Lenkung

Unter dem Namen Duplex-Lenkung ist eine Vorderradaufhängung für Motorräder mit zwei Lenkköpfen bekannt. Darin sind die Lenkwellen gelagert, an deren Enden die Lenkhebel befestigt sind. Sie bilden zusammen mit dem Rad bzw. dem Lenker jeweils ein oberes und unteres Lenktrapez. Durch die Momentanpole der beiden Lenktrapeze verläuft die ideelle Lenkachse, die bei Lenkeinschlag nicht in der Radebene liegt. Das Rad ist an einem Doppelrohrsystem federnd gelagert, das von den Lenkhebeln bewegt wird. In der Patentschrift wird auf die Steifigkeit dieser Lenkung verwiesen.[9] Durch die Lenkhebel die schnell eine Strecklage erreichen, ist der Lenkeinschlag begrenzt.

Achsschenkellenkung mit durchgehender Spurstange bei Starrachsen. (M=Mittelpunkt bzw. Momentanpol)

Beide Räder sollen bei Kurvenfahrt mit geringer Querbeschleunigung auf einer Kreisbahn mit gleichem Mittelpunkt rollen, dem Momentanpol der Bewegung. Bei der Drehschemellenkung ist das automatisch der Fall. Bei der Achsschenkellenkung müssen die Räder unterschiedlich geschwenkt werden, das innen liegende stärker als das außen liegende. Bei Starrachsen mit durchgehender Spurstange erreicht man das mit der Bildung des sogenannten Lenktrapezes aus dem Achskörper, den beiden leicht nach innen weisenden Spurhebeln 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 (s. Abbildung). Bei Einzelradaufhängungen trifft diese Einschränkung nicht zu, da sich die Ackermannbedingung durch entsprechende Pfeilung der Spurstangen einhalten lässt. Moderne Fahrzeuge sind auch nicht streng nach Ackermann ausgelegt, sondern haben etwas geringere Spurdifferenzwinkel, da andere Kriterien wie Wendekreis oder die Lenkungsrückstellung berücksichtigt werden.

Die Ackermannlenkung wurde erstmals 1816 von dem Hofwagner Georg Lankensperger aus München patentiert. 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 desjenigen Lenkwinkels als Ackermann-Winkel der bei langsamer Kurvenfahrt durch das Verhältnis von Radstand und Radius definiert ist und die Ackermann-Funktion, welche die Spurwinkeldifferenz zwischen dem kurveninneren und dem kurvenäußeren Rad beschreibt, die vom Lenkwinkel des kurveninneren Rades, vom Radstand und der Spurweite abhängt. Weitere Patente erhielten Amédée Bollée 1876 in Frankreich[10] und Carl Benz 1893.[11][12][13]

Unter der Maßgabe, dass der Momentanpol auf einer Geraden senkrecht zur Fahrzeuglängsachse liegt, lassen sich die Spurdifferenzwinkel nach Ackermann für beliebig viele gelenkte Achsen ermitteln. Die Lage des Momentanpols ergibt sich aus der Position der ungelenkten Achsen, denn diese müssen mit möglichst geringem Schräglaufwinkel abrollen.

Zahnstangenlenkung

Achsschenkel-Lenkanlage mit Schrauben- oder Schnecken-Lenkgetriebe
1 Lenkrad
2 Lenksäule
3 Lenkgetriebe
4 Spurstangen
5 schwenkbare Rad-Achsschenkel
6 Spurhebel
7 Zwischenstange
8 Lenkstockhebel
9 Zwischenhebel

Die beiden Achsschenkel oder Radträger sind um je eine eigene, leicht geneigte Achse schwenkbar gelagert. Die Spreizachse war ursprünglich durch einen Achsschenkelbolzen festgelegt. Bei modernen Fahrwerken sind ideelle Spreizachsen üblich, wie sie sich z. B. durch einen aufgelösten unteren Dreieckslenker ergeben. Damit sind Spreizachsen möglich, die teilweise weiter außen als das Rad liegen. Zum koordinierten Schwenken sind die Radträger gelenkig über das Lenkgestänge miteinander verbunden.[14] Die Drehung des Lenkrads wird über das Lenkgetriebe und das Lenkgestänge auf die Räder übertragen. Das Lenkradmoment gibt dem Fahrer eine Rückmeldung über den Fahrzustand. Es darf aus Sicherheitsgründen einen Maximalwert nicht übersteigen.[15] Das Produkt aus Lenkgetriebeübersetzung und Gestängeübersetzung (Gesamtlenkübersetzung) muss bei Fahrzeugen ohne Lenkunterstützung entsprechend indirekt ausgelegt sein. Bei Fahrzeugen mit Servolenkung ist eine direktere Gesamtlenkübersetzung möglich.

Im Fahrbetrieb wirken bei Kurvenfahrt Seitenkräfte und Reifenrückstellmomente auf das Rad. Durch gezielte Elastizitäten im Lenksystem und der Radaufhängung (Elastokinematik) stellen sich Radlenkwinkel ein, die geringer sind als auf Grund der Lenkübersetzung zu erwarten wäre. Die Elastizitäten tragen zum untersteuernden Verhalten des Fahrzeugs bei.

