Radführungen der Straßenfahrzeuge

Frontmatter

1. Einleitung

Zusammenfassung

Die Radführung oder „Radaufhängung“ ist die Verbindung zwischen dem Fahrzeugkörper und dem Rade mit seinem Reifen. Sie gibt dem Rade eine im wesentlichen vertikal ausgerichtete Beweglichkeit, um Fahrbahnunebenheiten auszuweichen, wobei ein Federelement kurzfristig Energie speichert und wieder abgibt und so weitgehend Beschleunigungsspitzen vom Fahrzeugkörper fernhält. Ein Dämpfer sorgt dafür, daß von instationären Fahrbahnoder Windkräften oder auch von Beschleunigungs-, Brems- und Seitenkräften angeregte Schwingungen, die den Komfort und die Fahrsicherheit beeinträchtigen, rasch abklingen.

Wolfgang Matschinsky

2. Bauarten und Freiheitsgrade der Radaufhängungen

Zusammenfassung

Ein schnelles Straßenfahrzeug benötigt an jedem Rade zum Ausgleich der Fahrbahnunebenheiten und zur Vermeidung hoher Beschleunigungen am Fahrzeugkörper eine im wesentlichen vertikal gerichtete Bewegungsmöglichkeit, einen „Freiheitsgrad“. Ein Freiheitsgrad ist eine Lageänderung eines Raumkörpers, z. B. des Radträgers mit seinem Rade, nach einer eindeutigen und reproduzierbaren Funktion. Bild 2.1 zeigt, daß dieser eine Freiheitsgrad nicht unbedingt aus einer vertikalen Parallelverschiebung allein bestehen muß, wie im Beispiel a, sondern auch als kombinierte Hub-, Quer- und Kippbewegung (Spur- und Sturzänderung, Beispiel b) oder als allgemeine „Koppelbewegung“ (Beispiel c) verwirklicht werden kann, wobei alle Bewegungsparameter stets in fester Abhängigkeit voneinander stehen (man spricht dann von „Zwanglauf”).

Wolfgang Matschinsky

3. Verfahren zur kinematischen Analyse der Radaufhängungen

Zusammenfassung

Die meisten Radaufhängungen führen dreidimensionale Bewegungen aus, deren Untersuchung zeichnerisch in mindestens zwei Rissen und rechnerisch in einem räumlichen Koordinatensystem erfolgen muß. Da die „ebene“, d. h. in einer einzigen Ansicht (Projektionsebene) stattfindende bzw. abzubildende Bewegung aber leichter zu überschauen ist und Erkenntnisse aus der ebenen Getriebelehre sich im allgemeinen sinngemäß auf die räumliche Getriebelehre übertragen lassen, soll zunächst an einige wesentliche Gesetze der ebenen Getriebelehre erinnert werden.

Wolfgang Matschinsky

4. Der Reifen

Zusammenfassung

Die Übertragung der Kräfte und Momente zwischen Fahrzeug und Fahrbahn übernimmt der Reifen, ein gasgefüllter elastischer Torus aus Natur- und Kunstgummi, verstärkt durch ein Textil- oder Stahldrahtgewebe, Bild 4.1. Der Reifen sitzt mit seinem „Fuß“ 2 am Außenumfang der Felge 1 auf der „Felgenschulter“, wo ihm der aus Stahldraht gefertigte Wulstkern 3 Halt gibt. Um den Wulstkern sind Gewebelagen 4, die „Karkassenfäden“, geschlungen, welche dem Reifen seine Festigkeit gegen den inneren Gasüberdruck verleihen. Im „Diagonalreifen“ (a) kreuzen sich die Fäden 4 unter einem Winkel, der in weitem Bereich um 45° liegen kann, im „Radial“- oder „Gürtelreifen“ (b) verlaufen die Karkassenfäden im wesentlichen quer zur Fahrtrichtung und ein umfangssteifer Gürtel 6 verstärkt den Reifen unterhalb der Lauffläche 5.

Wolfgang Matschinsky

5. Federung und Dämpfung

Zusammenfassung

Die Federung soll den Fahrzeugkörper vor Stößen und hohen Beschleunigungen schützen, die beim Überfahren von Fahrbahnunebenheiten entstehen würden. Die Änderung der Federkraft ist von der Federrate abhängig. Je niedriger die Federrate, desto geringer der Kraftanstieg bei der Anhebung des Rades durch eine Bodenunebenheit. Beim Einfedern des Fahrzeugrades speichert die Federung kurzzeitig Energie, welche sie beim Ausfedern wieder freigibt. An den Fahrzeugkörper wird nur die Federkraftschwankung weitergeleitet.

