Die Entwicklung von Fahrwerken

Inhaltsverzeichnis:

1. Einleitung in das Thema

2. Definition des Fahrwerks

3. Die Federung
3.1. Anforderungen an eine Federung in Pkws
3.2. Blattfedern
3.3. Drehstabfedern
3.4. Schraubendruckfedern

4. Die Dämpfung
4.1. Anforderungen an die Dämpfung in Pkws
4.2. Zweirohrdämpfer
4.3. Einrohrdämpfer

5. Feder-Dämpfer-Kombinationen

6. Moderne Fahrwerke und Fahrwerke in der Zukunft

7. Schluss

Literaturverzeichnis

1. Einleitung in das Thema

Diese Hausarbeit, verfasst im Rahmen des ISA Moduls „Dynamik von Kraftfahrzeugen“, handelt über das Fahrwerk von Personenkraftwagen.

Das alltägliche Abendprogramm im Fernsehen ist gespickt mit Webeblöcken in denen Autowerbung allgegenwärtig ist. Die Marken und Hersteller liefern sich förmlich einen Kampf um die Kunden und um die beste Visualisierung ihrer Entwicklungen. Nicht all zu selten hört man dabei in einer Fernsehwerbung von neuen Innovationen oder verbesserten Techniken aus dem Bereich des Fahrwerkes. Viele Hersteller rühmen sich besonderen Fahrkomforts und Fahrsicherheit. Andere hingegen wollen Kunden mit der Sportlichkeit, bedingt durch neue Sportfahrwerke, für ihre Marke begeistern.

Hieraus resultiert der Kern dieser Ausarbeitung. Ich möchte versuchen zu klären welche Fahrwerke beziehungsweise Fahrwerkstypen es gab und gibt. Welche sind die aktuellen Modelle und was sind ihre Besonderheiten sowie Eigenschaften. Nichts desto trotz ist es von ungemeiner Wichtigkeit nicht nur das Fahrwerkssystem als Ganzes zu betrachten, sondern auch die Einzelkomponenten aufzugliedern und ihre Funktionsweise und Bedeutung zu erläutern.

Diese Arbeit ist dahingehend aufgebaut, dass anfänglich, die einzelnen Komponenten, Federung und Dämpfung, in den verschiedensten Ausführungen und Entwicklungen beschrieben werden. Im Weiteren wird auf die Kombinationsmöglichkeiten von Federung und Dämpfung auf der Grundlage der Erkenntnisse aus den ersten beiden Abschnitten der Arbeit eingegangen. In einem späteren Abschnitt gehe ich auch auf die neusten Möglichkeiten der Entwicklung ein und gebe einen Ausblick. Ziel soll es hierbei sein, zum einen die kontinuierlichen Verbesserungen in diesen Bereichen aufzuzeigen, zum anderen die Suche nach dem idealen Fahrwerk für Pkws darzustellen. Die Literatur aus und für diesen Bereich ist vielfältig. Ein Werk stach bei der Literaturrecherche jedoch besonders heraus. Das Fahrwerkhandbuch von Heißing und Ersoy aus dem Jahr 2007. Dieses fasst die Erkenntnisse aus dem Bereich der Fahrwerktechnik komprimiert und leicht verständlich zusammen. Für diese Arbeit dient es daher als primäre Quelle.

Bevor ich nun jedoch in das Thema der Federung und Dämpfung einsteige ist es meiner Meinung nach unabdingbar erst einmal eine grundlegende Definition des Fahrwerks aufzuzeigen. Dieses erfolgt im folgenden Kapitel.

2. Definition des Fahrwerks

Wie in jeder wissenschaftlichen Arbeit, ist es auch hier von Nöten, vorerst einmal eine Basis auf der Grundlage einer Begriffsdefinition zu schaffen. Ich möchte an dieser Stelle eingehend klären was ein Fahrwerk als System eigentlich ist.

Allgemein gesagt beinhaltet das Fahrwerk eines Pkws eine Reihe von Bauteilen. Diese umfassen nur um die Hauptkomponenten zu nennen, die Federung, die Dämpfung, die Räder, das Lenksystem, das Bremssystem und auch die Radaufhängung und –lagerung. Hierbei handelt es sich wie gesagt nur die Wichtigsten. Es existieren gerade heute viele weitere, auch höchst elektronische Komponenten.

„Das Fahrwerk ist die Summe der Systeme im Fahrzeug, die zum Erzeugen der Kräfte zwischen Fahrbahn und Reifen und zu deren Übertragung zum Fahrzeug dienen, um das Fahrzeug zu fahren, zu lenken und zu bremsen.“ (Heißing/Ersoy 2007, S. 7)

Aus dieser klar formulierten Definition ergeben sich viele verschiedene Anforderungen die an ein Fahrwerk gestellt werden. Es soll das Fahrzeug bewegen, rollen lassen, bremsen und lenken. Es soll den PKW in der vom Fahrer gewünschten Spur halten und externe Störungen wie beispielsweise Schlaglöcher oder Spurrillen kompensieren. Dementsprechend ist seine Aufgabe Schwingungen zu dämpfen und den Fahrzeugkörper abzustützen und zu federn. Im Wesentlichen soll das Fahrwerk die in der Definition beschriebenen Anforderungen auch unter widrigsten Umständen erfüllen können. Die Summe der Anforderungen und Aufgaben des Fahrwerks lässt sich in drei Begriffe zusammenfassen. Diese lauten: Fahrsicherheit, Fahrkomfort sowie Fahrdynamik. Diese drei Schlüsselbegriffe werden in dieser Arbeit durchgehend untersucht werden.

