Metallbaukasten

 
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Lenkung von Fahrzeugen

Beim Bau eines ferngesteuerten Fahrzeuges muss man sich irgendwann mit der Konstruktion einer zweckmäßigen Lenkung auseinandersetzen.

Vorab sei darauf hingewiesen, dass der Lenkmechanismus eines realen Fahrzeugs ein hochkompliziertes Gebilde ist, welches im Modellbau sicher keine Berechtigung findet.
Die folgenden Ausführungen beschränken sich deshalb auf die (statischen) geometrischen Zusammenhänge einer Lenkung, wie sie auf ein Modell Anwendung finden können und meist auch einfach umzusetzen sind.


Schwenkachslenkung

Diese einfache und älteste Art der Lenkung wird in der Bauform Drehschemel-Lenkung z. B. bei einfachen Pferdewagen und Handkarren eingesetzt.


Die Vorteile dieser Lenkung sind große realisierbare Lenkwinkel bis zu 90 und die Eigenschaft, dass die gelenkten Räder automatisch auf den geometrisch exakten Radien laufen.
Als Nachteil ist neben dem hohen Platzbedarf hauptsächlich die erhöhte Kippneigung bei zunehmendem Lenkwinkel zu nennen, da hierbei die Standfläche von einem Rechteck immer mehr auf ein Dreieck reduziert wird.

In ihrer Ausführung als Kugeldrehkranzlenkung wird die Schwenkachslenkung heute praktisch bei allen LKW-Anhängern eingesetzt.
Schwenkachslenkung
Schwenkachslenkung
Quelle: "Lenkung von Dreirädern"
von W. Stiffel

Bei einem Metallbaukasten-Anhänger ist je nach Gewicht evtl. auf ausreichende Leichtgängigkeit zu achten, die u. U. den Einbau eines Rollenlagers erfordert.


Knicklenkung

Diese Form einer Lenkung ist nur wenigen speziellen Fahrzeugen wie Kleinschleppern, Baustellenfahrzeugen und Erdbewegungsfahrzeugen vorbehalten; erwähnt sei hier z. B. ein Radlader oder der VOLVO BM-Dumper.


VOLVO BMA 25 mit Knicklenkung
VOLVO BMA 25 mit Knicklenkung
(6 Zyl., 6724 ccm, 244 PS)
Vorteile dieser Lenkung sind der geringe Platzbedarf beim Rangieren und die Eigenschaft, dass der Lenkmechanismus nicht einer so starken Verschmutzung ausgesetzt ist, wie dies z. B. bei einer Achsschenkellenkung der Fall wäre.
Wie bei der Schwenkachslenkung laufen die gelenkten Räder ebenfalls automatisch auf den geometrisch exakten Radien.



Einzelradlenkung

In der Ausführung als Gabellenkung wird die achsschenkellose Einzelradlenkung heute fast ausschließlich bei Zweirädern und Dreirädern verwendet.


Aber auch bei Straßenwalzen setzte sich die Gabellenkung durch, wobei die Lenkgabel quer oder längs zur Fahrzeugachse angeordnet werden kann.
Gabellenkung bei einer Straßenwalze
Gabellenkung bei einer Straßenwalze

Eine weitere Variante der Einzelradlenkung ist die Achsschenkellenkung.
Sie ist heute die am häufigsten eingesetzte Lenkung und soll aufgrund ihrer vielfältigen Möglichkeiten in einem separaten Kapitel betrachtet werden.


Achsschenkellenkung

Mit Ausnahme der oben genannten Fahrzeuge werden heute praktisch alle PKW, LKW, Omnibusse und sonstige Nutzfahrzeuge mit einer Achsschenkellenkung ausgestattet.
Die wesentlichen Vorteile dieser Lenkung sind neben dem geringen Platzbedarf die beim Lenken unveränderte Standfestigkeit des Fahrzeugs sowie konstruktive Freiheiten und die damit verbundenen unterschiedlichen Bauformen.

So wird bei LKW und anderen Nutzfahrzeugen i. d. R. eine starre Vorderachse (Starrachse) verwendet, während man bei allen PKW - und zunehmend auch bei Omnibussen - durchweg die Einzelradaufhängung findet.


Prinzip der Achsschenkellenkung
Prinzip der Achsschenkellenkung
(von oben betrachtet)
Bei dieser anpruchsvolleren Art der Lenkung befinden sich die Räder auf einzeln lenkbaren Achsschenkeln (Achsstummeln), die jeweils mit einem Spurstangenhebel versehen sind.
Die Spurstangenhebel sind ungefähr senkrecht zur Vorderachse bzw. ungefähr parallel zur Längsachse des Fahrzeugs ausgerichtet und mittels einer Spurstange miteinander verbunden; dadurch werden beide Räder gleichzeitig gelenkt.

