Neben dem Antriebsstrang sind die Achskonstruktion und ihre Aufhängung mit die wichtigsten Merkmale eines Geländewagens. Angelehnt an die 4×4 Passion Reihe über die Achskonzepte verschiedener Geländewagen, folgt hier die Artikelreihe dazu.
Wir haben zusammen mit dem Offroad-YouTube-Kanal 4×4 Passion und dem Fahrwerksspezialisten Ralf Ehlermann von re-Suspension eine Serie über Geländewagenachsen gedreht. In dieser Reihe greifen wir diese Folgen noch einmal auf und bringen sie euch als Artikel zum Nachlesen.
Die anderen Teile
- Teil 2 – Längslenker und Panhardstab
- Teil 3 – Four-Link-Gestänge
- Teil 4 – Watt-Gestänge
- Teil 5 – Der A-Lenker
- Teil 6 – Vorderachsführung
Wie so oft, Gegensätze führen zu Kompromissen
An die Achsen eines Geländewagens werden hohe Anforderungen gestellt. Auf der Asphaltstraße sollen sie im Zusammenspiel mit dem Fahrwerk Sicherheit und Komfort bei allen Geschwindigkeiten bieten. Im Gelände sollen sie das Fortkommen in möglichst verworfenem Gelände und über große Hindernisse gewährleisten.
Dabei entsteht ein Zielkonflikt. Das was auf der Straße für Sicherheit und Komfort sorgt, ist im Gelände eher hinderlich und umgekehrt. Ein gutes Beispiel hier für ist die Verschränkung. Achsen die leicht verschränken, weil sie wenig Eigenstabilisierung haben, sind im Gelände vom Vorteil. Beim Schnellfahren im Gelände oder auf Asphalt ist aber eine Eingenstabilisierung der Achse wünschenswert. Die Kunst besteht darin, einen möglichst guten Kompromiss zu finden.
Ein paar Begriffe rund um die Achsaufhängung
Achsführung – Die Achsführung sorgt dafür, dass die Achse sich nur so bewegt, wie es erwünscht ist: nach oben und nach unten. Längs- und Querlenker, wenn vorhanden die Blattfeder, sind für die Achsführung verantwortlich.
Längslenker – Längslenker verbinden die Achse mit dem Chassis oder der Karosserie in Längsrichtung, also in Fahrtrichtung. Sie halten die Achse in Längsrichtung in Position. Manche sind so konstruiert, das mit ihnen auch die Drehung der Achse um sich selbst (Nicken) verhindert wird. Es gibt Fahrzeuge mit 2 oder 4 Längslenkern.
Die Längslenker nehmen die Vortriebs- und Bremskräfte auf. Bei der Vorderachse zieht die Achse an den Längslenkern, bei der Hinterachse drückt sie in die Längslenker. Beim Bremsen drückt die Trägheit des Fahrzeugs gegen die Vorderachse und zieht an der Hinterachse. Sie spielen auch eine wichtige Rolle bei der Verschränkung.
Querlenker – Sie nehmen die Seitenkräfte auf und halten die Achse in Querrichtung, also seitwärts, in Position. Genau wie bei den Längslenkern gibt es verschiedene Konstruktionsarten, alle mit ihren eigenen Vor- und Nachteilen. Sie sind entweder als Panhardstab, Dreieckslenker (A-Lenker) oder als Watt-Gestänge realisiert. Wenn wir die entsprechende Achskonstruktion besprechen, werden diese einzelnen Systeme genauer erläutert.
Gerade bei der Hinterachse ist ein möglichst geringer Seitenversatz und ein möglichst geringes Schrägstellen in Längsrichtung wünschenswert. Die Hinterachse ist für die Fahrstabilität, gerade auch im Anhängerbetrieb, von entscheidender Bedeutung. Jede Seitwärtsbewegung der Hinterachse wirkt destabilisierend. Jedes Schrägstellen erzeugt eine unerwünschte Lenkwirkung. Warum beides je nach Konstruktion dennoch nicht zu vermeiden ist und in einem gewissen Rahmen auch kein Problem darstellt, erklären wir euch an entsprechender Stelle.
