchmesser und einer Tiefe von 50mm ausgeführt (siehe Abbildung 28). Abbildung 28: Drehbank Danach werden die jeweiligen Bohrungen mit einem Gewinde M8x1,5 versehen (siehe Abbildung 29). 42

44 Abbildung 29: Gewindeschneiden in die Aluminiumstrebe In diese Gewinde wird jeweils ein Kugelkopf eingeschraubt. Zusätzlich wird jeweils eine Mutter zum Fixieren zwischen Kugelkopf und Stab geschraubt, um den Kugelkopf später gegen Verdrehen mit der Strebe zu schützen. Nach der Fertigstellung dieser beiden Streben müssen noch die Befestigungspunkte der Kugelkopfaufnahmen in der Mitte des Fahrzeuges gesetzt werden. Diese beiden Punkte liegen auf der Längslinie parallel zur Fahrzeugmittellinie in Fahrtrichtung, wie in der Konstruktion beschrieben (siehe Abbildung 26). Für die genaue Position der Befestigungspunkte auf der Parallelen zur Fahrzeugmittellinie wird sich, wie ebenfalls in der Konstruktion beschrieben, nach dem vorhandenen Befestigungspunkt der bisherigen Befestigungsstrebe gerichtet. Der Abstand zwischen den Bohrungen vorne und hinten beträgt 120mm. An diesen beiden Punkten müssen zunächst 6,5mm Kernbohrungen gesetzt werden, um danach Gewinde der Größe M8x1,5 in die Bohrung zu schneiden. Darauf folgt die Herstellung der 3mm starken Aluminiumplatte zur Stabilisierung der hinteren Befestigungspunkte zur Fahrerraumseite hin. Nach der Fertigung wird diese mit zwei Hohlnieten 4x16 an der Karosse befestigt. Im nächsten Schritt werden die Aluminiumstreben in der Mitte des Fahrzeuges befestigt und zusätzlich mit einer Mutter gegen etwaiges Losdrehen gesichert. Nachdem die Kugelköpfe zur Fahr- 43

45 zeugmitte hin befestigt wurden, werden die Streben des Dreieckunterlenkers an der unteren Radaufhängung mit einer 8x40 Maschinenschraube befestigt. Dabei ist zu beachten, dass die hintere Strebe an der unteren Radaufhängung nach unten und die vordere Strebe nach oben montiert wird (siehe Abbildung 30). Nach der Montage der linken und rechten Seite wird die Feineinstellung vorgenommen, worauf später eingegangen wird. Fahrtrichtung hintere Strebe vordere Strebe Untere Radaufhängung Abbildung 30: Befestigung der Streben an der Stoßdämpferaufnahme 4.2 Aufnahmewinkel der unteren Radaufhängung Um den Dreiecksunterlenker an der unteren Radaufhängung zu befestigen, muss ein neuer Aufnahmewinkel konstruiert werden. Dieser wird anschließend am Stoßdämpfer befestigt. Dabei muss beachtet werden, dass sich der Aufnahmepunkt des Dreiecksunterlenkers möglichst dicht an der Felge befinden sollte, um den Lenkrollradius möglichst klein zuhalten. Aus diesem Grund wird ein Winkel aus Aluminium 44

46 (um das Bauteil leicht zu gestalten) mit den Abmaßen 40x40x4mm ausgewählt (siehe Abbildung 31). Abbildung 31: Aufnahme (Aluminiumwinkel 40x40x4) Die Länge wurde so gewählt, dass der Aluminiumwinkel, wenn er am Stoßdämpfer montiert ist, in Fahrtrichtung nach hinten lang genug ist, um die Trapezanordnung der Spurstangenbefestigung unterzubringen. Um das Bauteil noch leichter zu gestalten, wird die eine Seite des Winkels abgeschrägt (siehe Abbildung 33). Es müssen diverse Bohrungen für die Befestigung am unteren Ende des Stoßdämpfers, für die Befestigung des Bremsbowdenzuges und des Dreiecksunterlenkers am Winkel untergebracht werden. Die genauen Abmaße des Winkels und die der Bohrungen sind der Abbildung 32 und 33 zu entnehmen. 45

47 Abbildung 32: Winkel Draufsicht Abbildung 33: Winkel Seitenansicht Umsetzung des Aufnahmewinkels der unteren Radaufhängung am Milan Zu Anfang wird der Aluminiumwinkel 40x40x4 mm auf eine Länge von 120mm zugeschnitten. Im nächsten Schritt bekommt der Winkel an einer der Längsseiten eine Schräge nach den Abmaßen aus Abbildung 33. Danach werden die einzelnen Bohrungen für die Befestigung am Stoßdämpfer, der Befestigungspunkt für den Dreiecksunterlenker und der Befestigungspunkt für den Bremsbowdenzug an dem 46

48 Aufnahmewinkel vermessen und gebohrt. Nach Fertigstellung des Aufnahmewinkels wird dieser mit dem Stoßdämpfer verschraubt (siehe Abbildung 34 und 35). Abbildung 34: Stoßdämpfer mit montiertem Aufnahmewinkel Vorderansicht Abbildung 35: Stoßdämpfer mit montiertem Aufnahmewinkel Seitenansicht 47

