AlsLenkung bezeichnet man die Vorrichtung zur Beeinflussung derFahrtrichtung vonFahrzeugen jeglicher Art. Dieser Artikel beschäftigt sich vor allem mit derLenkungstechnik an zweispurigenLandfahrzeugen, insbesondere mit der Achsschenkellenkung.
Kutschen als Vorgänger der motorisierten Fahrzeuge hatten eine Schwenkachslenkung (oder Drehschemellenkung). Dabei wird der vordere starre Achskörper mit seinen an beiden Enden gelagerten Rädern um einen in der Mitte befindlichen Bolzen horizontal geschwenkt. Diese Lenkung kommt heute noch oft an mehrachsigenAnhänger-Fahrzeugen vor. Wegen der hohen Lenkkräfte war die Steuerung eines selbst fahrenden Fahrzeugs kaum möglich.[1] Um den Problemen mit zwei gelenkten Rädern aus dem Weg zu gehen, wurde derBenz Patent-Motorwagen Nummer 1 alsDreirad mit Steuerkopflenkung gebaut. Das Prinzip der Steuerkopflenkung wurde auch noch beim vierrädrigenDaimler Stahlradwagen von 1889 verwirklicht, bei dem zwei Spurstangen die Drehbewegung der Lenkpinne auf die Gabeln übertrugen.[2] Das erste Fahrzeug mit Verbrennungsmotor und der von Carl Benz im Jahre 1893 patentierten Achsschenkellenkung[3][4] war 1893 derBenz Victoria.[5] Die Spurstangen waren an einem mittig angeordneten achsfesten Lenkstockhebel angelenkt. Die Achsschenkellenkung, die bereits im Jahr 1761 vonErasmus Darwin erfunden und erstmals 1816 von dem HofwagnerGeorg Lankensperger aus München patentiert wurde, setzte sich in Verbindung mit einer Starrachse allgemein durch.
Mit dem Aufkommen von Einzelradaufhängungen und höheren Geschwindigkeiten musste das Lenkverhalten verbessert werden. Bewegungen der Starrachsen bei Bodenunebenheiten führten zu ungewollten Lenkeinschlägen und Stößen in der Lenkung. Die Schwenkbewegung der Lenkgetriebewelle wurde in unterschiedlichen Ausführungen des Lenkgestänges auf die beiden Spurstangen übertragen. Durch die Pfeilung der Spurstangen ergaben sich erweiterte Möglichkeiten die Radeinschläge nach Ackermann zu verwirklichen. Mit der Entwicklung von Kugelgelenken konnten auch wichtige Lenkungskenngrößen wie z. B. der Lenkrollradius den steigenden Anforderungen, die sich durch ABS ergaben, angepasst werden. Die Zahnstangenlenkung, die bei vielen frontgetriebenen Fahrzeugen mit Quermotor bereits Standard war, setzte sich Mitte der 1990er-Jahre auch in der Oberklasse durch.
Zur Reduktion der Bedienkräfte wurden hydraulisch unterstützteServolenkungen entwickelt, teilweise mit geschwindigkeitsabhängiger Unterstützung. Trotz verringerter Bedienkräfte wurden direktere Lenkungen für sportlicheres Fahrverhalten möglich. Aus Gründen der Energieeinsparung wurde bei Zahnstangenlenkung die hydraulische durch eine elektrische Unterstützung abgelöst. Diese bot auch die Möglichkeit von Assistenzfunktionen, die sich auf das Lenkradmoment auswirken, z. B. der Spurassistent.
Die Beeinflussung des Lenkverhaltens durch ungleiche Bremskräfte kurvenaußen und kurveninnen ist schon länger Stand der Technik. Bei Fahrzeugen mit Allradantrieb werden auch die Antriebskräfte durchTorque Vectoring so verteilt, wie es der Fahrsituation entspricht.
Hinterachslenkungen werden zunehmend Standard in der Oberklasse. Die Vorderachslenkung wird um Funktionen zur Stabilisierung des Fahrzeugs mittelsÜberlagerungslenkung erweitert. Aus Sicherheitsgründen gibt es aber immer noch eine mechanische Verbindung vom Lenkrad zu den Rädern. Das ist auch bis Level 4 beim autonomen Fahren der Fall, damit der Fahrer jederzeit die Kontrolle übernehmen kann. Erst bei Level 5 wird auf den Fahrer völlig verzichtet, ein Lenkrad ist nicht mehr erforderlich.
