lenkung

Fachgebiet FKS

Fahrzeugtechnik und KonstruktionFachhochschule Stralsund

FahrzeugtechnikProf. Dr.-Ing. P. Roßmanek

Laborübung FAT 3

„Kenngrößen von Lenkanlagen“

erarbeitet: Dipl.-Ing.(FH) U. Steinfurth

Fachhochschule StralsundFachbereich Maschinenbau Laborversuch FAT 3Labor Fahrzeugtechnik „ Kenngrößen von Lenkanlagen“

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Inhaltsverzeichnis

Seite

1. Bedeutung 3

2. Versuchsziel 3

3. Theoretische Grundlagen 3

3.1. Begriffsbestimmung und Aufgaben 3

3.2. Gesetzliche Vorschriften 4

3.3. Lenkkinematik 6

3.3.1. Lenkrad- und Lenkwinkel 6

3.3.2. Lenktrapez bei Starrachsen 8

3.3.3. Lenkdreieck 8

3.3.4. Lenkviereck 9

3.3.4.1. Gleichläufiges Lenkviereck 9

3.3.4.2. Gegenläufiges Lenkviereck 9

4. Versuchsdurchführung 13

5. Versuchsauswertung 13

6. Literaturverweis 13


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1. Bedeutung

Das Thema Lenkanlagen und Hilfskraftlenkungen gewinnen aus mehreren Gründen ansteigender Bedeutung:

• Die Weiterentwicklung der Radaufhängungen verlangt nach immer besserenLenkanlagen;

• steigende Sicherheits- und Komfortansprüche führen zu volleren Motorräumen, zustärkeren Motoren und damit höheren Vorderachslasten;

• die wachsende Verkehrsdichte und beengte Parkmöglichkeiten machen Lenkhilfenbereits für Kompaktfahrzeugen wünschenswert.

2. Versuchsziel

Ziel der Laborübung ist es, dem Studenten die unterschiedlichen Ausführungen vonLenkanlagen, deren konstruktive Merkmale und die Berechnung der entsprechendenKenngrößen zu vermitteln. Dazu wird bei der Labordurchführung ein Achsmeßcomputereingesetzt, der die Kenngrößen aufnimmt, berechnet und darstellt.

3. Theoretische Grundlagen

3.1. Begriffsbestimmung und Aufgaben

Die Lenkung ist eine Einrichtung, die das Führen eines Kraftfahrzeuges in die gewünschteRichtung durch Einschlagen der gelenkten Räder in einer bestimmten, gegenseitigenZuordnung ermöglicht. Der Begriff beinhaltet das System von Einzelteilen, welches dasLenkrad mit den drehbaren Achsschenkeln verbindet.Hierzu gehören je nach Ausführung folgende Einheiten:

Lenkrad, Lenkspindel, Mantelrohr, Kreuzgelenke (evtl. Winkelgetriebe),Lenkgetriebe mit bzw. ohne Hilfskraftunterstützung, Lenkstockhebel, Lenkgestänge(Lenkstange und Spurstangen), Lenkungsstoßdämpfer, Kugelgelenke im Gestänge,Achsschenkel und Achsschenkellagerung sowie Zusatzaggregate.

Einzelne Ausführungen lassen sich nach verschiedenen Gesichtspunkten einordnen.

Nach der Art der Lenkkrafterzeugung:• Manuelle Lenkanlagen, auch als Muskelkraft-Lenkungen bezeichnet, bei der die

Lenkkraft ausschließlich durch den Fahrer aufgebracht wird. MechanischeLenkgetriebe reduzieren sie durch eine Übersetzung auf ein akzeptables Niveau.

• Hilfskraftlenkanlagen (Servolenkung) bei der die Muskelkraft des Fahrers durchZusatzeinrichtungen unterstützt wird.