Feder und Stoßdämpfer – Beide übernehmen unterschiedliche Aufgaben. Zusammen bestimmen sie den senkrechten Freiheitsgrad der Achse. Sie sind wichtige Komponenten für Sicherheit, Komfort und die Anforderungen im Gelände. Die Feder ist für den Komfort, die Höhe und die Zuladung des Fahrzeugs verantwortlich. Sie fängt Stöße ab und hält das Fahrzeug auf seinem Niveau. Als Blattfeder ausgelegt übernimmt sie die zusätzlich gesamte Achsführung.
Der Stoßdämpfer ist für Sicherheit und Komfort verantwortlich. Er hält die Feder im Zaum, verhindert ein Aufschaukeln und sorgt dafür, dass die Räder nicht anfangen zu springen um möglichst den Bodenkontakt nicht zu verlieren. Der Stoßdämpfer ist wesentlich beim Abbau der Energie von Stößen verantwortlich. Er begrenzt die Länge des Ausfederns, ist also für eine hohe Verschränkung entscheidend. Im Notfall kann ohne Stoßdämpfer gefahren werden, ohne Feder jedoch nicht.
Verschränkung – Die Verschränkung gibt es nur bei Starrachsen. Sie ist ein Maß für die Fähigkeit der Achsen, sich in Bezug zum Chassis und der jeweils anderen Achse, gegensätzlich zu bewegen. Einfach gesagt: wie tief beispielsweise das vordere rechte Rad einfedern und gleichzeitig das hintere linke Rad ausfedern kann. Je größer die Verschränkung eines Fahrzeugs ist, desto länger behalten die Räder Bodenkontakt und Traktion. Eine hohe Verschränkung ist also in stark verworfenem Gelände hilfreich.
Fahrzeuge mit niedriger Verschränkung verlieren schneller den Bodenkontakt mit einem oder mehreren Rädern. Sie benötigen dann eine Differenzialsperre um weiter zu kommen.
Je nach Konstruktion der Achsführung verschränken Achsen mehr oder weniger gut und mit mehr oder weniger Widerstand. Für das Gelände ist eine hohe Verschränkung mit wenig Widerstand von Vorteil. Zu niedrig darf der Widerstand aber auch nicht sein, da es dann zu unkontrollierbarem Wanken des Fahrzeugaufbaus kommt.
Verschränkung alleine reicht aber nicht immer aus. Um tatsächlich die Traktion zu erhalten, muss auch ein gewisser Anpressdruck gegen den Untergrund auf das Rad wirken. Dafür ist die Feder zuständig. Ist ein Rad so weit ausgefedert, dass sie keinen Druck mehr auf das Rad ausüben kann, nützt die hohe Verschränkung in dieser Situation nur wenig. Dann muss wieder eine Differenzialsperre weiterhelfen.
Achsanschläge – Diese Teile werden auch Achsbumper genannt. Kommt es aus irgendeinem Grunde dazu, dass die Achse auf einer oder auf beiden Seiten vollständig einfedert, fangen diese Puffer die Achse ab, bevor sie in den Rahmen schlägt oder die Federn komplett zu einem Block zusammengedrückt werden.
Die Puffer sind oft aus hartem Gummi. In diesem Fall können sie eine katapultartige Wirkung entwickeln. Schlägt die Achse auf ein Gummi und drückt es zusammen, wird die im Gummi gespeicherte Energie auch schlagartig wieder abgegeben. Das kann ein Fahrzeug erheblich destabiliseren. Für diesen Effekt ist gerade der Land Rover Defender bekannt.
Besser geeignet sind lange Bumper aus einem Elastomer-Kunststoff. Sie verhalten sich wie ein Schwamm. Die Achse presst sie schlagartig zusammen, wobei sie bereits viel Energie abbauen. Geht die Achse wieder zurück geben sie die gespeicherte Energie langsam wieder ab, nicht schlagartig. Im Wettbewerb werden hydraulische Achsanschläge benutzt.