Bestandteile der Achsschenkellenkung

• Radträger
• Achsschenkelbolzen oder Kugelgelenke zum Anschluss an die Radaufhängung
• Spurhebel am Radträger
• Spurstangen (teilweise Zwischenstange (Lenkstange), Zwischenhebel und Lenkstockhebel)
• Lenkgetriebe,
• Lenksäule,
• Lenkrad

Bei Zahnstangenlenkung sind die Spurstangen unmittelbar an der Zahnstange angelenkt und verbinden sie mit den Spurhebeln. Man unterscheidet die Anbindung seitlich an der Zahnstange und den Mittenabgriff. Das „Lenkdreieck“ gebildet aus den Anlenkpunkten der Spurstange und einem Punkt auf der Spreizachse bestimmt den Spurdifferenzwinkel.

Im einfachsten Fall sind die Spurstangen direkt mit dem Lenkstockhebel verbunden z. B. beim VW Käfer, was eine Asymmetrie zur Folge hat. Ein spiegelsymmetrisch angeordneter Lenkstockzwischenhebel der über die Lenkstange mit dem Lenkstockhebel verbunden ist, weist diesen Nachteil nicht auf. Die Spurstangen können an den Lenkstockhebeln oder der Lenkstange angelenkt sein (Mercedes-Benz W 202).

Der Nachlauf – hier angegeben durch den Nachlaufwinkel θ – hat durch das Erzeugen eines Rückstellmoments bei Radeinschlag eine spurstabilisierende Wirkung.

Spur (Spurwinkel) und Sturz bestimmen sich durch die Lage der Radachse, Spreizungs- und Nachlaufwinkel, Lenkrollradius und Nachlaufstrecke durch die Lage der Lenkachse.[16]

Vorspur bedeutet, dass die Räder bei Geradeausfahrt nicht genau parallel stehen, sondern in Fahrtrichtung einen spitzen Winkel bilden. Das verbessert den Geradeauslauf.[17] Heute werden frontangetriebene Fahrzeuge in der Regel mit leichter Nachspur eingestellt, damit sich unter Antriebskräften etwa parallele Radstellungen ergeben. Bei Hinterradantrieb können beide Achsen eine leichte Vorspur aufweisen.

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. Negativer Sturz gleicht teilweise die Wankneigung in Kurven aus und ermöglicht höhere Seitenführungskräfte in der Kurve.

Die Schwenkachsen der Räder sind in der Regel leicht nach innen geneigt, so dass die Verlängerung der Schwenkachse die Aufstandsfläche des Rads möglichst nah an deren Mittelpunkt schneidet. Dadurch verkleinert sich der Lenkrollradius. Bremskräfte zum Beispiel durch Bremsen auf einseitiger Glätte oder ABS-Eingriffe sind weniger stark am Lenkrad spürbar. 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).

In der Ansicht von hinten auf das Rad hat die Spreizachse vom Radmittelpunkt die Abstände Stoßradius r_σ und Störkrafthebelarm r_St. 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 speziell bei Frontantrieb möglichst klein sein, damit Antriebskräfte keine störenden Kräfte in der Lenkung verursachen.

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 die leichte Neigung der Spreizachsen (Nachlaufwinkel) nach hinten oben in der Projektion auf die Fahrzeuglängsebene 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.

Die Gewichtsrückstellung entsteht durch das Moment der Radlast um die geneigte Spreizachse. Die Wirkungen beider Räder summieren sich am Lenkrad. Das Rückstellmoment nimmt mit dem Lenkeinschlag zu und ist daher die Voraussetzung für die Selbstzentrierung der Lenkung in Geradeausstellung.

Radlader mit 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.

Kompaktlader mit 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 das durch eine Lenkbremse mit Bremsbändern, die jedoch schnell verschleißen. Daher wird meist ein Überlagerungslenkgetriebe verwendet, das auch die Antriebsverluste minimiert.

Bei der Zweiradlenkung werden die beiden Räder derselben Achse gelenkt. Dies ist die gängigste Form der Lenkung bei Straßenfahrzeugen.

• Hinterradlenkung wird nur bei langsam fahrenden Fahrzeugen mit bauartbedingter Höchstgeschwindigkeit angewandt, da der Regelkreis Fahrer/Fahrzeug bei höheren Geschwindigkeiten instabil wird. Fahrzeuge wie Gabelstapler mit großem vorderem Überhang und Hinterradlenkung profitieren von erhöhter Wendigkeit. Bei Gabelstaplern und Mähdreschern vereinfacht die Hinterradlenkung die Konstruktion der hoch belasteten Vorderachse.

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  Hinterradlenkung
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  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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  Vorderradlenkung
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  T5 mit Vorderradlenkung

• Doppelvorderradlenkung wird die Lenkung zweier kurz hintereinander liegender Vorderachsen genannt. Die hintere Achse hat einen geringeren Lenkwinkel als die vordere Achse, um bei der Kurvenfahrt das Radieren der zweiten Achse zu vermeiden. Mit dieser Lenkung wird eine hohe vordere Achslast auf zwei Achsen verteilt. 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.

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  Doppelvorderradlenkung
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  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).

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  Vorderrad-Hinterradlenkung
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  Von den acht Achsen des MZKT-79221 sind die vorderen drei und die hinteren drei Achsen lenkbar.

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°.

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  Proportionallenkung
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  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.

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  Gleichlauflenkung
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  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.

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  Hundeganglenkung
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  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 bzw. ohne mechanische Kopplung der Hinterräder auskommt (Steer-by-Wire).