Federung (Fahrzeug)

Schraubenfederung plus Stoßdämpfer

Blattfederung, Stoßdämpfung erfolgt unter anderem durch Reibung zwischen den einzelnen Blättern der Federn

Die Federung eines Fahrzeugs

• sind die Bauteile, die Radachsen und Fahrzeugaufbau gedämpft elastisch nachgebend miteinander verbinden;
• ist die Beschreibung des Zusammenwirkens dieser Bauteile.

Formal gehören die Federungsbauteile zum Fahrwerk.

Die Aufgaben der immer zusammen mit Stoßdämpfern wirkenden Federung sind:

• Sie verbessert den Fahrkomfort, indem sie Aufbau und Insassen vor den von den Bodenunebenheiten verursachten Stößen und vor längerem Anhalten der dabei erzeugten Schwingungen schützt.
• Sie sorgt bei hoher Fahrgeschwindigkeit für eine gute Fahrdynamik, das heißt für möglichst gleichmäßige Bodenhaftung der Räder. Ohne sie wäre die für ausreichende Fahrsicherheit nötige Kraftübertragung zwischen Straße und Fahrzeug nicht vorhanden. Das Fahrzeug könnte von der Fahrbahn abkommen und wäre nur eingeschränkt bremsbar.

Für ausreichende Fahrsicherheit müssen die Schwingungen schneller abklingen als es für den Fahrkomfort erforderlich ist. Die Abstimmung zwischen Federung und Dämpfung ist daher stets ein Kompromiss.

Zur Zeit der Kutschen diente die Federung ausschließlich dem Fahrkomfort. In den schneller fahrenden Kraftfahrzeugen wurde sie zusätzlich für die Fahrsicherheit unerlässlich.

Feder und Stoßdämpfer

Das elastische Nachgeben des gefederten Aufbaus bei einem von der Fahrbahn verursachten Stoß ist die Auslenkung seines sich einstellenden Schwingens. Der Zweck, die hohe Stoßkraft in eine etwas länger anhaltende kleinere Belastung des Aufbaus und seiner Insassen umzuwandeln, ist nach einer Auslenkung erreicht. Länger anhaltendes Schwingen ist nutzlos und wird von den Insassen als unangenehm empfunden. Ohne besondere Maßnahmen schwingt der Aufbau - eine gefederte Masse - aber zu lange, weshalb Schwingungsdämpfer (bei Kraftfahrzeugen Stoßdämpfer genannt) eingebaut werden.

Die Schwingung muss auch zur Gewährleistung der Fahrsicherheit schnell gedämpft werden, weil die Kraft zwischen Straße und Rädern beim Schwingungsausschlag in die Gegenrichtung sinkt und nicht mehr ausreichend sein kann.

Feder und Stabilisator

Ein Stabilisator ist ein Bauteil, das die beiden Radachsen einer Fahrzeugachse elastisch nachgebend miteinander verbindet. Er hat meistens die Form eines Drehstabes.

Wenn nur eine Seite eines Fahrzeugs einfedern muss, wird auf diese Weise die dadurch verursachte Querneigung (Wanken) verkleinert. Die Räder dieser Seite stützen sich zusätzlich über die Stabilisatoren und die Tragfedern der gegenüber befindlichen Räder am Aufbau ab. Die gegenüber befindlichen Räder federn ebenfalls ein, aber weniger als die diesseitigen. Die Differenz ist die Federung der Stabilisatoren (Stabilisator und gegenüber befindliche Tragfeder sind in Reihe angeordnet).

Ungefederte und gefederte Masse

Der zu federnde Aufbau ist die gefederte Masse. Die ungefederte Masse ist die auf die Vertikalbewegung der Radmitte reduzierte Masse der mitbewegten Bauteile.

Zu den ungefederten Massen zählen außer der Radmasse:

• die Bremsen
• der Radträger
• Teile der Radaufhängung (Federn, Achslenker).
• die Achswellen (angetriebene Achsen, bei Einzelradaufhängung nur teilweise zuzurechnen)

Die unerwünschten Radlastschwankungen und in geringerem Maß die Beschleunigungen am Aufbau werden umso geringer, je kleiner die ungefederte Masse im Verhältnis zur gefederten Masse des Fahrzeugs ist. Um ein solches günstiges, d.h. kleines, Verhältnis von ungefederter zu gefederter Masse zu erreichen, werden an Sport- und Rennwagen besonders leichte Felgen aus Aluminiumlegierungen, Magnesiumlegierungen oder CFK sowie leichte Bremsanlagen beispielsweise mit Kohlenstofffaser-Keramik-Bremsscheiben eingesetzt.