Bodenfreiheit – Um über feste Hindernisse fahren zu können, ist eine möglichst große Bodenfreiheit notwendig. Bei Geländewagen wird die Bodenfreiheit in den allermeisten Fällen durch Höhe der Achsen über dem Boden begrenzt. Wie hoch die Achse über dem Boden ist, hängt im Wesentlichen von dem Durchmesser der Räder und dem tiefsten Punkt der Achse, dem Differenzial, ab.
Portalachsen – Bei Fahrzeugen mit Portalachsen, beispielsweise dem Unimog oder dem Volvo C303 (Lappländer), befindet sich die Achse nicht in der Radmitte sondern darüber. So wird zusätzliche Bodenfreiheit gewonnen.
Grundsätzliches zur Starrachse und ihrer Aufhängung
Die Starrachse ist an mehreren Punkten beweglich am Fahrzeug befestigt. Mittels Blattfedern oder den bereits genannten Lenkern. Sie übertragen die Kräfte zwischen Fahrzeug und Achse. Die Lenker übernehmen die Führug der Achse und halten sie dort, wo sie sein soll.
Die Achsen und insbesondere die Hinterachse sind für die Fahrstabilität von großer Bedeutung. Sie sollen grob gesagt nur einen Freiheitsgrad haben: senkrecht. Die Räder einer Achse sollen sich weder seitlich (Querversatz), noch ungleich nach vorne (Schrägstellen) bewegen und sie sollen sich auch nicht um sich selbst drehen. Warum sie das doch in einem gewissen Maße tun, wird im Laufe dieser Artikelreihe erklärt.
Wenn die Räder unabhängig voneinander ein- und ausfedern können, ist das von großem Vorteil für den Fahrkomfort und das Hoch- und Runterbewegen. Bei einer Einzelradaufhängung ist das auch ohne weiteres möglich. Bei einer Starrachse, bei der beide Räder miteinander verbunden sind, ist das je nach Achsführung nur bedingt möglich. Wenn ein Rad der Achse eintaucht, wird die Bewegung, je nach Konstruktion mehr oder weniger, auch auf das andere Rad der Achse übertragen. Dabei entsteht bei einigen Konstruktionen sowohl ein Querversatz als auch ein Schrägstellen.
Vor- und Nachteile der Starrachse
Vor fünf Jahren lag der Anteil von Fahrzeugen bis 3,5 Tonnen zulässiges Gesamtgewicht mit einer starren Hinterachse bei gut 22,5 Prozent. Bei Vorderachsen lag der Anteil nur noch bei gut 1,4 Prozent.
Warum dann doch eine Starrachse? Sie hat im Gelände einige ganz entscheidende Vorteile gegenüber einer Einzelradaufhängung. Und warum es trotzdem Geländewagen mit einzeln aufgehangenen Rädern gibt, erfahrt ihr in dieser Artikelserie auch.
Vorteile – Die Starrachse ist sehr günstig zu produzieren und somit wirtschaftlich. Bei angetriebenen Achsen müssen im Grunde nur zwei Achsrohre auf die richtige Länge gekürzt und mit einem Differenzialgehäuse verbunden werden. Oftmals werden dazu die abgelängten Rohre einfach in ein Gehäuse eingemufft und an einigen Punkten verschweißt.
Starrachsen sind sehr robust und hoch belastbar. Das nützt sowohl im Gelände als auch beim Transport von Lasten oder dem ziehen von Anhängern.
Bei der Hinterachse ohne gelenkte Räder entfallen auch Sturz- und Spurprobleme. Sie sind immer gleich. Sind die Räder gelenkt, muss nur die Spur eingestellt werden.
Starrachsen bieten einen hohen Wankpol, ungefähr auf Höhe der Radmitte. Das Fahrzeug neigt weniger zum Wanken, da der gedachte Hebel zwischen dem Schwerpunkt des Fahrzeugs und dem Wankpol kleiner ist, als es häufig bei Einzelradaufhängungen der Fall ist.