Wolfgang Matschinsky

6. Antrieb und Bremsung

Zusammenfassung

Antriebs- und Bremskräfte werden an den Radaufstandspunkten vom Reifen auf die Fahrbahn übertragen; die Massenbeschleunigungs- bzw. -verzögerungskraft des Fahrzeugs greift am Fahrzeugschwerpunkt S an. Daraus entsteht ein Kippmoment am Fahrzeug, das beim Bremsen die Vorderräder zusätzlich belastet bzw. die Hinterräder entlastet und beim Beschleunigen umgekehrt wirkt. Brems- und Antriebsvorgang unterscheiden sich am Gesamtfahrzeug lediglich durch das Vorzeichen der Längsbeschleunigung a_x. Im folgenden wird zunächst ein Bremsvorgang betrachtet.

Wolfgang Matschinsky

7. Kurvenfahrt

Zusammenfassung

Im Kapitel 4 wurde dargelegt, daß die Seitenkraft an einem Rade vom Schräglaufwinkel und vom Radsturzwinkel abhängt. Der Schräglaufwinkel wird nicht nur von der unter Querbeschleunigung sich einstellenden seitlichen Driftbewegung des Fahrzeugs, sondern auch von evtl. zusätzlich aufgebrachten Lenkwinkeln am Fahrzeug beeinflußt. Die Vorspuränderung oder allgemein Änderung des Lenkwinkels über dem Federweg bzw. dem Wankwinkel kann ferner einen resultierenden Lenkwinkel der gesamten Achse verursachen. Wie in den bisherigen Betrachtungen werden der Sturz und der Lenkwinkel in einem fahrzeugfesten Koordinatensystem untersucht.

Wolfgang Matschinsky

8. Die Lenkung

Zusammenfassung

Die Lenkung von luftbereiften Straßenfahrzeugen erfolgt durch Änderung des Winkels zwischen der Fahrzeuglängsachse und den Mittelebenen einiger oder aller Fahrzeugräder. Hierzu kann eine starre Fahrzeugachse um ihren Mittelpunkt geschwenkt werden (Drehschemellenkung, die älteste Bauart), Bild 8.1a oder es kann das Fahrzeug in der Mitte abgeknickt werden (Knicklenkung, bei Arbeits- und Sonderfahrzeugen, Bild 8.1b). Beide Verfahren haben den Nachteil einer Verringerung der „Standfläche“ bei Lenkeinschlag, ferner wirken einseitige Störkräfte an einem Hebelarm, welcher der halben Spurweite entspricht.

Wolfgang Matschinsky

9. Die Elasto-Kinematik der Radaufhängungen

Zusammenfassung

Fahrbahnunebenheiten und Unwuchten oder Ungleichförmigkeiten der Räder und Reifen regen die Radaufhängung vor allem im Bereich der Eigenfrequenzen der „ungefederten“ Massen zu Schwingungen an; Einzelstöße, wie Schlaglöcher und Querfugen, weisen ein breites Frequenzspektrum bis in den hörbaren Bereich auf, ebenso die Eigenschwingungen des Reifens. Da moderne Reifen eine hohe Umfangs-Verdrehsteifigkeit besitzen, also gegenüber Umfangskraftschwankungen kaum nachgeben, entstehen aus den erwähnten Störungen Umfangs- bzw. Längskräfte am Reifen, die durchaus die Größenordnung der Radlast erreichen können [33].

Wolfgang Matschinsky

10. Zur Synthese von Radaufhängungen

Zusammenfassung

Bei der Auswahl des Typs der Radführung und der kinematischen Auslegung derselben spielen die unterschiedlichsten Gesichtspunkte eine Rolle, wie die Zweckbestimmung und Bauart des Fahrzeugs, die Fahrzeugklasse sowohl bezüglich der Größe als auch des Preises, die Firmentradition und Erfahrungen mit Vorgängermodellen, die Weiterverwendung der Aggregate des Vorgängermodells, verfügbare Fertigungseinrichtungen, das „Baukastenprinzip“ (Verwendung von „Gleichteilen“ mit anderen Modellen des Hauses), Bau- und Montageaufwand, Möglichkeiten der Fertigungskontrolle, Zuverlässigkeit und Wartungsaufwand („Cost of Ownership“, d. h. die dem Kunden während der Nutzung entstehenden Kosten), nicht zuletzt aber auch neue Aufgabenstellungen und Erkenntnisse, denen mit den vorhandenen Systemen nicht mehr ausreichend entsprochen werden kann.