Nach der Art der Übertragungseinrichtung:• Mechanische Lenkungen (Übertragung der Kräfte vom Lenkrad zu den gelenkten

Rädern erfolgt mechanisch),

• hydraulische Lenkungen,

• pneumatische Lenkungen,

• elektrische Lenkungen.


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Nach der Art der Getriebeausführung:

• Zahnstangenlenkungen (Lenkradwinkel δH wird in eine Schiebebewegung derZahnstange umgesetzt),

• Lenkungen mit Drehbewegung, bei denen ein Schneckenrollen- oder Kugelumlauf-Lenkgetriebe den Drehwinkel des Lenkrades δH in eine Drehbewegung desLenkstockhebels umsetzt.

Aufgabe der Lenkanlage ist es, den Lenkradwinkel δH in einer möglichst eindeutigenZuordnung in einem Lenkwinkel δa des kurvenäußeren und δi des kurveninneren Radesumzusetzen. Diese Winkel werden im quasistatischen Zustand durch die Getriebeübersetzungund die Kinematik des Lenkgestänges vorgegeben und von der elastischen Nachgiebigkeitinnerhalb der gesamten Übertragungseinrichtung mit beeinflußt. Zwingt der Fahrer dasFahrzeug durch eine Lenkraddrehung zur Fahrtrichtungsänderung, so wird diese durch dasEigenlenkverhalten der Vorder- und Hinterachse zusätzlich mitbestimmt. Hier handelt es sichum Vorspuränderungen der Räder durch das Einwirken von Längs- und Seitenkräftenaufgrund der Elastokinematik der Radaufhängung oder durch ein wankbedingtes einseitigesEinfedern des kurvenäußeren und Ausfedern des kurveninneren Rades.

3.2. Gesetzliche Vorschriften

Ein Fahrzeughersteller muß zur Erlangung der allgemeinen Betriebserlaubnis (ABE) für einenPkw und Nkw die Vorschriften des §38 der Straßenverkehrszulassungsordnung (StvZO)erfüllen. Diese besagen jedoch lediglich, daß leichtes und sicheres Lenken gewährleistet seinmuß und das Fahrzeug, falls hierzu erforderlich, mit einer Lenkhilfe auszurüsten ist. BeiAusfall derselben muß die Lenkfähigkeit erhalten bleiben.Von stärkerer Aussagekraft ist die Richtlinie 70/311/EWG. Neben allgemeinen Begriffs-bestimmungen besagt diese, daß bei einem Fahrzeug mit Muskelkraftlenkanlage und maximalzulässigem Beladungszustand der gelenkten Achse die am Lenkrad aufzubringende Kraft FH

den Wert 250 N nicht überschreiten darf, wenn das Fahrzeug von der Geradeausfahrt in eineKreisbahn von 12 m Radius eingelenkt wird (Bild 1). Die Fahrzeuggeschwindigkeit solltedabei 10 km/h betragen.

Bild 1: Darstellung des Prüfverfahrens zur Messung derzulässigen Lenkkräfte nach 70 / 311 / EWG.Die Zeit T zwischen dem Beginn der Lenkradbetätigungund dem erreichen einer Kreisbahn mit einem Halb-messer von R = 12 m (Meßbeginn) darf im Normalfallmaximal 4 s und bei Ausfall der Lenkhilfe nicht mehrals 6 s betragen. Als maximal zugelassen sindLenkkräfte von FH = 250 N und FH = 600 N beiLenkhilfeausfall.


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Ist das Fahrzeug mit einer Hilfskraftlenkung ausgerüstet, so ist bei gleichem Prüfverfahrenaußerdem nachzuweisen, daß bei Ausfall der Lenkhilfe (z.B. zerstörter Pumpenkeilriemen)die am Lenkrad aufzubringende Kraft nicht mehr als FH = 600 N beträgt. Hat das Lenkrad z.B.einen Durchmesser von dKz = 0,4 m und damit einen Krafthebelarm rH = 0,2 m, so entsprichtdies einem Lenkmoment von:

M F r N m NmH H H= = =* * ,600 0 2 120

Das ist eine Größenordnung, die schon erhebliche Kraftanstrengungen und beide Hände amLenkrad erfordert.

