Fahrwerke

Sinnvoll Tieferlegen - Etwas Theorie - Ein Artikel von Winni Reischl

Jeder sportlich ambitionierte Fahrer, der sich für ein neues Auto interessiert,
hat sich - bewusst oder unbewusst - Gedanken über seine individuellen Ansprüche an "sein Fahrzeug" gemacht.
Die Vielzahl von Anforderungen, die teilweise soweit voneinander abweichen, dass sie im Zielkonflikt miteinander stehen, versuchen die Fahrzeughersteller bestmöglichst zu vereinen und damit ein Angebot für eine Großzahl von Käufern zu realisieren. Anhand dieser Erkenntnis steht es außer Frage, dass selbst modernste Kraftfahrzeuge immer nur einen Kompromiss darstellen können!
Hat sich der Interessent nach Abwägung aller Vor- und Nachteile für ein Auto entschieden, werden immer noch persönliche Wünsche an dieses Gefährt bestehen, um aus diesem neuen Serienprodukt das "Auto seiner Träume" entstehen zu lassen.
Aufgabenstellung:
Ich habe ein sportliches Serienfahrzeug und möchte die Fahreigenschaften deutlich verbessern, wobei ggfls. auf einen Teil des Fahrkomforts verzichtet wird!
Mit dieser Maßnahme haben wir für den Fahrer ein größeres Potential an Fahrverhalten
(stabileres Anlenkverhalten, höhere Kurvengeschwindigkeit) zur Verfügung gestellt. Außerdem wurde gleichzeitig die Fahrsicherheit und der Komfort gesteigert. Der hier angesprochene Fahrkomfort bezieht sich, im Gegensatz zum Roll- und Aufbaukomfort, nicht auf die Karosseriebewegungen oder -stöße, die auf sie einwirken, sondern auf den geringeren fahrerischen Einsatz. Der Fahrer kann mit weniger Aufwand das Auto sportlich schnell bewegen, d. h. das Fahrzeug läßt sich zielgenau und vorhersehbar im Grenzbereich bewegen.
Was geschieht nun aus technischer Sicht am Fahrzeug, wenn es tiefergesetzt wird?
Der Schwerpunkt des Fahrzeuges wird abgesenkt und somit stehen den Beschleunigungskräften kleinere Hebel zur Verfügung, mit denen sie am Schwerpunkt wirken können. Dadurch werden die Wankwinkel (Aufbaubewegungen um die Fahrzeuglängsachse) und die Nickwinkel (Aufbaubewegungen um die Fahrzeugquerachse) reduziert. Die Folge ist unser Wunschergebnis; die max. Querbeschleunigung wird für fast alle Fahrzeugzustände erhöht.
Der aufmerksame Leser wird sich jetzt verständlicherweise fragen, wieso eliminieren wir nicht ganz die Aufbaubewegungen und erreichen somit die absolut maximale Querbeschleunigung? Das theoretische Beispiel dafür sind die Go-Karts (keine Federwege - abgesehen von geringerer Reifenfederung - bei sehr hohen Querbeschleunigungen). Bei dieser Denkweise muss man jedoch zwei Punkte berücksichtigen:
1. Diese Sportgeräte werden lediglich auf ebenen Strecken bewegt
(keine Federwege notwendig bzw. bei unebenen Fahrbahnen ..."unkontrolliertes Springen").
2. Die Go-Karts sind extrem kritisch im Grenzbereich zu bewegen!
Der Grenzbereich kündigt sich nicht an - das Kart "bricht spontan aus".
Fazit: Eine Verbesserung des Fahrverhaltens ist nur durch Tieferlegen des Fahrzeuges in bestimmten Grenzen möglich!
Diese angesprochenen Grenzen sind von der
kinematischen (Bewegungsabläufe der einzelnen Achsteile ohne äußere Kräfte
-> auf dem Prüfstand zu ermitteln)
und elastokinematischen (Bewegungsabläufe der einzelnen Achsteile unter Einwirkung äußerer Kräfte
-> Achsbewegung im Fahrbetrieb)
Auslegung und Abstimmung jedes einzelnen Fahrwerkes abhängig.

Aus diesem Grunde sollten diese Maßnahmen nur von den Fahrzeug- und Stoßdämpferherstellern bzw. von versierten Tuningbetrieben vollzogen oder die entsprechenden Umbauteile von dort bezogen werden.
Denn nur diese Fachleute kennen die genauen konstruktiven Gegebenheiten und optimieren entsprechend verantwortungsvoll bis an die machbaren Grenzen des jeweiligen Fahrzeuges. Von diesen Experten wird unter Berücksichtigung aller Gegebenheiten versucht, den Fahrzeughöhenstand auf ein minimales Maß zu verringern. Dabei müssen die Veränderungen der achsspezifischen Daten an Vorderachse (VA) und Hinterachse (HA) ständig im Auge behalten werden.
So können eine Kombination von deutlichen Verbesserungen durch vergrößerten negativen Radsturz (größere Querkraftaufnahme am Rad), eine geringere Spurweitenänderung sowie eine günstigere Momentanzentrumslage trotzdem zu einem schlechteren fahrdynamischen Verhalten führen.
Der Grund liegt in dem starken Einfluss der nicht beachteten Vorderspurkurve (siehe Skizze 1).

