Neben dem Antriebsstrang sind die Achskonstruktion und ihre Aufhängung mit die wichtigsten Merkmale eines Geländewagens. Angelehnt an die 4x4Passion-Reihe über die Achskonzepte verschiedener Geländewagen, folgt hier die Artikelreihe dazu.
Wir haben zusammen mit dem Offroad-YouTube-Kanal 4x4Passion und dem Fahrwerksspezialisten Ralf Ehlermann von re-Suspension eine Serie über Geländewagenachsen gedreht. In dieser Reihe greifen wir diese Folgen noch einmal auf und bringen sie euch als Artikel zum Nachlesen.
Die anderen Teile
- Teil 1: Starrachse und Blattfedern
- Teil 3 – Four-Link-Gestänge
- Teil 4 – Watt-Gestänge
- Teil 5 – Der A-Lenker
- Teil 6 – Vorderachsführung
Starrachse mit Schraubenfedern, Längslenker und Panhardstab
1970 kam der erste Geländewagen auf den Markt, der Schraubenfedern anstatt Blattfedern hatte, der Range Rover. Jetzt waren andere Konstruktionen zur Achsführung notwendig, die sich sowohl auf der Straße als auch im Gelände gut machen. Die Aufgaben der Blattfeder übernahmen nun die Längs- und Querlenker.
In diesem Teil gehen wir näher auf Fahrzeuge mit zwei Längslenkern mit drei Befestigungspunkten und den Panhardstab zur Führung der Hinterachse ein.
Längslenker mit drei Befestigungspunkten
Die Längslenker halten die Achse in Längsrichtung, also der Fahrtrichtung, fest. Über sie werden größtenteils die Vortriebs- und Bremskräfte zwischen dem Rahmen mit Motor und Getriebe und den Achsen übertragen. Sie müssen das Ein- und Ausfedern der Räder unterstützen, d.h. eine senkrechte Bewegung der ganzen Achse oder eines einzelnen Rades erlauben. Dazu können die Längslenker mit der Starrachse hoch und runter schwenken. Diese Bewegungsfreiheit bekommen sie über Gelenke mit Gummibuchsen oder nur über Gummibuchsen mit denen sie am Rahmen befestigt sind.
Das andere Ende der Lenker ist mit der Starrachse verbunden, ebenfalls in Gummibuchsen gelagert. Allerdings können die Lenker an der Achse mit einem oder mit zwei Punkten befestigt sein. Das macht einen Unterschied. Sind die Längslenker an zwei Punkten an der Starrachse befestigt, verhindern diese gleichzeitig das Verdrehen der Achse um sich selbst, das sogenannte Nicken. Ein leichtes Nicken wird jedoch immer erlaubt, um ein Trampeln der Achse zu verhindern (siehe Teil 1). Ist der Längslenker mit nur einem Punkt an der Starrachse befestigt, brauchen wir noch ein weitere Führung, um das Nicken zu verhindern. Dann kommen der A-Lenker oder weitere Längslenker zum Einsatz. Dazu mehr in den nächsten Teilen dieser Artikelserie.
Die Buchsen – wichtig und hochbeansprucht
Damit die Längslenker den notwendigen Bewegungsspielraum zum Hoch- und Runterschwenken haben, um das leichte Nicken zu erlauben und um die Lastwechsel des Fahrzeugs abzudämpfen, sind alle Verbindungen der Lenker, wie erwähnt, in Gummibuchsen gelagert. Diese Buchsen können auch aus Polymerkunststoff sein. Sie sind hoch belastet und sehr wichtig für den Komfort und den Bewegungsspielraum der Konstruktion.
Ausgeleierte, alte und spröde Buchsen machen sich durch ein verstärktes Rucken und durch ein schlagendes Geräusch bei Lastwechseln bemerkbar. Gummibuchsen lassen sich auch dann meistens noch eine Weile recht verträglich weiterfahren, bis sie getauscht werden. Polymerbuchsen schlechter Qualität können platzen, was in den meisten Fällen das Fahrtende bedeutet.
Eigenstabilisierung und Verschränkung
Die Konstruktion mit zwei Befestigungspunkten an der Starrachse widersetzt sich stärker der Verschränkung, als es Konstruktionen mit nur einem Verbindungspunkt oder vier Längslenkern per Achse tun.
Bei der Verschränkung will ein Längslenker der Achse nach oben, der andere nach unten. Dabei müssten sie sich um sich selbst verdrehen. Die Gummibuchsen an der Achse lassen das aber nur gegen einen hohen Widerstand zu. Es muss genügend Kraft aufgewendet werden, um gegen diesen Widerstand, resultierend aus der Festigkeit aller vier Buchsen, anzukommen. Diese Kraft entsteht aus dem Gewicht des Aufbaus, der auf den Schraubenfedern lastet.
