Positiver Sturz: Rad ist nach außen ggü. Senkrechter zur Fahrbahn geneigt

Fahrwerk: Geometrische Grundbegriffe

by Paul Balzer on 14. Juni 2016

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Ein Auto besteht nicht nur aus Motor und Lenkrad. Die Verbindung zwischen dem Fahrzeug und der Fahrbahn erfolgt über das Fahrwerk. Dazu gehören die Reifen, Felgen, Radaufhängung, Stoßdämpfer und Federung. All dies arbeitet gemeinsam für eine sichere und komfortable Art sich fortzubewegen.

Das Thema Fahrwerk ist so komplex, dass man es niemals komplett und allgemeingültig beschreiben kann. Man kann sich immer nur einzelne Details heraus greifen und isoliert darüber schreiben. Man darf nicht vergessen, dass das Fahrwerk eine geführte Bewegung des Rades in 3 Dimensionen erlauben muss, dazu noch Längs-, Quer- und Vertikalkräfte aufnehmen, Feder- und Dämpfungskräfte verarbeiten und einlenken soll das Rad auch noch. Das alles in einem sehr beschränkten Bauraum. Außerdem müssen Sollbruchstellen und Crash-Zwangsbewegungen eingehalten werden. Extrem komplexe Zusammenhänge!

Wer von sich behauptet alles über Fahrwerksdynamik und -setup zu wissen und deshalb selbst anfängt daran rum zu schrauben (Tieferlegungsfedern, Distanzscheiben, …), der sollte bitte ein Praktikum bei BMW, Porsche oder ZF machen und den Jungs mal über die Schulter schauen. Don’t touch this!

In diesem Beitrag werden wir uns den ganz einfachen Basics des Fahrwerk-Setups widmen und über Sturz, Spreizung und Nachlauf reden.

Einzelradaufhängung

Als Beispiel nutzen wir eine Doppelquerlenker Einzelradaufhängung, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass sowohl der obere als auch der untere Teil der Radnabe durch einen Querlenker mit der Karosserie verbunden ist. Dieser Querlenker erlaubt eine Federbewegung in vertikale Richtung. Je nachdem wo die Querlenker an der Karosserie angebracht sind (rot markiert), ergeben sich unterschiedliche Bewegungskurven des Rades im Raum. Dies sowohl beim Einfedern als auch beim Lenken und natürlich auch in Kombination beider Bewegungen.

Doppelquerlenker

Diese 3-Dimensionale Auslegung betrachten wir nicht mit! Als Beispiel kann man sich z.B. die Bump Steer-Problematik ansehen. Da gibt es noch einige Dinge mehr, die man beachten muss.

Fahrwerk: Sturz

Der Sturz des Rades ist der Winkel zwischen der Senkrechten auf der Fahrbahn (blau) und der Senkrechten durch das Rad (rot). Er ist positiv, wenn das Rad nach außen geneigt ist.

Positiver Sturz: Rad ist nach außen ggü. Senkrechter zur Fahrbahn geneigt

Positiver Sturz: Rad ist nach außen ggü. Senkrechter zur Fahrbahn geneigt

Der negative Sturz, wenn das Rad also nach innen geneigt ist, hat im Motorsport den Zweck, dass der kurvenäußere Reifen bei Kurvenfahrt vollständig aufsetzt. Das Fahrwerk ist immer etwas elastisch, sodass es sich bei hohen Querkräften verformt. Dabei biegt sich das Rad nach außen und gleicht im Idealfall exakt den in Ruhe eingestellten Sturz aus.

Fahrwerk: Spreizung

Die Spreizung ist etwas unbekannter, hat aber eine sehr wichtige Funktion. Verbindet man den oberen und unteren Punkt der Doppelquerlenker-Enden, welche zum Rad zeigen, so erhält man die Lenkachse (grün). Das ist die Achse, um die sich das Rad beim Lenken dreht. Der Winkel zwischen der Senkrechten und der Lenkachse ist die Spreizung.

