Motorrad-Fahrdynamik (Archivversion)

Linienverkehr

Ein steilerer Lenkkopfwinkel, leichte Magesiumräder, ein angehobenes Heck oder Gepäck - das alles wirkt sich auf das Fahrverhalten eines Motorrads aus. Wie groß oder klein diese Einflüsse sind, verraten die Linien und Diagramme des Data Recordings, mit dem MOTORRAD eine Ducati 916 bestückte.

Kein Motorradfahrer denkt darüber nach, sondern er macht es einfach: Linkskurven mit einer Lenkbewegung nach rechts einleiten - und umgekehrt. Diese Tatsache gehört denn auch zu den längst bekannten Gesetzmäßigkeiten auf dem Gebiet der Motorrad-Fahrdynamik. Was sich aber am Fahrverhalten ändert, wenn der Lenkkopfwinkel steiler wird, das Heck oder die Front des Fahrzeugs angehoben wird oder leichtere Räder zum Einsatz kommen, darüber wird nicht nur am Stammtisch, sondern auch in Fachkreisen heftig diskutiert. Wie sich diese Änderungen und außerdem auch ein stark veränderter Beladungszustand auf die Lenkkräfte, die Lenkwinkel und die Winkelgeschwindigkeiten - ein Maß für die Schnelligkeit der Schräglagenänderungen - auswirken, überprüfte MOTORRAD an einer Reihe von Fahrversuchen, die mit Data Recording aufgezeichnet wurden.Als Fahrzeug diente eine Ducati 916, die serienmäßig die Möglichkeit besitzt, den Lenkkopfwinkel zu variieren. Zunächst wurden vier Kurvenkonfigurationen mit der Standardeinstellung der 916 gefahren: langsamer Slalom, schneller Slalom, Spurwechsel und Kreisbahn.Der mit 60 beziehungsweise 100 km/h durchfahrene Slalom simuliert langsame und schnelle Wechselkurven und läßt somit eine Aussage zur Handlichkeit bei verschiedenen Fahrgeschwindigkeiten zu. Beim »Spurwechsel«, der einem Ausweichmanöver bei rund 80 km/h entspricht, erfolgt auf einer Länge von 25 Metern ein Spurversatz von acht Metern. Die stationäre Kreisfahrt auf einer Kreisbahn mit 40 Metern Durchmesser und etwa 50 km/h simuliert Kurven mit gleichbleibendem Radius und konstanter Geschwindigkeit.Anschließend veränderte MOTORRAD die Einstellungen von Lenkkopfwinkel und Fahrwerkniveau an Front und Heck gezielt, während die Einstellungen der Feder- und Dämpfungselemente bei allen Versuchen konstant blieben, um zusätzliche Einflüsse auf das Fahrverhalten auszuschließen. Alle Fahrmanöver wurden mit jeder Fahrzeugeinstellung mehrfach wiederholt, um fehlerhafte Messungen auszuschließen.Die Auswirkungen der verschiedenen Fahrzeugeinstellungen auf das Fahrverhalten zeichnete die Firma 2D Meßsysteme mittels Data Recording auf. Dehnmeßstreifen (DMS) erfassen die Lenkkräfte. Dazu werden an beiden Lenkerstummeln senkrecht zur Lenkebene je zwei DMS angebracht - einer in Fahrtrichtung und einer entgegengesetzt. Die bei Lenkbewegungen vom Fahrer eingeleiteten Kräfte führen zu Biegemomenten im Lenkerstummel, die die aufgeklebten DMS je nach Belastungsrichtung und -stärke in Spannungsänderungen umsetzen. Die beiden Signale auf jeder Lenkerseite geben Aufschluß darüber, ob der Fahrer Zug- oder Druckkräfte auf die Lenkerhälften ausübt. Dadurch läßt sich das Verhältnis der Lenkkräfte in den verschiedenen Einstellungen zueinander betrachten.Ein zentral auf die obere Gabelbrücke aufgesetztes Drehpotentiometer zeichnet die Lenkausschläge auf. Dabei zeigt sich, daß bereits wenige Grad Lenkeinschlag genügen, um selbst die extremen Kurskorrekturen im Slalom auszuführen - wie in den Diagrammen der Kästen eins und drei gut zu sehen ist. Positive Winkel entsprechen einem Lenkausschlag nach rechts, Lenkbewegungen nach links erhalten ein negatives Vorzeichen. Wie sich die Kurskorrekturen auf die Schräglagenänderung des Motorrads auswirken, ermittelt ein Winkelgeschwindigkeitsgeber (Gyro). Dieser im Fahrzeugheck montierte Sensor gibt an, wie schnell das Fahrzeug von einer Schräglage in die andere kippt.Das Herzstück des Datarecording ist der Datenlogger, der die Sensoren mit Strom versorgt und sämtliche Meßdaten der einzelnen Sensoren aufzeichnet. Nach jedem Meßzyklus werden die Aufzeichnungen ausgelesen und in einem Laptop abgespeichert. Mit einer speziellen Auswerte-Software lassen sich die Messungen in Form von Diagrammen anschauen, vermessen, miteinander vergleichen, übereinanderlegen und ausdrucken. Das kleinste Fehlverhalten des Fahrers (zum Beispiel außerplanmäßige Kurskorrekturen) wird anhand der Kurvenverläufe klar ersichtlich. So läßt sich ausschließen, daß fehlerhafte Messungen die Auswertung negativ beeinflussen. Die Ergebnisse der Datenauswertung für die einzelnen Fahrzeug-Modifikationen sind in den vier Kästen zusammengefaßt. Erstaunlich ist, wie stark sich manch kleine Veränderung der Fahrwerksgeometrie auf das Fahrverhalten auswirkt. So ist es beispielsweise überraschend, daß durch einen um wenige Grad steileren Lenkkopf der benötigte Lenkwinkel wesentlich größer wird. Andererseits ist der Einfluß des Zusatzgewichts auf die Fahrdynamik kleiner als erwartet. EineTatsache, die zeigt, daß in Sachen Fahrdynamik das Empfinden des Fahrers täuschen kann und letztlich nur eine exakte Datenerfassung der wichtigsten Größen Aufschluß geben kann.
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Fahrdynamik (Archivversion) - Fahren mit Zusatzgewicht

