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Fahrwerkstechnik im Detail, Teil 1: Federn: Lineare oder progressive Energiespeicher

Die Arbeitsweise eines Fahrwerks ist so existenziell wie schwer zu fassen. Obwohl das Setup über die Qualität des Autos entscheidet, kennen sich nur wenige damit aus.

Wenn ein Auto unter- oder übersteuert, sich in Kurven zur Seite neigt oder beim Bremsen einknickt, sind die Gründe im Setup des Fahrwerks zu suchen. Jenes entscheidet maßgeblich über das Wohlgefühl an Bord. Da im Rahmen des sport auto-Perfektionstrainings wiederholt Fragen zu diesem Thema an die Redaktion herangetragen worden sind, haben wir uns entschlossen, den verschiedenen Bauteilen eines Fahrwerks und ihrem Zusammenwirken eine Serie zu widmen.

Am Ende setzt sich das Mosaik zusammen

Generelles technisches Verständnis vorausgesetzt, sollten aufmerksame Leser nach Lektüre derselben dazu in der Lage sein, selbsttätig Änderungen am Setup ihres Autos vorzunehmen – zumindest in der Theorie. Den Startpunkt zur Reise an den Fahrzeug-Unterboden markieren die Federn. Die Folgekapitel befassen sich mit der Arbeitsweise der Stoßdämpfer, der Achsgeometrie und den zum Verständnis der Materie erforderlichen physikalischen Grundlagen. In der abschließenden fünften Folge werden die Mosaiksteinchen des Fahrwerkswissens zusammengesetzt: Hier geht es um das Gesamt-Setup.

Mission Durchschlagen vermeiden

Federn haben die Aufgabe, das Auto auf einem bestimmten Niveau zu halten. Im Normalfall soll es genau so hoch liegen, dass stets genügend Ein- und Ausfederweg vorhanden ist. Ferner müssen die Federn Stöße, die von der Fahrbahn an die Karosserie übertragen werden, abmildern und fahrerische Einflüsse wie Bremsen, Beschleunigen oder Lenken parieren können, ohne durchzuschlagen.

Physikalisch gesehen speichert eine Feder Energie. Diese Energie will Sie aber wieder loswerden. Demnach wird sie sich bei nächster Gelegenheit wieder entspannen wollen. Je nach Federrate erfolgt die Rückkehr in den Urzustand eher moderat oder mit Vehemenz. Die Entspannung zu kontrollieren, ist Aufgabe der Stoßdämpfer und Thema der nächsten Ausgabe.
Der Begriff Federweg beschreibt den maximal möglichen Weg vom vollständigen Aus- bis zum Einfedern. Es gibt einen positiven Federweg, dieser bezeichnet das Einfedern und einen negativen, der für das Ausfedern steht.

Federn werden gemäß ihrer Länge, ihrem Durchmesser und ihrem Härtegrad unterschieden. Letzterer wird in kg/cm oder N/mm angegeben. Der für Serienfahrwerke übliche Wert liegt bei rund 50 bis 60 kg/cm. Das heißt, dass man 50 Kilogramm Gewicht benötigt, um die Feder einen Zentimeter zusammenzudrücken. Im Rennsport sind bis zu 300 kg/cm möglich.

Tuningfedern sind meist kürzer und härter

Tuningfedern sind in der Regel kürzer, um eine Tieferlegung des Aufbaus zu erreichen, in der Folge aber auch härter, da der positive Restfederweg kürzer ausfällt, um den Aufbau bei stärkeren Stößen noch abfangen zu können. Progressiv gewickelte Federn werden beim Einfedern zunehmend härter, der kg/cm-Faktor der Feder steigt an. Dies geschieht, weil sich beim Einfedern immer mehr Windungen berühren und gleichsam auf Block gehen. Dadurch sind weniger Windungen aktiv. In der Folge verhärtet die Feder.

