Das Fahrwerk und vor allem Fahrwerks-Umbauten ist Thema für hunderte Raummeter Lagerfeuer-Brennholz. Nach der Reihe über Achsaufhängungen gehen wir jetzt auf zwei wichtige Komponenten des Fahrwerks ein, die Federn und Dämpfer. Im ersten Teil geht es um die Blattfeder.
Das Fahrwerk ist die Verbindung zwischen dem Fahrzeug und der Fahrbahn. Fast alle Kräfte, die auf das Fahrzeug wirken, werden nur an den Kontaktpunkten von Fahrbahn und Räder übertragen. Bei einem PKW ist das ungefähr die Fläche eines DIN-A4-Blattes, mehr nicht. Das macht deutlich, welche zentrale Rolle das Fahrwerk spielt. Es muss sicherstellen, dass der Kontakt zwischen Fahrbahn und dem Reifenlatsch (Reifenaufstandsfläche) möglichst nie abbricht. Gleichzeitig ist das Fahrwerk erheblich für den Fahrkomfort verantwortlich.
Zum Fahrwerk gehören zahlreiche Einzelsysteme, wie Lenkung, Bremsen, Rad, Radaufhängung bzw. Achsaufhängung und Stabilisatoren. Natürlich gehören auch die Federn und die Dämpfung dazu. Auf Federn und Dämpfer wollen wir in diesem Artikel näher eingehen, denn sie arbeiten sehr eng zusammen und müssen daher aufeinander abgestimmt sein.
Die Achsaufhängung haben wir ja bereits in mehreren Teilen bei Matsch&Piste besprochen, beginnend mit Teil 1 über die Achsführung mit Blattfedern.
Die Federung – Sicherheit, Funktion und Komfort
Zur Federung des Fahrzeugs gehören im Wesentlichen drei Komponenten: a) die Tragfedern, b) die Stabilisatoren und c) die Schwingungsdämpfung. Aufgabe ist es, Fahrzeug und Insassen sowohl vor unangenehmen Nick- und Wankbewegungen als auch vor Stößen zu schützen. Gleichzeitig soll der Kontakt vom Rad zum Untergrund immer aufrecht erhalten bleiben.
Dem Stoßdämpfer, der in Wirklichkeit kein Stoß- sondern ein Schwingungsdämpfer ist, kommt dabei die Aufgabe der Beruhigung zu. Die Reifen und Federn bilden schwingungsfähige Systeme. Bekommen sie einen Impuls, beispielsweise durch eine Unebenheit, fangen sie an zu schwingen. Das wäre zum einen sehr unkomfortabel, zum anderen würde der sichere Kontakt zum Boden verloren gehen. Der Stoßdämpfer beruhigt das System und ist somit für die Sicherheit beim Fahren sehr wichtig.
Was bedeutet schwingungsfähiges System?
Warum muss das schwingungsfähige System durch den Dämpfer beruhigt werden? Um das zu verstehen, könnt ihr einen einfachen Versuch machen. Nehmt euch ein Küchenmesser, das ist eure Feder. Haltet die Klinge mit dem Daumen auf der Tischkante und lasst das Messer frei über der Kante schweben. Nun zieht mit einem Finger den Griff nach unten und lasst ihn flitschen. Das Messer schwingt eine ganze Zeit lang.
Passiert das mit euren Rädern, ist das Fahrzeug nicht zu kontrollieren, ganz zu schweigen wie alles im Auto durchgerüttelt wird. Deshalb müssen Dämpfer dieses Schwingen und Aufschaukeln beruhigen. Sie sind daher ein sehr wichtiger Bestandteil der Fahrsicherheit.
In dieser kleinen Artikelreihe wollen wir euch die gängigen Feder- und Dämpferarten vorstellen. Es ist leicht nachvollziehbar, dass Federung und Dämpfung bei einem Fahrwerk zusammen betrachtet werden. Das gilt auch bei der Auswahl eines Fahrwerks oder dessen Veränderung. Passen beide nicht zusammen, sowohl von der Abstimmung als auch von den Dimensionen, kommt es zu im günstigsten Fall zu einem schlechten, unkomfortablen Fahrverhalten. Im ungünstigeren Fall kommt es zu Schäden oder der erheblichen Beeinträchtigung der Fahrsicherheit.
Die Feder
Die Federn im Fahrzeug, korrekt werden sie Tragfedern genannt, bestimmen die Höhe des Chassis über den Achsen. Sie stehen damit auch im direkten Zusammenhang mit der maximalen Last, die das Fahrzeug tragen kann. Wird ein Fahrzeug höher- oder tiefergelegt, geschieht das mittels anderer Federn. Wollt ihr trotz Zuladung die Verschränkung erhalten, wird auch das mit anderen Federn realisiert. Eine wichtige Eigenschaft der Feder ist in diesem Zusammenhang die Federrate. Sie gibt an, wie viel Kraft es braucht um eine Feder einen bestimmten Weg zusammen zu drücken. Je höher die Federrate ist, desto mehr Last kann die Feder tragen, ohne mehr zusammengedrückt zu werden.