Die Lenkung ist für die Fahrsicherheit von zentraler Bedeutung. Für die Lenkanlagen von Kraftfahrzeugen und Kraftfahrzeuganhängern für den Straßenverkehr in Europa sind dieEG-Richtlinien 70/311/EWG[6] und 75/321/EWG[7] sowie die damit äquivalenteECE-Regel ECE-R 79 zu beachten. Die deutscheStraßenverkehrs-Zulassungsverordnung verweist ihrerseits in §38(2) „Lenkeinrichtung“ und dem zugehörigen Anhang auf diese EG-Richtlinie.
Bei der Schwenkachslenkung wird der starre Achskörper mit den an seinen Enden gelagerten Rädern als Ganzes um einen zentralen Bolzen, den „Königsbolzen“, geschwenkt. Die Aufstandsfläche des Fahrzeugs verringert sich jedoch beim Schwenken der Achse immer mehr vom Viereck bis hin zu einem Dreieck bei einer 90°-Stellung, was die Kippstabilität verringert.
Die Konstruktion mit „Königsbolzen“ wurde zur Übertragung desKippmoments zwischen Achse und Fahrzeug beim Ausschwenken zu einem schemelartigen Gebilde erweitert, demDrehschemel oder „Drehkranz“, der in aufwändigen Fällen mitKugelgelenk ausgestattet sein kann.
FrüheDampfwagen, dampfgetriebeneStraßenwalzen oder einfache selbstfahrende Fahrzeuge wieSeifenkisten wurden mit Schwenkachslenkung ausgestattet. Sie wird jedoch beiKutschen und anderenPferdewagen sowie allgemein bei mehrachsigenAnhängern eingesetzt, da dieDeichsel zum Ziehen des Fahrzeugs hier auf einfache Weise zugleich auch zur Ansteuerung der gelenkten Achse dienen kann.
DreirädrigeLastenfahrräder mit zwei Vorderrädern und vornliegender Ladefläche haben überwiegend eine Schwenkachslenkung. Dabei wird die Ladefläche oder -kiste mit der Achse geschwenkt.[8]
Die Steuerkopflenkung oderGabellenkung wird überwiegend bei einspurigen Fahrzeugen verwendet, kam aber auch im vierrädrigen Daimler Stahlradwagen zum Einsatz. Die Lenkachse liegt in der Radebene und ist leicht nach hinten oben geneigt um den erforderlichen Nachlauf zu gewährleisten.
Außer bei einspurigen (Fahrrädern,Motorrollern) wird sie auch bei dreispurigen Fahrzeugen angewendet. Das einzelne Vorder- oder auch Hinterrad wird geschwenkt, so bei klassischenDreirädern und auch beiRollstühlen und hinten gelenktenGabelstaplern.
Bestandteile der Steuerkopflenkung
Unter dem NamenDuplex-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 unteresLenktrapez. Durch dieMomentanpole 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.
Beide Räder sollen bei Kurvenfahrt mit geringerQuerbeschleunigung auf einer Kreisbahn mit gleichem Mittelpunkt rollen, demMomentanpol 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 sogenanntenLenktrapezes aus dem Achskörper, den beiden leicht nach innen weisenden Spurhebeln an den Achsschenkeln und einerSpurstange, 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 HofwagnerGeorg Lankensperger aus München patentiert. Dieser überließ sie in England dem Verleger und UnternehmerRudolph Ackermann, weshalb sie dort unter dem Begriff „A-Steering“ bekannt wurde. An Ackermann erinnert auch die Bezeichnung desjenigenLenkwinkels alsAckermann-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 erhieltenAmédée Bollée 1876 in Frankreich[10] undCarl 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 geringemSchräglaufwinkel abrollen.
