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Einzelradaufhängungen am Auto - "Mehrlenkerachsen"

Inhalt

1. Einleitung  ↑ Anfang

Mehrlenkerachse oder Multilink-Achse ist ein Sammelbegriff für die seit Anfang der 1980er Jahre entwickelten Einzelradaufhängungen an PKWs [1, S.412], [2, S.456].
In ihnen sind die bisher vorwiegend angewendeten Verbindungselemente (Lenker) mit mehreren gelenkigen Anschlusspunkten - die Trapezlenker und Dreiecklenker - mehr und mehr durch Stablenker, die nur zwei Anschlusspunkte mit Kugelgelenken besitzen, ersetzt worden. Über Zwischenstufen sind Vier- und Fünflenkerachsen entstanden, die nur noch Stablenker enthalten, und die alle eine direkte Verbindung zwischen dem Fahrzeugkörper und dem jeweiligen Radträger herstellen. Die Fünflenkerachse enthält die kinematisch mögliche Größtzahl von Stablenkern, die den Radträger mit dem Fahrzeugkörper direkt verbinden.

Der Übergang auf Mehrlenkerachsen wurde begleitet von einem Paradigmenwechsel in ihrer theoretischen und praktischen Behandlung. Wurden sie bisher vorwiegend als kinematische Objekte, so werden sie neu als „elasto-kinematische“[1, S. 287 ff] Objekte betrachtet (Anmerkung 1). Eine praktische Folge dieses Wechsels ist, dass vermehrt elastisch nachgebende Gelenke zugunsten besereren Komforts und besserer Fahreigenschaften angewendet werden. An der Raumlenker-Hinterachse (Mercedes-Benz) sind alle fünf Stablenker an beiden Enden mit Gummilagern versehen.

Hinter dem Begriff Mehrlenkerachse verbirgt sich eine Fülle von möglichen oder tatsächlich ausgeführten Konstruktionen, wodurch eine Gliederung, die über die Unterteilung in Vier- und Fünflenkerachsen hinausgeht, erschwert ist. Für die meisten ausgeführten Lösungen dominiert die jeweilige vom Hersteller geprägte Bezeichnung. In der vorliegenden Arbeit werden einige bekannte Mehrlenkerachs-Konstruktionen nach der Art der in ihnen enthaltenen Lenker, die keine Stablenker sind, unterschieden.

2. Warum Mehrlenker- bzw. Multilink-Achsen?  ↑ Anfang

Die Grundeigenschaften einer Radaufhängung können durch die Angabe ihrer wichtigsten fahrzeugtechnischen "Grundgrößen" (Lage des Rollzentrums, Stützwinkel, Schrägfederungswinkel, Eigenlenkverhalten und Sturzänderung) beschieben werden [1, S. 37/38]. Damit alle diese fünf Kenngrößen ... unabhängig voneinander frei wählbar sind, muss ... ein Mechanismus zugrunde gelegt werden, der durch fünf unabhängige Parameter beschrieben ist, und dies ist der "räumliche" Mechanismus mit fünf Stblenkern (Anmerkung 2).

Mit fünf Stablenkern ist die aufwendigste Form einer Einzelradaufhängung erreicht, ... [1, S.17]. Bei "Laufrädern", d.h. nicht angetriebenen Rädern entfällt der Antriebs-Stützwinkel (der Schrägfederungswinkel hat heute keine größere Bedeutung mehr), weshalb vier Stablenker, oder "ebene" oder "sphärische" Radaufhängungen genügen, es sei denn, elastokinematische Überlegungen rechtfertigen auwendigere Systeme. [1, S.38].

Hinter dem Begriff Elastokinematik verbirgt sich das Bemühen, die Radaufhängungen dort gezielt elastisch nachgebend zu machen, wo es nicht nur unschädlich ist, sondern dem Konfort dient. Das ist umso besser möglich, je mehr Stablenker verwendet werden. Die entsprechend ausgewählten Stäbe werden mit Gummigelenken ausgerüstet.

