Federung

Schraubenfederung eines Kleinwagens

Blattfederung eines geländegängigen LKW

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 starken Beschleunigungen 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

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

Die Radlastschwankungen und in geringerem Maß die Aufbaubeschleunigungen werden umso besser, je kleiner die ungefederte Masse im Verhältnis zur gefederten Masse des Fahrzeugs ist ^[1]. Zu den ungefederten Massen zählen Räder, Radbefestigung, Bremsanlage und Teile der Aufhängung (Schwingungsdämpfer, Federn, Stabilisator, Achswelle).

Um ein möglichst günstiges Verhältnis von ungefederter zu gefederter Masse zu erreichen, werden an Sport- und Rennfahrzeugen besonders leichte Felgen aus Aluminiumlegierungen, Magnesiumlegierungen oder CFK, sowie leichte Bremsanlagen beispielsweise mit Kohlenstofffaser-Keramik-Bremsscheiben eingesetzt. Aufgrund ihrer Elastizität sind an Geländemotorrädern nach wie vor Speichenräder üblich.

Dämpfung

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

Bei den ersten Automobilen wurde die Federung wie bei Kutschen durch je eine Blattfeder pro Fahrzeugseite 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 Torsionsfedern, teilweise 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 4-Corner 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.

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 Bose-Federung, bei der ein Elektromotor 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 spüren. Dieses System ermöglicht es auch, das Fahrzeug über Hindernisse springen zu lassen. Außerdem soll die Bose-Federung nach den eigenen Wünschen programmierbar sein.

Zweiräder

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 ebenso 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

Dreiräder kombinieren meist die jeweiligen Systeme der verwendeten Vorder- und Hinterachs- bzw. Radführungen.

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 (als Beispiel Morgan Threewheeler) haben für das angetriebene einzelne Hinterrad eine motorradähnliche Schwinge, während die zwei Räder der Vorderachse eine Querlenkerführung mit Blatt- oder Schraubenfedern haben.

Literatur

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