Federweg

Der Weg, den das Rad zwischen unbelasteter (Radlast Null) und belasteter Stellung (meist doppelte statische Radlast) zurücklegt, wird als Gesamtfederweg bezeichnet. Im Ruhezustand lastet die Masse des Fahrzeugs auf den Federn und reduziert den Gesamtfederweg um den Negativfederweg auf den Positivfederweg.

Ein großer Federweg ermöglicht den Ausgleich großer Fahrbahnunebenheiten, bewirkt jedoch einen hohen Schwerpunkt des Fahrzeugs und steht daher bei zweispurigen Fahrzeugen hohen Geschwindigkeiten in Kurven entgegen. Sportwagen verfügen daher in der Regel über einen kleinen Federweg. Je kürzer der Federweg ist, desto steifer müssen die Federn sein. Dies gilt für konventionelle Stahl-Linearfedern, deren Kraft mit der Wegverkürzung zunimmt, und für Stahl-Drehstabfedern, deren Drehmoment mit dem Verdrehwinkel ansteigt, es gilt jedoch nicht in jedem Fall für Luft-, Gas-, Hydraulik- oder Kombinationssysteme.

Federkennlinie

Für einen guten Fahrkomfort wird die Federung bei einer Referenzbeladung (Konstruktionsbeladung) auf eine festzulegende Aufbauresonanzfrequenz ausgelegt. Dies ergibt eine relativ weiche Federkonstante der Tragfeder, bei der auch der Beitrag der Lenkerlager, die beim Federn tordiert werden (Nebenfederrate), zu berücksichtigen ist. Um bei Zuladung nicht den verfügbaren Federweg zu überschreiten, wird die Kennlinie, meist durch Gummipuffer in einfachen Fällen z.B. Blattfedern auch durch die Feder selbst, zunehmend progressiv gestaltet. Beim Ausfedern wird das Rad durch einen Ausfederanschlag gehalten. Durch eine Ausfederbremse kann auch der Ausfederast progressiv gestaltet werden. Bei zweispurigen Fahrzeuge wird durch zusätzliche Stabilisatoren der Wankwinkel bei Kurvenfahrt und die Radlastverteilung zwischen Vorderachse und Hinterachse beeinflusst.

Bauformen

Bei den ersten Automobilen wurde die Federung wie bei Kutschen durch je ein Paar Blattfedern pro Achse erreicht. Bis heute wird diese Konstruktion an Nutzfahrzeugen eingesetzt.

Die heutzutage gebräuchlichste Form der Federung ist die mit Schraubenfedern.

Der VW-Käfer hatte bereits in den Vorkriegsprototypen hinten zwei Drehstabfedern (Torsionsfedern), die anfangs häufig brachen, bevor das richtige Material gefunden war. In der Großserie gab es dann keine Probleme damit. Dabei ist für jedes Rad in einem festen Rohr ein Drehstab in der Fahrzeugmitte fest gelagert und an der Fahrzeugseite ca. 30 cm vor der Hinterrad-Antriebsachse drehbar gelagert; dort sitzt auf dem Drehstab das sogenannte „Federschwert“ als Hebelarm, an dem das Halbachspendel mit dem Radlager befestigt ist.

In den 1950er Jahren gab es beim BMW 501/502 und bei amerikanischen Autoherstellern Fahrzeuge mit längs angeordneten Torsionsfedern, teilweise sogar mit Niveauregulierung.

Die bei Bussen und Lkw verbreitete Luftfederung, bei der ein Kompressor Luftdruck erzeugt, der über Federbälge eine komfortable Aufhängung mit der Möglichkeit einer Niveauregulierung bewirkt, wurde in Deutschland erstmals von Borgward verwendet. In den sechziger Jahren war ein Teil der Oberklasselimousinen von Mercedes-Benz luftgefedert.

Citroën baut in seinen PKW der Mittelklasse und Oberklasse seit der Citroën DS eine hydropneumatische Federung (Hydropneumatik) ein. In der Vergangenheit haben Mercedes-Benz und Rolls-Royce es in Lizenz verwendet. Mit dem Citroën XM führte Citroën die elektronisch geregelte Hydractive ein. Der Citroën Xantia Activa hatte zusätzlich Aktive Stabilisatoren, die die Seitenneigung in Kurven nahezu vollständig unterdrückten.