Dieses Diagramm stellt den Radhub über dem Vorspurwinkel pro Rad dar, d. h. man kann für jeden Einfederungszustand des Rades die entsprechende Vorspur (siehe Skizze 2) ablesen. In unserem Beispiel sind 2 Vorspurkurven dargestellt. Die gestrichelte Kurve stellt eine extrem untersteuernde VA dar, die hier genau analysiert werden soll.
Ausgehend von Radhub 0 mm
(Konstruktions- bzw. Normallage = Höhenstand, auf dem die konstruktive Fahrzeugauslegung basiert)
wird das Fahrwerk um 30 mm tiefergelegt (gestrichelte waagerechte Linie). Somit verändert sich die statische Vorspur, ausgehend von 8´ Vorspur (Schnittpunkt: Radhub 0 mm - gestrichelte Vorspurkurve) um 8´ in Richtung Nachspur.
Die neue Grundeinstellung hat zur Folge, dass das Fahrzeug schlechter geradeaus läuft und verzögert auf Lenkaktionen anspricht. Ein ähnlich dominantes Ergebnis mit umgekehrter Tendenz wird bei der durchgezogenen (übersteuernden) Vorspurkurve erreicht. Ausgehend von 8´ Vorspur nimmt bei 30 mm Einfederung der Spurwinkel um 11´ auf 19´ Vorspur zu. Diese Achsdatenänderung führt zu giftigem Anlenkverhalten und heftigen Spurrillenreaktionen.
Dieser kleine Ausflug in die kinematischen Bereiche einer Achskonstruktion und -abstimmung soll die Komplexität dieses Teilbereiches aufzeigen!
So umfangreiche Aufgaben, wie das Kürzen von Tragfedern, Abstimmen der Zusatzfedern bzw. Endanschläge, Anpassung der Dämpfer (Zug- und Druckdämpfung für Aufbau und Rad) zu beschreiben, würde hier zu weit führen. Grundsätzlich sollte jedoch bedacht werden, dass bei Fahrwerküberarbeitungen neben all diesen Einflussgrößen auch weniger bekannte, aber mindestens ebenso wichtige Maßnahmen berücksichtigt werden müssen.

Als Beispiel ist dafür die Parallelfederung zu nennen, d. h. das Schwing- und Dämpfungsverhalten von VA und HA muss aufeinander abgestimmt werden.
Abschließend kann man sagen, dass nicht alleine die Größe einer Tieferlegung das Markenzeichen für das beste Fahrwerk ist. Wirkliche Vorteile kommen nur da zum Tragen, wo Verstand, Können, Erfahrung und Vernunft gepaart ein fahrtechnisch überlegenes Produkt geschaffen haben.

Optisch wird das nicht der "Überrenner" sein, fahrdynamisch werden sich jedoch solche Vorteile einstellen, dass der geschulte Fahrer dieses optimale Fahrwerk nicht nur bedeutend schneller, sondern auch noch sicherer und somit verantwortungsvoller auf den entsprechenden Strecken bewegen kann.
Winfried Reischl

