Themen:
- Allgemeine Funktionsweise des Federungssystems
- McPherson
- Spulenaufhängung
- Federkonstante
- Blattfederung
- Luftfederung
- Torsionsfeder
- Hydropneumatische Federung
Allgemeine Funktionsweise des Federungssystems:
Die Aufgabe des Federungssystems besteht darin, die Bewegungen beim Überfahren von Unebenheiten der Fahrbahnoberfläche bestmöglich aufzufangen, so dass ein größtmöglicher Fahrkomfort erhalten bleibt. Auch die Straßenlage hat Einfluss auf die Federung. Wenn die Federung sehr flexibel ist (denken Sie an alte amerikanische Autos), ist die Straßenlage viel schlechter als bei einem Auto mit einer steifen Federung. Dies liegt daran, dass ein sehr flexibles Auto beim Aufprall (z. B. bei starkem Bremsen oder scharfen Kurven) die Bodenhaftung verliert. Der Druck der Reifen auf der Fahrbahn ist bei einem gefederten Rad viel geringer als bei einem komprimierten Rad und rutscht daher viel schneller. Bei scharfen Kurven mit hoher Geschwindigkeit ist die Gefahr eines Ausbruchs ebenfalls sehr hoch, da der Grip der Reifen auf der Innenseite der Kurve minimal ist.
Wenn ein sehr sanft gefedertes Auto über eine hügelige, gepflasterte Straßenoberfläche fährt, schwankt das Auto beim Ausfedern stark. Wenn das Auto gefedert ist, ist der Druck auf die Reifen geringer und es ist in diesem Moment kaum oder gar nicht möglich, zu bremsen oder zu lenken.
Bei einem stark gefederten Fahrzeug, insbesondere bei sportlichen oder tiefergelegten Fahrzeugen, ist der Grip an allen 4 Rädern in scharfen Kurven maximal. Einen großen Einfluss darauf haben auch der Stabilisator und die Reifengröße. Wenn ein tiefergelegtes Auto über eine hügelige, gepflasterte Straßenoberfläche fährt, bleibt das Auto fest auf der Straße und hat daher keine Probleme mit plötzlichem, starkem Bremsen in der ausgefahrenen Position.
Die flexible und steife Federung (bei Fahrzeugen mit Schraubenfedern) hängt mit einer Federrate zusammen. Um die Federung eines Autos (je nach Konstruktion) zu optimieren, können flexible Federn für Komfort (Linearfedern) oder steifere Federn für Sportlichkeit (Progressivfedern) eingebaut werden. Mehr dazu im Kapitel „Federkonstante“ weiter unten auf der Seite.
McPherson:
Der große Vorteil der McPherson-Federung besteht darin, dass Feder und Stoßdämpfer kombiniert sind. Das spart viel Platz und ist zudem beim Design des Autos einfach zu konstruieren. Dadurch sind auch die Produktionskosten gering.
Die McPherson-Aufhängung ist eine Weiterentwicklung der Aufhängung mit zwei Querquerlenkern (auch Doppelquerlenker-Konstruktion genannt). Der obere Querlenker wird durch die Kolbenstange des Stoßdämpfers ersetzt, die nun auch die Seitenkräfte aufnimmt. Daher kommt es bei einer Kollision mit dem Rad (durch ein anderes Fahrzeug oder beim Aufprall auf eine Bordsteinkante) in der Regel zu einem unmittelbaren Schaden an der Kolbenstange. Dieses verformt sich sehr schnell und ist dadurch schief. Anschließend muss der komplette Stoßdämpfer ausgetauscht werden.
Die McPherson-Aufhängung wird immer vorne am Auto verwendet. Teilweise werden auch Federbeine an der Hinterachse verwendet, diese sind jedoch nicht vom McPerson-Typ. Bei der Hinterradaufhängung sind Schraubenfedern und Stoßdämpfer oft separat ausgelegt.
Das obere Lager befindet sich oben auf der Strebe. Das obere Lager ermöglicht Lenkbewegungen. Die Befestigung der Strebe an der Karosserie unter der Motorhaube erfolgt häufig durch Schraubverbindungen. Das ist also ein Fixpunkt. Das darunter liegende obere Lager sorgt dafür, dass sich die komplette Strebe relativ zum oberen Fixpunkt leichtgängig drehen kann. Dieses System mit tragender Funktion und einem Drehpunkt mit oberem Lager wird McPherson-System genannt.
