Die vorliegende Technikerarbeit beinhaltet die Konstruktion einer Lenkgeometrie für eine Traubenpresse. Das Praktikum für diese Technikerarbeit findet bei der Firma Scharfenberger GmbH in Bad Dürkheim statt. Scharfenberger GmbH ist ein international führendes Maschinenbauunternehmen für Traubenpressen. Die Pressen der Firma werden nach Kundenwunsch konstruiert und gefertigt. Auf Kundennachfrage werden die Pressen auch mit einem Fahrantrieb, Lenkrollen sowie einer Lenkung ausgestattet.
Mit der aktuell verwendeten Lenkung lassen sich die Pressen nur sehr unpräzise lenken. Die bisherigen Versuche zur Problemlösung waren nicht erfolgreich. Aufgabe ist es daher einen Prototyp für eine neue Lenkgeometrie zu konstruieren. Das Ziel hierbei ist es die Pressen mittels einer angebrachten Deichsel präzise lenken zu können. Die Vorderräder sollen miteinander verbunden sein, sodass beide Räder gleichzeitig eingeschlagen werden können. Dabei muss auf jeden Fall verhindert werden, dass die Maschine aus der Kurve gleitet. Die Lenkrollen müssen also auf unterschiedlichen Kurvenradien laufen. Recherchen haben ergeben, dass diese Vorgaben mit der Achsschenkellenkung und Drehschemellenkung umgesetzt werden können.
Mit Hilfe einer Nutzwertanalyse wird ersichtlich, dass die Achsschenkellenkung im Vergleich zur Drehschemellenkung mehr Vorteile aufweist. Für die Ausführung der Konstruktion dieser Achsschenkellenkung wird auf den Morphologischen Kasten zurückgegriffen. Auf Grundlage einer erstellten Handskizze wird das erarbeitete Konzept als 3D-CAD-Modell realisiert.
Inhaltsverzeichnis
1 Vorstellung der Firma
1.1 ScharfenbergerGmbH
1.1.1 Geschichte
1.2 Theoretische Grundlagen der Pressen
1.2.1 Einsatzgebiete
1.2.2 Funktion von Pressen
1.2.3 Press-Systeme
2 Aufgabenstellung
2.1 Ist-Zustand
2.1.1 Presse
2.1.2 Fahrantrieb
2.1.3 Lenkrollen
2.1.4 Elektronische Deichsel
2.2 Problemstellung
2.2.1 Aktuelle Situation
2.2.2 Test
2.3 Soll-Zustand
3 Grundlagen der Lenkung
3.1 Definition Lenkgeometrie/Achsgeometrie
3.2 Definition Lenkung
3.3 Aufgaben und Anforderungen
4 Anforderungen
4.1 Pflichtenheft
4.2 Anforderungsliste
5 Vorüberlegungen
5.1 Achsschenkellenkung
5.2 Drehschemellenkung
5.3 Nutzwertanalyse
5.3.1 Ermittlung des Erfüllungsgrades
5.3.2 Ermittlung der Gewichtung
5.3.3 Nutzwertermittlung
5.4 Entscheidung
5.4.1 Begründung
6 Ideenfindung
6.1 MorphologischerKasten
6.2 Auswertung der Alternativen
6.3 Entscheidung
6.3.1 Begründung
7 Vorbereitung
7.1 Versuchsaufbau
7.2 Prinzipskizze
7.3 Handskizze
8 Ausarbeitung
8.1 GrundmaßederPresse
8.2 Ermittlung der Maße
8.3 Grundrechnungen
8.4 Konstruktion der Lenkung
8.5 Berechnung der Winkel
8.5.1 Spurdifferenzwinkel
8.5.2 Verschiedene Einschlagwinkel
9 Fazit
9.1 Ausblick
I. Formelzeichenverzeichnis
II. Symbolverzeichnis
III. Abbildungsverzeichnis
IV. Tabellenverzeichnis
V. Formelverzeichnis
VI. Quellenverzeichnis
VII. Anhang
Abstract
Die vorliegende Technikerarbeit beinhaltet die Konstruktion einer Lenkgeometrie für eine Traubenpresse. Das Praktikum für diese Technikerarbeit findet bei der Firma Scharfenberger GmbH in Bad Dürkheim statt. Scharfenberger GmbH ist ein international führendes Maschinenbauunternehmen für Traubenpressen. Die Pressen der Firma werden nach Kundenwunsch konstruiert und gefertigt.