Im Gelände bietet die Starrachse den Vorteil, in jeder Lage immer die gleiche Bodenfreiheit zu haben. Kennst du diese einmal, kannst du immer abschätzen ob du über ein Hindernis kommst oder nicht. Bei einer Einzelradaufhängungen, bei der die Höhe nicht eingestellt und fixiert werden kann, ist die Bodenfreiheit variabel und nicht abschätzbar. Die Gefahr gegen ein Hindernis zu fahren und das Auto zu beschädigen ist hier sehr hoch.
Einzelradaufhängungen, deren Höhe eingestellt werden können, beispielsweise bei einer Luftfederung, können auf der größten Höhe fixiert werden und so eine gleichbleibende Bodenfreiheit gewährleisten. Der Nachteil ist jedoch, dass die einzelnen Räder nicht mehr einfedern können, um sich so dem Gelände besser anzupassen. Die Gefahr das einzelne Räder so den Bodenkontakt verlieren und dass das Auto kippt ist dabei höher.
Nachteile – Selbstverständlich hat sie auch Nachteile. Sie braucht unter dem Fahrzeug über die gesamte Breite Platz, um einfedern zu können. Dadurch bekommt das Fahrzeug einen höheren Schwerpunkt. Den muss ein Geländewagen aber sowieso in Kauf nehmen, da ein zu tief liegender Aufbau im Gelände weniger Freiheit bedeutet. Auch bei der Führung des Auspuffs und der Positionierung des Tanks muss das berücksichtigt werden.
Elastokinematische Effekte, wie die dynamische Spur- und Sturzeinstellungen, die anliegende Radkräfte nutzen um positiv auf das Fahrverhalten einzuwirken entfallen nahezu. Da sich bei der Starrachse beide Räder gegenseitig beeinflussen, neigen sie zum Trampeln. Je stärker, desto unwillger die Achse verschränkt.
Die Längsführung einer Starrachse führt beim ungleichen Ein- und Ausfedern zur Schrägstellung der Achse. Die Räder stehen dann nicht mehr parallel zur Fahrtrichtung. Dadurch erzeugen sie ungewollte Lenkkräfte, das sogenannte Wanklenken.
Die seitliche Führung durch einen Panhardstab erzeugt einen seitlichen Versatz beim Ein- und Ausfedern. Das macht sich im Anhängerzugbetrieb und bei schnellem Fahren über unebenes Gelände negativ bemerkbar, da das Heck seitlich versetzt.
Der notwendige Nickausgleich beim Anfahren und Bremsen ist nur eingeschränkt möglich, bei Blattfedern ist er so gut wie nicht vorhanden. Die Achsen neigen daher bei Lastwechseln umso leichter zum Trampeln, je weniger Nickausgleich möglich ist.
Die Achse ist aus Stahl gefertigt und schwer. Hier wird von ungefederter Masse gesprochen. Streng genommen ist das kein Problem, welches nicht mit den richtigen Federn und Dämpfern abgefangen werden kann. Nur in einer Massenproduktion wird gerade einmal die Kombination gewählt, die einer großen Bandbreite an Einsatzzwecken bei normaler und im Gelände eher niedriger Geschwindigkeit entspricht. Wer darüber hinaus will, beispielsweise im Geschwindigkeitswettbewerb, muss fahrwerksseitig aufrüsten.
Die Starrachse ist ein guter Kompromiss
Da es hier um Geländefahrzeuge geht, die oftmals auch als Nutzfahrzeug herhalten, ist die Starrachse trotz der genannten Nachteile ein bewährtes und sehr gutes System. Der Fahrkomfort, die Sicherheit und die Geländegängigkeit haben durch die Schraubenfeder gegenüber der Blattfeder enorm zugenommen, wenn sie auch nicht an die eines Fahrzeugs mit Einzelradaufhängung heranreichen. Aber bei einem Geländewagen geht es ja auch um Geländegängigkeit, Nutzfaktor und Langlebigkeit und weniger um hohe Geschwindigkeiten.
