Grundlagen der Fahrwerksabstimmung – Von Federn und Dämpfern bis hin zu Geometrie und aktiver Fahrwerksregelung

0. Was dieser Artikel erklärt

• Welche Federn und Dämpfer jeweils wirken und wie das Viertel-Fahrzeug-Modell sie beschreibt.

• Warum Fahrkomfort und Fahrstabilität im Widerspruch zueinander stehen und wie die Steifigkeit gewählt wird.

• Die strukturellen Unterschiede und Stärken von MacPherson-Federbeinen, Doppelquerlenkern und Mehrlenkerachsen.

Der aktuelle Stand der aktiven/adaptiven Dämpfung mit MagneRide, ZF CDC und Porsche Active Ride.

• Der Zusammenhang zwischen Gewichtsverlagerung beim Bremsen (Eintauchen der Fahrzeugfront) und Federung.

1. Kurz gesagt: Was ist eine Federung?

Die Federung ist der Mechanismus, der den Reifen auf der Fahrbahn hält und gleichzeitig die von der Straße auf die Karosserie übertragenen Stöße abfedert. Die Feder trägt das Gewicht der Karosserie und speichert kurzzeitig die Energie der vertikalen Bewegung, während der Dämpfer (Stoßdämpfer) diese Schwingung in Wärme umwandelt, sodass sich das Fahrzeug beruhigt. Die Geometrie (Anordnung der Querlenker) bestimmt die Bahn, entlang derer sich Winkel und Position des Reifens verändern, und damit, wie sich die Fahrzeuglage in Kurven und beim Beschleunigen/Bremsen ändert. In den letzten Jahren wurde dies durch elektronische Steuerungssysteme ergänzt, die die Dämpfungskraft oder die Fahrzeughöhe situationsabhängig aktiv anpassen und so immer häufiger zum Einsatz kommen.

2. Feder und Dämpfer: Das Viertel-Fahrzeug-Modell

Abbildung 1 – Das Viertelwagenmodell (Ein äquivalentes Modell für ein einzelnes Rad). Die Fahrbahneinwirkung wird über die Reifensteifigkeit k_t auf die ungefederte Masse m_u und anschließend über die Feder k_s und den Dämpfer c auf die gefederte Masse m_s übertragen.

Die Bewegungsgleichungen für das einfachste Viertelfahrzeugmodell mit zwei Freiheitsgraden lauten:

Wenn man die gefederte Masse als einen einzigen Freiheitsgrad betrachtet, ergeben sich die Eigenfrequenz und das Dämpfungsverhältnis wie folgt:

Bei \zeta<1 (unterdämpft) schwingt die Schwingung während der Konvergenz; bei \zeta=1 (kritisch gedämpft) konvergiert sie in kürzester Zeit ohne Schwingungen; und bei \zeta>1 (überdämpft) verläuft die Konvergenz langsamer. Die gefederte Masse eines Pkw befindet sich im Allgemeinen im unterdämpften Bereich. Der Wert für \zeta liegt oft zwischen 0,2 und 0,4, um ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Fahrkomfort und Dämpfung zu erzielen. Die ungefederte Seite wird maßgeblich von der Reifensteifigkeit k_t bestimmt und schwingt mit einer deutlich höheren Frequenz als die gefederte Seite. Dadurch ergibt sich eine Arbeitsteilung: Reifen und Fahrwerk absorbieren feine Unebenheiten der Fahrbahn, während Feder und Dämpfer größere Stöße wie Bodenwellen abfangen.

3. Der Kompromiss zwischen Fahrkomfort und Fahrstabilität

Abbildung 2 – Ein Konzeptdiagramm, keine Messdaten. Eine steifere Federung reduziert die Wank- und Nickbewegungen der Karosserie und verbessert tendenziell die Fahrstabilität. Allerdings wird die Absorption von Fahrbahnunebenheiten erschwert, und der Fahrkomfort verschlechtert sich tendenziell.

Eine steifere Feder oder ein steiferer Dämpfer verringern die Wankbewegungen in Kurven und die Nickbewegungen beim Beschleunigen/Bremsen, stabilisieren den Reifenkontakt und verbessern die Fahrstabilität. Andererseits werden Unebenheiten der Fahrbahn direkter auf die Karosserie übertragen, was den Fahrkomfort verschlechtert. Eine weichere Abstimmung verbessert zwar den Fahrkomfort, führt aber zu stärkeren Lageänderungen, größeren Reifenlastschwankungen und erschwert das Einschätzen des Fahrverhaltens im Grenzbereich. Die Abstimmung eines Serienfahrzeugs erfordert die Wahl zwischen zwei optimalen Aspekten: Sportwagen sind auf Fahrstabilität ausgelegt, während Luxuslimousinen und Minivans den Fahrkomfort priorisieren. Die in Abschnitt 5 beschriebene adaptive Dämpfung ist eine Technologie, die diesen ansonsten festen Kompromiss je nach Fahrsituation anpasst.

