Grundlagen Fahrwerk

Gerks · 14. Januar 2011 um 23:00

Funktion einer Feder

Die lineare Feder, erkennbar an ihrer gleichmäßigen Wicklung, hat eine gleichmässige Kennlinie. Das heißt, daß der Federweg direkt proportional zur einwirkenden Kraft ist. Mit anderen Worten: doppelt so große Kraft ergibt einen doppelt so großen Federweg. Die Feder wird also mit zunehmender Kraft linear härter, und zwar bis sie komplett zusammengedrückt ist.
Progressive Federn verhalten sich dagegen anders. Sie sind bei geringer Kraft relativ weich und werden überproportional mit der Kraft immer härter. Erkennbar sind progressive Schraubenfedern an den Wicklungen, die ungleichförmig (abnehmend) angeordnet sind.
Durch Kombination von 2 linearen Federn unterschiedlicher Härte und Eigenschaften kann man eine progressive Kennlinie erzeugen.

Bauformen von Federn
a) Zylindrische Schraubenfeder mit unterschiedlichen Drahtdurchmessern (Taper-Wire-Federn)
b) Zylindrische Schraubenfeder mit unterschiedlichem Wicklungsabstand und Drahtdurchmesser
c) Schraubenfeder in Kegelform
d) Schraubenfeder in Tonnenform („Miniblockfeder“)

Miniblockfedern werden hauptsächlich auf der Hinterachse verbaut, wo sie dank ihrer geringen Abmessungen und ihrem sehr gute Komprimierungsverhalten ein größeres Kofferraum-Volumen ermöglichen.

Bilder von physik-am-auto.de

Funktionsweise des Dämpfers

Dämpfer (besser gesagt Schwingungsdämpfer) machen nichts anderes, als Energie umzuwandeln. Und zwar Bewegungsenergie (von der Feder) in Wärmeenergie.
Fahrzeugschwingungen ziehen den Dämpfer auseinander (Zugstufe) oder drücken ihn zusammen (Druckstufe). In der Zugstufe übernimmt das Kolbenventil, in der Druckstufe das Bodenventil die Dämpfung.

Dämpfer benutzen dazu Bohrungen, durch die das Öl umgepumpt wird. Da diese Bohrungen recht klein sind (diese werden bei Zug- und Druckstufenverstellung auf oder weiter zu gemacht), erwärmt sich das Öl und gibt es anschließend an die Umwelt ab.
Durch die Stoßdämpfer werden die Reifen vor allem beim Durchfahren von Kurven, aber auch bei Vollbremsungen auf der Straße gehalten. Ohne deren Schwingungsdämpfung würden die Räder nach dem Einfedern selbsttätig wieder ausfedern. Bildlich gesehen „hüpft“ das Fahrzeug wie ein Gummiball auf der Fahrbahn. Ein Fahrzeug mit Federn ohne Stoßdämpfer ist daher nicht sicher steuerbar.

Beim Ausfedern wird die Feder von der Zugstufe am Entspannen behindert. Dadurch wird das Ausfedern zeitlich verzögert, was den Dämpfungseffekt bewirkt. Ist die Zugstufe zu weich abgestimmt, wird das Rad nach dem ersten Bodenkontakt noch einmal aufgeschaukelt.
Das Kolbenventil setzt dem Öl, das aus dem Raum oberhalb des Kolbens nach unten strömt, einen Widerstand entgegen. Die Aufwärtsbewegung (-schwingung) wird abgebremst (gedämpft).

Um zu verhindern, daß die Räder bei einer Fahrbahnunebenheit nach oben schnellen, wird die Dämpfung beim Einfedern von einem Dämpfer gebremst. Man nennt dies die Druckstufe. Ist die Druckstufe zu weich eingestellt, hebt das Rad kurzzeitig ab, ist sie zu hart eingestellt, wird der Fahrer durchgeschüttelt.
Oftmals werden härteverstellbare Dämpfer in der Zugstufe fälschlicherweise zu gedreht, was dazu führt, daß der Wagen normal einfedert aber umso langsamer ausfedert.
Der Dämpfer gleicht sozusagen nicht vollständig die Unebenheit aus und es kommt zu den sehr unsportlich ausschauenden Hüpfbewegungen des Fahrzeugs

Dämpfer-Typen

Herstellerübergreifend gibt es zwei grundsätzliche Bauformen von Dämpfern.

