Passiver Lenkservo

Dämpfer, Räder, Bereifung usw.

Passiver Lenkservo

Beitragvon Crazy Cow » 14. Oktober 2021 15:25

Moinsen,
ich wollte gern mal wieder was entwickeln, mit Zeichnung und so. Das heißt, im Grunde ist die Lösung schon fertig, es geht um eine beidseitige Lenkunterstützung. Sie ist aber so einfach, dass der ein oder andere darob wahrscheinlich gerne anfangen würde sich was zu basteln. Was er gerne tun kann, wenn er für Probefahrten über einen privaten Acker verfügt. Ich möchte nicht bezichtigt werden irgendjemanden zum Unglück verleitet zu haben. Fragen nach dem TÜV würde ich auch nicht beantworten, das muss geder selber wissen.

Also Frage an die die Moderaten, ob sie damit einverstanden sind, sonst brauch ich ja gar nicht anzufangen.
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Re: Passiver Lenkservo

Beitragvon Peter Pan CR » 14. Oktober 2021 18:32

Mir fällt da sofort meine hydraulische Kopiereinheit der Drehbank ein…Baujahr 1974, das wäre ein extrem feinfühliger Drehmoment/Positionsfolger. Der Kolben könnte an der Stelle des Lenkungsdämpfers Platz finden.

Nur Gleichgewichtssinn und Kraftaufwand in den Schultern koppeln sich im Gehirn beim Gespann fahren*. Da ist Nachlaufverkürzung viel billiger und angebrachter. Denn sollte eine komplete Kraft-Sensorikentkopplung durch eine Servosteuerung eintreten, dann wird die Geschichte wieder gefährlich.

* in Kanada bin ich deshalb mal gestolpert, weil ich den Oberkörper beim Absteigen vom Bock drehte. (Vielleicht sagt das etwas über die Qualität der Strasse von Destruction Bay(Lac Kluane) nach Beaver Creek im Yukon aus.
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Re: Passiver Lenkservo

Beitragvon Crazy Cow » 14. Oktober 2021 20:19

Peter Pan CR hat geschrieben:Mir fällt da sofort meine hydraulische Kopiereinheit der Drehbank ein…Baujahr 1974, das wäre ein extrem feinfühliger Drehmoment/Positionsfolger. Der Kolben könnte an der Stelle des Lenkungsdämpfers Platz finden.

Nur Gleichgewichtssinn und Kraftaufwand in den Schultern koppeln sich im Gehirn beim Gespann fahren*. Da ist Nachlaufverkürzung viel billiger und angebrachter. Denn sollte eine komplete Kraft-Sensorikentkopplung durch eine Servosteuerung eintreten, dann wird die Geschichte wieder gefährlich.

* in Kanada bin ich deshalb mal gestolpert, weil ich den Oberkörper beim Absteigen vom Bock drehte. (Vielleicht sagt das etwas über die Qualität der Strasse von Destruction Bay(Lac Kluane) nach Beaver Creek im Yukon aus.


Nein Sven, über so Zeug habe ich auch lange nachgedacht. Es gibt ja auch Regelsysteme für hydraulischen Niveaulift usw. Auch elektrische Linearmotoren gibt es, schleifende Endschalter, die sehr sensibel am Motor selbst befestigt werden können. Aber das scheitert wirklich alles am Tüv und damit auch an meiner Bastel- bzw. Denkfreude. Alle Hilfssysteme müssen funktionieren, wenn der Motor aus ist oder die Batterie leer. Was die Autoindustrie da anbietet mit Unterdruck-Bremsservo oder hydraulischer Lenkhilfe halte ich persönlich für sehr verwegen.
Ich kann mir nicht vorstellen, dass ein Fahranfänger nicht in Panik gerät, wenn bei 160 der Motor abstirbt und Lenkung und Bremsen vermeintlich nicht mehr (weil schwergängig) reagieren. Und Panik ist die Grundlage der Gefahrensituation.

Nein, das Leben ist einfacher, und wenn zu einfach, dann ist die Wirkung eben nicht so gewaltig, aber hilfreich.
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Passiver Lenkservo - 1. Teil

Beitragvon Crazy Cow » 14. Oktober 2021 21:29

Wir fangen mal ganz klein bei Adam und Eva an. Die Zeichnungen dienen der grafischen Erläuterung und der Begriffsbestimmung, wie ich sie hier verwende.
Es geht um die Wirkung des Rechtszuges (Querkraft) und seine Wirkung auf Vorderrad und Lenker.

lenkservo1.jpg

$matches[2]

$matches[2]

Beispiel: p 100N x l 100mm = 10Nm = p1 (?) x 333mm
Die Lenkkraft p1 beträgt 10Nm : 0,333m = 30N an einem Lenkerende, oder 15N an je einem Lenkerende.

