Lenkung

Als Lenkung bezeichnet man die Vorrichtung zur Beeinflussung der Fahrtrichtung von Fahrzeugen jeglicher Art. Dieser Artikel beschäftigt sich vor allem mit der Lenkungstechnik an zweispurigen Landfahrzeugen, insbesondere mit der Achsschenkellenkung.

Allgemein

Bei schienengebundenen Fahrzeugen geben die Schienen die Fahrtrichtung vor.

Nichtschienengebundene Landfahrzeuge hatten ursprünglich eine Schwenkachsenlenkung (oder Drehschemellenkung). Dabei wird meist 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 mehrachsigen Anhänger-Fahrzeugen vor.

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

Bei den meisten Kraftfahrzeugen mit zwei Vorderrädern wurde fast von Anfang an - ebenfalls in der Regel an der vorderen Achse - die Achsschenkellenkung verwendet. Die beiden Achsschenkel oder Radträger, an denen die Räder gelagert sind, sind um je eine eigene, annähernd senkrecht stehende Achse unmittelbar am Rad schwenkbar gelagert. Zum koordinierten Schwenken sind die Achsschenkel gelenkig über Spurstangen miteinander verbunden.

Nach Erreichen der gewünschten neuen Fahrtrichtung wird das Schwenken (Lenkausschlag) aufgehoben. Lenkwinkel ist der Winkel zwischen Radebene und Geradeausfahrtstellung. Lenkausschläge sind gelegentlich auch als Lenkkorrekturen infolge von richtungsändernden Störungen wie Bodenunebenheiten, Beschleunigung bzw. Verzögerung, Bodenkontaktunterschiede rechts und links und Seitenwind erforderlich.

Der für die Lenkungstechnik einspuriger Fahrzeuge (Fahrräder und Motorräder) gebrauchte Begriff ist Steuerkopflenkung. Das Vorderrad wird mit der im Steuerkopf drehbaren Vorderradgabel zur Seite geschwenkt.

Bestandteile der Achsschenkellenkung beim Automobil

• Achsschenkel
• Achsschenkelbolzen oder zwei Kugelgelenke zum Anschluss über die Radaufhängung an den Achskörper
• Lenkhebel am Achsschenkel
• Spurstangen (teilweise Zwischenstange, Zwischenhebel und Lenkstockhebel)
• Lenkgetriebe,
• Lenksäule,
• Lenkrad

Bestandteile der Steuerkopflenkung bei einspurigen Fahrzeugen

• Radgabel,
• Lenkkopf (Motorrad) bzw. Steuersatz (Fahrrad)
• Motorradlenker bzw. Fahrradlenker

Schwenkachslenkung/Drehschemellenkung

Drehschemel eines Pferdewagens, Schemel aus Achskörper und dahinter befindlichem Stützbogen gebildet

Bei der Schwenkachslenkung wird der starre Achskörper mit seinen an beiden Enden gelagerten Rädern als Ganzes um einen zentralen Bolzen (Königsbolzen) geschwenkt. Zur Übertragung des Kippmoments zwischen Achse und Fahrzeug beim Ausschwenken ist die Achse zu einem schemelartigen Gebilde erweitert. Die Reibung zwischen Achse/Schemel und Fahrzeugunterseite erschwert das Lenken, ein Nachteil, der weniger ins Gewicht fällt, wenn die Lenkkraft mittels einer relativ langen Deichsel übertragen wird. Beim Schwenken der Achse verringert sich die Aufstandsfläche des Fahrzeugs von einem Viereck bis zu einem Dreieck (90°-Schwenkung), was ein prinzipieller Nachteil dieser alten Bauform ist.

Klassische Vertreter der Schwenkachslenkung sind Pferdewagen und mehrachsige Anhänger, aber auch die Seifenkiste. An kurzgekuppelten Hängerzügen werden mehrere Drehschemel (auch Drehkranz) verwendet. Dabei wird die Achse um verschiedene vertikale Drehpunkte bewegt, um dadurch ein Anschlagen der Fahrzeugecken an die Zugmaschine zu verhindern.