3. Die Federung

3.1. Anforderungen an eine Federung in Pkws

Bevor ich in den folgenden Kapiteln auf drei verschiedene Federarten eingehen werde, ist es zuvor unerlässlich die Anforderungen an eine Federung in einem Fahrzeug zu erklären.

Die Federung in einem Kraftfahrzeug dient hauptsächlich dem Fahrkomfort und der Fahrsicherheit. Durch das Federn des Aufbaus, der so genannten „gefederten Masse“, sollen Hub-, Nick-, sowie Wankschwingungen reduziert und wenn möglich vermieden werden. Darüber hinaus schützt das Federsystem vor Stößen, die beispielsweise durch Fahrbahnunebenheiten hervorgerufen werden können. „Nickt“ ein Fahrzeug beim Überfahren von Bodenwellen nicht, sondern schwingt parallel ein und aus, so ist ein guter Federungsausgleich vorhanden“ (Reimpell/Betzler 2000, S. 317). Weiterhin dient die Federung dazu, die Bodenhaftung der Räder zu der Fahrbahn sicherzustellen. Die Kombination dieser Eigenschaften bietet dem Fahrer bei geringen Hub-, Nick- und Wankbewegungen einen hohen Fahrkomfort, trägt aber ebenso zu einer verbesserten Fahrsicherheit bei. Ein ruhigerer Fahrzeugaufbau, welcher über eine gute Bodenhaftung der Räder verfügt, lässt sich dementsprechend leichter steuern und besser kontrollieren. (Heißing/Ersoy 2007, S. 226)

Das Hauptziel einer Federung ist, über die Sicherstellung der Fahrsicherheit hinaus, auch ein möglichst gleich bleibenden Fahrkomfort zu gewährleisten. Hierbei sind natürlich auch die unterschiedlichen Beladungszustände eines Fahrzeugs zu berücksichtigen. (Braesser/Seifert 2001, S. 474f) Lässt sich also ein absolut sicheres Fahrzeug bauen, welches in gleichem Maße komfortabel ist? In gewisser Weise überschneiden sich wie angesprochen die Bereiche der Fahrsicherheit und des Fahrkomforts, jedoch gilt dies nur bis zu einem bestimmten Punkt.

Für die Fahrsicherheit bei hohen Kurvengeschwindigkeiten ist ein tendenziell härter gefedertes Fahrzeug besser einzustufen als ein rein auf Komfort und dementsprechend weicher gefedertes Kfz. Die Wankbewegungen sind aufgrund des oft höheren Schwerpunktes bei auf Komfort ausgelegten Fahrzeugen höher. Die Gefederte Masse liegt weiter von der Straße entfernt, die Massenträgheit lässt sich in Kombination mit der tendenziell weicheren Federung bei hohen Geschwindigkeiten nicht mehr ausgleichen. Dies beeinträchtigt die Fahrsicherheit. Dieses Beispiel zeigt, die „Abstimmung passiver Fahrwerke stellt einen Kompromiss zwischen Fahrsicherheit und Fahrkomfort dar.“ (Verein Deutscher Ingenieure, Kaus/Schöner 2003, S. 201)

3.2 Blattfedern

Blattfedern gelten heute als eine alte, jedoch immer noch aktuelle Möglichkeit von Federung, die, angefangen mit Kutschen, ihre Verwendung auch in Kraftfahrzeugen findet. Heutzutage findet man die Blattfeder in der modernen Fahrzeugtechnik nur noch in großen Nutzfahrzeugen und Aufliegern.

Blattfedern gelten nichts desto trotz als robust und zuverlässig, darüber hinaus sind sie kostengünstig zu produzieren. Die Funktionsweise der Blattfeder ist wie ihre Bauart einfach. Mehrere, im nicht belasteten Zustand gebogene Blattfedern werden dabei übereinander geschichtet und durch Klammern verbunden. An beiden Enden sind die Federn fest mit dem Aufbau des Fahrzeugs verbunden. Bei Belastung werden die Federn an den Enden herab gedrückt. Durch die Materialsteifigkeit der Blattfedern, drücken diese sich in ihre gebogene Ausgangsform zurück. (Heißing/Ersoy 2007, S.227)

Da die mehrfach geschichtete Blattfedern, im Vergleich zu beispielsweise Schraubenfedern, nur unwesendlich nachfedern, unterstützen sie die Stoß- (Schwingungs-) Dämpfer.

„Die schwingungsdämpfende Eigenschaft infolge der Reibung zwischen den einzelnen Federblättern ist einerseits von Vorteil, andererseits aber wegen des damit verbundenen Verschleißes auch von Nachteil.“ (Meissner/Wanke 1988, S.214)

Warum jedoch hat sich die einfach und robust konstruierte Blattfeder als Standartfederung in Pkws nicht durchsetzen können? Der Hauptgrund hierfür liegt in der oben angesprochenen Reibung zwischen den einzelnen übereinanderliegenden Federn.

Die Reibungskraft zwischen ihnen muss erst überwunden werden, bevor sich die Blattfedern durch die einwirkende Kraft verformen. Liegt die Kraft, beispielsweise hervorgerufen durch ein Schlagloch, unterhalb dieser aufzubringenden Reibungskraft zwischen den Blattfedern, wird ein Stoß ungefedert an den Fahrzeugaufbau weitergegeben. Diese Eigenschaft widerspricht der Idee einer modernen, komfortablen Federung in einem Pkw. Um die Reibungskräfte in Grenzen zu halten, muss die Feder zudem regelmäßig geölt oder gefettet werden und ist somit wartungsaufwendig. Dies ist bei anderen Federungen welche heute verwendet werden nicht der Fall. Die Blattfeder hat sich folglich als zu wenig flexibel und zudem noch wartungsintensiv erwiesen. Ihre positiven Eigenschaften können diese Mängel nicht aufwiegen. (Henker 1993, S. 213)

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