Ohne Getriebeübersetzung (Lenkgetriebe) liegt also immer das gleiche Drehmoment am Drehpunkt an. Verändert man eine Variable, ändern sich Drehmoment oder Gegenkraft:

- wird die Kraft geringer, verringert sich auch die Gegenkraft
- wird der Nachlauf geringer, verringert sich ebenso die Gegenkraft
- wird der Lenker breiter, verringert sich ebenso die Gegenkraft
- wird die Gegenkraft geringer, dominiert die Querkraft
- wird der Nachlauf gleich Null, werden auch Drehmoment und Gegenkraft annulliert.

Was aber passiert, wenn der Nachlauf negativ wird?
Dann befindet sich die Kraft auf der gleichen Hebelseite wie die Gegenkraft. Beim Gespann löst eine nach rechts wirkende Kraft (Rechtszug des SW) einen Lenkeinschlag nach links aus. Tolle Sache, Problem gelöst, aber das Fahrzeug wird unbeherrschbar. Das wird es sogar schon, wenn beim Eintauchen der Vorderradfeder ein positiver Nachlauf in einen negativen umschlägt.

Wie äußert sich das?
Wie bei der Verfolgungsjagd in einem Krimi: Vollgas rückwärts, Lenker einschlagen und das Fahrzeug macht eine 180° Kehrtwende. Im Rückwärtsgang hat ein PKW einen negativen Nachlauf.

Wenn der Hebel für die Gegenkraft aber nun aber auf jeder Höhe der Lenkachse angebracht werden kann, ist es auch möglich, einen weiteren Hebelarm anzubringen. Wir kennen das vom Lenkungsdämpfer, der wirkungsvoll (Im-)Pulskräfte abfängt.

Wie bringen wir eine passive Kraft (z.B. Feder) dazu, an einem weiteren Hebel das zu tun, was wir von ihm erwarten?

to be continued
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Grundsätzliches - 2. Teil

Beitragvon Crazy Cow » 15. Oktober 2021 12:25

Zwischendrin etwas grundsätzliches, weil wir ja immer wieder neue Mitglieder haben, die nach einfachen Dingen fragen.

1. Das KBA fordert bei Fahrzeugen ein Rückstellmoment der gelenkten Räder ohne zus. Hilfsmittel. Vor etlicher Zeit habe ich gelesen, dass das auch für ein stehendes Fahrzeug gilt, ich weiß aber nicht, ob Zweiräder und Gespanne in diese Überlegung einbezogen werden.

- Das Rückstellmoment im Stand wird dadurch erreicht, dass die Lenkachse schräg steht. Das führt dazu, dass der gelenkte Fahrzeugteil beim Einlenken angehoben wird. Die Schwerkraft, das Gewicht über den gelenkten Rädern erzeugt dabei ein gewisses Rückstellmoment.

- Das Rückstellmoment während der Fahrt wird durch den Nachlauf erreicht. Sobald das gelenkte Rad sich dreht, richtet es sich geradlinig aus. Das Lenken erfordert dadurch einen gewissen Kraftaufwand, der theoretisch mit der Geschwindigkeit steigt, was wir aber nicht wahrnehmen, weil dabei die benötigten Lenkausschläge kleiner werden.

2. Mit kürzer werdendem Nachlauf wird das Rückstellmoment bei der Fahrt geringer.

- Ist der Nachlauf gleich Null, richtet das Rad sich nicht mehr selbsttätig aus, die Lenkkraft wird deutlich geringer. Ein wesentlicher Nachteil des Null-Nachlaufes ist aber auch die fehlende Aufnahmefähigkeit von Pulskräften (durch unsere Arme). Der Reifen verbleibt als einziges elastisches Element in der Lenkkonstruktion. Ist er zu fest, wirken sämtliche Querkräfte direkt auf den Lenkkopf und damit den Fahrzeugrahmen.

- Es ist falsch anzunehmen, dass bei einem Gespann mit Null-Nachlauf nicht beim Beschleunigen gegengelenkt werden muss. Das Vorderrad wird bei Rechtszug des SW durch Schlupf aus der Spur gezogen.

- Ist der Nachlauf kleiner als Null, strebt das gelenkte Rad bei der Fahrt von sich aus einen Lenkvollausschlag an.

3. Bei Punkt 1 ist nicht klar, ob aktive oder auch passive Hilfsmittel gemeint sind z.B. eine Feder. Sicher, eine Feder kann brechen, aber ein Achsschenkel auch. Dass das sicherheitsrelevante Rückstellmoment nur durch Motorlauf oder Aggregate erreicht werden kann, verbietet sich von selbst.