Die Lage des Zusatzgewichts wirkt sich entscheidend auf das Fahrverhalten aus
Für die Versuchsfahrten mit Zusatzgewicht werden Halterungen gebaut, die es ermöglichen, das 15 Kilogramm schwere Gewicht an drei verschiedenen Punkten des Fahrzeugs symmetrisch zur Mittelachse des Motorrads anzubringen: zunächst hinten, anstelle des Soziussitzes, dann zentral, in der Nähe des Motorradschwerpunkts, und schließlich vorn, über dem Vorderrad. Während mit dem zentral angebrachten Gewicht der Schwerpunkt nahezu unverändert bleibt, wandert er beim Heck- und Front-belasteten Fahrzeug um mehr als fünf Zentimeter nach hinten/oben beziehungsweise vorn/oben. Die auftretenden Winkelgeschwindigkeiten bei Slalom und Spurwechsel liegen bei allen Versuchsfahrten mit Zusatzgewicht sehr nah am unbelasteten Serienfahrzeug - die Schräglagenwechsel laufen mit gleicher Geschwindigkeit ab. Die Lenkkräfte des Serienfahrzeugs und der Heck-belasteten Version sind bei diesen Fahrmanövern am geringsten. Auffällig ist, daß bei der Heck-belasteten Version gleichzeitig die größten Lenkausschläge erforderlich sind. In der Kreisbahn ist das Versuchsfahrzeug mit vorn oder hinten angebrachtem Zusatzgewicht sehr unruhig. Dies zeigen die im Vergleich zur Serienversion starken Schwankungen der Winkelgeschwindigkeit, des Lenkausschlags und der Lenkkräfte. Zu den Ergebnissen im einzelnen.Zusatzgewicht vorn:Das Motorrad wird schon bei kleinen Bodenwellen unruhig und kippelig. Der nach vorn und oben gewanderte Schwerpunkt sorgt dafür, daß das Motorrad empfindlicher auf Lenkbewegungen reagiert. Dies macht sich vor allem in der Kreisbahn negativ bemerkbar.Zusatzgewicht zentral:Mit einem in der Nähe des Motorradschwerpunkts angebrachten Zusatzgewicht verändert sich das Fahrverhalten kaum. Nur der Kraftaufwand beim Lenken ist minimal höher als ohne Gewicht.Zusatzgewicht hinten:Das hinten angebrachte Zusatzgewicht entlastet das Vorderrad etwas, folglich wandert der Schwerpunkt des Motorrads nach hinten/oben. Die erforderlichen Lenkkräfte verringern sich dadurch. Gleichzeitig ist ein größerer Lenkausschlag nötigt, um das Motorrad auf Kurs zu halten.Fazit: Die alte Motorradfahrer-Weisheit wird vom Data Recording bestätigt: Um das Fahrverhalten möglichst wenig zu beeinflussen, sollten Gepäckstücke in der Nähe des Fahrzeugschwerpunkts untergebracht werden.