Wolfgang Matschinsky

11. Aufhängungen für Motorräder

Zusammenfassung

Die Radaufhängungen der Einspurfahrzeuge, also der Solo-Motorräder und Motorroller, sind stets „ebene“ Mechanismen, deren Geometrie sich in der Seitenansicht des Fahrzeugs vollständig beschreiben läßt. Querbewegungen und Sturzänderungen der Räder beim Ein- und Ausfedern stören den Geradeauslauf; deshalb haben Radaufhängungen mit Querlenkern und dergleichen sich in der Serienproduktion nicht durchsetzen können, auch nicht bei Motorrädern mit Seitenwagen. Mit den „ebenen“ Radaufhängungen können nur der Schrägfederungswinkel, der Brems- und ggf. Antriebs-Stützwinkel und die Lenkungsparameter Nachlaufwinkel und Nachlaufstrecke beeinflußt werden. Anstelle des Nachlaufwinkels τ wird bei Motorrädern auch der „Steuerwinkel“ zwischen dem Lenkzapfen und der Fahrbahn angegeben, dessen Größe also 90° — τ ist.

Wolfgang Matschinsky

12. Einzelradaufhängungen

Zusammenfassung

Einzelradaufhängungen besitzen nur einen Freiheitsgrad, die Radbewegung relativ zum Fahrzeugkörper ist also bei paralleler und bei antimetrischer Federung die gleiche. Die Verwirklichung eines günstigen Radsturzes bezogen auf die Fahrbahn bei Kurvenfahrt hat daher merkliche Sturzänderungen beim Parallel-Einfedern oder bei unterschiedlicher Fahrzeugbeladung zur Folge. Ein ober- oder unterhalb der Fahrbahnebene liegendes Rollzentrum erfordert Spuränderungen beim Ein- und Ausfedern. Vorteilhaft ist das Fehlen der Massenkoppelung zwischen den Rädern (und der mechanischen Koppelung durch Radführungsglieder, die die gesamte Fahrzeugbreite queren und so Platz beanspruchen), die vielfältige Möglichkeit zur Erzielung elastokinematischer Effekte und das günstige Gewicht.

Wolfgang Matschinsky

13. Starrachsführungen

Zusammenfassung

Die Starrachse zeigt beim Ein- und Ausfedern keine Spuränderung; der Radsturz gegenüber der Fahrbahn bleibt, wenn die unterschiedliche Reifeneindrückung bei Kurvenfahrt vernachlässigt wird, sowohl bei symmetrischer als auch bei antimetrischer Radbewegung konstant. Das Rollzentrum kann höher angeordnet werden als bei Einzelradaufhängungen, da bei Parallel-Einfederung keine Seitenbewegungen der Radaufstandspunkte und damit keine Querkräfte am Fahrzeug auftreten. Der „Federschwerpunkt“ der Achsaufhängung liegt in der Draufsicht auf der Fahrzeugmittellinie, deshalb ist die Elasto-Kinematik der Starrachse der einer Einzelradaufhängung mit „Fahrschemel“ vergleichbar, vgl. Kap. 9, Bild 9.6. Die Radführung weist zwei Freiheitsgrade auf, daher ist der Raumbedarf in den Radkästen etwas größer als bei Einzelradaufhängungen mit ihren eindeutigen Radbewegungen.

Wolfgang Matschinsky

14. Verbundaufhängungen

Zusammenfassung

Die Verbundaufhängung ist die allgemeine Form der kinematischen Führung zweier Räder einer „Achse“; insgesamt sind für diesen Mechanismus zwei Freiheitsgrade nötig, vgl. Kap. 2, was bei den Einzelradaufhängungen dadurch erreicht wird, daß jedes Rad unabhängig vom anderen einen Freiheitsgrad gegenüber dem Fahrzeugkörper erhält, und bei Starrachsführungen, indem der gesamte Achskörper mit zwei Freiheitsgraden aufgehängt wird; die beiden Räder der Starrachse können aber keine Relativbewegungen ausführen. An Verbundaufhängungen sind Relativbewegungen der Räder möglich.

Wolfgang Matschinsky

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