Neben den Vorschriften zur Sicherstellung der Lenkfähigkeit eines Fahrzeuges dienen weitereVorschriften dem Schutz der Insassen bei einem Verkehrsunfall. Bild 2 faßt dieseVorschriften zusammen und erklärt stichworthaltig deren Inhalt.

Bild 2: MVSS -Vorschriften (MotorVehicle Safety Standards) undECE-Richtlinien zum Insassen-schutz bei Lenkanlagen


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3.3. Lenkkinematik

Die älteste Art von Fahrzeuglenkungen ist dieDrehschemellenkung (Bild 3). Früher bei Kutschenu.a. Fahrzeugen eingesetzt, ist sie heute noch zurLenkung von Lkw-Anhängern gebräuchlich. Dabeiwird über eine Deichsel die starre Achse um ihrenDrehpunkt geschwenkt. Für die Lenkung vonschnellfahrenden Fahrzeugen ist diese Ausführungwegen des Raumbedarfs, der hohen Lenkkräfte undder mangelnden Lenkkinematik nicht geeignet.Außerdem besteht eine erhöhte Kippgefahr beiextremen Einlenkwinkeln. Vorteile dieserFahrzeuglenkung sind der einfache Aufbau,die Spielfreiheit, minimaler Wendekreis undein geringer Wartungs- und Pflegeaufwand.Bei der Kurvenfahrt läuft das Rad ohne zu radieren; es herrscht ein minimalerReifenverschleiß.

Werden bei Pkw einzeln aufgehängte Räder (Einzelradaufhängung) verwendet, so sind es beiNutzkraftwagen (Nkw) oder Bussen mit Starrachsen ausschließlich Achsschenkellenkungen.Einzelradlenkungen und Achsschenkellenkungen werden auch als Ackermannlenkungenbezeichnet, mit nah am Rad liegenden Drehachsen und der Kopplung beider Räder mittelsSpurstangen (Bild 4).

3.3.1. Lenkrad- und Lenkwinkel

Nach DIN 70 000 und auch der SAE-Richtlinie J 670e ist die Gesamtübersetzung is dasVerhältnis der Änderung des Lenkradwinkels δH zur Änderung des mittleren Lenkwinkelsδmed eines Paares gelenkter Räder, und zwar bei momentenfreier Lenkbetätigung undausgehend von der Geradeausstellung. Unberücksichtigt bleiben dabei die Lenkelastizität unddie Änderung der Übersetzung beim Lenkeinschlag.Es sind:

der mittlere Lenkwinkel δδ δ

meda i=

+2

/1/

und die kinematische Übersetzung isH

med

=δ

δ/2/

Bild 3: Drehschemellenkung (Anhänger-lenkung)


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Radeinschlag, Sollkurve

Die nach Ackermann erforderlichen Lenkwinkel δAa am kurvenäußeren Rad und δi am innerenlassen sich leicht mit Hilfe der kinematischen Zusammenhänge in Bild 4 berechnen:

cottan *

δδAa

A

j

l= +

1

2/3/

und cot cotδ δAa i

j

l= + /4/

Bild 4: Achsschenkellenkung und

kinematische Zusammenhänge nach

Ackermann

Der mit in das Bild 4 eingetragene Lenkdifferenzwinkel ∆δA und der SpurkreisdurchmesserDSA, den das kurvenäußere Rad durchläuft, haben die Größe:

∆δ δ δA i Aa= − /5/

und Dl

rSAAa

s= +

2*

sinδ/6/

wobei δAa der Sollwinkel (theoretischer Wert) und δa der Istwinkel der kurvenäußeren Räderist. Die Abweichung zwischen diesen beiden Lenkwinkel wird auch Lenkfehler ∆δp genannt.