Mercedes-Benz hat als erster deutscher Premiumhersteller 1998 die S-Klasse mit der sog. Airmatic ausgestattet, die aus einer vierfachen Luftfederung mit regelbaren Dämpfern (ADS) besteht. Hier wurde erstmals ein außengeführter Rollbalg mit axialen Festigkeitsträgern eingesetzt. Mittlerweile bieten verschiedene Hersteller die gehobenen Modelle mit einer (optionalen) Luftfederung an, was wesentlich zum Komfort beiträgt. Das Niveau kann mit der Luftfederung der Fahrsituation angepasst werden (Niveauregulierung). Beispielsweise kann im Gelände das Niveau erhöht oder auf der Autobahn abgesenkt werden, wodurch sich der Luftwiderstand verringert.

Als Höhepunkt der bisherigen technischen Entwicklung gilt die computergestützte vollaktive Federung, wie zum Beispiel Active Body Control bei der 1999 eingeführten Mercedes-Benz CL-Klasse, bei der es sich um ein hydraulisches System zur aktiven Federfusspunktverstellung handelt.

Noch nicht in Serienfahrzeugen zu finden ist die elektrische Federung, bei der ein elektromagnetischer Linearmotor das Rad nach unten drückt bzw. wieder hochzieht. Sämtliche Schlaglöcher, über die man fährt, sollen komplett abgedämpft/abgefedert werden, ohne dass die Insassen des Fahrzeugs etwas davon spüren. Dieses System ermöglicht es auch theoretisch, das Fahrzeug über Hindernisse springen zu lassen.

Zweiräder

Zur Fahrradfederung und bei Motorrädern werden verschiedene Federungssysteme eingesetzt. Häufig zu finden ist eine Teleskopgabel vorn, die außer der Federung auch die Radführung mittels ineinanderschiebbarer Rohre übernimmt.

Hinterradfederungen sind meist als Schwinge ausgebildet. Bei Motorrollern ist diese Schwinge oftmals zugleich Antriebsträger mit Motor und Getriebe, was jedoch die ungefederten Massen erhöht; diese Anordnung heißt Triebsatzschwinge. Seltener sind Federungs- und Radführungssysteme auch getrennt, wie zum Beispiel die Achsschenkellenkung bei der Yamaha GTS 1000 oder der Bimota Tesi. Erfolgreich etabliert hingegen sind die „Telelever“-Systeme von BMW, die die Radführung am Vorderrad von der Federung entkoppelt. In früheren Zeiten wurden Vorderräder auch oft mittels Schwingen geführt; unterteilt wird in Lang- und Kurzschwingen sowie geschobene und gezogene Schwingen; Schwingen mit besonders kurzen Schwingarmen werden aus als Schwinghebelgabeln bezeichnet. Sonderbauformen der Schwingen sind die Parallelogrammgabeln und die Pendelgabeln von Motorrädern der 1920er- und 1930er-Jahre.

Das hintere Laufrad von Fahrrädern ist heutzutage auch oft gefedert; dies bedeutet einen enormen Komfortgewinn.

Dreiräder

Trikes (ein Vorderrad, Hinterachse) haben hingegen in der Regel keine Telegabel (sie wäre für das hohe Gewicht zu instabil), sondern Schwingenführungen am Vorderrad. Die asymmetrische Variante des „Dreirads“, das Motorrad-Gespann, hat aus Gründen der Nachlaufverkürzung und leichteren Lenkbarkeit oftmals eine „Earles-Gabel“ vorn, eine geschobene Langschwingengabel mit getrennten Bauteilen zur Radführung und -federung; das Hinterrad verwendet meist die vom Motorradhersteller vorgefundene Anordnung, und der Beiwagen hat in aller Regel eine Längsschwinge oder einen Schräglenker.

Threewheeler haben für das angetriebene einzelne Hinterrad eine motorradähnliche Schwinge, während die beiden Vorderräder einzeln an doppelten Querlenkern mit Blatt- oder Schraubenfedern aufgehängt sind, oder wie bei Morgan Threewheelern an Schiebehülsen.

Weblinks

• Paul Balzer: Animationen der gedämpften Schwingungen in einem „Viertelfahrzeug“ (Massen von: 1 Rad, 1/4 des Aufbaus und 1/4 des Fahrers)