4. Aufhängungsarten: Geometrische Unterschiede

Abbildung 3 – Vereinfachte schematische Darstellung (keine exakte Geometrie, sondern ein Konzeptdiagramm der Struktur). Bei einem MacPherson-Federbein dient das Federbein selbst gleichzeitig als Feder-/Dämpfergehäuse. und Lenkachse. Bei einer Doppelquerlenkerachse steuern zwei unabhängige Querlenker, ein oberer und ein unterer, die Bewegung des Achsschenkels. Bei einer Mehrlenkerachse sind drei bis fünf Lenker einzeln angeordnet, um die Bewegungsfreiheitsgrade präzise zu steuern.

MacPherson-Federbein: Ein einzelnes Federbein, in dem Feder und Dämpfer integriert sind, stützt den oberen Teil des Achsschenkels direkt ab, während ein einzelner unterer Querlenker den unteren Teil fixiert. Durch die geringe Bauteilanzahl ist es leicht, kompakt und kostengünstig zu konstruieren, weshalb es häufig in kleinen und mittelgroßen Fahrzeugen mit Frontantrieb eingesetzt wird. Der Nachteil besteht darin, dass das Federbein die Kraft über den Federbeindom auf die Karosserie überträgt, wodurch dort eine entsprechend hohe Steifigkeit erforderlich ist.

Doppelquerlenkerachse: Unabhängige obere und untere Querlenker stützen den Achsschenkel, wobei Feder und Dämpfer separat von den Querlenkern montiert sind. Da die Länge der Querlenker und der Anstellwinkel unabhängig voneinander ausgelegt werden können, lassen sich Sturzänderungen und die Rollzentrumshöhe in Kurven präzise steuern. Aus diesem Grund wird diese Bauweise bevorzugt in Sportwagen, Luxuswagen und Rennwagen. Der Nachteil: mehr Bauteile und mehr Platzbedarf.

Mehrlenkerachse: Anstelle einer oberen/unteren Aufteilung verwendet diese Bauweise drei bis fünf Lenker mit individuell unterschiedlichen Winkeln und Längen. Sie kommt hauptsächlich bei der Hinterradaufhängung zum Einsatz. Da jeder Lenker einen Freiheitsgrad besitzt, lassen sich Spur- und Sturzwinkel individuell für Kurvenfahrt, Bremsen und Beschleunigen abstimmen. Dadurch können Fahrkomfort und Fahrstabilität durch die Geometrie optimiert werden. Die Konstruktions- und Fertigungskosten sind bei den drei Bauweisen tendenziell relativ hoch.

5. Aktive und adaptive Dämpfung

Feste Feder-/Dämpferkennlinien unterliegen dem in Abschnitt 4 beschriebenen Kompromiss, doch die elektronische Steuerung, die diese während der Fahrt anpasst, ist weit verbreitet.

Adaptive Dämpfung verändert ausschließlich die Dämpfungskennlinie des Dämpfers in Echtzeit. GMs Magnetic Ride Control (MagneRide) füllt den Dämpfer mit einer magnetischen (magnetorheologischen) Flüssigkeit und variiert deren Viskosität mithilfe des durch eine Spule fließenden Stroms. So wird die Dämpfungskraft ohne mechanisches Ventil verändert. Als Markenname des Entwicklers Delphi soll er erstmals im Cadillac Seville STS von 2002 zum Einsatz gekommen sein. Die Continuous Damping Control (CDC) von ZF berechnet anhand der Sensordaten jedes einzelnen Rades die Zieldämpfungskraft und kann diese laut Herstellerangaben bis zu 100 Mal pro Sekunde anpassen.

Aktive Fahrwerke gehen noch einen Schritt weiter und erzeugen aktiv die Karosserielage selbst, nicht nur die Dämpfer. Mercedes-Benz präsentierte auf dem Genfer Autosalon 1999 die Active Body Control (ABC) der CL-Klasse. Dieses System steuert die Karosserielage aktiv mithilfe von Hydraulik. Der Nachfolger, die E-Active Body Control, nutzt eine 48-V-Stromversorgung zur individuellen Ansteuerung jedes einzelnen Rades. Laut Handbuch arbeitet sie mit einer Fahrbahnoberflächen-Scan-Funktion zusammen, die die Straße vor dem Fahrzeug erfasst, um Lageänderungen zu minimieren. Porsche Active Ride stattet jeden Dämpfer mit einer eigenen elektrohydraulischen Pumpe aus, die direkt von der Fahrzeugbatterie gespeist wird, um Zug- und Druckstufendämpfung unabhängig voneinander zu erzeugen. Die Kraft, und laut offiziellen Angaben reagiert sie mit bis zu 13 Hz.