Spulenaufhängung:
Die Wirkungsweise einer Schraubenfeder beruht nicht auf Biegung, wie man zunächst vermuten könnte, sondern auf Torsion (Torsion). Wenn die Feder gedrückt wird, wird die Spiralstange verdreht. Das gesamte Fahrzeuggewicht wird von den Schraubenfedern getragen. Die Schraubenfeder ist zwischen dem oberen Lager und dem unteren Federsitz eingeschlossen. Wenn das Fahrzeug einfedert, drückt das obere Lager die Schraubenfeder nach unten. Durch die Drehung wird eine Gegenkraft erzeugt. Diese Gegenkraft ist letztlich die Federwirkung. Je mehr Gegenkraft die Feder ausübt, desto stärker ist die Feder.
Federkonstante:
Die Flexibilität einer Feder wird durch die Federkonstante angegeben. Die Federrate einer linearen Schraubenfeder unterscheidet sich von der einer progressiven Schraubenfeder. Bei einer linearen Feder ist der Abstand zwischen allen Windungen gleich. Bei einer progressiven Feder sind diese Abstände nicht gleich; Oben oder unten an der Feder sind die Windungen näher beieinander angeordnet als anderswo. Der Unterschied zwischen diesen beiden Federtypen ist im Bild zu sehen:
Bei einer linearen Feder kollabiert die Feder bei einem bestimmten Gewicht immer um eine bestimmte Strecke. Unten sehen Sie ein Beispiel für den Federweg einer linearen Feder:
- +100 kg Zuladung, das Auto sinkt 2cm.
- +200 kg Zuladung, das Auto sinkt 4cm.
- +300 kg Zuladung, das Auto sinkt 6cm.
Bei dieser linearen Feder besteht nun ein Zusammenhang zwischen Gewicht und Weg. Die Kompression einer linearen Feder ist unten dargestellt; Je größer die Kraft auf die Feder ist, desto größer ist der Federweg. Die Linien sind gerade, weil der Abstand zwischen allen Windungen der Feder gleich ist.
Bei einer progressiven Feder gibt es keinen Zusammenhang zwischen Gewicht und Weg. Diese Feder wird mit zunehmender Kompression immer steifer. Der erste Teil ist leicht, aber mit zunehmender Belastung federt es immer weniger weit. Dies liegt daran, dass die Wicklungen oben näher beieinander liegen. Nachfolgend ein Beispiel für den Federweg einer progressiven Feder:
- +100kg Zuladung, das Auto sinkt 2cm.
- +200kg Zuladung, das Auto sinkt 3cm.
- +300kg Zuladung, das Auto sinkt 3,5cm.
Unten sehen Sie die Grafik einer progressiven Feder. Zunächst vergrößert sich der Federweg mit zunehmender Federkraft. Die Linie ist nicht gerade, sondern steigt an. Das heißt, je weiter die Kraft auf die Feder zunimmt, desto geringer wird der Federweg. Das Auto federt daher mit zunehmender Kraft auf die Feder immer weniger ein.
Automobilhersteller sind stets auf der Suche nach dem besten Verhältnis zwischen Komfort und Fahreigenschaften des Fahrzeugs. Der Federweg kann durch Anpassen der Progressivität der Feder angepasst werden (indem mehr oder weniger Windungen nahe beieinander platziert werden). Auch der Durchmesser der Wicklung selbst hat großen Einfluss auf die mögliche Torsion. Das wird bei jedem Auto anders sein. Es gibt auch verschiedene Arten von Federn für den gleichen Fahrzeugtyp mit unterschiedlichem Hubraum, Motortyp (Benzin oder Diesel), Sportpaket usw.
Tieferlegungsfedern kollabieren im ersten Teil oft stark, so dass das Auto bereits in der Neutralstellung tiefer über der Fahrbahn liegt. Dadurch soll es schwieriger werden, das Auto einzufedern, weshalb die Federn besonders progressiv ausgelegt sind. Andernfalls würde das Fahrzeug viel zu schnell auf der Fahrbahn aufschlagen. Da sich die Federn weniger leicht komprimieren lassen, wird das Fahrzeug steifer; Dies wird von manchen Menschen als unangenehm empfunden.