Aaap δδδ −=∆ /7/

Mit einem bewußt erzeugten Lenkfehler läßt sich eine Verringerung des Spurkreisdurch-messers (und damit ein günstigerer Wendekreis) erreichen, die erfahrungsgemäß ≈ 0,1 m proGrad Lenkfehler beträgt.


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3.3.2. Lenktrapez bei Starrachsen

Bei starren Vorderachsen (Bild 5) ist der Achskörper 1 so ausgebildet, daß er an den EndenAchsschenkelbolzen aufnehmen kann, um die sich die Radträger 2 beim Lenkeinschlagdrehen. Die Verlängerung der Lenkachsen trifft den Boden im Abstand j zueinander und legtden Lenkrollenhalbmesser rs zu den Radmitten fest. An den Radträgern sind die Spurhebel 3befestigt, die die wahre Länge r und den Winkel λ zur Fahrzeuglängsachse haben, erkennbaran der in Bild 5 oben dargestellten Schrägprojektion. Der Abstand zwischen denKugelgelenken, die den Abstand h zum Boden haben, ergibt die Länge u der Spurstange.Beim Lenkeinschlag bewegen sich die Punkte 4 kreisförmig um die Lenkachse.

3.3.3. Lenkdreieck

Kinematisch gesehen haben Zahnstangenlenkungen ein Lenkdreieck, welches vor oder hinterder Achse bzw. mittig auf dieser liegen kann. Bild 7 a zeigt diese einzelnen Möglichkeitenund außerdem die Lage der Spurhebel, die nach vorn oder nach hinten zeigen können. Dieräumliche Lage des Lenkgetriebes und damit die Strecken b sowie h und c sindmitbestimmend für die kinematische Vorspuränderung der Räder. Die Länge L zwischen denbeiden inneren Spurstangengelenken ergibt sich durch den erforderlichen Zahnstangenweg.Sie sollte so gering wie möglich sein.Eine Auslegung des Lenkdreiecks ist bei einer Zahnstangenlenkung einfach, weil nur einegeradlinige, seitliche Schiebebewegung der Zahnstange in die räumliche des Radträgersumgesetzt werden braucht. Die inneren Spurstangengelenke T bewegen sich parallel zumBoden und die äußeren U auf einem Kreisbogen um die Lenkachsen O (Bild 6).

Bild 5: Zum Auslegen einesLenktrapezes an einerStarrachse erforderlicheStrecken und Winkel


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Bei der Auslegung muß auch der von Spurstange und Spurhebel eingeschlossene Winkel ϕ3

kontrolliert werden, damit dieser die zulässigen Grenzen nicht über- oder unterschreitet. Umzu verhindern, daß eine zu große Strecklage die Lenkung nicht mehr zurückstellen läßt, darfder Winkel ϕ3,a am kurvenäußeren Rad nicht kleiner als 15° werden; am Innenrad sind ϕ3,i =135° die obere Grenze, um eine ausreichende Sicherheit gegen Umklappen des Gestänges zuhaben.

3.3.4. Lenkviereck

Wird ein Lenkgetriebe mit Drehbewegung (z.B. Schneckenlenkung) eingesetzt, liegt-kinematisch gesehen- ein Lenkviereck vor, daß von den Anfangs- bzw. Endpunkten desSpur- und Lenkstockhebels gebildet wird. Abhängig von der Lage des Lenkgetriebes zurLenkmitte erfolgt eine Unterscheidung zwischen gleich- und gegenläufigem Lenkviereck(Bild 7 b).

3.3.4.1. Gleichläufiges Lenkviereck

Beim gleichläufigen Lenkviereck bewegen sich Lenkstock-, Lenkzwischen- und Spurhebel(Bild 7 b Fall 1-3) in gleicher Richtung. Die Endpunkte der Spur- und Lenkhebel verbindendie Spurstangen (4) und die beiden Teile 1 und 2 die Lenkzwischenstange (5). Von denangegebenen Strecken ist die Entfernung b zwischen Lenkgetriebe und Vorderachsmitte vonbesonderer Bedeutung, da sie bei gegebener Länge ra des Lenkstock- und Lenkzwischenhebelsdie von deren Enden beschriebenen Kreisbögen festlegt.