Einzelradlenkung

Hat jedes gelenkte Rad seine eigene Drehachse, liegt Einzelradlenkung vor. Bei zweispurigen Fahrzeugen kommt die Achsschenkellenkung mit außerhalb der Radebene liegendem Achsschenkel, bei einspurigen Fahrzeugen die Steuerkopflenkung mit Drehachse in der Radmittenebene zur Anwendung.

Achsschenkellenkung

Achsschenkellenkung (M=Mittelpunkt bzw. Momentanpol)

lenkbarer linker Achsschenkel: gabelförmiges Anschlussstück des von der Radnabe umgebenen Achsschenkels drehbar mittels senkrechtem „Achsschenkelbolzen“ an die Starrachse („Faustachse“) angeschlossen

Die Achsschenkel-Lenkung, bei der jedes Vorderrad eine eigene Schwenkachse hat, wurde im Jahr 1761 von Dr. Erasmus Darwin erfunden. Patentiert wurde sie erstmals 1816 dem Hofwagner Georg Lankensperger aus München. 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 gleichbedeutende Bezeichnung des Lenkwinkels als Ackermann-Winkel. Nochmalige Patente erhielten Amédée Bollée 1876 in Frankreich. und Carl Benz 1891. Diese Bauart wird in heutigen mehrspurigen Kraftfahrzeugen beinahe ausschließlich verwendet, ebenfalls bei hinterachsgelenkten Fahrzeugen wie Gabelstapler oder Erntemaschinen. Auch beim Motorrad Yamaha GTS 1000 kam diese Lenkung Anfang der neunziger Jahre zum Einsatz. Auch die Radnabenlenkung einiger Motorräder kann dazu gerechnet werden.

Lenktrapez

Beide Räder sollen bei Kurvenfahrt auf einer Kreisbahn mit gleichem Mittelpunkt rollen, dem Momentanpol der Bewegung. Dafür muss das innere Rad, das näher am Mittelpunkt liegt, stärker einlenken als das äußere. Bei der Drehschemellenkung ist dies automatisch der Fall. Bei der Achsschenkellenkung müssen die Räder unterschiedlich geschwenkt werden, das außen liegende weniger stark als das innen liegende. Dies erreicht man mit der Bildung des sogenannten Lenktrapez aus dem Achskörper, den beiden leicht nach innen weisenden Lenkhebeln 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 (siehe oben in obiger Abbildung).

Vorderradstellung

Vorspur und Sturz beschreiben die Lage der Radachse (eigentlich Achsstummel) die sich beim Fahren dreht, Spreizung und Nachlauf beschreiben die Lage der Lenkachse die sich beim Lenken dreht.

Vorspur

Durch eine leichte Vorspur, d.h. dass die Räder bei Geradeausfahrt nicht parallel stehen, sondern einen Pfeil in Fahrtrichtung bilden, verbessert man den Geradeauslauf.Sie gleicht das Spiel in mechanischen Bauteilen der Lenkung aus und dadurch stehen die Räder bei normaler Fahrt wieder parallel.

Sturz

Die Räder rotieren nicht genau auf horizontalen Achsstummeln, sondern auf außen leicht nach unten oder oben zeigenden. Im ersten Fall, also bei positivem fahrzeugbezogenem Sturz, werden die Räder so nach innen gedrückt und z.B. Spiel in den Lagern ausgeschaltet. Negativer Sturz gleicht z.B. die Wankneigung in Kurven aus und verbessert die Reibung der Reifen in der Kurve.

Spreizung

Die Schwenkachsen der Räder sind in Querrichtung leicht nach innen geneigt, so dass sich ihre Verlängerungen den Mittelpunkten der Aufstandsflächen der Räder nähern. Der Lenkrollradius wird kleiner. Die Lenkkraft und die Rückwirkung der Räder (z. B. durch Bremsen auf rechts und links nicht gleich griffigem Boden) auf die Lenkung verringern sich. 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). Spreizung erleichtert auch die Bauweise.

Nachlauf

Das für die selbsttätige Rückstellung in den Geradeauslauf bei Fahrt wesentliche Rückstellmoment entsteht durch den Nachlauf der Räder. Dieser entsteht durch leichte Neigung der Schwenkachsen der Räder nach hinten. Es ist der Abstand in Fahrtrichtung zwischen verlängerter Schwenkachse und Mittelpunkt der Radaufstandsfläche. Die Räder werden wie eine Lenkrolle gezogen.

