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Stabilisator- und Ausgleichsfeder am Auto

Inhalt

1. Einleitung  ↑ Anfang

Autos werden oft zusätzlich und meistens an der vorderen Achse mit einer Stabilisatorfeder ausgerüstet. Ältere Autos mit Heckmotor bekamen manchmal eine Ausgleichsfeder an der Hinterachse eingebaut. Mit diesen Maßnahmen werden in Kurven die Fahreigenschaften verbessert und das Querneigen beeinflusst.

Zu beachten, dass der Feder-Einbau an nur einer Achse immer auch die Fahreigenschaften verändert. An der anderen Achse ändert sich nämlich die bei Kurvenfahrt entstehende und die Fahreigenschaften im Grenzbereich wesentlich bestimmende Radlastdifferenz ebenfalls. Siehe auch: mein Aufsatz "Die Pendelachse am Auto".

2. Die Tragfedern des Autos  ↑ Anfang

Straßenfahrzeuge werden wegen der Unebenheiten der Fahrbahn schon seit der Kutschen-Zeit gefedert. Der Fahrzeugkörper wird über Federn auf dem Fahrgestell abgestützt. Diese "glätten" die von der Fahrbahn kommenden Stöße, denen das Fahrgestell noch unterworfen ist. Die später hinzugekommenen luftgefüllten Gummireifen sind zu wenig elastisch, um die Federn ersetzen zu können (Anmerkung 1).

Da es wegen der Ausdehnung des Fahrzeugs im Grundriss praktisch ist, mehrere Federn auf die vier Ecken bzw. neben die vier Räder zu verteilen, kann der Fahrzeugkörper nicht nur auf und ab federn, sondern auch um die Quer- und um die Längsachse pendeln. Bei Kurvenfahrt wankt er um eine bestimmte Längsachse und neigt sich dabei nach außen.

3. Das Wanken des Autos bei Kurvenfahrt  ↑ Anfang

Bei Kurvenfahrt wirkt eine zur Kurvenaußenseite gerichtete Fliehkraft auf das Auto. Diese wird durch Reibung zwischen den Reifen und dem Straßenbelag auf die Straße übertragen, bzw. die Reibkräfte aller Räder zusammen sind die Reaktionskraft zur Fliehkraft. Wegen des deutlich über der Straße liegenden Fahrzeug-Schwerpunkts erfährt das Auto auch ein Drehmoment (Kippmoment, Anmerkung 2) um eine Längsachse. Das Reaktionsmoment dazu ist die Summe aus dem Kräftepaar an den Aufstandspunkten der vorderen Räder und dem an den Aufstandspunkten der hinteren Räder. Da einem solchen Kräftepaar die statischen Radlasten überlagert sind, pricht man nicht vom Kräftepaar, sondern von der ±-Radlastdiffernz ΔF: größere Radlast außen (statische Radlast + ΔF), kleinere Aufstandskraft innen (statische Radlast - ΔF).

Ein Teil des Kippmoments, das sogenannte Wankmoment (Fliehkraft x Hebelarm, der vom Schwerpunkt nur bis zum Drehzentrum reicht), wird auch an den Tragfedern wirksam. Wenn sich der Fahrzeugkörper nach außen neigt, sind es die Tragfedern, die sich zusätzlich zum durch das Fahrzeugkörper-Gewicht verursachten Einfedern verformen: weiter einfedern außen, weniger einfedern innen. In diesen Extra-Federwegen ist das Reaktionsmoment zum Wankmoment manifest. Das Drehzentrum, um das das Neigen erfolgt, hängt davon ab, wie der Fahrzeugaufbau mit den Rädern (Radträger) beweglich verbunden ist, bzw. wie die Radführungen kinematisch gestaltet sind. Er ist in der Vertikalebene jeder Fahrzeugachse ein quer-mittiger fiktiver Punkt (Momentanpunkt,Wankzentrum oder Rollzentrum, Anmerkung 3). Durch die Wankzentren der beiden Achsen verläuft die Wankachse (auch Rollachse) des Fahrzeugs. Mit dem Begriff Momentanpunkt ist bereits gesagt, dass die Wankzentren und damit die Wankachse nur momentane, sich während des Wankens leicht verschiebende Orte sind.

Da der Fahrzeugkörper als verwindungssteif um seine Längsachse angesehen werden kann, ist der Wankwinkel an beiden Achsen gleich. Die Steifigkeiten der Federn (Federraten) sind aber im allgemeinen nicht gleich, so dass die vom Wankmoment bestimmten Kraftdifferenzen an den Federn und an den Radaufstandspunkten vorne und hinten verschieden sind. Am Boden werden ungleiche Teile des Wankmomentes vorne und hinten "abgestützt".