3.3.4.2. Gegenläufiges Lenkviereck

Beim gegenläufigen Lenkviereck haben Lenkstock- und Lenkzwischenhebel eine entgegen-gesetzte Drehrichtung zu den um die Lenkachse drehenden Spurhebeln (Bild 7 b Fall 3 bis 4).

Bild 6: Zum Auslegen einesLenktrapezes an einerStarrachse erforderlicheStrecken und Winkel


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Bild 7 a: Vier mögliche Fälle des Lenkdreiecks bei einer Zahnstangenlenkung


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Bild 7 b: Bei Lenkgetrieben mit Drehbewegungen kann das Lenkviereck sich vor oder hinter der

Achse befinden und gleich bzw. gegenläufig sein.


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Die Auslegung der Lenkkinematik der o.g. Bauvarianten ist eines der defizilstenProblembereiche in der Fahrzeugtechnik, denn es genügt nicht nur die Betrachtung in derEbene, sondern es kommen die Radfederbewegungen räumlich hinzu. Bei der letztendlichgewählten Konstruktion ist besonders die Fahrdynamik des Fertigfahrzeuges mit in dieLenkkinematik-Auslegungen eingearbeitet worden. Damit ist erklärlich, warum dietatsächlichen Lenkeinschläge von den rechnerisch ermittelten Werten abweichen.In Bild 8 ist ein Lösungsalgorhythmus zur Auslegung von Lenkanlagen für Kraftfahrzeugedargestellt, wobei auch Vorgaben zur Fahrzeug- und Vorderachsführung sowie Zielsetzungenbezüglich der Fahrdynamik und des Wendekreises einfließen.

Bild 8: Vorgaben der Vorderachsführung sowie Zielsetzungen bezüglich der Fahrdynamik und des

Wendekreises

Lenkabweichung∆δF = ∆δA − ∆δ

LenkdifferenzwinkelSollkurve

∆δA = δi − δA,a

LenkdifferenzwinkelIstkurve

∆δ = δi − δa

Lenkwinkelkurvenäußerer Sollwert

δA,a

Lenkwinkelkurvenäußerer Istwert

δa

Vorgaben:- Wendekreis- Fahrstabilität Nachlauf Spreizung kinematische

Vorspuränderung Vorspuränderung

durch Wanklenken

Konstruktive Vorgaben:- Spurbreite bv

- Radstand l- Lenkrollenhalbmesser rs

- kurveninnerer Sollwert δi

Bestimmungsgrößen: Spurhebel Länge r- Winkel λ

Bestimmungsgrößen: Spurhebel Länge r- Winkel λ

Bestimmungsgrößen: Spurhebel Länge r und Winkel λ- Lenkstockhebel Länge ra und Winkel Ο

Lenkdreieck beiEinzelradaufhängungen

Lenktrapezbei Starrachsen

Lenkviereck beiEinzelradaufhängungen

Vorgaben für die Lenkanlage:- Zahnstangenlenkung- Lenkgetriebelage und damit- Spurstangenlänge und -lage

Vorgaben für die Lenkanlage:- Lenkgetriebe mit Drehbewegung- Lenkgetriebelage (Lenkstock- und Lenkzwischenhebel)- Spurstangenlänge und -lage


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4. Versuchsdurchführung

Machen Sie sich im Vorfeld des Versuches mit der Achsmeßanlage vertraut.Anschließend wird das jeweilige Versuchsfahrzeug mittig auf die Viersäulenhebebühnegefahren und nach dem Anbau der Meßaufnehmer sowie der Rundlaufkorrektur auf dieDrehteller abgesetzt.Bei der Durchführung der weiteren praktischen Tätigkeiten werden Ihnen die nötigenGeräteinformationen und Hilfestellungen gegeben.