Als Technologie mit Wurzeln im Motorsport gibt es den DSSV-Dämpfer (Dynamic Suspensions Spool Valve) von Multimatic. Durch die Verwendung eines Spulenventils anstelle eines Shim-Stack-Ventils lassen sich die Eigenschaften für niedrige und hohe Geschwindigkeiten sowie für Zug- und Druckstufe unabhängig voneinander abstimmen, was die Abweichungen zwischen den einzelnen Einheiten verringert. Laut Herstellerangaben geht die Technologie auf ihre Einführung in der Formel 1 im Jahr 2002 zurück. Ein offizieller Blogbeitrag von Chevrolet beschreibt, dass die DSSV-Technologie in Serienfahrzeugen, einschließlich der Corvette, zum Einsatz kommt.

6. Der Zusammenhang mit Bremsen und Fahrdynamik

Beim Bremsen oder Beschleunigen erfährt die Karosserie eine Gewichtsverlagerung in Längsrichtung. Unter der Annahme, dass die Schwerpunkthöhe h, der Radstand L, die Masse m und die Längsbeschleunigung a_x beträgt, Die Gewichtsverlagerung zwischen Vorder- und Hinterachse lässt sich näherungsweise wie folgt beschreiben:

Bei starkem Bremsen verlagert sich das Gewicht auf die Vorderachse (Eintauchen der Fahrzeugfront), die vordere Feder wird komprimiert, während sich die Hinterachse anhebt. Beim Beschleunigen kehrt sich dieser Vorgang um – die Hinterachse wird komprimiert, was zum Eintauchen der Hinterachse führt. Ebenso lässt sich die seitliche Gewichtsverlagerung in Kurven, unter Berücksichtigung der Spurbreite als t und der Querbeschleunigung als a_y, näherungsweise wie folgt beschreiben:

Je größer diese seitliche Gewichtsverlagerung ist, desto höher ist die Belastung des äußeren Reifens, während die Belastung des inneren Reifens abnimmt, und die Gesamthaftung aller vier Reifen sinkt. Bei Doppelquerlenker- und Mehrlenkerachsen werden die Anlenkwinkel der Querlenker mitunter so ausgelegt, dass das Eintauchen der Vorderachse beim Bremsen bzw. das Eintauchen der Hinterachse beim Beschleunigen verhindert wird – sogenannte „Anti-Dive“- und „Anti-Squat“-Geometrie. Auch hier kommt die in Abschnitt 4 beschriebene Flexibilität bei der Lenkeranordnung zum Tragen. Zum Bremsmechanismus selbst (Hydraulikkreislauf, ABS/ESC, regenerative Bremskraftverteilung) siehe Einführung in Bremssysteme. Da das Gewicht eines Akkus die gefederte Masse eines Elektrofahrzeugs erhöht, während die Radnabenmotoren die ungefederte Masse erhöhen, ändert sich die Auslegung von m_s und m_u im Viertelfahrzeugmodell aus Abschnitt 2 mit der Antriebsstrangkonfiguration. Siehe auch die Einführung in den Elektrofahrzeugantrieb zur Gewichtsverteilung von Elektrofahrzeugen.

7. Konfigurationsvergleich

Mehrlenkerachse | Die meisten | Höchste | Hoch | Hinterachsen, komfortorientierte Oberklassewagen |

Typ | Geregelte Größen | Ansprechverhalten | Repräsentatives Beispiel | Einschränkungen |

--- | --- | --- | --- | --- |

Konventionelle passive Dämpfung | Keine (feste Kennlinie) | Konstante Feder-/Dämpferkennlinie | Die meisten Serienfahrzeuge | Einfach, bewährt, aber der Kompromiss ist festgelegt |

Adaptive Dämpfung (magnetorheologisch) | Nur Dämpfkraft | Dämpferviskosität kontinuierlich durch den Strom angepasst | GM MagneRide-Familie | Kein mechanisches Ventil, schnelles Ansprechverhalten |

Adaptive Dämpfung (elektronisch gesteuertes Ventil) | Nur Dämpfkraft | Zieldämpfungskraft aus Sensordaten berechnet und über Ventil angepasst | ZF CDC | Hochfrequente Aktualisierungen, aber ein Hydraulikkreislauf bleibt bestehen |