2-Rohr-Hydraulikdämpfer
Dies ist die klassische Bauform eines Dämpfers.
Zwei ölgefüllte Rohre stecken ineinander, die Kolbenstange bewegt sich im dünneren, inneren Rohr und hat selbst kein Ventil. Das Ventil sitzt unten im Dämpfer („Bodenventil“) und regelt den Ölfluss zwischen innerem und äußeren Rohr.
Hier entweicht das von der Kolbenstange verdrängte Öl über ein Bodenventil ganz unten (im Bild rechts) im Dämpfer. Beim Ausfedern saugt der Arbeitskolben das verdrängte Öl wieder zurück.

Beim Einfahren der Kolbenstange (1) wird das Dämpferöl durch ein Bodenventil (2) in das äußere Rohr (3) gedrückt Beim Ausfahren der Kolbenstange fließt das Öl zurück.
Mit der Zeit und hohem Arbeitsaufkommen erhitzt sich das Öl und dehnt sich im Ausgleichsbhälter zwischen den beiden Rohren aus.

Bei besseren Zweirohrdämpfern (2-Rohr-Gasdruckdämpfer) hat das Gaspolster im Ausgleichsraum aber auch mehrere bar Überdruck (ca. 5 bar), was hier zwar rein konstruktiv nicht unbedingt nötig ist, aber eben sinnvoll, weil dadurch das Öl im Ausgleichsraum unter Druck steht und dadurch nicht so leicht oder stark aufschäumen kann.
Ein aufgeschäumender Dämpfer verliert seine Dämpfungseigenschaften und ein schwammiges Fahrgefühl ist die Folge.

Vom zusätzlichen Niedergasdruck wird die Kolbenstange aus dem Dämpfungsrohr gedrückt.

Vorteile:

langlebig
oft ein- bzw. nachstellbar

Nachteile:

im Renneinsatz empfindlich gegen Überhitzung durch die kleinere Ölmenge
Wärmeenergie muß 2 Metallwände durchdringen
empfindlich gegen „Durchschlagen“ bei extremen Tieferlegungen (Bodenventil wird von Kolbenstange zerstört)
eher teuer im Aufbau und Material
nicht lageunabhängig (nicht Upside-Down-Konstruktion möglich)

1-Rohr-Gasdruckdämpfer
Hier befindet sich der Ausgleichsraum (der immer mit Luft/Gas, bzw. konkret Stickstoff gefüllt ist) direkt unter dem mit Öl gefüllten Arbeitsraum, welche durch einen Trennkolben voneinander getrennt ist (im Bild rechts). Federt das Auto ein, wird der Trennkolben nach unten gedrückt, bzw. je weiter eingefedert desto weiter nach unten gedrückt und das Gaspolster verdichtet. Und beim Ausfedern drückt der Gasdruck, im Ausgleichsraum, den Trennkolben wieder nach oben.

Hier ist alleine konstruktiv schon ein hoher (Gas-) Überdruck (von rund 25bar) im Ausgleichsraum nötig. Dieser bewirkt ausserdem auch noch, dass das Öl im Arbeitsraum immer gut unter Druck steht und deshalb auch nicht aufschäumen kann. Und weil alles in einem Rohr verbaut wird, nennt man solche Dämpfer 1-Rohr-Gasdruckdämpfer.

Beim Einfahren der Kolbenstange (1) wird Öl verdrängt. Der bewegliche Trennkolben (2) drückt jetzt das Gaspolster (3) zusammen. Beim Ausfahren der Kolbenstange drückt das Gas den Trennkolben wieder in seine Ausgangslage zurück.

Gedämpft wird immer mit Öl, egal ob Ein- o. Zweirohr-Konstruktion.

Vorteile:

einfach herzustellen, weniger Material
kaum Überhitzung durch große Ölmenge und die Wärmeenergie muß nur eine Metallwand durchdringen
lageunabhängig (Upside-Down-Konstruktion)
kleinere Abmessungen problemlos möglich.