Weiterhin nehmen sie, zusammen mit den Dämpfern, die Stöße auf, die durch den Untergrund in das Fahrzeug eingeleitet werden. Durch Verformung speichert eine Feder kurzfristig die Energie dieser Impulse. Diese will sie natürlich wieder abgeben. Damit dies sicher und komfortabel abläuft und nicht im Aufschwingen des Systems endet, gibt es den Stoßdämpfer. Gibt die verformte Feder ihre gespeicherte Energie wieder ab, muss sie im Dämpfer einen Kolben durch Öl bewegen. Dadurch wird die in der Feder gespeicherte Energie durch mechanische Arbeit im im Dämpfer abgebaut. Die kinetische Energie wird im Dämpfer in Wärmeenergie umgewandelt.
Verschränkung nützt nichts ohne Anpressdruck
Im Gelände sorgt die Feder zudem dafür, dass möglichst lang ein Anpressdruck erzeugt wird, der das ausgefederte Rad noch auf den Boden drückt. Ohne ausreichenden Anpressdruck dreht das Rad durch und es wird der Einsatz einer Sperre nötig. Der Anpressdruck geht dann verloren, wenn die Feder komplett entspannt ist, weil das Fahrzeuggewicht sich nicht mehr auf sie stützt.
Federarten
Heutzutage spielen als Tragfeder bei PKW und LKW drei Arten eine Rolle. Die älteste ist die Blattfeder. Am weitesten verbreitet ist die Schraubenfeder und seit einigen Jahren zunehmend die Luftbalgfeder. Es gibt noch andere Federsysteme, die entweder nur selten oder in speziellen Konstruktionen anzutreffen sind.
Blattfeder
Die Blattfeder ist der Veteran unter den Federn. Früher das gängigste Federsystem für alle Fahrzeuge, von der Kutsche bis zum LKW, ist sie seit dem Erfolg der Schraubenfeder in das Nutzfahrzeugsegment zurückgedrängt worden. Heute findet sie sich vornehmlich an den Hinterachsen moderner Pick-ups, wie dem VW Amarok, Toyota Hilux oder dem Isuzu D-Max oder bei Transportern wie dem VW Crafter, Mercedes Sprinter und anderen. Wenn es um hohe Zuladungen geht, hat sie immer noch die Nase vorn.
Feder und Führung in einem
Die Blattfeder nimmt eine Sonderstellung ein, da sie nicht nur der Federung dient, sondern konstruktiv auch die Verbindung zwischen Chassis und Achse ist und die Achsführung übernimmt (siehe Achsführung). Bei älteren Fahrzeugen gibt es sogar Konstruktionen, bei denen alleine die Reibung zwischen den einzelnen Federlagen die Aufgabe der Dämpfung wahrnimmt.
Balkentheorie
Vom Prinzip her ist eine Blattfeder eine einseitig eingespannte Biegefeder, mit einem Federblatt zu jeder Seite. Ihr Verhalten wird im wesentlichen über die Balkentheorie bestimmt. Im einfachsten Fall, der Flachfeder, sind mehrere Lagen flacher, vorgespannter (gebogener) rechteckiger Stahlbänder übereinander gelegt. Die Briden sind der Einspannpunkt und befestigen Achse und Feder miteinander. Die Enden der Hauptfederlage sind als Augen ausgeführt. In diesen Augen befinden sich federnde Gummi- oder Polyuretan-Buchsen, mit denen die Blattfeder an den Aufnahmepunkten des Rahmens befestigt ist. Eine Seite ist fest, die andere, der Schäkel, ist in Längsrichtung beweglich, um den Längenausgleich der Feder beim Ein- und Ausfedern zu ermöglichen. Berühren sich die Federlagen untereinander, reiben sie aneinander, was einen Dämpfungseffekt hat.
In der Mitte werden sie durch den Herzbolzen zusammengehalten, der die Federlagen in Längsrichtung fixiert, aber ein Verdrehen zulässt (wie auf dem Bild bei der Trapezfeder weiter unten zu sehen ist). Alle Federlagen haben mittig ein Loch, durch die der Bolzen durchgeht. In der Länge halten die Federklammern die Lagen zusammen.
Oft ist die zweite Lage unter der Hauptlage noch um das Auge herumgebogen. Das dient der Sicherheit. Sollte das Auge brechen, wird die Karosse noch abgefangen.