Auf Kundennachfrage, werden die Pressen auch mit einem Fahrantrieb, Lenkrollen sowie einer Lenkung ausgestattet. Mit der aktuell verwendeten Lenkung lassen sich die Pressen nur sehr unpräzise lenken. Die bisherigen Versuche zur Problemlösung waren nicht erfolgreich.
Aufgabe ist es daher einen Prototyp für eine neue Lenkgeometrie zu konstruieren. Das Ziel hierbei ist es, die Pressen mittels einer angebrachten Deichsel präzise lenken zu können. Die Vorderräder sollen miteinander verbunden sein, sodass beide Räder gleichzeitig eingeschlagen werden können. Dabei muss auf jeden Fall verhindert werden, dass die Maschine aus der Kurve gleitet. Die Lenkrollen müssen also auf unterschiedlichen Kurvenradien laufen.
Recherchen haben ergeben, dass diese Vorgaben mit der Achsschenkellenkung und Drehschemellenkung umgesetzt werden können. Mit Hilfe einer Nutzwertanalyse wird ersichtlich, dass die Achsschenkellenkung im Vergleich zur Drehschemellenkung mehr Vorteile aufweist. Für die Ausführung der Konstruktion dieser Achsschenkellenkung wird auf den Morphologischen Kasten zurückgegriffen. Auf Grundlage einer erstellten Handskizze wird das erarbeitete Konzept als 3D-CAD-Modell realisiert. Die Prüfung dieses Modells ergibt, dass die von der Achsschenkellenkung vorgegebenen Voraussetzungen erfüllt werden. Folglich lassen sich die Pressen mit Hilfe der vorliegenden Konstruktion präzise lenken, da gewährleistet ist, dass die Lenkrollen auf unterschiedlichen Kurvenradien laufen.
Vorwort
Ein Teil des Abschlusses der schulischen Vollzeitmaßnahme für die Weiterbildung zum staatlich geprüften Techniker in Fachrichtung Maschinentechnik beinhaltet eine Technikerarbeit zu erarbeiten. Ziel dieser Arbeit ist es eine vorgegebene Problemstellung weitgehend selbstständig zu erfassen, zu analysieren und durch verschiedene Lösungsansätze deren Ursache zu beheben. Die hierfür vorgesehene Zeit für Praktikum und Ausarbeitung soll insgesamt ca. 160 Stunden umfassen. Die Ausarbeitung ist sowohl zu dokumentieren als auch zu präsentieren. Die Themenwahl kann fächerübergreifend sein. Das bereits erlernte Fachwissen soll bei der Technikerarbeit zielorientiert eingesetzt werden.
1 Vorstellung der Firma
Für die Vorstellung wird zunächst allgemein auf die Firma Scharfenberger GmbH eingegangen. Als nächstes wird ein kleiner Überblick über die Geschichte der Firma vorgestellt.
1.1 ScharfenbergerGmbH
Die Firma Scharfenberger ist ein international führendes Maschinenbauunternehmen speziell für Traubenpressen, die einschließlich elektronischer Steuerung komplett hergestellt werden. Die Firma zeichnet sich aus durch höchste Flexibilität und Anpassungsfähigkeit, denn die meisten Traubenpressen sind kundenspezifische Sonderanfertigungen, somit gleicht kaum eine Presse der Anderen.[1] Das Unternehmen baut jedoch nicht ausschließlich Pressen, sondern vertreibt und baut alle weiteren Maschinen, welche für die Traubenernte bis hin zur Weinlagerung notwendig sind.[2]
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Abbildung 1.1: Firmengelände der Firma Scharfenberger GmbH[3]
1.1.1 Geschichte
Das Familienunternehmen Scharfenberger wurde im Jahr 1928 von Franz Scharfenberger und seiner Frau Katharina in Wachenheim gegründet. Als Schlosserei befasste sich die damalige Firma mit dem Verkauf und der Reparatur von Weinbaugeräten. Im Laufe der Jahre spezialisierte sich das Unternehmen, abgestimmt auf die Bedürfnisse der Kunden, auf die Entwicklung von Weinbaugeräten. Bereits 1950 entstand ein eigener Produktionszweig, dieser beinhaltete Traubenannahme-, Traubenbevorratungs-, und Traubenverarbeitungsanlagen.[4] Darauf aufbauend entstand im Jahr I960 ein eigener Produktionsbereich zur Herstellung kompletter Traubenverarbeitungsanlagen.[2] Die Traubenpresse „Europress“, welche im Jahr 1971 entstand, wurde ein wichtiger Meilenstein in der Geschichte des Unternehmens. Dies war die erste vollautomatische und elektrisch gesteuerte Presse mit außenliegender Spindel auf dem Markt. Noch heute, mehr als 40 Jahre nach der Markteinführung, ist die Europress das Herzstück der Firma.