Starrachse mit Blattfedern
Kommen wir jetzt zu den verschiedenen Achsaufhängungen und Führungen, die bei Geländewagen mit Starrachse zum Einsatz kommen. Die Blattfeder ist die älteste Achsführung und Aufhängung. Bis 1970 Land Rover mit dem Range Rover Classic neue Wege beschritt und erstmals Schraubenfedern benutzte, war sie für Vorder- und Hinterachse Standard bei Geländewagen.
Die Blattfeder wird auch bei modernen Fahrzeugen nach wie vor verwendet. Überall dort, wo es mehr auf Zuladung als auf Komfort ankommt: im LKW, bei Transportern und Pickups. Beispiele wären aktuelle Fahrzeugmodelle wie der VW Amarok, der Ford Ranger oder langjährige Modelle wie der Toyota HZJ78. Dort ist sie zumeist an der Hinterachse zu finden. An der Vorderachse finden sich dann Schraubenfedern.
Die Blattfeder übernimmt fast alle Funktionen
Ein Achsaufhängung mit Blattfedern benötigt nur noch einen Stoßdämpfer. Längs-, Querlenker und Federfunktion übernimmt die Blattfeder selbst. Bei manchen Fahrzeugen finden sich trotzdem zusätzliche Längs- oder Querlenker.
Sie besteht aus einer oder mehreren übereinander gelegten Stahlblättern. Sie ist an zwei Punkten, den Federaugen, mit dem Rahmen verbunden. Eine Seite davon ist beweglich an einem Schäkel befestigt, der sich für den Längenausgleich beim Ein- und Ausfedern bewegen kann. In der Mitte sind alle Federlagen über den Herzbolzen miteinander verbunden. Zwei Klammern, die Briden, verbinden das Federpaket fest mit der Achse. Einzelne Federklammern halten die Federn am Platz und bestimmen auch, welche Federlagen immer und welche nur beim Einfedern wirken.
In modernen Fahrzeugen werden Parabolfedern eingesetzt, die übrigens von Land Rover erstmalig in Fahrzeugen genutzt wurden. Sie besitzen eine Parabelform, so dass es nur einiger weniger Federlagen bedarf. Das macht das gesamte Federpaket im Schnitt gut 35 Prozent leichter. Zwischen den Federlagen ist ein Luftspalt. So verändert die Feder über die Laufzeit ihre Charakteristik nicht und kann auch gut gegen Korrosion geschützt werden.
Funktionsprinzip
Die Blattfeder nutzt die Elastizität der länglichen Federblätter. Durch Auswahl des Materials, seiner Dicke, der Länge der Blätter, ihrer und Vorspannung und das Übereinanderlegen mehrerer Lagen kann das gewünschte Verhalten eingestellt werden. Durch die Reibung zwischen den einzelnen Blattlagen besitzt die Blattfeder sogar eine schwingungsdämpfende Wirkung. Früher wurde sogar auf Stoßdämpfer verzichtet.
Unterschiedlich lange Federblätter, von denen einige erst unter Last zum Tragen kommen, erzeugen eine progressive Wirkung. Sie erzeugen mehr Federdruck, je weiter das Paket durchgedrückt wird. Einige Fahrzeuge haben ein sehr steifes unterstes Federblatt, welches bei hoher Beladung ein weiteres Durchdrücken verhindert. So wird ab einem bestimmten Punkt die Höhe des Aufbaus gehalten. Allerdings wird die Federung in diesem Fall auch sehr hart.
Bewegungsrichtungen der Achse
Die Verbindung der Blattfeder mit der Starrachse ist fest und steif. Ihren Bewegungsfreiraum bekommt sie durch das Auge an den Befestigungspunkten und den Gummis, um die sich das Auge legt. Sie erlauben einen seitlichen Versatz und eine Verdrehung, die für die Verschränkung wichtig ist.