Hinweis: Das Wankmoment ist nur ein Teil der am Boden abzustützenden Gesamtheit Kippmoment. Der andere Teil - das Rest-Kippmoment - trägt ebenfalls zur Radlastdifferenz ΔF bei, es wird nur nicht wie das Wankmoment über die Federn "geleitet" (Anmerkung 4), weshalb sein Anteil an der Radlastdifferenz nicht durch Verändern der Federn beeinflussbar ist (siehe unten).

4. Der Schräglauf der Räder bei Kurvenfahrt  ↑ Anfang

Ein Rad mit Luftreifen fährt schon bei mässiger Kurvenfahrt nicht auf der Bahn, die ihm von der Lenkgeometrie zugewiesen wird. Es verlässt diese Bahn unter dem sogenannten Schräglaufwinkel nach außen. Das Rad untersteuert. Ursache ist die momentane seitliche Verformung des Reifens über seiner Aufstandsfläche infolge der nach außen wirkenden Fliehkraft am Fahrzeug. Der Effekt lässt sich mithilfe einer "Kugelrolle" (Abb.1) erklären: Wenn das Rad auf einer ihrer am Umfang angebrachten Rolle steht, rollt es bei einer quer wirkenden Kraft quer weg. Der Elastizität des Luftreifens entspricht hier das Drehen der Rolle gegen eine Drehfeder. Je größer die Querkraft ist, umso weiter rollt das Rad zur Seite (biegt sich der Reifen-"Latsch" zur Seite). Wenn der Bodenkontakt beendet ist, dreht sich die Rolle in ihre Anfangslage zurück (kehrt diese Reifenstelle in die Normalform zurück). Umgekehrt gesagt: Damit ein Reifen die Reaktionskraft (Seitenführungskraft) zu einer wachsenden eingeprägten Querkraft aufbringen kann, rollt er mit einem größeren Schräglaufwinkel. Bei Schräglauf am Vorderrad muss der Lenkeinschlag immer etwas größer sein als er bei sehr langsamer Fahrt erforderlich ist (Übersteuern), bei Schräglauf am Hinterrad ist es umgekehrt (Untersteuern). Der Effekt ist umso größer, je höher die Fahrgeschwindigkeit und damit die Querkraft (Fliehkraft) ist.

Abb.1 eine "Kugelrolle"
Abb.2 die Seitenkraft als nicht-lineare Funktion der Radlast; [1].         

Die Summe der beiden Radaufstandskräfte an einer Achse ist auch bei Kurvenfahrt konstant, aber nicht die Summe der Seitenführungskräfte beider Räder. Die Seitenführungskraft wächst degressiv mit der Radaufstandskraft. Die Zunahme +ΔF der Seitenführungskraft des stärker belasteten kurvenäußeren Rades ist kleiner als die Abnahme -ΔF am gleich viel entlasteten kurveninneren Rad (Abb.2). Je größer die Radlastdifferenz ist, um so kleiner ist die zusammengefasste Seitenführungskraft beider Räder. Um die erforderliche Seitenführungskraft aufzubringen, wird sich der Schräglaufwinkel an der Achse vergrößern.

5. Stabilisator- und Ausgleichsfeder am Auto  ↑ Anfang

Wenn es allein darum ginge, das Wanken bei Kurvenfahrt zu verringern, um den Passagieren mehr Komfort zu bieten, wäre es egal, wie das Abstützen des Wankmomentes zwischen Vorder-und Hinterachse verteilt ist, wenn nur der Wankwinkel verkleinert wird.

Der Wankwinkel kann durch Zufügen einer Stabilisatorfeder (Abb.3) verkleinert werden, denn die Federrate der mit diesem ergänzten Achse wird größer. Ihr Einbau bewirkt aber nicht allein eine Wank-Verkleinerung bei Kurvenfahrt, sondern - bei unverändert bleibender anderer Achse - wegen der vergrößerten Radlastdifferenz immer auch einen größeren Schräglaufwinkel. Stabilisatorfedern werden meistens an der Vorderachse eingebaut, wobei Hauptzweck oft nicht die Verringerung der Wankneigung ist, sondern das Fahrzeug untersteuernd zu machen. Ein untersteuerndes Fahrzeug ist leichter zu beherrschen als ein übersteuerndes. Es wäre übersteuernd, wenn der Hinterachse mit Hilfe einer Stabilisatorfeder zu größerem Schräglaufwinkel verholfen würde: im Grenzfall bricht das Fahrzeugheck aus.