Fahrdynamik (Archivversion) - Ändern des Fahrzeugniveaus

Relativ schnell und einfach erledigte Fahrwerksmodifikationen mit großer Wirkung
Bei fast jedem Motorrad kann das Fahrzeugniveau verändert werden. In der Regel geschieht dies über die Verstellung der Federbasis, wodurch sich allerdings auch die Federungs- und Dämpfungseigenschaften ändern. Da diese gleich bleiben sollten, beschritt MOTORRAD den anderen Weg und löste vorn die die Klemmung der Gabelbrücken und schob die Gabel höher, das Heck wurde über eine bei der Ducati 916 serienmäßig vorhandene Schubstange angehoben. Die unterschiedlichen Fahrwerkseinstellungen beeinflussen für das Fahrverhalten ausschlaggebende Größen wie Lenkkopfwinkel, Radstand, Achslastverteilung und Schwerpunktlage. Beim Fahrzeug in serienmäßigem Zustand, mit dem die Referenzmessungen gemacht werden, schließen die Gabelbeine bündig mit der oberen Gabelbrücke ab, und das Heck befindet sich in Neutralstellung. Bei den Testfahrten zeigt sich, daß Veränderungen am Fahrzeugniveau weder im schnellen noch im langsamen Slalom entscheidenden Einfluß auf das Fahrverhalten haben. Lenkkräfte, Winkelgeschwindigkeiten und Lenkwinkel liegen annähernd auf gleichem Niveau. Größere Unterschiede treten erst beim Spurwechsel und in der Kreisbahn auf. Je steiler das Fahrzeugniveau nach vorn abfällt, desto geringer sind die erforderlichen Lenkkräfte beim Spurwechsel - das Motorrad wird handlicher. Der Fahrer kann Lenkbewegungen schneller und spontaner umsetzen. In der Kreisbahn dagegen reagiert das Motorrad mit erhöhter Nervosität - die Ducati schlingert. Auch auf Bodenwellen reagiert die 916 nun empfindlicher und beginnt zu kippeln, was in erster Linie an der veränderten Sitzposition des Fahrers liegt. Bei nach vorn abfallender Fahrwerksgeometrie lastet mehr Körpergewicht auf Armen und Händen des Fahrers. Diese erhöhten Abstützkräfte führen dazu, daß jede noch so geringe Bewegung des Oberkörpers das Lenkverhalten beeinflußt. Um eine vorgegebene Linie zu fahren, ist erheblich mehr Konzentration erforderlich als mit der Serieneinstellung.Fazit: Je höher das Fahrzeugniveau und damit auch der Schwerpunkt des Motorrads, desto kippeliger wird das Fahrverhalten. Eine nach vorn abfallende Geometrie fordert vom Fahrer exaktere Lenkbewegungen zur Kurshaltung. Was der Fahrer an Lenkkräften spart, muß er aufgrund der nach vorn geneigten Sitzhaltung mehrfach an Abstützkräften aufbringen.

Fahrdynamik (Archivversion) - Verstellung des Lenkkopfwinkels

Die Lenkgeometrie hat großen Einfluß auf das Fahrverhalten eines Motorrads
Die Ducati 916 gehört zu den wenigen Serien-Motorrädern, bei denen durch Einsätze im Steuerkopf der Lenkkopfwinkel variiert werden kann. Mittels zweier gegeneinander verdrehbaren Lagerbuchsen sind zwei verschiedene Lenkkopfwinkel möglich. Die Differenz der beiden Winkel beträgt ein Grad. Das hört sich nach wenig an, ist aber bereits mit bloßem Auge deutlich zu erkennen. Werden gleichzeitig der Lenkkopfwinkel und das Fahrzeugniveau verändert, lassen sich Lenkkopfwinkel zwischen 64,5 und 67,5 Grad realisieren. Der Radstand verringert sich dabei von 1420 auf 1395 Millimeter. Der Schwerpunkt wandert um gut drei Zentimeter nach vorn/oben.Bei den Fahrversuchen bleibt das Fahrwerk zunächst unangetastet, lediglich der Lenkkopfwinkel wird um ein Grad steiler eingestellt. Bereits durch diesen Eingriff sind deutlich größere Lenkausschläge nötig als mit der serienmäßigen Einstellung (siehe unteres Diagramm). Die Lenkkräfte bleiben hingegen annähernd gleich. Ursache für die großen Lenkausschläge ist die veränderte Lenkgeometrie. Der verkürzte Radstand und der geringere Vorderradnachlauf erfordern größere Lenkbewegungen, um den vorgegebenen Kurs einzuhalten. Wird zusätzlich zum steilen Lenkkopf die Front abgesenkt und das Heck angehoben, ist das Motorrad in der Kreisbahn nur mit Mühe auf dem vorgegebenen Kurs zu halten. Die Ampliuden der auftretenden Winkelgeschwindigkeiten - die in der Kreisbahn ein Maß für die Stabilität und Spurtreue des Motorrads sind - erreichen mehr als den doppelten Wert wie mit dem Serienfahrzeug. Die zur Kurshaltung nötigen Lenkausschläge sind sogar mehr als vier mal so groß wie in der Grundeinstellung. Starke Schlingerbewegungen des Motorrads sind die Folge.Fazit: Die Möglichkeit zur Lenkkopfwinkelverstellung mag ein hochinteressantes, technisches Schmankerl an einem Motorrad sein, doch sie macht nur für Rennfahrer Sinn. Auf bestens asphaltierten, nicht allzu schnellen, winkligen Rennstrecken ohne Bodenwellen hat die extreme Handlichkeit durch den steileren Lenkkopfwinkel Vorteile. Auf öffentlichen Landstraßen und Autobahnen aber keineswegs, denn das Motorrad reagiert sehr empfindlich auf Bodenwellen, Lenkkorrekturen und Gewichtsverlagerungen des Fahrers. Und das macht entspanntes Fahren unmöglich. Nur bei voller Konzentration läßt sich das Motorrad zielgenau auf Kurs halten.