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Abbildung 1.2: Beispiel einer Europress-Maschine[5]
Diese Traubenpresse wurde durch das Vertrauen der Kunden und wegen der konstant hohen Qualität sowie moderner Technologie stets weiterentwickelt und verhalf der Europress so zu ihrer heutigen Bedeutung.[4]
In den darauffolgenden Jahren wurden immer mehr neue Errungenschaften entwickelt und die Produktfamilie dadurch erweitert, sodass ein immer größeres Angebot an Maschinen mit zunehmender Qualität und Leistung entstand.
Nach 65 Jahren am Standort Wachenheim wurde im Jahr 1993 aufgrund stetig steigender Nachfrage der Firmensitz nach Bad Dürkheim verlagert.[4]
1.2 Theoretische Grundlagen der Pressen
Im Folgenden wird auf einige Grundlagen der Pressen eingegangen. Dabei werden Einsatzgebiete, Funktion und die Kennzeichnung der Pressen beschrieben.
1.2.1 Einsatzgebiete
Die Pressen der Firma werden nicht nur zur Verarbeitung von Trauben genutzt, sondern können darüber hinaus für unterschiedlichste Produkte verwendet werden. Die Einsatzgebiete sind sehr breit gefächert. Gepresst werden können zum Beispiel Äpfel, Kirschen und Wassermelonen sowie sämtliche andere Produkte aus denen die Gewinnung von Fruchtsaft möglich ist. Des Weiteren werden beispielsweise auch Kräuter gepresst oder sogar Kälbermägen (Lab), welche als Gerinnungsmittel für Milch genutzt werden.
1.2.2 Funktion von Pressen
Das Grundprinzip stellt eine mittels Membran zweigeteilte Fülltrommel da. Im unteren Bereich der Trommel wird das zu pressende Gut (Maische) eingefüllt. Der ungefüllte Bereich darüber wird mit Druckluft befüllt, was dazu führt, dass die Membran gegen das zu pressende Gut drückt. Dieses Gut wiederum wird gegen die mit feinen Schlitzen ausgestattete Trommel gedrückt. Aus diesen feinen Schlitzen läuft der gepresste Saft in eine Auffangwanne. In der Trommel bleiben die nicht pressbaren Rückstände zurück. Nach dem Pressvorgang werden die Rückstände aus der Trommel entfernt.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 1.3: Grundprinzip der Pressen[1]
1.2.3 Press-Systeme
Bei den Europress-Maschinen wird grundsätzlich zwischen drei Press-Systemen unterschieden. Die Art der jeweiligen Maschine wird dabei durch die im Modellnamen vorangestellten Kennbuchstaben P, T oder S gekennzeichnet.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
All diese Systeme haben gewisse Vorteile, die der Kunde bei der Auswahl der Presse beachten muss.
Europressen-Maschinen gibt es in verschiedenen Größen, die auf unterschiedlich große Füllvolumina zurückzuführen sind. Deshalb besitzen alle Modelle neben dem Kennbuchstaben noch eine Zahl, die sich auf das Fassungsvermögen der Trommel bezieht. Es gilt hierbei je höher die Kennzahl, desto größer ist das Fassungsvermögen der Trommel und somit die Größe der Presse.