49 Nach der Montage der Aufnahme wird das Rad montiert und der Stoßdämpfer mit dem Rad zusammen in den Radkasten eingesetzt. Dieser wird am oberen Ende mit dem Radkasten verschraubt. 4.3 Lenkung mit Lenktrapez Beim Milan wurde bisher kein Lenktrapez am Lenkgestänge verbaut, wie oben bereits erwähnt. Welche Vorteile ein Lenktrapez besitzt und wie der grobe Aufbau aussieht wurde in Kapitel 2.4 ebenfalls beschrieben. Deshalb wird im nächsten Abschnitt ein Lenktrapez für das Milan konstruiert Konstruktion eines Lenktrapezes Da beim Milan die Lenkhebel nicht geneigt sind, müssen stattdessen die Bohrungen für die Spurstangenaufnahme am Lenkhebel entsprechend angeordnet werden (siehe Abbildung 36). Die Anordnung der Lenkhebel, in diesem Fall die Bohrungen der Spurstangenanschlusspunkte, müssen nach hinten innen geneigt sein. Eine andere Anordnung wäre beim Milan nicht möglich, da dass Milan keine Tiefbettfelgen, sondern Speichenräder besitzt. Der Neigungswinkel wird, wie im folgenden Abschnitt beschrieben, nach Ackermann ermittelt. Über die jeweilige Lenkhebelverlängerung in Richtung der Hinterachse wird der Schnittpunkt U der Hinterachse mit der Fahrzeugmitte getroffen, wie in Abbildung 36 zu sehen ist. Darüber hinaus kann der Neigungswinkel > der Bohrungen am Lenkhebel über die Winkelfunktionen bestimmt werden. Dieser Winkel lässt sich wie folgt berechnen: 48

50 Neigungswinkel der Bohrungen: tanb = C D C E B =FGH IFJ C D/L C E M N Radstand 1270mm M L /2 unterer Achsaufhängungsabstand 550mm Errechneter Neigungswinkel > der Lenkhebel: 13,5 Wie man in Abbildung 36 gut nachvollziehen kann, ergeben die Bohrungen der Spurstangenaufnahmen am Lenkhebel in Zusammenhang mit den gedachten Spurstangen und der Mittellinie der Vorderachse das sogenannte Lenktrapez. Die Position der 6mm großen Bohrung auf der Winkellinie, wird möglichst weit am hinteren Ende des Winkels untergebracht, damit ein Hebelarm besteht. Der Abstand der Bohrung zum Drehpunkt der Radachse beträgt 38mm. Ein größerer Abstand ist nicht möglich, da der Lenkhebel eine vorgegebene Länge besitzt. Die bisherige Aufnahme der Spurstangen in der Mitte des Fahrzeuges wird weiterhin verwendet. 49

51 Abbildung 36: Zeichnung für Lenktrapez Umsetzung des Lenktrapezes am Milan Nach der Konstruktion wird das Lenktrapez montiert. Die Berechnung für den genauen Winkel wurde in Kapitel durchgeführt. Ergebnis ist ein Winkel von 13 Grad. Dieser Winkel wird auf der Aufnahme (Aluminiumwinkel) angezeichnet (siehe Abbildung 37). 50

52 Abbildung 37: Winkelvermessung an der unteren Aufnahme Der Nullpunkt des Geodreiecks wird genau in der Mitte der Bohrung für die Aufnahme der Streben des Dreieckunterlenkers parallel zur Längsrichtung der Aufnahme angelegt. Bei 13 Grad wird eine Markierung gesetzt. Es ergibt sich eine Linie von der Mitte der Bohrung bis zur 13 Markierung am Geodreieck. Im nächsten Schritt wird die genaue Position der Bohrung für die Aufnahme der Lenkstange angezeichnet. In diesem Fall ist die genaue Position 4,4cm von der Hinterkante der Aufnahme bis zum Schnittpunkt der Winkellinie. An dieser Stelle wird eine Bohrung von 6mm gesetzt. Dieser Vorgang muss für die linke und die rechte Aufnahme durchgeführt werden. Daraufhin können die Spurstangen mit Kugelkopf an der Aufnahme befestigt werden. Die Spurstangen werden von der vorhandenen Lenkung übernommen. Im letzten Schritt muss die Spurstangenaufnahme (siehe Abbildung 38) in der Mitte des Fahrzeuges angepasst werden. 51

53 Abbildung 38: Mittlere Aufnahme der Spurstangen Da die hintere Strebe vom Dreiecksunterlenker vorhanden ist, hat sich der Bauraum in dem sich die Spurstange bewegt, verkleinert. Sie muss höher angebracht werden als die der bisher vorhandenen Lenkung, damit die Spurstange nicht mit den hinteren Streben des Dreiecksunterlenkers kollidiert. Um die Höhe zu verändern, wird eine längere Maschinenschraube verwendet, die für die Befestigung der mittleren Spurstangenaufnahme zuständig ist. Der Abstand zur Karosse wird auf 35mm bis zur Oberkante der mittleren Aufnahme eingestellt (siehe Abbildung 39). 52

54 Abbildung 39: Höheneinstellung der mittleren Spurstangenaufnahme Hierdurch wird die Kollision mit den hinteren Streben auch beim Einlenken verhindert. Nach dieser Einstellung können die Spurstangen montiert und grob eingestellt werden. Die genaue Einstellung der Spurstangen kann durch Herausdrehen oder Hineindrehen der Kugelköpfe getätigt werden. 4.4 Lenkhebel Um die Lenkung noch feinfühliger zu gestalten, müssen die Lenkhebel vom Drehpunkt aus im unteren Bereich verkürzt werden. Das hat den Vorteil, dass der Fahrer des Velomobiles mehr Hebelweg im oberen Bereich des Lenkhebels benötigt, um die Räder voll einschlagen zu lassen. Daraus folgt, dass bei minimaler Bewegung der Hebel das Einlenken kaum spürbar ist. Daraus ergibt sich, dass bei höheren Geschwindigkeiten ein Schwanken des Fahrzeuges bei minimalem Bewegen der Lenkhebel verringert werden kann. 53