Fahrdynamik (Archivversion) - Einsatz leichter Magnesiumfelgen

Die beste Möglichkeit, das Handling zu verbessern, ohne die Fahrwerkseinstellungen zu verändern
Wie sich leichte Magnesiumfelgen auf das Fahrverhalten auswirken, überprüfte MOTORRAD mit Rädern der Firma PVM, Telefon 0621/855202. Prinzipiell gilt: Je leichter Felgen sind, desto geringer sind die Kreiselkräfte im Fahrbetrieb. Folglich sind auch die Lenkkräfte geringer, da der Fahrer diese Kreiselkräfte beim Einlenken überwinden muß. Andererseits wirken die Kreiselkräfte stabilisierend, was dazu führt, daß bei Geradeausfahrt ab einer gewissen Geschwindigkeit gefahrlos die Hände vom Lenker genommen werden können.Für die Größe der Kreiselkräfte ist das Massenträgheitsmoment der Räder maßgeblich. Je geringer es ausfällt und je geringer die Fahrgeschwindigkeit ist, desto geringer sind die resultierenden Kreiselkräfte. Das Serienvorderrad wiegt inklusive Reifen und Bremsscheiben 13,48 Kilogramm und hat ein Massenträgheitsmoment von 0,586 Nms². Mit der PVM-Felge in den Abmessungen der Originalfelge verbleiben 11,56 Kilogramm bei 0,526 Nms². Das serienmäßige Hinterrad wiegt komplett 12,09 Kilogramm und hat ein Massenträgheitsmoment von 0,738 Nms². Mit der PVM-Felge bleiben 9,6 Kilogramm bei 0,651 Nms² übrig. Doch wieso das Hinterrad vermessen, wo das Vorderrad eingelenkt wird? Ganz einfach: Bei Schräglagenänderungen muß auch das Hinterrad seine Drehebene ändern. Um die Einflüsse voneinander abzugrenzen, werden die Magnesiumfelgen nicht nur als kompletter Satz, sondern auch einzeln auf Vorder- beziehungsweise Hinterrad montiert. Die Fahrversuche bestätigen, daß bei Wechselkurven mit leichteren Felgen grundsätzlich geringere Lenkkräfte benötigt werden als mit den Originalfelgen. Je höher die gefahrenen Geschwindigkeiten, desto größer sind die Unterschiede. Die leichte Felge im Hinterrad hat aber einen geringeren Einfluß auf die Lenkkräfte als die Magnesiumfelge im Vorderrad. Die geringsten Lenkkräfte ergeben sich erwartungsgemäß bei einem kompletten Felgensatz aus Magnesium. Die in der Kreisbahn erzielten Ergebnisse sind bemerkenswert. Es spielt keine Rolle, ob eine einzelne Magnesiumfelge nur im Vorderrad oder nur im Hinterrad verwendet wird. Das Aufstellmoment und die erforderlichen Lenkkräfte sind in beiden Fällen kleiner als mit den Originalfelgen.Fazit: Leichtere Felgen sind die beste Möglichkeit, Handlingeigenschaften eines Motorrads uneingeschränkt positiv zu beeinflussen.

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