Positive Spreizung: Lenkachse (grün) ist nach innen ggü. Senkrechter (blau) geneigt

Positive Spreizung: Lenkachse (grün) ist nach innen ggü. Senkrechter (blau) geneigt

Die Aufgabe der Spreizung erkennt man am besten, wenn man sich das Einlenken ansieht (extrem starke Spreizung dargestellt!):

Spreizung-Animation

Eine Spreizung sorgt dafür, dass beim Einlenken das Fahrzeug nach oben gehoben werden muss. Wer sich schon mal mit einem Wagenheber am Auto versucht hat, der weiß wie schwer es ist das Auto anzuheben! Das Gewicht des Fahrzeugs erzeugt ein Rückstellmoment, welches die Räder immer wieder in Geradeausstellung bringen möchte, denn da ist das Auto am tiefsten Punkt.

Spreizung_Anhebung

Ganz extrem merkt man dies beim GoKart.

Fahrwerk: Nachlauf

Der Nachlauf zeigt sich, wenn man von der Seite auf das Rad schaut. Dabei ist die Lenkachse (also die Achse um die sich das Rad dreht, wenn man einlenkt) so geneigt, dass sie vor dem eigentlichen Radaufstandspunkt die Straße durchstößt. Der Nachlauf ist die Strecke zwischen dem Punkt der Lenkachse auf Straßenhöhe und dem Radaufstandspunkt und rot in nachfolgender Abbildung dargestellt:

Strecke (rot) zwischen dem Durchstoßpunkt der Lenkachse (grün) zum Durchstoßpunkt der Senkrechten durch den Radmittelpunkt (blau) auf der Straße

Strecke (rot) zwischen dem Durchstoßpunkt der Lenkachse (grün) zum Durchstoßpunkt der Senkrechten durch den Radmittelpunkt (blau) auf der Straße. Bild mit Fahrtrichtung nach links.

Dies erreicht man beispielsweise dadurch, dass man die Querlenker entsprechend verdreht oder versetzt anordnet. Den oberen etwas weiter hinten im Auto (in Fahrtrichtung gesehen).

Nachlauf-Animation

Sinn und Zweck des Nachlaufs kann man am besten sehen, wenn man sich beim nächsten Einkauf mal das Rad des Einkaufswagens ansieht: Dort ist die Lenkachse und der Radaufstandspunkt ebenfalls im Nachlauf, sodass sich das Rad immer entgegen der Fahrtrichtung stellt.

CC-BY-SA3.0 Wikimedia von User „Gluon“

Den gleichen Effekt erreicht man mit dem Nachlauf am Auto: Die Räder wollen wieder in Geradeausstellung, sobald das Fahrzeug rollt. Lässt man nach einer Kurve das Lenkrad los, will das Lenkrad durch Spreizung und Nachlauf – wie von Zauberhand – zurück in die Mittelstellung.

Fahrwerk: Lenkrollhalbmesser

Eine weitere Sache die man bei der Auslegung des Fahrwerks beachten muss, ist der Lenkrollhalbmesser. Obwohl die Skizze fast gleich zur Spreizung aussieht, bezieht sich der Lenkrollhalbmesser darauf, wie weit die Durchstoßpunkte der Lenkachse und des Radaufstandspunktes voneinander entfernt sind.

Lenkrollhalbmesser: Strecke zwischen Punkt an dem die Lenkachse (grün) durch die Straße stößt und Radaufstandspunkt (blau). Im Bild ist ein positiver Lenkrollhalbmesser dargestellt.

Lenkrollhalbmesser: Strecke zwischen Punkt an dem die Lenkachse (grün) durch die Straße stößt und Radaufstandspunkt (blau). Im Bild ist ein positiver Lenkrollhalbmesser dargestellt.

Der Lenkrollhalbmesser ist dann zu spüren, wenn man z.B. mit nur einem Rad durch ein Schlagloch fährt. Bei einem positiven Lenkrollhalbmesser (wie im Bild dargestellt), würde der Hebelarm und die im Radaufstandspunkt angreifende Kraft dazu führen, dass es ein Drehmoment gibt, welches einlenken möchte. Fährt man mit dem rechten Rad in ein Schlagloch, würde das Lenkrad nach rechts drehen. Ein kleiner Lenkrollhalbmesser sorgt dafür, dass wenig ungewünschte Lenkkräfte in das Fahrwerk eingeleitet werden. Schönen Gruß an die Spurplatten-Tuner.

