Ich habe gebaut: Bastiaen Cargo Derivat in vollgefedert

Liebe Lastenradgemeinde,

ich will mal garnicht viele Worte machen. Das Bastiaen Cargo fanden mein Arbeitskollege und ich schon immer gut und wir dachten uns so: Sowas könnte man mal in vollgefedert bauen. Nach Jahren der Untätigkeit gab mir Corona dann zwischen Weihnachten und Neujahr die Möglichkeit, mich in der Werkstatt zu verkriechen und den schon seit Ewigkeiten besorgten Cannondale Jekyll Rahmen zum Lasti umzubauen.

Der Plan war, daß ich erstmal mit mir verfügbaren Teilen einer HP Velotechnik Dreirad Achsschenkellenkung baue (also rechter Originalradträger) und mal schaue, was rauskommt. Bissl CAD für die Maße des Teils, was da an den Cannondale-Rahmen rankommt und bissl Schwingenauslegung; Teilespender für das Längsrohr und die Abstützung am Rahmen war ein HP Velotechnik Gekko, was mir zugeflogen ist.. naja, nicht ganz, ich arbeite halt in der Firma. Das ganze kombiniert mit einer Seilzuglenkung, um Einflüsse der Federung auf die Lenkung auszuschließen.

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Ergebnis war nicht so optimal, das Teil zieht wie verrückt nach links, je größer die Vorderachslast, desto mehr. Welch Überraschung! Auf jeden Fall auf Dauer nicht gut fahrbar und mit Last gleich garnicht. Deshalb dann nochmal das gemacht, was richtige Ingenieure so tun: Den Kopf und den Rechner eingeschaltet, ein gutes Buch zur Hand genommen und mir mal Gedanken über die Momente um die Lenkachse gemacht, wo sie so herkommen und was man tun kann, um sie zu minimieren. Und siehe da: Mit einer neuen Schwinge und einem custom-made Radträger fährt das Teil richtig gut! Ich habe Spaß und bin entzückt.

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Wers nachbauen will, meldet sich. Ich stelle meine Unterlagen gern zur Verfügung, gugge hier allerdings in Zukunft wahrscheinlich auch nicht öfter rein als bisher :D.

Grüße, Martin und das Mr.Hyde (das zweite Gesicht des Cannondale Jekyll)
Sehr, sehr geniales Projekt. Und auch total klasse, dass dein Arbeitgeber dich so etwas in der Werkstatt bauen lässt.

Mich interessiert, wie du die Lenkung und die Vorderradschwinge nun ausgelegt hast. Geht die Lenkachse immer noch durch den Aufstandspunkt bzw. ist leicht dahinter, hast du also trotz der seitlich versetzten Achse Lenkrollradius ungefähr null? Nach welchen Kriterien hast du den Lenkwinkel und den Nachlauf bemessen?

Zum Fahrverhalten: Dein Rad ist sehr kurz, weil die Ladefläche (~60cm?) deutlich unter das Lenkrohr geht. Das ist optimale Längenausnutzen, geht aber mit der klassischen Longjohn-Konstruktion wegen des Lenkrohrs nicht. Im Vergleich zu einem Bullitt mit ~70cm Ladelänge vor der Lenkstange baut deine Konstruktion also locker 20...30cm kürzer. Da wundert mich nicht, dass das Fahrverhalten näher am normalen Rad ist.

Dadurch, dass deine Ladefläche sehr weit hinten liegt, hat sie auch weniger Auswirkung auf den Schwerpunkt. Dennoch: Wonach stellst du die Federung ein? Nimmst du wirklich eine Dämpferpumpe mit und kompensierst deine Ladung?

t.
 
Wäre so eine lefty-Anordnung nicht auch wunderbar um eine Head-shok Federung einzubauen?
Cannondale scheint nur mit Head Shok komplett aufgehört zu haben, habe nach dem Prinzip nur noch etwas von RST mit gerade einmal 30mm Federweg gefunden.
 
so, ich hab mir die bildchen nochmal (sehr oft) angeguckt.
kann es sein, dass wegen des nicht geschüsselten rades, selbiges quasi neben der lenkachse läuft?
 
Hallo liebe Interessierte,

der technische Hintergrund scheint ja doch gefragt zu sein! Sehr schön. Ich schau mal, daß ich diese Woche noch etwas Zeit finde, dann mach ich mal paar Screenshots aus dem Modell und versuche zu erklären, was ich mir gedacht habe.

Ich freue mich auf jeden Fall, daß das Projekt so gut ankommt!