3. Einzelradaufhängungen mit zwei und drei Lenkern  ↑ Anfang

Abb.1 Einzelradaufhängungen mir weniger als vier Lenkern; [3, S.23, Auswahl]
          links: zwei Lenker (Trapezlenker unten, Stablenker oben) → Trapezlenkerachse
          mittig: drei Lenker (zwei Dreieckslenker vorn, Stablenker hinten) → Doppelquerlenkerachse
          rechts: drei Lenker (Dreieckslenker unten, Schublenker oben, Stablenker hinten) → Dämpferbeinachse

Die in Abb.1 gezeigten Einzelradaufhängungen sind einige der traditionellen Querlenker- Konstruktionen mit nicht mehr als drei Lenkern, von denen lediglich einer ein Stablenker mit nur zwei Gelenken ist. Der Schublenker (Dämpferbein in Abb.1, rechts, oben) hat auch nur zwei Gelenke. Es handelt sich um jene Einzelradaufhängungen, aus denen die Mehrlenkerachsen hervorgegangen denkbar sind.

4. Bekannte Ausführungen von Mehrlenkerachsen  ↑ Anfang

Die folgende Untergliederung bekannt gewordener Mehrlenkerachsen erfolgt mit dem Grad ihrer Abwandlung aus der Doppelquerlenkerachse (zwei Dreieckslenker und ein Stablenker). Die Beispiele sind aus diesem Artikel übernommen.
Durch Auflösen eines Dreiecklenkers in zwei Stablenker entstehen Vierlenkerachsen (davon drei Stablenker). Wenn auch der zweite Dreieckslenker aufgelöst worden ist, handelt es sich um FünflenkerAchsen (mit ausschließlich, also fünf Stablenkern).

4.1 Einzelradaufhängung mit drei Stablenkern und einem Dreieckslenker  ↑ Anfang

Ein Dreieckslenker in zwei Stablenker aufgelöst:

Von der Doppelquerlenkerachse (Abb.1, mittig) wird der untere Dreieckslenker in zwei Stablenker aufgelöst (Abb.2), der obere Dreieckslenker bleibt erhalten.
Diese Bauart kann als Hinterrad- und als Vorderradaufhängung verwendet werden. In einem ausgeführtem Beispiel (Abb.3, eine Hinterachse) wird durch den weit oben liegenden Dreieckslenker (die Dreieckspitze ist hier als Halbbogen um die Schrauben-Feder und den Stoßdämpfer herum geführt) eine sehr exakte Führung des Sturzes gewährleistet.
Betreff: fahrzeugtechnische Grundgröße Sturzänderung.

Abb.4 Vierlenkerachse mit 3 Stab-Lenkern und
          1 Dreiecks-Lenker, Ford-Focus
          [1, S.416, Bild 13.35.]

Die im Ford Focus verwendete, als Schwertlenkerachse bezeichnete hintere Radaufhängung hat ebenfalls drei Stablenker und ein als Längs-Dreieckslenker wirkendes "Schwert". Der untere Quer-Dreieckslenker ist in zwei Stablenker aufgelöst, während der obere Quer-Dreieckslenker durch das "Schwert" ersetzt ist (der in mittlerer Höhe liegende Spur-Stablenker ist nach oben verschoben). Das breite Ende des "Schwerts" ist hochkant am Radträger befestigt, an dem es infolge seiner Biegeelastizität um die Hochache mit einem vertikalen Drehgelenk verbunden aufgefasst werden kann. Mit Hilfe dieses um die Querachse starren Längslenkers ist der Radträger "gegen elastisches Aufziehen unter Bremskraft gefeit" [1, S.416]. Betreff: fahrzeugtechnische Grundgröße Stützwinkel.