Lenkung: Spurdifferenzwinkel, Lenktrapez und Ackermann-Lenkung

Das Fahrwerk soll natürlich auch das Kurvenfahren ermöglichen. Dazu müssen die Räder eingeschlagen werden. Auch dies ist nicht so einfach, wie es sich zunächst anhört. Im einfachsten Fall werden die Vorderräder eingeschlagen. Dies muss so passieren, dass sich die Senkrechten zu allen 4 Reifen (grün in nachfolgender Abbildung) in einem Punkt schneiden. Diese Lenkbedingung ist die Ackermann-Lenkung.

Lenkung der Vorderräder nach Ackermann-Bedingung: Kurveninneres Rad wird stärker eingeschlagen als kurvenäußeres, damit sich alle Senkrechten (grün) in einem Punkt schneiden um möglichst reibungsfreies Abrollen zu ermöglichen. Realisiert wird dies durch das Lenktrapez, welches sich als geometrische Figur zwischen den Rädern, Lenkstockhebel und Spurstange ergibt.

Lenkung der Vorderräder nach Ackermann-Bedingung: Kurveninneres Rad wird stärker eingeschlagen als kurvenäußeres, damit sich alle Senkrechten (grün) in einem Punkt schneiden um möglichst reibungsfreies Abrollen zu ermöglichen. Realisiert wird dies durch das Lenktrapez, welches sich als geometrische Figur zwischen den Rädern, Lenkstockhebel und Spurstange ergibt.

Es ergibt sich ein Einschlagwinkel am linken und einer am rechten Vorderrad. Diese sind nicht gleich. Die Differenz der beiden Winkel ist der Spurdifferenzwinkel, welche umso größer wird, je stärker man einlenkt.

Fazit

Schon diese ganz einfachen Basics zeigen, dass beim Fahrwerk an einiges mehr gedacht werden muss als an Optik und Schleifen der Reifen am Radkasten. Dabei haben wir noch nicht mal die Dynamik mit betrachtet oder sind auf Einfederbewegungen bei gleichzeitigem Lenken und Bremsen eingegangen. Wie gesagt: Extrem komplexes Thema!


Fahrwerk „Rigged 4×4 Suspension“ unter CC-0 Lizenz von greyoxide von Blend Swap

2 Comments

  1. Sehr empfehlenswerter Artikel über die geometrischen Grundbegriffe des Fahrwerks. Denn meiner Ansicht nach wird hier interessantes Basiswissen präzise und verständlich erklärt, auch für diejenigen, die sich dieser Thematik nicht so sicher sind. Wie bei mir, natürlich habe ich davon schon mal gehört und konnte mir auch Einiges vorstellen, jedoch wurde mein Wissen hinsichtlich dieser Thematik erweitert und verbessert. Auch wenn das Thema sehr komplex ist, wie im Fazit erwähnt, kann man sich jetzt darunter schon was vorstellen. Großartiger Artikel!

    Ich bin auch der Meinung, dass ein gewisses Grundwissen über Autos und Fahrzeuge durchaus wichtig und notwendig ist. Immerhin benutzen es sehr viele Menschen tagtäglich, da könnte man die Grundprinzipien der Funktionsweise schon verstehen und schon mal davon gehört haben. Ich bin einer, der gerne mal selber am Auto bastelt (alles im Rahmen des Erlaubten natürlich). Zum Beispiel habe ich vor kurzem meine Endstufe erneuert, da sie auch schon in die Jahre gekommen ist und ich mehr Power wollte. Es gibt nichts Schöneres als auf der Autobahn mit lauter Musik zu fahren. Dazu habe ich mir eine neue Mono Endstufe gekauft. Einfach klasse das neue Teil, super viel Power. Macht echt Spaß!

    Übrigens fand ich das Video sehr spannend und hab es sehr gerne angeguckt. Einfach nur beeindruckend, mit dem Bildmaterial kann man sich das Prinzip besser vorstellen.

    Vielen Dank für den informativen Artikel!

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