Ist die Tieferlegung so stark respektive die Feder so kurz, dass sie sich beim kompletten Ausfedern, zum Beispiel beim Überfahren von Kuppen oder Sprunghügeln vollständig entspannt, muss eine vorgeschaltete Helferfeder die Hauptfeder in der Aufnahme halten. Manche Tuner benutzen Helferfedern, die so hart sind, dass sie am aktiven Federverhalten sogar beteiligt sind, weil sie nicht sofort platt gedrückt werden, sobald das Fahrzeug am Boden steht, sondern eine gewisse Eigenspannung besitzen.

Kombinieren von Federn - Ein komplexes Gebilde

Werden mehrere Federn in einem Paket kombiniert, sollte zuvor darüber nachgedacht werden, was hier physikalisch überhaupt passiert. Schließlich gibt es – insbesondere im Rennsport – Fahrwerkskonstellationen, bei denen pro Federbein bis zu drei Federn miteinander interagieren. Im Fall eines Porsche GT 3 waren dies eine Hauptfeder mit 300 kg/cm, eine Vorfeder mit 60 kg/cm und eine Helferfeder mit 10 kg/cm Federrate.

Ein solches Paket hat ein sehr komplexes Federverhalten zur Folge. Die Helferfeder dient lediglich dazu, das Paket in den Aufnahme zu halten, falls es zu einer totalen Entlastung des Fahrzeugs kommen sollte. Die 60er-Vorfeder ist im statischen Zustand noch nicht auf Block, da geschätzte 240 Kilogramm Radlast geteilt durch 60 kg/cm lediglich vier Zentimetern Einfederweg entsprechen. So viel Federweg hat auch ein GT3 im Renn-Trim locker übrig. Es wirken demnach immer noch zwei der drei vorhandenen Federn.

Welche Federrate hat nun aber ein solches Paket zweier aufeinander gestellter Federn? Laut Formelsammlung ergibt sich die kombinierte Federrate Dges aus dem Quotienten des Produktes der Einzelfederraten und der Summe derselben (Dges-=(D1*D2)/(D1+D2)). In unserem Fall würde das Federpaket also mit 50 kg/cm arbeiten. In ihrer Kombination agieren die Federn somit weicher, als aufgrund der individuellen Federraten zu vermuten gewesen wäre. Anders als gedacht, nicht wahr?

Der Dämpfer muss entsprechend angepasst werden

Hinzu kommt, dass wir es in diesem Fall mit einer progressiven Federkennlinie zu tun haben: Bei einer ausgeprägten Senke geht die 60er-Feder auf Block, wodurch die Federrate abrupt auf 300 kg/cm ansteigt. Ist der Dämpfer nun aber auf die errechnete Gesamtfederrate von 50 kg/cm eingestellt, wäre er mit 300 kg/cm garantiert hoffnungslos überfordert. Demnach müssen in diesem Fall auch die Dämpfer mit entsprechend progressiven Kennlinien aufwarten.

Das Ausfedern erfolgt mit ebenso unterschiedlichen Geschwindigkeiten. Am Anfang sehr schnell, da die 300er Feder heftig drückt, schlussendlich jedoch nur noch mit der berechneten Gesamtfederrate, also mit 50 kg/cm. Demnach müsste der Dämpfer auch in der Zugstufe mit zwei verschiedenen Geschwindigkeiten reagieren können.

Zur Person: Wolfgang Weber

Wolfgang Weber ist dem Fahrwerk nicht nur aufgrund seiner Ausbildung zugetan. Der studierte Feinwerktechniker und Wirtschaftsingenieur hat die Tücken des Fahrzeug-Unterbaus auch bei seinen motorsportlichen Aktivitäten kennen gelernt. Nach Erfolgen in der Rallye-EM (Meister der Gruppe A 1992 und 1995) arbeitet er seit 1996 als Test- und Demonstrationsfahrer für die Firma RUF-Automobile. Seit Beginn des Jahres 2006 ist Weber fester Bestandteil des sport auto-Intruktoren-Kaders.

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Ausgabe

Heft 01/2006
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