4.2 Einzelradaufhängung mit drei Stablenkern und einem Schublenker   ↑ Anfang

Abb.5 Vierlenkerachse mit 3 Stab-und 1 Schub-Lenker,
          Dämpferbeinachse, schematisch
          [1, S.17, Bild 2.12.b]

Eine Achse mit Dämpferbein-Radaufhängungen (z.B. mit MacPherson-Federbein, Abb.1, rechts) kann als Doppelquerlenkerachse verstanden werden, bei der der obere Dreieckslenker durch einen Schublenker ersetzt ist. Von BMW und Mercedes-Benz wird eine solche als Vorderachse mit dem in zwei Stablenker aufgelösten unteren Dreieckslenker verwendet.
Die Spurstange ist der dritte Stablenker. Die Kolbenstange des Dämpfers ist ein Drehschublenker. Mit den zwei unteren, durch Auflösen des Dreieckslenkers entstandenen Stablenkern wird eine größere Spreizung und ein kleinerer Lenkrollradius erzielt als mit einem Dreiecklenker. Betreff: ideelle Spreiz- bzw. Lenkachse; durch den Übergang von einem zu zwei unteren Anlenkpunkten verläuft die Spreizachse durch einen weiter außen liegenden fiktiven momentananen unteren Punkt, dem real die Bremsscheibe einnehmen kann [1, S. 240].

Das gleiche Prinzip gibt es mit anderer Lenkeranordnung auch als Hinterachse, zum Beispiel als Camuffo-Hinterachse.

4.3 Einzelradaufhängung mit drei Stablenkern, von denen einer ein "Koppellenker" ist, und einem Dreieckslenker  ↑ Anfang

Abb.6 Vierlenkerachse mit 3 Stab-Lenkern (einer davon
          als "Koppellenker" K) und 1 Dreiecks-Lenker T,
          schematisch; [4].

Eine hintere Einzelradaufhängung mit "Koppellenker" (oder Integrallenker) wurde 1989 (siehe unten) von BMW unter dem Namen Integral-Hinterachse auf den Markt gebracht. Die Version mit nicht aufgelöstem unteren Dreieckslenker ist in der 7er-Baureihe von BMW seit 1994 und im Audi Q5 eingebaut. Einer der drei Stablenker ist der "Koppellenker", der den Dreieckslenker mit dem Radträger verbindet.
Wegen des hinzugekommenen vierten Anlenkpunktes wird der Dreieckslenker in dieser Anwendung auch als Trapezlenker (siehe auch Abb.1, links und die Konstruktion als Trapezlenkerachse bezeichnet
[1, S. 305, Bild 9.11.]. Der Trapezlenker nimmt über den "Koppellenker" u. a. Momente um die Radachse auf und verringert die Verdrehung des Radträgers beim Bremsen [1, S. 414/15]. Betreff: fahrzeugtechnische Grundgröße Stützwinkel.

4.4 Einzelradaufhängung mit fünf Stablenkern, von denen einer ein "Koppellenker" ist   ↑A

Abb.7 Fünflenkerachse mit 5 Stab-Lenkern (einer davon
          als "Koppellenker" K), schematisch; [5].

BMW prägte den Namen Integral-Hinterachse bereits 1989 (siehe oben) für eine Radaufhängung ohne Dreieckslenker, d.h. für eine mit fünf Stablenkern. Das erste Auto mit Integral-Hinterachse war das Coupé BMW 850i aus der 8er-Reihe von BMW. Der fünfte Stablenker verbindet als "Koppellenker" bzw. Integrallenker zwei der vier zwischen Fahrzeugaufbau und Radträger angebrachten Stablenker. Die beiden betroffenen Stablenker haben je einen dritten Anlenkpunkt [1, S. 417/18, Bild 2.13.b]. Der Längs-Stablenker nimmt über den "Koppellenker" u. a. Momente um die Radachse auf und verringert die Verdrehung des Radträgers beim Bremsen [1, S. 414/15]. Betreff: fahrzeugtechnische Grundgröße Stützwinkel.
In der schematischen Abb.7 ist auch gezeigt, dass bei einer Konstruktion mit vielen Stablenkern fast alle deutlich elastisch am Fahrzeugkörper anlenkbar sind. Betreff: Elastokinematik.
In der oben beschriebenen Konstruktion wurden die beiden unteren Stablenker quasi wieder zu einen Dreiecklenker zusammengefasst.

