Federung

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Schraubenfederung eines Kleinwagens
Blattfederung eines Geländewagens älterer Bauart

Die Federung ist Teil des Fahrwerks von Fahrzeugen. Sie soll gewährleisten, dass die Räder Fahrbahnunebenheiten folgen und dabei für möglichst gleichmäßige Bodenhaftung sorgen, der Rest des Fahrzeugs sich aber möglichst nicht auf und ab bewegt.

Ohne Federung würden Anregungen durch Fahrbahnunebenheiten ungefiltert auf das Fahrzeug übertragen werden, was speziell bei höheren Geschwindigkeiten zu sehr starkem Rütteln in vertikaler Richtung führen würde. Fahrzeug, Fahrer, Passagiere und Ladung wären starken Kräften ausgesetzt und die Räder würden zeitweise den Fahrbahnkontakt verlieren bzw. die Radlast sehr stark verringern. Die Federung dient also nicht nur dem Fahrkomfort, sondern vor allem der Fahrsicherheit und dem Schutz des Fahrzeugs.

Bereits die Bereifung trägt einen geringen Teil zur Federung des Fahrzeugs bei. Der Hauptteil wird jedoch durch die Federn erreicht.

Federweg[Bearbeiten]

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.

Der Federweg kann durch Federwegbegrenzer reduziert werden.

Ungefederte und gefederte Masse[Bearbeiten]

Der zu federnde Aufbau ist die gefederte Masse.

Die Federn stützen ihn über ungefederte Massen, im Wesentlichen die Achsen und Räder, auf dem Boden ab. Zu den ungefederten Massen zählen außerdem:

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.[1] 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.

Dämpfung[Bearbeiten]

Ohne Stoßdämpfer würde das Fahrzeug nach jeder Fahrbahnunebenheit oder Richtungsänderung lange nachschaukeln, da nur der Stoß aufgefangen würde. Diese Bewegungen beeinträchtigen nicht nur den Fahrkomfort, sie gefährden vor allem die Fahrsicherheit, da sich während des Schwingens die Kräfte, die das Rad auf die Straße drücken, ständig ändern, und damit auch die maximalen Kräfte, die der Reifen längs und quer übertragen kann. Beim Aufschaukeln wird somit das Fahrzeug in Kurven so instabil, dass es nicht mehr kontrolliert werden kann und unweigerlich ausbricht oder sich gar überschlägt. In der technischen Umsetzung hat sich daher – nicht nur in der Fahrzeugtechnik – eine Feder-Dämpfer-Kombination bewährt.

Bauformen[Bearbeiten]

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 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 eine aktive Fahrwerksstabilisierung, die die Seitenneigung in Kurven nahezu vollständig unterdrückte.

DaimlerChrysler hat als erster Premiumhersteller Ende der 1990er Jahre die S-Klasse mit der sog. AirMatic ausgestattet, die aus einer vierfachen Luftfederung mit regelbaren Dämpfern 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. 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 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[Bearbeiten]

Bei Fahrrädern und 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 zugleich Antriebsträger mit Motor und Getriebeuntersetzung, was jedoch die ungefederten Massen erhöht. Seltener sind Federungs- und Radführungssysteme auch getrennt verbaut, 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. 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[Bearbeiten]

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.

Literatur[Bearbeiten]

  1. M. Mitscke, H. Wallentowitz: Dynamik der Kraftfahrzeuge. Springer 2004.