Greets, Martin
 
So, mit einer Woche Verspätung nun mal was zum drüber nachdenken hier aus dem Garden Office. Zunächst die Screenshots vom Vorderachsgeometriemodell. Zur Orientierung:
  • großer weißer Kreis: Vorderrad
  • dick gelb gestrichelte Linie: Lenkachse
  • dick rosa Linie: Radaufstandskraft (300mm -> 300N)
  • dick türkise Linie: resultierende Kraftkomponente
  • grün gestrichelte Linie: Hebelarm der resultierenden Komponente auf die Lenkachse

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Ansicht von rechts

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Ansicht von hinten

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Ansicht von rechts hinten oben

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Ansicht von rechts vorn oben

Ich setze im Text mal die üblichen Begrifflichkeiten für Mehrspurervorderachskinematik voraus, wenn ich das noch alles erklären müßte, würde das Seiten füllen, die andere schon in Fachbüchern gefüllt haben.

Durch Spreizungswinkel, Nachlaufwinkel, Nachlaufversatz und Lenkrollradius entsteht aus der Radaufstandskraft ein Drehmoment um die Lenkachse. In (älteren) Fachbüchern wird dieses Lenkmoment bestimmt, indem man die Radaufstandskraft in der Projektion von vorn und der Projektion von der Seite in seine Komponenten zerlegt. Mit Hilfe von 3D CAD kann man sich das aber sparen und direkt den im Raum liegenden Teil (die Komponente) der Radaufstandskraft, der das Lenkmoment erzeugt, und seinen zugehörigen Hebelarm zur Lenkachse betrachten.

Wie bekomme ich die Ebene, in der die wirksame Kraftkomponente liegt?

Als Nullpunkt definiere ich den Radmittelpunkt. X-Achse ist horizontal entgegen der Fahrtrichtung, Y-Achse ist nach rechts in Fahrtrichtung, Z-Achse ist nach oben.

Die Radaufstandskraft (rosa Linie) greift im Radmittelpunkt an und kann wie jeder Kraftvektor entlang seiner Wirkrichtung (in dem Fall die Z-Achse) verschoben werden. Die Z-Achse liegt also auch in der Ebene der Kraftkomponente.

Ich will den Teil der Radaufstandskraft ermitteln, der senkrecht zur Lenkachse liegt, muß also den Teil, der in Richtung der Lenkachse liegt, isolieren. Der zweite Richtungsvektor der Ebene der Kraftkomponente ist also die Richtung der Lenkachse.

Damit kann ich die Ebene der gesuchten Kraftkomponente aufspannen (türkise Ebene). Auf diese Ebene projeziere ich senkrecht die Lenkachse und kann dann an irgendeiner Stelle auf dieser Ebene die Radaufstandskraft in die Komponente senkrecht zur Lenkachse und parallel zur Lenkachse zerlegen. Damit habe ich die gesuchte wirksame Kraftkomponente. Was weiß ich über die Lage der Kraftkomponente? Die Radaufstandskraft darf nur auf der Wirkungslinie verschoben werden, die "Spitze" der Komponente liegt also auf der Z-Achse.

Wie bekomme ich den Hebelarm der Kraftkomponente?

Der Hebelarm liegt in einer Ebene senkrecht zur Ebene der Kraftkomponente (erschließt sich aus der Definition eines Drehmomentes um eine Achse). Ein Ende des Hebelarms ist die "Spitze" der wirksamen Kraftkomponente. Diese Spitze liegt irgendwo auf der Z-Achse (siehe oben), die Ebene, in der der Hebelarm der Komponente liegt, ist also senkrecht zur türkisen Ebene und enthält die Z-Achse und ist damit vollständig definiert (grüne gestrichelte Ebene). Das andere Ende des Hebelarms liegt logischerweise auf der Lenkachse. Ich schneide also die grüne gestrichelte Ebene mit der Lenkachse und bekomme damit den Hebelarm und auch den Angriffspunkt der Kraftkomponente auf der Z-Achse.

Multipliziere ich die wirksame Kraftkomponente mit dem Hebelarm, erhalte ich das um die Lenkachse wirkame Drehmoment, daß aus der Radaufstandskraft entsteht.