4. Die Feder
- Die Feder ist ein mechanischer Energiespeicher. Sie kann nur das an Energie liefern, was vorher hineingetan wurde.
- Sie ist in der Lage, die Defizite eines neutralen oder negativen Nachlaufes auszugleichen. Unterm Strich verändern sich aber dadurch die effektiven Lenkkräfte, wie anfangs beim Drehmoment beschrieben. D.h. durch den Einsatz von Federn kann man die Länge des Nachlaufes simmulieren und verändern, auch den Rechtszug relativieren. ( z.B. ist ja der Einsatz eines Expanderzuges zw. Lenker und linker Fußraste auf der Autobahn durchaus bekannt. )

5. Ziel dieser Betrachtung ist es, die Lenkkräfte bei normalen Gespannen mit mittlerem oder langem Nachlauf durch den Einsatz der Feder zu verbessern.

weitere Illustrationen folgen.
Zuletzt geändert von Crazy Cow am 15. Oktober 2021 19:19, insgesamt 1-mal geändert.
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zwei Beispiele - 3. Teil

Beitragvon Crazy Cow » 15. Oktober 2021 19:08

Hier das Beispiel mit dem Expander zwischen der linken Lenkerseite und der linken Fußraste. Weitere Erklärungen erübrigen sich. Allerdings muss ich gestehen: Der SideBike Mega Comete hat hinten unter dem Boot zwei Befestigungspunkte zur Montage eines Lenkungsdämpfers. Vor der Fahrwerkseinstellung meines Gespannes habe ich da probeweise eine verstellbare Zugfeder montiert. Das Ergebnis war phänomenal. Ziel dieser Geschichte ist aber ein anderes.

lenkservo4.jpg


Gehen wir einen Schritt weiter und setzen zwei Druckfedern statt einer Zugfeder ein und zwar an einem Fahrzeug mit relativ langem Nachlauf.

$matches[2]


Im Neutralzustand, (Geradeausfahrt evtl. Lenker loslassen) richten zwei gleiche Druckfedern an zwei gleichen Hebeln das Rad gerade aus. Bei überlegter Wahl der Anpole passiert beim Einlenken jedoch irgendwas. Während die Länge der Federn sich nur um 25% gegeneinander ändert, verfünffacht sich das Verhältnis der Hebellängen, sogar ein annullieren der einen Hebellänge (und damit die des Rückstellmomentes) ist möglich.

Was passiert?

1. Bei geringen Lenkeinschlag ändern sich Hebel- und Federlängen wenig. Die Federkräfte heben sich gegenseitig fast auf. Der Fahrer bemerkt ihr Vorhandensein kaum bis gar nicht.

2. Je weiter eingelenkt wird, desto kürzer wird der Hebel der Gegenkraft und damit das Rückstellmoment.

3. Das Lenken mit engen Kurven, (Einfahrten und Rangieren) geht deutlich leichter.

4. Dieses Verhalten kommt nahe an das einer Radaufhängung mit kurzem oder Null-Nachlauf heran.

5. Was bei seitlicher Stoßbelastung auf des geradeauslafende Rad passiert, müsste praktisch ergründet werden.

Woher kommt die Energie?

- Einerseits wird sie beim Einbau der Feder aufgebaut.
- andererseits aber muss beim Zurücklenken Hand angelegt werden. Dieser Prozess vollzieht sich nicht mehr schlagartig sondern träge, gerade so wie bei einem sehr kurzen Nachlauf.

Die Energie wird also verzögert durch unseren Körpereinsatz zugeführt. Beispiel:

- Werden beim vollständigen Lenkeinschlag ohne Feder zum Beispiel 480N an beiden Händen addiert benötigt,
dann sind es für das Zurücklenken nur 20N.

- Mit dem Einsatz der Federn lässt sich der Kraftaufwand z.B. auf 250N reduzieren, dafür wird für das Zurücklenken noch einmal der gleiche Kraftaufwand benötigt.

- Physikalisch setzt sich ein Drehmoment aus den gleichen Größen (Faktoren) zusammen wie eine Arbeit. Die Arbeit bleibt in beiden Fällen gleich. Der Kräfteverlauf ändert sich degressiv durch den überlegten Einsatz zweier Federn.