Nachteile:

kaum mit einstellbaren Ventilen machbar
Dichtung meistens nicht so langlebig, da sie deutlich mehr Druck aushalten müssen

Bilder von KFZ-Tech.de und seatszenehessen.de

Woran erkennt man, ob man Ein- oder Zweirohrdämpfer hat?
Fährt die Kolbenstange von alleine im unbelasteten Zustand nicht aus, kann es nur ein Zweirohrdämpfer sein und in diesem Fall ein Zweirohr ohne nennenswerten (Gas-) Überdruck im Ausgleichsraum.
Ist es aber einer mit Gas-Überdruck im Ausgleichsraum, muss man messen, mit welchem Druck die Kolbenstange drückt.
Mit ca. 25kg = Einrohr. Mit ca. 5kg = Zweirohr. Damit sollte auch gleich noch beantwortet sein, welche Dämpfer ein Auto sogar ein bisschen aus den Federn heben können. 25kg x 2 Dämpfer pro Achse = 50 kg Entlastung pro Achse. Diese Tatsache hebt einen Fronttriebler wie z.B. einen Polo, zumindest an der Hinterachse, deutlich sichtbar hoch.
Besonderheit Upside-Down-Konstruktion
Der Dämpfer ist „umgedreht“ eingebaut und mit dem schwereren, ölgefüllten Teil an der Karosserie befestigt. Dadurch sind die bewegten Teile der Radaufhängung („ungefederte Massen“) deutlich leichter und ein feineres Ansprechen mit weniger „Rumpeln“ auf schlechten Straßen ist die Folge. Der radführende obere Dämpferteil ist stabiler als die dünne Kolbenstange, was eine harmonischere Fahreigenschaft zur Folge hat.
Dieser Aufbau kann nur mit 1-Rohr-Gasdruckdämpfer, deren Einbaulage unabhängig ist, durchgeführt werden.
Solche Konstruktion sieht man häufiger bei Motorrädern und seltener bei Autos.

Berechnung der Federrate

Federstahl

Situation

Ein Polo 9N/9N3 fährt fünf mal in ein Schlagloch und wird durch die Erdkraft nach unten beschleunigt.
Das Auto hat jeweils andere Federn verbaut - Reifen, Luftdruck, Dämpfer und Zuladung sind im Beispiel absolut gleich.
(Auto hat die Federn für die kleinste Traglast - es gilt nur Vorderachse)

Frage: Welche Feder federt am stärksten ab?
Folgende Formel zur Berechnung der Federrate c wird benutzt.

c = Federrate / Härte

d = Drahtdurchmesser
D = Federdurchmesser
i = Windungszahl
G = m*g (Berechnung der Gewichtskraft)
m = Masse eines Körpers
g = Erdbeschleunigung, gilt in dem Beispiel 9,81m/s²
F = Kraft, gleichgesetzt mit Gewichtskraft

Folgende Kandidaten treten an, da sie Federn mit einer linearen Kennlinie aufweisen.

Weitec 30mm
Eibach 30mm
H&R 35mm (aus dem Cup-Kit Sportfahrwerk)
Supersport 35mm Sportfahrwerk
Fintec 35mm

Progressive Federn können aus den vorhandenen Gutachten nicht berechnet werden, da der Progressionsfaktor, welche die Kurve beschreibt, unbekannt ist.
Kein Hersteller hatte dazu weitere Informationen.

Nach Eingabe der Daten aus den Gutachten ergibt sich eine Grafik:

KW suspension 35mm ist baugleich mit Eibach Pro-Kit 30mm und hat somit die gleiche lineare Steigung.
H&R hat die höchste Federrate - Supersport hat die geringste.

1. Frage: Wie sehr kann man eine Feder komprimieren, bis sie komplett gestaucht ist?

(Gesamtfederlänge unkomprimiert - Anzahl Windungen * Drahtstärke)

H&R hat den kürzesten Federweg, dafür ist die Feder aber am härtesten.
Supersport hat den zweitkürzesten Federweg, ist aber am weichsten.