Beim Ein- und Ausfedern bewegt sich die Achse ein wenig nach vorne oder hinten. Ursächlich dafür ist der Längenausgleich über den beweglichen Schäkel. Federt die Achse gleichmäßig ein, verschiebt sie sich gerade. Federt die Achse ungleichmäßig ein, stellt sie sich leicht schräg zur Fahrtrichtung.
Verhalten auf Straße und im Gelände
Straße – Nehmen wir die heutigen Federsysteme Schrauben- und Luftfedern), wie sie in PKW und Geländewagen mit Starrachsen zu finden sind, als Maßstab, so ist die Starrachse die unkomfortabelste und störrischste Variante.
Da sie keine Drehung um sich selbst zulässt (Nicken), kann es bei Lastwechseln zu einer wellenförmigen Bewegung (Trampeln) der Achse kommen, was sich als Rütteln bemerkbar macht. Andere Achsaufhängungen erlauben ein begrenztes Nicken, so dass sich dort dieser Effekt nicht einstellt.
Ein weiterer negativer Effekt ist der S-Schlag. Insbesondere bei den starken Kräften, die beim Anfahren und Bremsen wirken, möchte sich die Achse gerne um sich selbst drehen. Da der Herzbolzen und die Briden das verhindern, stützen sich die Kräfte dabei an den Federblättern ab. Dabei wirken einseitig hohe Kräfte auf die jeweils vordere oder hintere Hälfte des Federblatts, je nachdem ob es um die Vorder- oder Hinterachse geht oder ob angefahren oder gebremst wird. Bei starkem Anfahren oder Bremsen kann das zu einem Bruch des Federblatts führen.
Ihre Führung ist generell nicht so präzise wie bei anderen Systemen oder einzeln aufgehangenen Rädern. Das hat im Vergleich zu den anderen Systeme negative Auswirkungen auf die Sicherheit und den Komfort.
Im Gelände – Am Verbindungspunkt zwischen Achse und Blattfeder ist keine Verdrehung möglich. Daher muss die Blattfeder die gesamte Verschränkung aus der möglichen Verdrehung an den Befestigungspunkten (Auge und Gummilager) und aus dem möglichen Ein- und Ausfederweg leisten. Durch das geringe Spiel im Auge der Blattfeder und der Federkraft steht der Verschränkung ein großer Widerstand entgegen. In der Folge verschränkt eine Starrachse mit Blattfedern, im Vergleich zu anderen Achsführungen, nur widerwillig.
Im Zubehörmarkt gibt es sogenannte Revolverschäkel, die eine wesentlich höhere Verschränkung erlauben. Sie sind länger als die normalen Schäkel und können sich verdrehen. Sie sollten während der Straßenfahrt verriegelt werden können, da sie erheblich auf das Fahr- und Bremsverhalten wirken. In der Regel sind sie daher nur per Einzelabnahme beim TÜV (Westdeutschland) oder der Dekra (Ostdeutschland) legal zu fahren.
Vor- und Nachteile
Vorteile – Die Blattfeder ist simpel und überall auf der Welt bekannt. Es gibt nur zwei Gummibuchsen pro Feder. Sind diese ausgeschlagen oder kaputt kann zumindest langsam weitergefahren werden. Sie ist robust und kann viel Last aufnehmen. Federbrüche, sofern dies nicht das Federauge betreffen, können leicht mit einem Provisorium repariert werden.
Aber die Blattfedern können leicht provisorisch repariert werden.
Nachteile – Von Komfort kann bei einer Blattfeder im Vergleich zu anderen Federarten nicht gesprochen werden. Die Seitenführtung ist durch die konstruktionsbedingt entstehenden langen Hebel und dem für die Verschränkung notwendigen Spiel in den Augen unexakt. Durch das fehlende Nicken neigt sie zum Trampeln. Das fühlt sich wie das Fahren auf einer Rüttelpiste an. Im Gelände verschränkt sie um so widerwilliger, je steifer sie für hohe Zuladung ausgelegt ist.
Das 4×4 Passion-Video zu diesem Teil
Offroad-Wissen mit Ralf Ehlermann: Achsen 1 – Blattfeder – 4×4 Passion #18