Aber auch das ist nicht Ziel dieser Exkursion.
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Anstellkraft - 4. Teil

Beitragvon Crazy Cow » Gestern 11:00

Bei der Wahl eines sehr kleinen Anstellwinkels schlägt der Lenker bei einer bestimmten Federhärte ab einem gewissen Lenkwinkel um. Das Rad lenkt vermeintlich selbsttätig. In Wirklichkeit ist es das, was wir suchen. Die logische Konsequenz wäre das einarmige Druckfedersystem. Die Kraft, die dabei durch Feder und Hilfslenkarm dem Rückstellmoment entgegenwirkt, nenne ich hier Anstellkraft.

lenkservo6.jpg


$matches[2]

Isoliert betrachtet sieht das natürlich gefährlich aus, ist es aber nicht. Die Druckfeder ist nur die halbe Wahrheit, tatsächlich weist das Rad in der Zeichnung und in Natur einen Nachlauf mit einem beträchtlichen Rückstellmoment auf. Entscheidend ist also Größendifferenz zwischen Lenkmoment und Rückstellmoment. Solange das Rückstellmoment größer ist, schlägt das Rad nicht um.
Dieser Aufbau entspricht dem Verhalten eines negativen Nachlaufes. Praktisch zu überprüfen ist also der Satz:
Die Differenz aus Rückstellmoment des Nachlaufes und Anstellmoment der Hilfsfeder ergibt ein resultierendes Rückstellmoment für das gelenkte Rad.

und weiterhin:
Das resultierende Rückstellmoment wird bei zunehmender Geschwindigkeit nicht kleiner.

Wir subtrahieren also das Verhalten eines negativen Nachlaufes von dem eines positiven und können durch die Vorspannung der Feder das Lenkerhalten (Einlenken und Rückstellen) beliebig anpassen.
Damit sind wir auf der Zielgeraden.

$matches[2]

Tatsächlich kann die Neutralstellung bei beliebiger Position der Feder erreicht werden. Also auch dort, wo üblicherweise der Lenkungsdämpfer sitzt. Mehr noch: wird der Lenkungsdämpfer so angelenkt, dass in neutraler Geradeausfahrstellung sein Hub am geringsten ist, würde es genügen, eine passende Druckfeder vorgespannt über seiner Stößelstange zu platzieren, um einen lenkunterstützenden Effekt der Feder zu nutzen. Je größer dieser Effekt ist, desto mehr Kraft muss beim Zurücklenken aufgewendet werden, geradeso wie bei einem sehr kurzen Nachlauf.
Zwar können wir eine Feder berechnen, wir kennen aber nicht die Kraft innerhalb des Nachlaufrückstellmomentes. Sie wird bei zunehmender Fahrt größer, ein Fehlverhalten durch Federeinsatz ist also nicht zu befürchten. Eine gewisse Akribie beim Ausrichten des LKD ist aber Voraussetzung.

Konsequent weitergedacht kann die Neutralstellung auch in einem gewissen Winkel vorgehalten werden, so dass der Rechtszug des SW bis zu einer bestimmten Geschwindigkeit selbsttätig ausgeglichen wird. Im Grunde ließe sich also mithilfe des einarmigen Federsystems sogar eine Fehlstellung des Maschinensturzes ausgleichen.

Ende Theorie.
Ich habe fertich.
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Re: Passiver Lenkservo

Beitragvon Peter Pan CR » Gestern 14:55

das ist bisher die einzige Konfiguration, die sich mir auf die Schnelle noch einleuchten will, aber nur wenn man extrem weiche Federn nimmt, deren Ruhestellung erheblich länger ist ,als sie bei Vollausschlag erreichen kann. Dann darf sie am kurzen Anlenkarm noch nicht fest anschlagen. So lange Dinger werden dann gewöhnlich seitlich ausbrechen, brauchen also Hüllrohr oder Innendorn zur Führung.
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Re: Passiver Lenkservo

Beitragvon Crazy Cow » Gestern 16:35

Peter Pan CR hat geschrieben:das ist bisher die einzige Konfiguration, die sich mir auf die Schnelle noch einleuchten will, aber nur wenn man extrem weiche Federn nimmt, deren Ruhestellung erheblich länger ist ,als sie bei Vollausschlag erreichen kann. Dann darf sie am kurzen Anlenkarm noch nicht fest anschlagen. So lange Dinger werden dann gewöhnlich seitlich ausbrechen, brauchen also Hüllrohr oder Innendorn zur Führung.


Das ist doch erst mal Theorie, Veranschaulichung. Praxis ist der modifizierte Lenkungsdämpfer. Entscheidend in deinem gewählten Beispiel hier ist, dass einer der Arme bei Vollausschlag einen rechten Winkel zur Kraftrichtung der Feder bietet, der andere fast keinen. Das geht auch mit sehr kurzen Federn und sehr kurzen Armen, über dem Rad halt. Es geht sogar mit Zugfedern, wenn die Lenkarme nach vorne zeigen.
Es gibt übrigens einen Anbieter im Web, der Gasdruckfedern mit Wunschgehäuse (z.B. 8mm Kolbenstange) und beliebiger Ansprechkraft liefert.
Wir leben in einer Zeit, mein Bester, in der technisch bereits alles machbar ist.
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