1. Frage: Wieviel Kraft wird benötigt, damit die Feder komplett gestaucht ist?

H&R: 173,25mm * 1,78N/mm = 308,385N/mm²
Eibach: 215,4mm * 1,46N/mm = 314,484N/mm²
Weitec: 222,8mm * 1,42N/mm = 316,376N/mm²
Fintec: 203,75mm * 1,3N/mm = 264,875N/mm²
Supersport: 198,6mm * 1,04N/mm = 206,544N/mm²

Untersteuern - Übersteuern

Was bedeutet Untersteuern?
Untersteuern bedeutet, dass die Frontachse in Kurven stärker ausbricht als die Hinterachse. Der Polo erweckt den Anschein weiterhin geradeaus fahren zu wollen, obwohl man gelenkt hat. Das Fahrzeug neigt dazu auf das Äußere der Kurve hin zu steuern.
Elektronische Fahrstabilitätssysteme wie z.B. das ESP verhindern ein Untersteuern des Fahrzeugs durch einen frühzeitigen Eingriff, z.B. gezieltes Abbremsen einzelner Räder.

Das Fahrzeug schiebt beim Einlenken über die Vorderachse in Richtung äußerem Kurvenrand.

Folgende Ursachen können zum Untersteuern führen.

Vorderachse kein oder zu geringer Einfederweg
Vorderachsfeder zu hart oder viel zu weich, Fahrzeug liegt auf dem Anschlaggummi auf
Reifentemperatur zu niedrig
Luftdruck zu gering
Reifenmischung falsch
Zugstufe im Vorderachsdämpfer zu hart oder Vorderachs Stabi zu hart
Fahrzeugeinstellung (Spur, Sturz-Schräglaufwinkel)

Maßnahmen gegen Untersteuern

höherer Reifendruck vorn
breitere Reifen vorn
breitere Felgen vorn
negativer Sturz vorn
breitere Spur vorn
Stabilisator hinten
Reifentemperatur erhöhen (im Rennbetrieb)
Weichere Reifenmischung verwenden (im Rennbetrieb)
härtere Dämpfung (Druckstufe) oder Federung hinten
Vorderachsdämpfer die Zugstufe weicher stellen
Weicheren Vorderachsstabilisator verwenden
Vorderachsfeder weicher wählen – in manchen Fällen ist die Vorderachsfeder allerdings viel, viel zu weich dann auf härtere Federn zurückgreifen
Frontspoiler

Was bedeutet Übersteuern?

Von Übersteuern wird dann gesprochen, wenn die Hinterachse in Kurven stärker ausbricht als die Vorderachse.
Der Polo dreht sich mehr als man es beabsichtigt.
Das Fahrzeug neigt sich eher zur Innenseite der Kurve.

Das Fahrzeug bricht beim Einlenken mit dem Heck in Richtung äußeren Kurvenrand aus.

Folgende Ursachen können zum Übersteuern führen.

Hinterachs Stoßdämpfer in der Zugstufe zu hart
Hinterachs Stoßdämpfer im Maximum zu kurz
Reifentemperatur zu niedrig
Reifenluftdruck zu gering
Reifenmischung falsch
Hinterachsfeder zu hart
Hinterachsstabi zu hart
Hinterachs-Einfederweg zu gering, Fahrzeug liegt auf dem Anschlaggummi auf
Fahrzeugeinstellung (Spur, Sturz-Schräglaufwinkel)

Maßnahmen gegen Übersteuern

höherer Reifendruck hinten
breitere Reifen hinten
breitere Felgen hinten
Reifentemperatur erhöhen (im Rennbetrieb)
Weichere Reifenmischung verwenden (im Rennbetrieb)
negativer Sturz hinten
breitere Spur hinten
Stabilisator vorn
härtere Dämpfung (Druckstufe) oder Federung vorn
Hinterachsdämpfer die Zugstufe weicher stellen
Weichere Hinterachsfeder verwenden
Weicheren Hinterachsstabilisator verwenden
Hinterachseinfederweg erhöhen, wenn Fahrzeug auf dem Anschlagsgummi aufliegt
Heckspoiler

Generelle Maßnahmen gegen Übersteuern und Untersteuern

Um die Seitenführungskraft und damit die Kurvengrenzgeschwindigkeiten zu erhöhen, sollte man folgendes tun:

Breitreifen
höherer Luftdruck
Breitere und leichtere Felgen
Wagen tieferlegen (Schwerpunkt tiefersetzen)
negativer Sturz vorn und hinten
Stabilisatoren vorn und hinten
Spur vorn und hinten verbreitern
Auftrieb reduzieren (Front-/Heckspoiler)

Durch die einseitige Verwendung der o. g. Möglichkeiten läßt sich ungewünschtes Eigenlenkverhalten mildern oder beseitigen.