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 ausLenkgetriebeübersetzung undGestängeübersetzung (Gesamtlenkübersetzung) muss bei Fahrzeugen ohne Lenkunterstützung entsprechend indirekt ausgelegt sein. Bei Fahrzeugen mit Servolenkung ist eine direktere Gesamtlenkübersetzung möglich.
Im Fahrbetrieb wirken bei KurvenfahrtSeitenkräfte und Reifenrückstellmomente auf das Rad. Durch gezielte Elastizitäten im Lenksystem und der Radaufhängung (Elastokinematik) stellen sichRadlenkwinkel ein, die geringer sind als auf Grund der Lenkübersetzung zu erwarten wäre. Die Elastizitäten tragen zumuntersteuernden Verhalten des Fahrzeugs bei.
Bestandteile der Achsschenkellenkung
BeiZahnstangenlenkung 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. beimVW 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).
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 genauparallel 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. BeiHinterradantrieb 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 wirdfahrzeugbezogen positiverSturz genannt. Negativer Sturz gleicht teilweise dieWankneigung in Kurven aus und ermöglicht höhereSeitenführungskräfte 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 derLenkrollradius. Bremskräfte zum Beispiel durchBremsen auf einseitiger Glätte oderABS-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 dieSpreizachse vom Radmittelpunkt die AbständeStoßradius rσ undStörkrafthebelarm rSt. 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 wirkendeRückstellmoment 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 denNachlaufversatz. 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.
Bei derKnicklenkung besteht das Fahrzeug aus zwei Teilen mit je einer meistens ungefedertenStarrachse. Beide Teile sind durch ein um eine vertikale Achse drehendesGelenk 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 alsStereolenkung bezeichnet.
Bei der sogenannten Panzerlenkung wird die Richtungsänderung meist mit zwei Hebeln, rechts und links vom Fahrer, eingeleitet und der Antrieb auf der Innenseite der Kurve abgebremst. Die unterschiedlichen Drehzahlen der beiden angetriebenen Ketten vonPanzern und anderenKettenfahrzeugen (wie Raupenfahrzeuge) und auch der Räder von Radfahrzeugen (z. B.Kompakt- undHoflader) bewirken ein Lenken zur langsamer drehenden Seite hin.
In der einfachsten Form geschieht das durch eine Lenkbremse mitBremsbändern, die jedoch schnell verschleißen. Daher wird meist einÜberlagerungslenkgetriebe verwendet, das auch die Antriebsverluste minimiert.
Im August 2024 erschien eine Regelung der FIA für Rennwagen, die asymmetrisch wirkende Bremsen, also das Bremslenken, verbietet.[18]
Das stehstabile zweispurige ZweiradDicyclet des Amsterdamer KünstlersFred Abels wird mit Pedalkurbel und über ein Differentialgetriebe angetrieben und nur durch zwei Handbremsen gelenkt.[19]
Bei derZweiradlenkung werden die beiden Räder derselben Achse gelenkt. Dies ist die gängigste Form der Lenkung bei Straßenfahrzeugen.
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EineAllradlenkung ermöglicht einen kleinen Wenderadius Eine Allradlenkung findet sich unter anderem bei landwirtschaftlichen Fahrzeugen oder bei Schwerlasttransportern. Man unterscheidet folgende Arten:
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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 ModellPrelude. 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).
Die Lenkung von Wasserfahrzeugen und Flugkörpern wird meist Steuerung genannt. Sie wirkt alsSchubvektorsteuerung oder auf dem Weg der Schubmodulation auf den Antrieb (zum Beispiel beiHubschraubern oderRuderbooten), über bewegliche Steuerflächen auf das umströmende Medium (Wasser oder Luft – überHöhen-,Seiten-,Querruder beiFlugzeugen und Steuerruder beiSchiffen) oder die Lenkung ist selbst eine eigeneKraftmaschine (zum Beispiel als Steuertriebwerke beiRaketen undBugstrahlrudern bei Schiffen).
Bodenfahrzeuge haben normalerweise eine Eigenlenkung, sie sind selbstgesteuert. Das Gegenteil, die Fernlenkung oder Fernsteuerung, überträgt die Lenkbefehle von außen auf das Fahrzeug, wie bei einemferngesteuerten Modellauto oder einemSatelliten.