Blattaufhängung:
Blattfedern bestehen aus mehreren übereinander montierten Blättern. Das Oberblatt wird Hauptblatt genannt. Je mehr Blätter eine Feder hat, desto stärker und steifer wird sie. Früher wurden sie teilweise unter Personenkraftwagen montiert. Die Blattfeder bestand dann nur aus wenigen Blättern, manchmal sogar nur aus dem Hauptblatt. Sie werden immer noch in Nutzfahrzeugen verwendet, obwohl sie natürlich viel dicker sind. Die Blattfedern werden in der Mitte an der Achse und an den Enden an der Karosserie bzw. am Fahrgestell befestigt. Die federnde Bewegung wird durch das Biegen der mehreren Lamellen in der Mitte der Gesamtlänge erreicht.
Es gibt 2 verschiedene Arten von Blattfedern:
- Trapezfeder: Die Federblätter sind unterschiedlich lang und überall gleich dick.
- Parabelfeder: Die Federblätter sind alle gleich lang und in der Mitte dicker als an den Enden. Zwischen den Frühlingsblättern ist auch Platz. Parabelfedern sind flexibler als Trapezfedern und haben eine geringere Masse.
Luftfederung:
Luftfederungen kommen bei Pkw seltener zum Einsatz als Schraubenfedern. Eine Luftfederung findet man zum Beispiel bei einem Audi A8, BMW 7er oder X5. Diese Autos verfügen häufig über eine Luftfederung an allen vier Rädern. Einige Autos haben Federbeine mit Schraubenfedern vorne und Luftfederung hinten.
Die Abbildung zeigt eine Hinterradaufhängung mit Luftfedern. Im Innenraum des Autos (häufig unten im Kofferraum) befindet sich eine Pumpe, die Luft in die Luftfedern pumpt. Die Luftfedern dehnen sich in Längsrichtung aus, sodass das Gewicht des Fahrzeugs auf ihnen ruhen kann. An einem Querlenker befindet sich oft ein Sensor, der registriert, wie weit das Auto durch die Ladung (hinter sitzende Personen oder einen schweren Anhänger) aufgehängt ist. Anhand dieser Messdaten kann die Luftpumpe die Luftbälge etwas stärker aufpumpen, sodass sich das Auto nicht nach hinten neigt.
Torsionsfederung:
Torsion ist ein anderes Wort für „Verdrehen“. Torsionsfedern wurden früher (hauptsächlich) in amerikanischen Autos verwendet. Der untere Querlenker dieser Konstruktion ist über einen Torsionsstab mit der Karosserie verbunden. Wenn das Fahrzeug einfedert, verschieben sich die oberen und unteren Drehpunkte. Der Stützarm, in den der Torsionsstab eingesetzt ist, möchte sich um den Torsionsstab drehen. Dies ist jedoch nicht möglich, da der Torsionsstab eine feste Verbindung im Tragarm hat. Die andere Seite des Torsionsstabes (im Bild unten) ist fest mit der Karosserie verbunden.
Das bedeutet, dass beim Einfedern des Rades die Stange einer Torsionsbelastung ausgesetzt wird. Diese Torsion baut einen Widerstand auf (je weiter das Rad einfedert, desto stärker wird der Torsionsstab verdreht). Die Kompression wird daher mit zunehmender Torsion immer stärker. Die gesamte Aufhängung der Vorderachse des Autos funktioniert nach diesem Prinzip. Das ist auch einer der Gründe dafür, dass alte amerikanische Autos so leicht und sanft ein- und ausfedern.
Hydropneumatische Federung:
Hydropneumatik ist eine Kombination aus Hydraulik und Pneumatik. Dieses System wird seit den 50er Jahren von Citroën verwendet und ist auch heute noch in den Modellen zu finden.
Der Federball enthält komprimiertes Gas (blau im Bild), das komprimierbar ist. Die Hydraulikflüssigkeit (gelb) ist nicht vorhanden. Beim Komprimieren wird der rote Kolben durch den Tragarm nach oben gedrückt und der Gasraum komprimiert. Der blaue Raum wird dadurch kleiner. Wenn das Rad ausfedert und sich der Kolben nach unten bewegt, kehrt das System zur vorherigen Situation zurück. Die federnde und dämpfende Wirkung wird durch die Komprimierung dieses Druckgases erzielt.
Über die Ölmenge (gelb) lässt sich das System steuern. Durch die Zugabe von zusätzlichem Öl zum System bei starker Beladung, was dank der Hydropumpe automatisch geschieht, erhöht sich die Fahrhöhe. Das Fahrzeug steht dann höher auf den Federn. Bei erneuter Entlastung (oder Ausstieg der Passagiere) gelangt das im System befindliche Öl über ein Druckventil zurück in den Vorratsbehälter. Die Fahrhöhe wird wieder sinken.