Wichtig ist nun, wie die Spustangenhebel ausgerichtet sind.
Liegen die Spurstangenhebel z. B. genau parallel zur Längsachse des Fahrzeuges, dann bilden Achse, Spurstangenhebel und Spurstange bei Geradeausstellung der Räder ein Rechteck (siehe obige Abbildung); beim Lenken werden die Räder dann um den gleichen Winkel eingelenkt.
Diese Lenkung funktioniert zwar und ist bei sehr einfachen Modellen in dieser Form auch zu finden, sie entspricht aber nicht exakt den geometrischen Verhältnissen.



Bei einem gelenkten Fahrzeug haben alle Räder nur dann den geringsten Rollwiderstand, wenn sie gleitfrei auf ihrem jeweiligen Kreisbogen abrollen.
Dies ist dann der Fall, wenn sich die verlängerten Achsschenkel aller Räder in einem (gedachten) Mittelpunkt schneiden.

Zeichnerisch kann man ermitteln, dass diese Bedingung dann erfüllt wird, wenn das innere Rad stärker gelenkt wird, als das äußere Rad.
Geometrie der Achsschenkellenkung
Geometrie der Achsschenkellenkung


Diesen Sachverhalt hat als erster der Münchner Wagenbauer Georg Lankensperger erkannt und im Jahr 1816 veröffentlicht, wobei er mit dem sog. Lenktrapez auch gleich eine Möglichkeit zur praktischen Realisierung lieferte.
Um auch in Großbritannien ein Schutzrecht zu erhalten beauftragte er den in London lebenden Kunsthändler Rudolph Ackermann mit der Patentierung. Aus diesem Grund werden die exakten Lenkwinkel auch als Ackermann-Winkel bzw. die Lenkung als Ackermann-Lenkung oder - im englischsprachigen Raum - als A-Steering bezeichnet.

Die theoretische Abhängigkeit der Lenkwinkel lässt sich mit einfachen Mitteln nicht realisieren, sondern nur annähern.
Eine der Möglichkeiten ist das bereits erwähnte Lenktrapez. Die Spurstangenhebel der zu lenkenden Räder liegen dabei nicht genau parallel zur Längsachse des Fahrzeuges, sondern sind leicht nach innen (zur Fahrzeug-Mitte) oder auch nach außen gerichtet (je nachdem, wo sich die Spurstange befindet).
Dadurch bilden Achse, Spurstangenhebel und Spurstange bei Geradeausstellung kein Rechteck mehr, sondern ein Trapez.



Faustregel zur Bildung des Lenktrapezes
Faustregel zur Bildung des Lenktrapezes
Die Berechnung eines optimalen Lenktrapezes ist umständlich, und vermutlich ist das auch der Grund dafür, dass im Internet bislang keine brauchbaren Berechnungshinweise gefunden wurden.

Wohl aber findet man die "Faustregel", dass sich die verlängerten Spurstangenhebel bei Geradeausstellung der Vorderräder in der Mitte der Hinterachse schneiden sollen.

Diese Regel kann natürlich angewendet werden, sie liefert aber nicht zwangsläufig die optimale Auslegung für den Einzelfall. So hat z. B. auch der Abstand zwischen Achse und Spurstange einen Einfluss, und darüber sagt diese Regel nichts aus.
Des Weiteren kann man feststellen, dass sich bei Verzicht auf große Lenkwinkel (z. B. > 30) die kleineren Lenkwinkel umso besser annähern lassen. Das bedeutet aber auch, dass größere Lenkwinkel dann nicht mehr realisierbar sind. Bei einem ausgeprägteren Lenktrapez verliert das innere Rad sehr schnell die Führung und neigt zum "Kippen"; dieser Zustand ist natürlich unter allen Umständen zu vermeiden.
Abgesehen von diesen allgemein gültigen Eigenschaften unterliegt die Konstruktion einer Lenkung für Starrachsen jedoch noch anderen Kriterien, als die Konstruktion einer Lenkung für Einzelradaufhängung.


Lenkung mit Lenktrapez und einteiliger Spurstange

(anwendbar auf Modelle mit Starrachse)

Die Lenkung solcher Modelle kann analog der klassischen Trapezlenkung (siehe oben) aufgebaut werden, wobei die Verbindung der Spurstangenhebel aus einer einteiligen Spurstange besteht.
Nachteilig ist hierbei, dass sich die Spurstange einer gefederten Achse in 3 Ebenen bewegen kann, was die Ansteuerung der Lenkmechanik erschwert. Bei Metallbaukastenmodellen wird hierfür oft ein Kurbelarm verwendet, der auch Federbewegungen zulässt.
Ein Lenkwinkelfehler zwischen den Rädern kann beim Einfedern nicht auftreten, da die komplette Achse samt Lenkmechanik den Federbewegungen folgen kann.

Die korrekte bzw. gewünschte Auslegung des Lenktrapezes ist abhängig von den Abmessungen des Modells; in erster Näherung gilt die besagte Faustregel.
Soll das Lenktrapez nach anderen Gesichtspunkten optimiert werden, so findet man eine rechnerische Methode im Kapitel
Berechnung einer Lenkung mit Lenktrapez und einteiliger Spurstange .