Steuerkopflenkung bei einspurigen Fahrzeugen

Ein anderer Begriff ist Gabellenkung. Eines ihrer Merkmale ist die Rechts-Links-Symmetrie, das Lenkverhalten ist in beide Richtungen gleich.

Außer bei einspurigen (Fahrrädern, Motorrollern) wird sie auch bei dreispurigen Fahrzeugen angewendet. Das einzelne Vorder- oder auch Hinterrad wird geschwenkt, so bei klassischen Dreirädern und auch bei Rollstühlen und hinten gelenkten Gabelstaplern.

Beim Leichtmotorrad Riedel Imme ist keine Rechts-Links-Symmetrie gegeben; sein Konstrukteur Norbert Riedel gibt in einer Patentschrift zwei Möglichkeiten an, die die Nachteile der Unsymmetrie verringern sollen.

Andere Bauarten bei zweispurigen Fahrzeugen

Knicklenkung

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.

Sie ist aber nur für Fahrzeugtypen geeignet, die funktionell in zwei separate Elemente aufgeteilt werden können, wie Bau- und Arbeitsmaschinen.

Kompaktlader mit Panzerlenkung

Panzerlenkung

Die Richtungsänderung resultiert aus unterschiedlichen Drehzahlen der beiden angetriebenen Seiten, wie die der Ketten von Panzern und anderen Kettenfahrzeugen (wie Raupenfahrzeuge) und wird auch bei Rad-Fahrzeugen (z.B. Kompakt- und Hoflader) verwendet.

In der einfachsten Form geschieht dies durch eine Lenkbremse mit Bremsbändern, die jedoch schnell verschleißen. Daher wird meist ein Überlagerungslenkgetriebe verwendet, das auch die Antriebsverluste minimiert.

Lenkbremse, zusätzlich zu Achsschenkellenkung

Die Achsschenkellenkung lässt sich bei Heckantrieb durch zeitweises Bremsen eines der Antriebsräder unterstützen. Wegen des in der Regel an der Hinterachse vorhandenen Differentialgetriebes entsteht kein Verlust an Antriebsleistung. Bei Fahrzeugen mit geringer Vorderachslast (Rollstühle und manche Zugmaschinen) kann die Lenkbremse die Richtungsänderung allein bewirken.

Unterscheidungen bezogen auf die Fahrzeug-Achszahl

In Bezug auf das ganze Fahrzeug gibt es verschiedene Lenkarten:

• Die Zweiradlenkung ist die gängigste Form der Lenkung bei den meisten Straßenfahrzeugen, bei der die beiden Räder derselben Achse gelenkt werden.
  • Vorderachslenkung ist die übliche Lenkung bei den meisten Kraftfahrzeugen.
• Hinterradlenkung wird oft an Spezialfahrzeugen wie Gabelstaplern oder Mähdreschern verwendet, weil andere Bauteile den Einbau vorne unmöglich machen.
• Doppelvorderradlenkung wird die Lenkung auf zwei kurz hintereinander liegende Vorderachsen genannt. Diese Lenkung wird verwendet, um bei losem oder rutschigem Untergrund ein Untersteuern zu vermeiden und wird bei Spezialfahrzeugen verwendet. Ein weiterer Einbaugrund ist das Vermeiden von starkem Reifenverschleiß durch das typische "Radieren" von Doppelachsen während der Kurvenfahrt (Ackermann-Gesetz). Oft wird diese Lenkungsart mit Allradantrieb verbunden. Man findet sie zum Beispiel bei 3-achsigen Sattelzugschleppern, 4-achsigen Baustellen-Lkw und Schwerlast-Lkw
• Vorderradlenkung bei 3-achsigen Fahrzeugen besteht aus der lenkbaren Vorderachse und zwei eng stehenden Hinterachsen (Doppelachse). Unter Kurvenfahrt können die Hinterachsen nicht mit der Vorderachse auf einer Kreisbahn rollen, sondern bewegen sich schräg zu ihrer eigenen Rollrichtung. Sie radieren auf der Straße und zwingen dem Fahrzeug ein untersteuerndes Verhalten auf. Diese Lenkungsart wird üblicherweise bei Fahrzeugen mit großen Nutzlasten, Lkw und ihre Anhänger, verwendet.
• Allradlenkung Alle Räder eines Fahrzeugs können gelenkt werden. Das ergibt einen kleinen Wenderadius und hat bei Allradantrieb einen weiteren Vorteil: Der Antrieb kann in die gelenkte Richtung erfolgen. Eine Allradlenkung wird unter anderem in landwirtschaftlichen Fahrzeugen oder bei Schwerlasttransportern verwendet. Man unterscheidet folgende Arten der Allradlenkung:
  • 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°.
  • Gleichlauflenkung, bei der die Vorder- und Hinterräder gleichmäßig verdreht werden, was zur Folge hat, dass die Hinterräder genau in der Spur der Vorderräder nachlaufen.
  • Verzögerungslenkung, bei der die Hinterräder erst bei einem bestimmten Winkel der Vorderräder verdreht werden.
  • Hundeganglenkung ist eine vor allem in der Landwirtschaft eingesetzte Lenkung. Dabei werden die Vorderräder und die Hinterräder in die gleiche Richtung verdreht. Das ergibt bei einer Geradeausfahrt eine zur Vorderachse versetzte Hinterachse. Dadurch wird der Boden geschont.
  • Vorderrad-Hinterradlenkung wird bei 3-achsigen Nutzfahrzeugen mit einer doppelten Hinterachse verbaut. Bei ihr lenkt zusätzlich zur Vorderachse eine der beiden Hinterachsen mit. Ist die erste Hinterachse die Lenkachse so lenkt diese gleichsinnig zur Vorderachse. Die zweite Hinterachse würde dagegen gegensinnig zur Vorderachse einlenken. Da ein Radieren der Hinterachsen vermieden wird, ist das Fahrzeug damit wendiger und leichter zu handhaben. Anwendung vor allem bei schweren Lkw, die oft auf engem Terrain bewegt werden müssen (z. B. Müllwagen).

Lenkung von Wasserfahrzeugen und Flugkörpern

Querruder eines Flugzeugs in einer Kurve

Die Lenkung von Wasserfahrzeugen und Flugkörpern wird meist Steuerung genannt. Sie wirkt auf den Antrieb (zum Beispiel bei Hubschraubern oder Ruderbooten), über bewegliche Steuerflächen auf das umströmende Medium (Wasser oder Luft − über Höhen-, Seiten-, Querrudern bei Flugzeugen und Steuerrudern bei Schiffen) oder die Lenkung hat eine eigene Energiequelle (zum Beispiel als Steuertriebwerke bei Raketen und Bugstrahlruder bei Schiffen).

Eigenlenkung und Fernlenkung

Bodenfahrzeuge haben normalerweise eine Eigenlenkung, sie sind selbstgesteuert. Das Gegenteil, die Fernlenkung oder Fernsteuerung, überträgt die Lenkbefehle von außen auf das Fahrzeug, wie bei einem ferngesteuerten Modellauto oder einem Satelliten.

Literatur

• Erik Eckermann: Die Achsschenkellenkung und andere Fahrzeug-Lenksysteme. Deutsches Museum, München 1998, ISBN 3-924183-51-1. [online http://www.be-tech.bplaced.net/inhalt/02tew/techwerk/lenkung/sachinformation/lenkungssysteme.pdf, abgerufen 2016-09-13]
• Anthony Bird, Edward Douglas-Scott Montagu of Beaulieu: Steam Cars, 1770–1970. Littlehampton Book Services, 1971, ISBN 0-304-93707-X. (englisch)

Siehe auch

• Umlenkung

Weblinks

 Commons: Hundegang – Album mit Bildern und/oder Videos und Audiodateien

• Steering Equipment, Regelung TRANS/WP.29/GRRF/2002/5 (PDF; 110 kB) der Economic Commission for Europe
• Berechnung einer Lenkung mit Lenktrapez und einteiliger Spurstange