Die Längslenker wirken auf diese Art wie ein Stabilisator. Das ist ein Vorteil bei Straßenfahrten. Im Gelände wirkt sich das nachteilig aus, da die Achse nur widerwillig verschränkt. Im 4×4 Passion-Video ist das sehr gut zu sehen, wenn Ralf Ehlermann die eine Seite der Achse mit dem Hydraulikstempel hochdrückt und die andere Seite sofort folgt.
Unerwünschter Effekt bei Längslenkern
Wenn wir die Befestigung der Längslenker am Rahmen als Fixpunkt sehen, bewegt sich die Achse beim Ein- und Ausfedern auf einem Kreisbogen um diesen Fixpunkt. Ungefähr so wie ein Pendel. Das Resultat ist, dass sich die Hinterachse beim Ausfedern nach vorne und beim Einfedern nach hinten bewegt.
Wenn in der Verschränkung ein Rad ein- und das andere ausfedert, stellt sich die Achse deshalb schräg zur Fahrtrichtung. Das führt an der Hinterachse zu unerwünschten Lenkeffekten.
Um diesen Effekt zu reduzieren, wird oft bei Wettbewerbsfahrzeugen der Radius dieses „Pendels“ erhöht, indem die Längslenker verlängert und anders positioniert werden. Dadurch minimiert sich das Schrägstellen. Wird beispielsweise die Länge der Lenker verdoppelt, bei gleichem vertikalem Weg der Achse, halbiert sich der Winkel, den die Achse sich schräg stellt.
Fahrzeuge, die diese Art Längslenker an der Hinterachse besitzen, sind der Land Rover Discovery 2, einige Mitshubishi Pajero und der Mercedes G bis 2018.
Querlenker als Panhardstab
Für die Seitenführung gibt es bei Starrachsen mit Schraubenfedern ebenfalls mehrere konstruktive Lösungen. Sehr häufig anzutreffen ist der Panhardstab, gerade bei Vorderachsen. Andere wären der A-Lenker und das Watt-Gestänge, die in späteren Folgen besprochen werden.
Der gleiche Effekt, nur seitwärts
Genau wie es bei den Längslenkern zu einem Versatz kommt, ist es auch beim Panhardstab, nur seitlich. Da der Panhardstab im Vergleich zum Längslenker viel kürzer ist, ist die Seitwärtsbewegung deutlich größer und beträgt zwischen eingefedertem und ausgefedertem Zustand mehrere Zentimeter.
Bei der Hinterachse ist die Seitwärtsbewegung ein unerwünschter Effekt, denn die Hinterachse spielt bei der Fahrstabilität des Fahrzeugs eine wichtige Rolle. Durch den Versatz, der beim Ein- und Ausfedern entsteht, drückt der Panhardstab das Heck über der Achse zur Seite. Passiert das mehr oder weniger ruckartig, wirken unerwünschte seitliche Kräfte auf das Fahrzeug.
Bei normaler Fahrt auf Asphalt spielt das keine große Rolle, da sich der Seitenversatz durch gemäßigtes Ein- und Ausfedern in Grenzen hält. Die Achse beschreibt nicht die ganze Zeit über den gesamten Federweg und schiebt dabei das Heck nicht ständig ruckartig hin- und her. Spürbarer wird der Effekt schon im Anhängerbetrieb. Das Karosserieheck dreht dann den Anhänger etwas seitlich, je länger der Überhang desto stärker.
Im Rallyesport ist der Effekt am deutlichsten zu spüren. Beispielsweise wenn ein Fahrzeug aus dem Sprung kommt und sofort eine saubere Längsführung braucht. Hierbei macht das Heck einen regelrechten Seitwärtsruck, wenn im Flug die komplett ausgefederte Achse zuerst vollständig auf die eine Seite wandert und dann beim wuchtigen Einfedern das Heck zur anderen Seite schlägt. Kommt das Fahrzeug wieder auf das normale Niveau, schwenkt das Heck wieder zurück. Federt das Fahrzeug nach, bleibt auch das Heck weiter in seitlicher Bewegung.
Was an der Hinterachse im Grunde unerwünscht ist, ist an der Vorderachse notwendig. Warum das so ist, erklären wir im sechsten und letzten dieser Serie.
Vertreter dieser Konstruktion mit Panhardstab an der Hinterachse sind beispielsweise einige Nissan Patrol und Mitsubishi Pajero, die Toyota Landcruiser J8, J9, J10, J12, die Jeep Wrangler YJ, TJ, JK, der Lada 4×4 und der Mercedes G bis 2018.
Das 4×4 Passion-Video zu diesem Teil
Offroad-Wissen mit Ralf Ehlermann: Achsen 2 – Schraubenfeder – 4×4 Passion #21