4.5 Einzelradaufhängung mit fünf Stablenkern  ↑Anfang

Abb.8 Fünflenkerachse mit 5 Stab-Lenkern
          Mercedes Benz 500 SEL, 1991
          [1, S.302, Bild 9.9].

Die Einzelradaufhängung mit fünf Stablenkern, die alle direkt vom Fahrzeugkörper (meistens von einem gesonderten Hilfsrahmen aus) zum Radträger führen, ist historisch die erste Mehrlenkerachse. Sie wurde 1982 von Mercedes-Benz mit dem Namen ''Raumlenker-Hinterachse serienmäßig an den Hinterrädern des W 201 auf den Markt gebracht [1, S. 412].
Alle fünf Lenker sind mit je zwei als Kugelgelenken wirkenden Gummilagern angeschlossen. Jeder dieser fünf Lenker nimmt dem Radträger eine der sechs Bewegungsfreiheiten, sodass nur das Ein- und Ausfedern möglich bleibt (Freiheitsgrad f=1).

Die sich in der Draufsicht kreuzenden oberen Lenker optimieren in Verbindung mit den "gepfeilten" unteren Lenkern die von den Brems- und Antriebskräften ausgelösten elastischen Lenkeffekte, besonders bei Lastwechsel in Kurven [1, S.418]. Diese gefundene Einzelradaufhängung machte die Anwendung elastischer Anlenkungen gegen die meisten der den Komfort störenden Kraft-Überlagerungen (Antriebs-, Brems-, Seiten und Radaufstandskräfte) möglich [1, S. 295 - 302]. Betreff: Elastokinematik.

Bei gelenkten Rädern ist der Radträger über Kugelgelenke angeschlossen, die eine höhere Winkelbeweglichkeit haben als Gummibuchsen. Die Fünflenker-Achse als Vorderachse ist wegen des Radeinschlags in der Auslegung eingeschränkt. Bei Audi-Modellen und im VW Passat wurde sie dennoch realisiert.

5. Anmerkungen  ↑ Anfang

Anmerkung 1:
Elasto-Kinematik ist ein in sich widersprüchlicher Begriff. Elastische Verformungen entstehen durch Krafteinwirkung. Werden Kräfte bei Untersuchungen von Bewegungen mitbehandelt, wechselt man von der Kinematik ins physikalische Gebiet der Kinetik.

Anmerkung 2:
Der beschriebene Zusammenhang zwischen den fünf genannten fahrzeugtechnischen "Grundgrößen" und fünf Stablenkern ist nicht ein eng fassbarer naturgesetzlicher Zusammenhang. Er ist als Inhalt eines Arbeits-Konzeptes zu verstehen. In der Literatur sind diese fünf "Grundgrößen" auch nicht einheitlich formuliert (anders z.B. in [2, S.24]).

6. Literatur  ↑ Anfang

[1] Wolfgang Matschinsky: Radführungen der Straßenfahrzeuge, Springer, 2007
[2] Bernd Heißing und Andere: Fahrwerkhandbuch, Springer, 2013
[3] Wolfgang Matschinsky: Radführungen der Straßenfahrzeuge, TÜV Rheinland, 1987
[4] Matschinski u.A.: Komfortable Sicherheit - Das Fahrwerk der neuen 7er -Baureihe von BMW, ATZ 92 (1990)
[5] Matschinski und Andere: Die Integral-Hinterachse für das Coupé BMW 850, ATZ 96 (1994)

Siegfried Wetzel, CH 3400 Burgdorf, Januar 2019

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