Beispiel: P80
- Europress mit offenem Press-System
- Volumen der Trommel beträgt: 80 hl = 8000 I [dm[3]]
2 Aufgabenstellung
Die Firma Scharfenberger GmbH konstruiert und fertigt ganz nach Kundenwunsch. Wegen entsprechend hoher Kundennachfrage soll für die Maschinenreihe P80 - P200 eine Lenkgeometrie entworfen werden, bei der beide Vorderräder gelenkt werden können. Diese Pressen sollen beweglich sein, da das Entleeren und Befüllen der Pressen nicht immer am selben Ort stattfinden. Ziel ist es die Lenkung an allen Maschinen (Pressen) dieser Reihe zu verbauen. Primär soll die Lenkung jedoch für eine P80 konstruiert werden, welche die kleinste Presse dieser Typreihe darstellt. Die zu erstellende Konstruktion der Lenkgeometrie soll lediglich als Vorlage für den Bau eines Prototyps dienen.
2.1 Ist-Zustand
Um die Schwierigkeit für die Umsetzung dieser Aufgabenstellung verstehen zu können wird zunächst der Ist-Zustand der Presse erläutert.
2.1.1 Presse
Alle Pressen des Typs „P“ haben die gleiche Breite, d.h. der Abstand der Lenkräder zueinander ist immer der Selbe. Bei größeren Füllvolumina werden die Maschinen und die Trommeln länger. Je nach Forderung des Kunden kann die Höhe der Maschinenpfeiler variieren, was durch unterschiedliche Gegebenheiten bei den Kunden vor Ort zurückzuführen ist.
Um die auf Rollen stehenden Pressen zu bewegen sind immer mindestens zwei Leute von Nöten. Hierbei sind große Kräfte aufzubringen, da das Leergewicht der Maschine P80 bereits 4,6 Tonnen beträgt. Deswegen werden die Pressen auf Nachfrage des Kunden zusätzlich mit einem Fahrantrieb und einer Lenkung ausgestattet.
Zurzeit erfolgt das Lenken an der Vorderseite der Pressen mittels der an einer Rolle angebrachten elektronischen Deichsel. Die jeweils andere Lenkrolle läuft einfach nur mit.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 2.1: Seitenansicht der Presse
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Abbildung 2.2: Vorderansicht der Presse
2.1.2 Fahrantrieb
Die Pressen sind an der Hinterseite des Gestells mit einem Fahrantrieb ausgestattet. Dieser Antrieb besteht aus zwei voneinander unabhängigen Motoren sowiejeweils einer Antriebswelle, die mit den starren Rollen (Antriebsräder) verbunden ist. Als Rollen dienen gummierte Stahlräder. Aus Sicherheitsgründen müssen das Antriebsrad und der dazugehörige Motor durch Verkleidungen abgedeckt sein.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 2.4: Fahrantrieb als 3D-CAD-Modell
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Abbildung 2.3: Fahrantrieb original
(1) gummierte Stahlrolle
(2) Motor
(3) Verkleidung
(4) Antriebswelle
2.1.3 Lenkrollen
Auf der Vorderseite sind beidseitig Schwerlast-Lenkrollen, sogenannte Zwillingsräder angebracht. Die Lenkrollen dienen der Manövrierbarkeit und sind vertikal schwenkbar. Diese Art von Rollen stellen sich bei Bewegung automatisch in Fahrtrichtung.
Allgemeines über Rollen:
Rollen sind Bauteile, die an Maschinen, Geräten etc. montiert werden, um diese fahrbar zu machen. Rollen werden in der Regel nicht direkt angetrieben und sind im Allgemeinen nur für geringe Geschwindigkeiten vorgesehen. Die Geräte oder Maschinen werden meist von Hand gezogen bzw. geschoben.[7]
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Abbildung 2.5: Lenkrolle als 3D-CAD-Modell
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Abbildung 2.6: Lenkrolle der Firma Tente[8]
(1) Befestigungsplatte
(2) Mittelbolzen
(3) Kugellager
(4) Gabelkopf / Radhalterung
(5) Radachse / Verschraubung
(6) Zwillingsräder
Nachlauf:
Bei den hier beschriebenen Zwillingsrädern handelt es sich um sogenannte Nachlaufräder. Es wird zwischen positivem Nachlauf und negativem Nachlauf unterschieden. Die Lenkrollen im vorliegenden Fall haben einen positiven Nachlauf.