Wie kann ich das Drehmoment möglichst klein werden lassen? Entweder die Kraft wird klein oder der Hebelarm wird klein.
Wenn man mit den Werten für die Vorderradgeometrie bissl rumspielt, sieht man, daß man die Kraft minimieren kann, indem man keine Spreizgungswinkel und keinen Nachlaufwinkel hat. Dann sind Nachlaufstrecke und Lenkrollradius egal.
Sobald man aber einen der beiden Winkel hat, entsteht eine Kraftkomponente. Wenn es keinen Spreizungswinkel und keinen Lenkrollradius gibt, die Lenkachse also in der Fahrzeuglängsmittelebene liegt (x-z-Ebene), gibt es keinen Hebelarm, also kein Drehmoment (wie beim Bastiaen Cargo).

Da ich aber mit einem "normalen" Dreiradvorderrad arbeiten wollte, muß ich also unter Beachtung des Bauraums und fahrbarer Geometrie versuchen, eine Konfiguration zu finden, in der Kraft oder Hebelarm möglichst klein werden. Am Ende war es so, daß das nur über den Hebelarm geht, also quasi die Lenkachse mal an irgeneiner Stelle möglichst nah an der Senkrechten im Radmittelpunkt vorbeigeht.

Es gibt noch andere Kräfte, die ein Moment auf die Lenkachse bewirken (z.B. beim Geradeausfahren die Längskräfte aus Radreibung und Bremsen), deren Beträge sind aber um Größenordnungen kleiner als die aus der Radaufstandskraft (zumindst in der nicht optimierten Version). Beim Bremsen vergrößert sich das Moment aus der Radaufstandkraft ebenfalls, weil diese durch die Radlastverschiebung nach vorn größer wird.

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resultierendes Lenkmoment mit Standard-Dreiradradträger von HP

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resultierendes Lenkmoment mit optimierter Geometrie (der light blueish grey Balken ist das Moment von oben zum Vergleich)

Grüße, Martin
 
Vielen Dank dafür, das ist wirklich was zum drüber nachdenken für mich!
 
So, mit einer Woche Verspätung nun mal was zum drüber nachdenken hier aus dem Garden Office. Zunächst die Screenshots vom Vorderachsgeometriemodell. Zur Orientierung:
  • großer weißer Kreis: Vorderrad
  • dick gelb gestrichelte Linie: Lenkachse
  • dick rosa Linie: Radaufstandskraft (300mm -> 300N)
  • dick türkise Linie: resultierende Kraftkomponente
  • grün gestrichelte Linie: Hebelarm der resultierenden Komponente auf die Lenkachse

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Ansicht von rechts

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Ansicht von hinten

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Ansicht von rechts hinten oben

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Ansicht von rechts vorn oben

Ich setze im Text mal die üblichen Begrifflichkeiten für Mehrspurervorderachskinematik voraus, wenn ich das noch alles erklären müßte, würde das Seiten füllen, die andere schon in Fachbüchern gefüllt haben.

Durch Spreizungswinkel, Nachlaufwinkel, Nachlaufversatz und Lenkrollradius entsteht aus der Radaufstandskraft ein Drehmoment um die Lenkachse. In (älteren) Fachbüchern wird dieses Lenkmoment bestimmt, indem man die Radaufstandskraft in der Projektion von vorn und der Projektion von der Seite in seine Komponenten zerlegt. Mit Hilfe von 3D CAD kann man sich das aber sparen und direkt den im Raum liegenden Teil (die Komponente) der Radaufstandskraft, der das Lenkmoment erzeugt, und seinen zugehörigen Hebelarm zur Lenkachse betrachten.

Wie bekomme ich die Ebene, in der die wirksame Kraftkomponente liegt?

Als Nullpunkt definiere ich den Radmittelpunkt. X-Achse ist horizontal entgegen der Fahrtrichtung, Y-Achse ist nach rechts in Fahrtrichtung, Z-Achse ist nach oben.

Die Radaufstandskraft (rosa Linie) greift im Radmittelpunkt an und kann wie jeder Kraftvektor entlang seiner Wirkrichtung (in dem Fall die Z-Achse) verschoben werden. Die Z-Achse liegt also auch in der Ebene der Kraftkomponente.

Ich will den Teil der Radaufstandskraft ermitteln, der senkrecht zur Lenkachse liegt, muß also den Teil, der in Richtung der Lenkachse liegt, isolieren. Der zweite Richtungsvektor der Ebene der Kraftkomponente ist also die Richtung der Lenkachse.