Die Grundformen der Blattfeder
Auch wenn es scheint, als könnte man zur Blattfeder nicht viel sagen, so gab es auch bei ihr einige Innovationen. Für die Blattfeder gibt es vier Grundformen, die unterschiedliche Eigenschaften haben. Heutzutage spielen in der Praxis nur noch drei dieser Formen eine Rolle, die Flach-, die Trapez- und die Parabelfeder, auch Parabolfeder genannt. Bei der Trapez- und der Parabolfeder wird der Querschnitt des Federblatts über die Länge verändert. Entweder ändert sich dessen Breite (Trapez) oder die Dicke (Parabol) zu den Enden hin. Durch diese Querschnittsänderungen wird die Steifigkeit positiv verändert und die Materialauslastung gleichmäßiger über das gesamte Blatt verteilt. Dabei ist es nicht egal, ob sich in Biegerichtung die Breite oder Dicke ändert. Beides erzeugt unterschiedliche Effekte.
Die Trapezfeder ist ein Resultat der Dreiecksfeder, die eigentlich die ideale Form in Bezug auf die Verteilung der Last auf das gesamte Federblatt darstellt.d.h. das gesamte Federmaterial wird gleich belastet und arbeitet mit. Da sie an ihren Enden aber zu schmal für die Belastung wird, schnitt man das spitze Ende ab und erhielt so die Trapezfeder. Die Dreiecksfeder konnte sich nicht durchsetzen.
Flachblattfeder
Die ursprüngliche und einfachste Form ist die Flachblattfeder. Sie besteht aus simplen, rechteckigen, gebogenen Stahlbändern, die in mehreren Lagen als Packung übereinander liegen. Sie ist günstig in der Herstellung und kann viel Last aufnehmen.
Ihre Nachteile sind, dass sie kaum Komfort bietet und die Biegelast hauptsächlich nur an der Einspannung auftritt. Die Federarbeit wird größtenteils dort geleistet. Zudem berühren sich alle Federlagen auf der gesamten Länge und verschieben sich beim Durchbiegen gegeneinander. Dadurch entsteht eine unbestimmbare Dämpfung. Sie hängt vom Alter, der sich ändernden Oberflächenbeschaffenheit (Lack, Rost, Abnutzung) und Verschmutzungen zwischen den Lagen ab. Aufgebrachte Schutzanstriche, die vor Rost schützen sollen, gehen mit der Zeit verloren, so dass eine Flachblattfeder gewartet werden muss.
Trapezfeder
Die am häufigsten anzutreffende Form ist die Trapezfeder. Der Name Trapez rührt daher, dass wenn alle Lagen der Feder nebeneinander ausgebreitet würden, entstünde die Form eines doppelten Trapez.
Der Vorteil der Trapezfeder gegenüber der veralteten Standardform der Flachfeder, ist dass sich die Biegemomente nicht hauptsächlich an der Einspannstelle befinden, sondern gleichmäßiger über das ganze Blatt verteilt sind. Dadurch ist die Federarbeit der Trapezfeder deutlich besser und das Material arbeitet über die gesamte Länge mit. Das bietet ein weicheres Ansprechen und somit auch mehr Komfort. Sie ist günstiger in der Herstellung als die Parabolfeder.
Das leichte verdrehen der Blätter ist normal und wird beispielsweise durch Verschränkung oder Kurvenfahrt verursacht.
Die Nachteile der Trapezfeder sind die der Flachblattfeder, was die Berührung der Federlagen angeht. Um sie dennoch möglichst haltbar zu machen, gehen gute Hersteller hin und verdichten die Oberflächen. Die Verdichtung wird insbesondere auf der oberen Blattseite durchgeführt, die beim Einfedern auf Zug belastet wird. Das Verdichten des Materials auf dieser Seite entlastet die auf Zug belasteten Bereiche.
Die Bilder zeigen Old Man Emu (OME) Blattfedern. Ihre Oberflächen werden durch Glasperlen-Beschuss verdichtet. Durch diese Maßnahme verdoppelt sich im Durchschnitt die Lebensdauer der Federblätter. Die zwei geraden unteren Federlagen, die Unterstützungslagen, wirken erst bei hoher Beladung. Auch sie sind als Trapez ausgelegt.
Parabolfeder
Die komfortabelste und leichteste Blattfeder ist die Parabolfeder, auch Parabelfeder genannt. Ihre Form entspricht der einer Parabel, denn sie ist in der Mitte dicker als an ihren Enden. Das letzte Viertel der Feder wird meistens nicht mehr dünner, damit das Federblatt zum Ende hin nicht zu schwach wird. Die Breite bleibt gleich. Sie wird entweder mit einem oder mit zwei Federblättern realisiert. Die doppelte Lage kommt zum Einsatz, wenn die Berechnung der Feder ergibt, dass sie in der gewünschten Breite nicht das ganze Gewicht tragen kann. Die Parabolfeder spricht auch Unbeladen sehr weich an. Heuzutage findet sie sich meistens bei bei Transporterfahrzeugen.