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Abbildung 2.7: Gezogenes Rad[9]
Beim positivem Nachlauf werden die Räder gezogen und nicht geschoben, wie z.B. bei einem Tee- oder Einkaufswagen. Angewandt wird diese Art des Nachlaufs bei Hinterradantrieben.[10]
Der negative Nachlauf oder auch Vorlauf genannt wird meist bei Fahrzeugen mit Frontantrieb genutzt. Ist der Nachlauf zu groß, neigt das Rad zum Flattern und die Seitenempfindlichkeit des Fahrzeuges nimmt zu.[11]
„Der Nachlauf entsteht durch die Schrägstellung der Lenkachse in Richtung der Fahrzeuglängsachse gegenüber einer Senkrechten zur Fahrbahn. Nachlauf lässt sich aber auch durch Verschieben der Schwenkachse vor die Radmitte erreichen.“[10]
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Abbildung 2.8: Positive Nachlauf"
Da sich der Lenkpunkt mittig befindet, muss der Nachlauf für die Ermittlung des Radstandes beachtet werden.
Der Nachlauf wird entweder als Winkel in Grad und Winkelminuten oder als Strecke in Millimeter angegeben.[12]
Vorteile positiver Nachlauf:
- Flatterneigung wird reduziert[10]
- wirkt stabilisierend und verbessert den Geradeauslauf[10]
- selbsttätige Rückstellung nach der Kurvenfahrt[12]
Nachteile positiver Nachlauf:
- je größer der Nachlauf, desto höhere Lenkkräfte[10]
- erhöhte Seitenempfindlichkeit[10]
2.1.4 Elektronische Deichsel
Die Deichsel ist ein langer Hebelarm und dient zur Lenkung der Pressen. Sie sendet ein Signal an die Fahrantriebe, wobei zwischen vorwärts und rückwärts ausgewählt werden muss. Durch Schwenken der Deichsel lässt sich die Presse so nach links oder rechts befördern. Die elektronische Deichsel ist mittels einer Stirnplatte an einer der beiden Lenkrollen verschraubt.
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Abbildung 2.9 Elektronische Deichsel
(1) Handgriff
(2) Hebelarm
(3) Stirnplatte
2.2 Problemstellung
Zur Analyse der Problemstellung bei der zurzeit verwendeten Lenkung wird zuerst die aktuelle Situation erfasst. Danach wird ein vorab durchgeführter Test von der Firma Scharfenberger näher erläutert.
2.2.1 Aktuelle Situation
Bei nur einem gelenkten Rad lassen sich die Pressen nur sehr schlecht und unpräzise lenken. Grund hierfür ist, dass die jeweils andere Lenkrolle nicht unmittelbar einlenkt, da das nicht gelenkte Rad versucht sich in Geradeausstellung zu halten. Somit kann die von der Deichsel vorgegebene Richtung schwer erreicht werden. Bei Richtungswechsel muss sich die Lenkrolle erst um bis zu 180° drehen, während durch die angebrachte Deichsel, die gelenkte Rolle sofort in gewünschte Richtung lenkt.
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Abbildung 2.10: Aktuelle Lenkung an einer kleinen Presse
2.2.2 Test
Bei kleineren Pressen werden die beiden Lenkrollen mit einer Spurstange verbunden und mit Hilfe einer an der Lenkrolle angebrachten Deichsel gelenkt. Durch die Verbindung der Spurstangen werden also beide Räder gleichzeitig gelenkt. Ein bereits im Vorfeld durchgeführter Test der Firma zeigte jedoch, dass dies bei der hier beschriebenen Maschinengröße nicht funktioniert. Das Problem besteht darin, dass die Presse aus der Kurve ausbricht. Daraus ergibt sich, dass die Räder während der Kurvenfahrt nicht mehr einwandfrei abrollen. Die Folgen sind schlechte Lenkbarkeit, erhöhter Verschleiß der Lenkrollen und erschwerte Rückstellung in den Geradeauslauf. Je unebener der zu befahrende Untergrund, desto geringer ist der Bodenkontakt und somit die Lenkbarkeit.