Lenkung mit geteilter Spurstange

(anwendbar auf Modelle mit Einzelradaufhängung)

Hierbei sind die Räder an einzelnen Querlenkern befestigt und bewegen sich beim Federn auf einer Kreisbahn um die Querlenker-Lagerung. Die daraus resultierenden Abstandsänderungen zwischen den Spurstangenhebeln führt bei einteiligen Spurstangen zu einem Lenkwinkelfehler, der bei realen Fahrzeugen nicht akzeptabel ist.


Die Spurstange wird deshalb in 3 Teile geteilt, wobei das mittlere Teilstück parallel zur Vorderachse angeordnet ist und sich nur seitlich verschieben lässt. In der Praxis ist dies meist eine Zahnstange, die über ein Lenkgetriebe angesteuert wird (Zahnstangenlenkung).
Die äußeren Segmente verbinden das Mittelstück mit den Spurstangenhebeln. Dadurch werden die Räder entkoppelt, und bei entsprechender Anpassung der Längen von Querlenker und äußeren Segmenten lassen sich Lenkwinkelfehler beim Einfedern minimieren.
Geometrie einer geteilten Spurstange
Geometrie einer geteilten Spurstange

Aufgrund der veränderten Geometrie und der zusätzlichen Freiheitsgrade ist eine Bestimmung des Lenktrapezes durch die Faustregel nicht mehr sinnvoll, da die Annäherung von der Länge und der Position der Zahnstange abhängt. Unter Beachtung der Lenkwinkelfehlerkompensation ist die Konstruktion daher für den Einzelfall zu berechnen. Eine rechnerische Methode findet man hierfür im Kapitel
Berechnung einer Lenkung mit geteilter Spurstange .


Lenkung mit Lenkviereck

Diese Konstruktion sei nur zur Vollständigkeit erwähnt und ist für Metallbaukastenmodelle sicher nicht gerechtfertigt.


Lenkung mit Lenkviereck
Schematische Darstellung einer
Lenkung mit Lenkviereck
Unabhängig davon, ob die Spurstange einteilig oder dreiteilig ist, liefern diese Konstruktionen stets nur eine Annäherung an die ideale Geometrie.

Zur Verbesserung der Annäherung kann das Lenktrapez durch 2 Vierecke ersetzt werden. Damit ergeben sich zusätzliche Bestimmungsstücke, die eine praktisch fehlerfreie Geometrie bis zu Lenkwinkeln von ca. 30 ermöglichen.


Für die Auslegung eines Lenkvierecks gibt es mehrere unterschiedliche Möglichkeiten, aber gerade die Variante mit der besten Annäherung lässt sich aufgrund des erforderlichen Bauraumes im PKW kaum realisieren.


Lenkung mehrerer Achsen

Manchmal sollen mehr als nur 2 Räder gelenkt werden.
Eine solche Konstruktion kann ebenfalls zeichnerisch einfach ermittelt werden, und man erkennt an untenstehendem Beispiel, dass die hinteren gelenkten Räder weniger gelenkt werden müssen, als die vorderen.

Meistens werden die Räder gelenkt, die vor einer (starren) Antriebsachse liegen.
Interessant sind aber auch Konstruktionen, bei denen zusätzliche Räder hinter einer Antriebsachse (Nachlaufachse) gelenkt werden sollen.


Mehrere gelenkte Räder
Mehrere gelenkte Räder
 
Gelenkte Räder <b>hinter</b> der<br>(starren) Antriebsachse
Gelenkte Räder hinter der
(starren) Antriebsachse


Für die praktische Ausführung solcher Konstruktionen gibt es meist mehrere Möglichkeiten, allen gemeinsam ist aber, dass die gelenkten Räder irgendwie miteinander verbunden werden müssen.
Dabei addiert sich oft das Spiel zwischen den Komponenten, sodass einige Räder sich u. U. sehr undefiniert bewegen.

Zur Verminderung des Spiels kann man im einfachsten Fall die Schrauben an den Verbindungsstellen durch Überziehen eines 2 bis 3mm langen Isolier- oder Schrumpfschlauches "verdicken". Dadurch sitzen sie fester in den Bohrungen der Flachbänder, allerdings wird der Schlauch im Laufe der Zeit aber verschleißen.

Eine weitere Variante ist es, ein Flachstück auf das Ende eines Flachbandes zu schrauben, und zwar mit dem Langloch auf die vorletzte Bohrung des Flachbandes.
Durch Verschieben des Flachstückes kann die letzte Bohrung des Flachbandes dann beliebig verkleinert werden.

Die eleganteste Lösung ist sicher die Verwendung von Kugelkopf-Gelenken in Verbindung mit Gewindestangen, die eine spielfreie Bewegung in allen Richtungen ermöglichen.


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