Beachten Sie in jedem Fall die geltenden Unfallverhütungsvorschriften.

1. Berechnung und praktische Erfassung des Lenkdifferenzwinkels ∆σA.a: Berechnen Sie nach Formel /4/ und /5/ zehn theoretische Lenkdifferenzwinkel. Übliche

Radeinschlagwinkel für kurvenäußere Räder σAa bei Rechtseinschlag reichen in der Praxisvon 0° (Geradeausfahrt) bis ca. 35°.Den Radstand l ermitteln Sie durch Messung des Abstandes von Vorderrad- zur Hinterrad-mitte mit dem Maßband am jeweiligen Versuchsfahrzeug bei Geradeausstellung derVorderräder. Die Spurweite j ermitteln Sie durch Messung des Abstandes von linker zurechter Laufflächenmitte der Räder an der Vorderachse bei Geradeausstellung.Tragen Sie die berechneten Werte in Abhängigkeit vom Einschlagwinkel der kurven-äußeren Vorderräder in ein entsprechendes Diagramm ein ∆σA = f(σΑa).

b: Die am Versuchswagen tatsächlich auftretenden Radeinschlagwinkel können durchUnterlegen von Drehtellern und Anschluß eines Achsmeßcomputers ermittelt werden.Beachten Sie hierbei, daß die Räder mittig auf den Drehtellern aufliegen und eineQuerverschiebung beim Federn des Wagens möglich ist. Tragen Sie in einer Liste zehnWerte für den Rechtseinschlag ein. Lesen Sie zu dem jeweiligen Einschlagwinkel deskurvenäußeren Rades den Einschlagwinkel des kurveninneren Rades an der Anzeige abund notieren Sie ihn. Den errechneten tatsächlichen Lenkdifferenzwinkel je Wertepaartragen Sie ebenfalls in das Diagramm ein und Kennzeichnen Sie die verlaufendenKurvenzüge.

2. Praktische Ermittlung des Lenkübersetzungs-Verhältnisses is.Benutzen Sie zur Lösung der Aufgabe 2 den Versuchsaufbau von Aufgabe 1. Bringen Siezusätzlich auf dem Lenkrad-Umfang jeweils um 90° versetzte Markierungen auf (z.B.Klebeband). Markieren Sie die Mittelstellung des Lenkrades. Notieren Sie in einer Werte-tabelle den bei jeweils 90° Lenkradeinschlag σH auftretenden Radeinschlagwinkel deskurvenäußeren Rades σAa und des kurveninneren Rades σi. Zur statistischen Absicherungwiederholen Sie diese Prozedur dreimal.Nach Formel /1/ und /2/ berechnen Sie die Gesamt-Lenkübersetzung. Übertragen Sie dieermittelten Werte in ein Diagramm, in dem das Übersetzungsverhältnis is von 15 bis 30 überdem Lenkradwinkel σH von 0° bis ca. 600° aufgetragen ist.


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5. Versuchsauswertung

− Dokumentation zum Versuchsaufbau und zur Versuchsdurchführung.

− Darstellung der Meßwerte und Kenngrößen in geeigneter tabellarischer und grafischer Form.

− Bewertung der Meßwerte und Kenngrößen.

− Auswertung Versuchsergebnisse / Auswertung de grafischen Kurvenverläufe.

6. Literaturverweis

Bosch; Kraftfahrtechnisches Taschenbuch; 21. Auflage; VDI-Verlag 1987

Reimpell,J; Fahrwerktechnik: Lenkanlagen und Hilfskraftlenkungen; Vogel-Buchverlag, Würzburg 1992

Gräter, H; Kfz.-Diagnose / Service-Fibel; Vogel-Buchverlag, Würzburg 1992

Bedienungsanleitung Achsmeßcomputer „Opto-Plus 614“; AUTEK INDUSTRIE A/SDÄNEMARK

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