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Abbildung 2.11: Kurvenfahrt während dem Test[13]
Diese Problematik entsteht, da sich die gedachten Verlängerungen der Radachsen nicht in einem gemeinsamen Kurvenmittelpunkt schneiden.
Wie aus der Abbildung (2.11) ersichtlich, sind die gelenkten Räder parallel zueinander. Daraus resultieren nicht-konzentrische Kreise mit identischen Kurvenradien. Die natürliche Laufbahn der Räder ist daher nicht parallel, was zum gleiten bzw. radieren aus der Kurve führt.[13]
2.3 Soll-Zustand
Ziel ist es, dass die Pressen im fahrenden Zustand durch eine angebrachte Deichsel präzise gelenkt werden können. Die Vorderräder sollen hierbei miteinander verbunden sein, sodass beim Lenkvorgang beide Räder gleichzeitig eingelenkt werden. Das Abrollen der beiden Lenkrollen soll geometrisch einwandfrei sein, d.h. ein Radieren oder Gleiten aus der Kurve soll verhindert werden.
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Es muss also gewährleistet sein, dass sich die gedachten Verlängerungen der Radachsen in einem gemeinsamen Kurvenmittelpunkt schneiden. Daraus resultiert, dass die Räder bei der Kurvenfahrt auf verschiedenen konzentrischen Kreisbahnen laufen. Die Radstellungen hierbei sollen tangential zu den passenden Kreisradien verlaufen.
3 Grundlagen der Lenkung
Zum allgemeinen Verständnis wird auf Definitionen rund um das Thema Lenkung eingegangen. Anschließend werden einige wichtige und grundsätzliche Aufgaben und Anforderungen an eine Lenkung benannt.
3.1 Definition Lenkgeometrie/Achsgeometrie
Unter Lenkgeometrie bzw. Achsgeometrie wird die Eigenschaft von Radaufhängungen verstanden und somit die Stellung der Räder und Achsen zueinander definiert. Neben den Basisdaten Radstand und Spurweite werden weitere Parameter wie z.B. Vorspur, Sturz, Nachlauf und Spreizung umfasst.[16]
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Die Parameter Spur, Sturz, Spreizung und Lenkrollhalbmesser werden im Folgenden vernachlässigt, da die Pressen nur auf kurzen Strecken und auf relativ ebenen Untergründen mit geringer Geschwindigkeit bewegt werden.
3.2 Definition Lenkung
„Als Lenkung bezeichnet man die Beeinflussung der Fahrtrichtung von Fahrzeugen aller Art.“[18] „Durch die Lenkeinrichtung lässt sich ein nicht schienengebundenes Fahrzeug in eine gewollte Richtung steuern. Die Räder nehmen bei jedem Lenkeinschlag eine durch die Fahrwerksgeometrie bestimmte Stellung zueinanderein
3.3 Aufgaben und Anforderungen
Eine Lenkung ermöglicht das Einschlagen bzw. das Schwenken der Vorderräder und die daraus resultierenden unterschiedlichen Einschlagwinkel, die für eine einwandfreie Kurvenfahrt notwendig sind.[12]
Wichtige Anforderungen an eine Lenkung sind u.a.,
- die Vorderräder bei jeder Geschwindigkeit und auch im Stand in die gewünschte Richtung einlenken zu lassen,[10]
- einen geringen Wendekreis zu ermöglichen,[10]
- auftretende Brems- und Antriebskräfte, welche auf die Lenkung wirken aufzunehmen, ohne das Lenkverhalten zu beeinflussen,[10]
- eine präzise / feinfühlige und schnelle Umsetzung der Lenkbewegung,[19]
- gute Rückstellung in einen stabilen Geradeauslauf,[19]
- leichte Bedienbarkeit,[19]
- geringes Gewicht bei geringem Bauaufwand und kleinem Verschleiß zu gewährleisten,[19]
- Ausweichmanöver durchzuführen um Unfälle zu vermeiden,[17]
- ungewollte Richtungsänderungen auszugleichen,[17]
- dass die Räder beim Einschlagen nur gering verschleißen,[17]
- sicheres Lenken des Fahrzeuges zu gewährleisten.[20]
[...]