Abb.3 eine Stabilisatorfeder (Torsionsstab); [2].
          Die nicht gezeichneten Tragfedern stützen sich auf den unt. Stablenkern oder den oberen Dreieckslenkern ab.
          Beim gleichsinnigen Einfedern bleibt die am Fahrzeugkörper drehbare Stabilisatorfeder unverformt.
          Beim Wanken des Fahrzeugkörpers neigt sich der Mittelteil der Stabilisatorfeder mit, wobei sich ihre an den
          Stablenkern befestigten Arme gegensinnig drehen. Sie erzeugen am Fahrzeugkörper gegensinnige
          Reaktionskräfte, wodurch das Wanken kleiner ausfällt.
Abb.4 eine Ausgleichsfeder (Schraubenfeder); [2].
          Das Absinken des Fahzeugkörpers wird durch seine nicht gezeichneten, nahe der Räder auf den Pendel-
          achsen abgestützten Tragfedern und zusätzlich durch das Verformen der Ausgleichsfeder behindert.
          Beim Wanken des Fahrzeugkörpers drehen sich die Pendelachsen gleichsinnig. Die Ausgleichsfeder hat
          darauf keinen Einfluss, sie bleibt gleich stark verformt.

Angetriebene Hinterachsen sind schwerer - besonders schwer bei hinten liegendem Motor - und benötigen härtere Tragfedern als nicht angetriebene. Sie stützen den größeren Teil des Kippmomentes ab, umso mehr bei durch einen Heckmotor weit nach hinten verschobenem Fahrzeugschwerpunkt. Ihre Radlastdifferenz kann so groß sein, dass sich der hinten große Schräglaufwinkel nicht mit einem Stabilisator vorn übertreffen lässt. Bei früher oft gebauten Autos mit Hinterradantrieb und Heckmotor (z.B. der VW-Käfer) wurde eine zur Stabilisatorfeder umgekehrt wirkende Ausgleichsfeder (Abb.4) benutzt. Eine solche Feder vergrößert die Federrate der Tragfedern nur bei gleichsinnigem Ein- und Ausfedern. Die weicher gemachten Tragfedern stützen einen verkleinerten Teil des Kippmomentes ab und verkleinern den Schräglauf der Hinterachse. Dass die Wankneigung des Fahrzeugs dabei vergrößert wurde, konnte in Kauf genommen werden, denn der Käfer hatte wie ähnlich gebaute damalige Autos (z.B. der Porsche 356 und der Mercedes-Benz W110) mit hinteren Pendelachsen-Radführungen ein relativ hoch (näher beim Schwerpunkt, Anmerkung 5) liegendes Wankzentrum und somit einen relativ kleinen Wankausschlag [3].

6. Anmerkungen  ↑ Anfang

Anmerkung 1: Bei Zweiradfahrzeugen, insbesondere bei Fahrrädern begnügte man sich lange Zeit mit der aus den Reifen stammenden Federung.

Anmerkung 2: Es handelt sich quasi um ein "potentielles" Kippmoment, denn üblicherweise wird derjenige Drehmoment-Wert als Kippmoment bezeichnet, bei dem das Kippen tatsächlich eintritt.

Anmerkung 3: Das Rollzentrum ist der Punkt, durch den die Seitenkräfte zwischen Fahrzeugkörper und Radträgern übertragen werden, bzw. der Punkt, um den der Fahrzeugkörper unter Querbeschleunigung (Fliehkraft) seinen Wankwinkel aufbaut [2].

Abb.5 Belastung durch Fliehkraft FK im Schwerpkt. SP
          Verschiebung der Fliehraft ins Wankzentrum R
          und Zufügen des entsprechenden im
          Wankzentrum anzubringenden Momentes FK x h'
          ΔF = Radlastdifferenz
          F₀ = Radlast aus Fahrzeuggewicht

Anmerkung 4 (s. Abb.5): Die im Schwerpunkt des Fahrzeukörpers angreifende Fliehkraft hat dieselbe Wirkung, wie nach ihrer gedachten Verschiebung in das Wankzentrum zusammen mit dem zugedachten Wankmoment (Moment um das Wankzentrum). Die Wirkung am Boden ist die des Wankmoments plus die des Rest-Kippmomentes (Fliehkraft x Höhe des Wankzentrums).

Anmerkung 5: Siehe auch: mein Aufsatz "Die Pendelachse am Auto". Darin gehe ich u.a. auf die Wirkung des bei Pendelachsen prinzipiell hoch liegenden Wankzentrums ein.

7. Literatur  ↑ Anfang

[1] Erich Schindler: Fahrdynamik,expert Verlag, Seite 147.
[2] Wolfgang Matschinsky: Radführungen der Straßenfahrzeuge, Springer, 2007, Seiten 87/88 und 174.
[3] Erich Henker: Fahrwerktechnik, Vieweg, 1993, Seite 195.

Siegfried Wetzel, CH 3400 Burgdorf, Dezember 2018

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