Aktive Federung (hydraulisch) | Dämpfkraft + Karosserielage | Hydraulische Aktuatoren erzeugen aktiv Kraft | Mercedes-Benz ABC/E-ABC, Porsche Active Ride | Erfordert zusätzliche Leistungs-/Hydrauliksysteme, höhere Kosten |

Dämpfer aus dem Motorsport | Präzise Abstimmung der Dämpfkraft | Spulenventil regelt Zug-/Druckstufe und Low-/Highspeed unabhängig | Multimatic DSSV | Hauptsächlich in leistungsstarken Serienfahrzeugen |

8. Schwierige Bedingungen und Sicherheit

Wenn ein Dämpfer verschleißt und Öl verliert oder an Dämpfkraft einbüßt, muss die Feder allein die Schwingungen kontrollieren. Dies verlangsamt das Abklingen der Schwingungen und verschlechtert die Spurtreue und die Stabilität der Aufstandsfläche beim Bremsen. Verschleiß an Buchsen oder Kugelgelenken beeinträchtigt die Präzision der Armpositionierung, was zu Spurabweichungen, Geräuschen und ungleichmäßigem Reifenverschleiß führt. Bump Steer – ein kurzzeitiges Rucken am Lenkrad beim Überfahren einer Bodenwelle – kann durch den Montagewinkel und den Bewegungsbereich der Lenker oder durch Verschleißspiel verursacht werden. Wenn ein starker Impuls die Federung an ihre mechanische Grenze (den Anschlag) bringt, wird jeder weitere Stoß von der Karosserie selbst absorbiert. Bei deutlichen Änderungen der Fahrzeughöhe oder Reifengröße gegenüber der Serienausstattung müssen Federweg und Freiraum überprüft werden. Bei Wartungsarbeiten ist zu beachten, dass die Federn nicht belastet werden dürfen. Es müssen Spezialwerkzeuge wie ein Federspanner verwendet und die Anweisungen im Servicehandbuch befolgt werden. Die Schutzausrüstung für die Hochspannungs- und Hochdruck-Hydraulikverkabelung von aktiven Fahrwerken oder elektrischen adaptiven Dämpfern muss ebenfalls verwendet werden.

9. Praktische Entscheidungen

• Pendeln, hauptsächlich Stadtverkehr: Eine weichere, komfortorientierte Abstimmung oder eine adaptive Dämpfung bietet einen guten Kompromiss zwischen Komfort und Fahrverhalten.

• Sportliche Fahrt, Bergstraßen: Eine Fahrwerksgeometrie mit hoher Freiheit, z. B. Doppelquerlenkerachse in Kombination mit einem strafferen oder variablen Dämpfer, ist empfehlenswert.

• Unebene Straßen, stark wechselnde Beladungen: Ein luft-/hydraulisches aktives Fahrwerk, das Fahrzeughöhe und Dämpfercharakteristik an Beladung und Straßenbeschaffenheit anpasst, ist in der Regel von Vorteil.

• Dämpferwechsel oder Fahrzeughöhenverstellung an einem bestehenden Fahrzeug: Bei deutlichen Änderungen der Fahreigenschaften gegenüber der Serienausstattung müssen Federweg, Freiraum zum Anschlagpuffer und Geometrieänderungen (Sturz, Spur) berücksichtigt werden. Zusammen.

10. Zusammenfassung (drei Zeilen zur Wiederholung)

Die Federung ist ein Mechanismus, bei dem die Feder die Last trägt und der Dämpfer Vibrationen in Wärme umwandelt, um das Fahrverhalten zu dämpfen. Die Bezeichnungen \omega_n und \zeta des Viertelwagenmodells beschreiben ihr Verhalten grob. MacPherson-Federbein, Doppelquerlenker und Mehrlenkerachse unterscheiden sich in der Freiheit ihrer Querlenker, was den Spielraum für den Kompromiss zwischen Fahrkomfort und Fahrstabilität beeinflusst. Adaptive/aktive Fahrwerksregelungen wie MagneRide und Porsche Active Ride verändern diesen Kompromiss je nach Fahrsituation und stehen in engem Zusammenhang mit der Gewichtsverlagerung beim Bremsen und Beschleunigen.

Referenzen

• Offizielle Website von MagneRide
• Offizielles Handbuch Mercedes-Benz E-Active Body Control
• Porsche Newsroom – Porsche Active Ride
• ZF – Kontinuierliche Dämpfungsregelung (CDC)
• Multimatic – DSSV-Dämpfungstechnologie
• Chevrolet – Multimatic DSSV-Technologie
• SAE International