Damit kann ich die Ebene der gesuchten Kraftkomponente aufspannen (türkise Ebene). Auf diese Ebene projeziere ich senkrecht die Lenkachse und kann dann an irgendeiner Stelle auf dieser Ebene die Radaufstandskraft in die Komponente senkrecht zur Lenkachse und parallel zur Lenkachse zerlegen. Damit habe ich die gesuchte wirksame Kraftkomponente. Was weiß ich über die Lage der Kraftkomponente? Die Radaufstandskraft darf nur auf der Wirkungslinie verschoben werden, die "Spitze" der Komponente liegt also auf der Z-Achse.

Wie bekomme ich den Hebelarm der Kraftkomponente?

Der Hebelarm liegt in einer Ebene senkrecht zur Ebene der Kraftkomponente (erschließt sich aus der Definition eines Drehmomentes um eine Achse). Ein Ende des Hebelarms ist die "Spitze" der wirksamen Kraftkomponente. Diese Spitze liegt irgendwo auf der Z-Achse (siehe oben), die Ebene, in der der Hebelarm der Komponente liegt, ist also senkrecht zur türkisen Ebene und enthält die Z-Achse und ist damit vollständig definiert (grüne gestrichelte Ebene). Das andere Ende des Hebelarms liegt logischerweise auf der Lenkachse. Ich schneide also die grüne gestrichelte Ebene mit der Lenkachse und bekomme damit den Hebelarm und auch den Angriffspunkt der Kraftkomponente auf der Z-Achse.

Multipliziere ich die wirksame Kraftkomponente mit dem Hebelarm, erhalte ich das um die Lenkachse wirkame Drehmoment, daß aus der Radaufstandskraft entsteht.

Wie kann ich das Drehmoment möglichst klein werden lassen? Entweder die Kraft wird klein oder der Hebelarm wird klein.
Wenn man mit den Werten für die Vorderradgeometrie bissl rumspielt, sieht man, daß man die Kraft minimieren kann, indem man keine Spreizgungswinkel und keinen Nachlaufwinkel hat. Dann sind Nachlaufstrecke und Lenkrollradius egal.
Sobald man aber einen der beiden Winkel hat, entsteht eine Kraftkomponente. Wenn es keinen Spreizungswinkel und keinen Lenkrollradius gibt, die Lenkachse also in der Fahrzeuglängsmittelebene liegt (x-z-Ebene), gibt es keinen Hebelarm, also kein Drehmoment (wie beim Bastiaen Cargo).

Da ich aber mit einem "normalen" Dreiradvorderrad arbeiten wollte, muß ich also unter Beachtung des Bauraums und fahrbarer Geometrie versuchen, eine Konfiguration zu finden, in der Kraft oder Hebelarm möglichst klein werden. Am Ende war es so, daß das nur über den Hebelarm geht, also quasi die Lenkachse mal an irgeneiner Stelle möglichst nah an der Senkrechten im Radmittelpunkt vorbeigeht.

Es gibt noch andere Kräfte, die ein Moment auf die Lenkachse bewirken (z.B. beim Geradeausfahren die Längskräfte aus Radreibung und Bremsen), deren Beträge sind aber um Größenordnungen kleiner als die aus der Radaufstandskraft (zumindst in der nicht optimierten Version). Beim Bremsen vergrößert sich das Moment aus der Radaufstandkraft ebenfalls, weil diese durch die Radlastverschiebung nach vorn größer wird.

Anhang anzeigen 17190
resultierendes Lenkmoment mit Standard-Dreiradradträger von HP

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resultierendes Lenkmoment mit optimierter Geometrie (der light blueish grey Balken ist das Moment von oben zum Vergleich)

Grüße, Martin
Danke, das sind sehr gut nachvollziehbare Überlegungen. Dein Ergebnis ist am Ende eigentlich nur, dass die Drehachse durch den Radaufstandspunkt gehen sollte, oder? Damit hast du keinen Nachlauf mehr, wie wirkt das auf das Fahrverhalten aus?

Und wieso hast du im Zuge der "Optimierung" (in Anführungszeichen, falls Mathematiker mitlesen) den Lenkwinkel flacher gemacht?

t.
 
am Ende eigentlich nur, dass die Drehachse durch den Radaufstandspunkt gehen sollte, oder?
Das wäre eine Möglichkeit, den Abstand 0 zu erreichen, aber auf Kosten des Nachlaufs, wie du schon schreibst. Ich habe jetzt um 20mm Nachlauf und bin so nah an 0, daß das Losbrechmoment der Lenkung größer ist als das Lenkmoment aus der Radaufstandskraft. Es fährt sich trotz des geringen Nachlaufs erstaunlich ruhig, eigentlich wie ein normales Rad.