Ihr großer Vorteil ist die Gewichtsersparnis von gut 30% gegenüber einer vergleichbaren Trapezfeder. Ein weiterer Vorteil ist, dass sich die Lagen nicht auf ganzer Fläche berühren, daher ist ihr Dämpfungsverhalten besser zu bestimmen und es kann einfacher Korrosionsschutz betrieben werden. Dafür ist sie in der Herstellung teurer, da sie auf die entsprechenden Dicken ausgewalzt wird.
Noch ein Wort zur Blattfeder
Wenn ihr einen modernen Pick-up fahrt, habt ihr auf der einen Seite ein Fahrzeug, welches im Windkanal optimiert, gedämmt und schallisoliert wurde. Je nach Marke und deren Anspruch haben Sound-Ingenieure sich jeder Geräuschquellen des Fahrzeugs angenommen. Gleichzeitig besitzt das Auto häufig das älteste Federsystem, die Blattfeder. Das ist in gewisser Weise ein Spagat. Diese Feder wurde schon in Fahrzeugen verbaut, bei denen es normal war, das sämtliche Motor-, Getriebe und Laufgeräusche sogar eine Unterhaltung unmöglich machten. In diesen Zeiten und bei solchen Fahrzeugen fiel die Blattfeder und ihre Geräuschkulisse gar nicht auf.
Ein Blattfederfahrwerk arbeitet, es reibt, schiebt und verdreht seine Federblätter gegeneinander und das macht Geräusche. Es kann Knacken, Klacken und Quietschen. Dadurch, dass Flächen aufeinander reiben, was bei Schraubenfedern nicht der Fall ist, hat auch der aktuelle Zustand zwischen den Blattlagen Einfluss auf die Geräusche. So kann Dreck und Salz zwischen den Lagen genauso Geräusche erzeugen, die sonst nicht zu hören wären, wie zu viel Fett zwischen den Lagen. Mit diesem Effekten müsst ihr leben, wenn ihr euch für ein entsprechendes Fahrzeug entschieden habt.
Alles einzeln oder im Paket
Angesichts der Bedeutung des Fahrwerks ist es empfehlenswert sich an Fachleute zu wenden, wenn ein Umbau ansteht. Wie im Artikel über den Death Wobble beschrieben, verändert ihr bei einem Umbau nicht nur Höhe und Federweg, sondern ihr greift, je nach Ausmaß der Änderungen, erheblich in die Fahrwerksgeometrie ein. In jedem Fall sollten Federn und Dämpfer immer zusammen betrachtet und ein aufeinander abgestimmtes Fahrwerks-Paket ausgewählt werden.
Ein Fahrwerk für ein breites Einsatzspektrum
Wer eine Verbesserung seines Fahrwerks über eine größere Bandbreite von Einsatzzwecken sucht, sollte sich für ein Komplettpaket bestehend aus Federn und Dämpfer eines Herstellers entscheiden. Wer sich beispielsweise für einen Anbieter wie z.B. Old Man Emu (OME) entscheidet, hat zum einen den Vorteil ein komplett abgestimmtes Fahrwerk zu bekommen und zum anderen, weltweit schnell den passenden Ersatz zu erhalten und nicht auf einen einzelnen Anbieter angewiesen zu sein, der möglicherweise eine so individuelle Einstellung vorgenommen hat, dass er diese zunächst anfertigen muss, bevor er sie zu euch in die Welt verschicken kann.
Spezialisiertes Fahrwerk
Wer ihr ein Fahrwerk für einen speziellen Einsatzzweck sucht, weil ihr eine extrem schwere Kabine auf den Pick-up habt, sich die Beladung im Reise- und Standard-Modus zu sehr unterscheidet oder wenn es euch um Rallyes oder Trial-Wettbwerbe geht, sucht euch am besten einen Fahrwerks-Spezialisten aus der Szene. Bei solchen Anpassungen wird in der Regel mehr fällig, als nur ein Austausch von Dämpfern und Federn. Hier muss eine Gesamtbetrachtung aller Fahrwerkskomponenten und ggf. auch des Antriebsstrangs erfolgen. Nicht selten müssen dann spezielle Anpassungen am Rahmen und den Aufnahmen für Dämpfer und Federn durchgeführt, zusätzliche Teile gekauft oder angefertigt werden.
© Doreen Kühr, Unternehmensfotografie NRW