Den Lenkwinkel verflachen hatte positive Auswirkungen auf den Abstand der beiden Linien, ich bin jetzt glaube bei 67°, das ist ja nicht ungewöhnlich flach.
 
Wie wirkt es sich eigentlich mit der Schräge der Lenkachse zur Seite aus? Wenn ich mir beim simulieren im Kopf da nicht einen Knoten eingefangen habe, dann kippt das ja bei einer Linkskurve das Vorderrad aus der Kurve raus, und bei einer Rechtskurve in die Kurve hinein, oder? Merkt man das irgendwie beim Fahren?
 
Da der Nachlaufwinkel größer als der Sturzwinkel ist, geht das Vorderrad in beide Lenkrichtungen in Negativsturz. Bei der ersten Schwinge war das nicht so, aber auch da habe ich dadurch keine katastrophalen Auswirkungen gespürt - eventuell kam die Tendenz zum Hoppeln der Federung in Rechtskurven daher, das hatte ich aber durch mehr Dämpfung vorn schon behoben. Aber jetzt merkt man den Unterschied Links/Rectslenken auf jeden Fall garnicht.
 
Ich knüpfe hier nach langer Zeit mal wieder an, da mir zwischenzeitlich aufgegangen ist dass ich auf den Fotos, die ich letztes Jahr auf der Velo Berlin vom Coh&Co Velosled Anna geschossen habe, doch auch ungefähr die Winkel für die Lenkung dieses Lastenrads mit einseitig aufgehängtem Speichenvorderrad ausmessen kann:
Velosled.jpg

Ich komme da auf ungefähr 11-12 Grad Spreizungswinkel, und 7-8 Grad Nachlaufwinkel. Das ist noch relativ nah bei den Werten von der ersten Version von @M.Hyde, die nach den Modellbildern 15 Grad Spreizungswinkel und 9 Grad Nachlaufwinkel hatte. Dennoch konnte ich bei der Probefahrt mit dem Velosled auch beladen keine Tendenz zum Ziehen nach links feststellen.
Was ist da also anders? Sind die 2-4 Grad weniger in den Winkeln, in Kombination mit dem längeren Radstand, schon ausreichend um die Lenkung zu befrieden? Oder haben sie noch einen anderen Kniff angewendet?
 
Ich knüpfe hier nach langer Zeit mal wieder an, da mir zwischenzeitlich aufgegangen ist dass ich auf den Fotos, die ich letztes Jahr auf der Velo Berlin vom Coh&Co Velosled Anna geschossen habe, doch auch ungefähr die Winkel für die Lenkung dieses Lastenrads mit einseitig aufgehängtem Speichenvorderrad ausmessen kann:
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Ich komme da auf ungefähr 11-12 Grad Spreizungswinkel, und 7-8 Grad Nachlaufwinkel. Das ist noch relativ nah bei den Werten von der ersten Version von @M.Hyde, die nach den Modellbildern 15 Grad Spreizungswinkel und 9 Grad Nachlaufwinkel hatte. Dennoch konnte ich bei der Probefahrt mit dem Velosled auch beladen keine Tendenz zum Ziehen nach links feststellen.
Was ist da also anders? Sind die 2-4 Grad weniger in den Winkeln, in Kombination mit dem längeren Radstand, schon ausreichend um die Lenkung zu befrieden? Oder haben sie noch einen anderen Kniff angewendet?
Eventuell habe ich mich bei der Messung im rechten Bild von der Speiche, die das Steuerrohr kreuzt, irritieren lassen, wenn ich nach den Reflektionen auf dem Steurrohr gehe, die ja die Rundung nachzeichnen, komme ich eher auf 5-6 Grad Nachlaufwinkel, also doch eine ganze Ecke weniger als beim Linksläufer von @M.Hyde. Könnte also sein dass sie damit nah genug an der Senkrechten sind, und damit der Kraftarm zusammen mit dem kleineren Spreizungswinkel klein genug wird.
 
Da der Nachlaufwinkel größer als der Sturzwinkel ist, geht das Vorderrad in beide Lenkrichtungen in Negativsturz. Bei der ersten Schwinge war das nicht so, aber auch da habe ich dadurch keine katastrophalen Auswirkungen gespürt - eventuell kam die Tendenz zum Hoppeln der Federung in Rechtskurven daher, das hatte ich aber durch mehr Dämpfung vorn schon behoben. Aber jetzt merkt man den Unterschied Links/Rectslenken auf jeden Fall garnicht.
Wie ändert sich dein Nachlauf, wenn du mit 75Kg auf der Hinterradfederung sitzt?
 
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