Sinnvoll Tieferlegen - Federauslegung

Aufbauend auf den Bericht der Alpine-Post Winter 89/90, der einen allgemeinen Überblick über die Gesamtproblematik einer Fahrwerkstieferlegung gab, soll hier speziell über eine effektive Federüberarbeitung gesprochen werden.
In der angesprochenen Abhandlung erklärten wir bereits die Anforderung an das Federungssystem. Die Federungseigenschaften wiederum hängen von vielen Parametern ab.
So sind ein Großteil der Daten fahrzeugspezifische Größen, die bereits im Grundpackage vom Kfz-Hersteller festgelegt werden. Diese Basisdaten, so z. B. Radstand, Spurweite, Motor-Getriebe-Aufhängungen, Gewicht der Achsen und Lenkverlagerungen, eignen sich nicht als Angriffspunkte für eine Optimierung, da solch grundlegende Abänderungen zu nicht beabsichtigten ungeahnten Nebeneffekten führen können. Im Gegensatz dazu gibt es einige Bauteile am Fahrwerk, die sich besonders für Überarbeitung anbieten, und man mit bereits geringen Mitteln zu überraschenden Ergebnissen gelangen kann. Im Rahmen dieser Bauteile möchte ich ganz speziell zum einen die Tragfedern in Verbindung mit den Zugfedern sowie die Stabilisatoren und zum anderen die Stoßdämpfer nennen. Auch wenn wir uns diesmal lediglich mit der Federung beschäftigen, muss darauf hingewiesen werden, dass eine vernünftige Fahrwerksüberarbeitung immer eine gemeinsame Bearbeitung von Federung und Dämpfung vorsieht!
Die Notwendigkeit der Federung ist aus Gründen der Fahrsicherheit und des Fahrkomforts gegeben. Weiterhin aber auch zur Schonung von Fahrzeug und Fahrbahn ist die Feder zwischen den ungefederten Massen (Rädern, Teile der Radführung) und den gefederten Massen (Aufbau, Antrieb und Teile der Achsen) notwendig. Diese Feder ist ein elastisches Bauteil, das unter Last seine Form verändert, ohne dabei schädliche Überbeanspruchung zu erleiden.
Das Bauglied wandelt als Energiespeicher kinetische Energie in potentielle um und umgekehrt.
Je nach Bauart der Feder wird Stoßenergie ganz oder teilweise in Formänderungs- Reibungsarbeit (Schwingen) umgesetzt und damit die Einwirkung einer Stoßkraft auf die abgefederten Teile aufgehoben. Dieser Freiheitsgrad wird als Radfederweg bezeichnet und stellt die Strecke dar, um die das Rad - ausgehend von seiner "Null- bzw. Konstruktionslage" - bis zum Anschlag (Zusatzfeder auf "Block") einfedern kann. Um einen etwa gleich großen Weg kann es bei Entlastung nach unten ausfedern.
Relativ zum Aufbau können die beiden Räder einer Achse gleich-, wechsel- oder einseitig federn. Die Rate bei gleichseitiger Federung bestimmt den Fahrkomfort; diese wird für parallel zum Boden erfolgende Bewegungen des Aufbaus ausgelegt (der Stabilisator wirkt quasi nicht!). Wechselseitige Federung ist vorhanden, wenn bei waagerecht verbleibendem Aufbau ein Rad nach oben und das andere entsprechend nach unten geht, oder aber sich der Aufbau bei Kurvenfahrt neigt. Maßgeblich für den Wank- oder Rollwinkel unter Einfluss einer Seitenkraft sind sowohl die Raten der Federn an VA und HA, als auch eingebaute Stabilisatoren. Bei einseitiger Federung bewegt sich nur ein Rad nach oben oder unten; in die Rate spielt auch bei dieser Federungsart der Stabilisator mit herein.
Als Begrenzung dieser Radfederwege werden Druckanschläge bzw. Zusatzfedern eingesetzt. Erstere setzen erst gegen Ende des Federweges ein und haben lediglich zur Aufgabe, den Federweg ohne Geräuschbelästigung zu begrenzen (Achtung: In diesem Falle kann durch die plötzlich stark progressive Federverhärtung ein deutlich verändertes Fahrzeugverhalten eintreten, z. B. Aufstützen an der HA = Übersteuern). Zusatzfedern dagegen kommen weit früher zur Anlage und nehmen über einen größeren Weg die Federungsarbeit mit auf, voll zusammengedrückt dienen sie dann als Endanschläge.
Bevor wir uns jetzt mit der Praxis, d. h. mit dem Tieferlegen eines Fahrzeuges beschäftigen,
müssen noch theoretische Betrachtungen durchgeführt werden.
Anhand der Kinematikkurven (z. B. Vorspurkurve - ohne äußere Kräfte) wird das max. Maß, um das dieses Fahrwerk abgesenkt werden kann, ermittelt. Als zweite vorbereitende Arbeit muss die Achslastverteilung und somit die prozentuale Gewichtsverteilung auf VA und HA ermittelt werden. Für das Fahrzeuggesamtgewicht ist es egal, ob ein Beifahrer mit 70 kg zusteigt oder ob die gleiche Masse im Kofferraum untergebracht wird. Jeweils wird das Auto um 70 kg schwerer! Für die einzelnen Achsen bedeutet dies jedoch folgendes: Steigt ein Beifahrer ein, so wird ein großer Anteil dieser Masse auf die VA und der verbleibende Rest als Belastung sich auf die HA niederschlagen. Placiert man jedoch das Kofferraumgewicht hinter der HA, so wird die VA entlastet und die HA entsprechend stärker belastet.
Nach drei vorbereitenden Arbeiten soll jetzt ein Beispiel betrachtet werden, das stellvertretend für sportliche Autos ähnlicher Bauart (Mc-Pherson-Federbein - VA und HA) anzusehen ist. Dabei gehen wir, unter Berücksichtigung eines noch vernünftigen verbleibenden Einfederweges (bei gleichem Gesamtfederweg) von einer Tieferlegung von DS = 30 mm aus.
Somit müssen wir in unserer Federkurve für die VA (s. Diagramm) den Punkt N (Normlage bei Normgewicht = 3 Personen + Gepäck) um Ds = 30 mm auf Punkt N¹.verschieben. Da wir aber die gleiche Feder beibehalten haben, muss eine Parallelverschiebung der Federkennung um die Strecke Df (senkrecht nach unten) erfolgen. Die neu gewonnene Federkennung (-.-.) mit entsprechenden Einsatzpunkten ist auf der Federweg-Achse um 4 mm verschoben, d. h. der Gesamtfederweg wurde geringfügig von 159 mm um 4 mm reduziert. Somit erhalten wir einen Resteinfederweg von 55 mm in Normlage. An der HA wird vergleichbar wie an der VA verfahren. Jedoch muss bei 30 mm verringertem Einfederweg der Kompromiss einer niedrigeren HA-Last eingegangen werden, d. h. das Fahrzeug erhält bei der notwendigen TÜV-Abnahme lediglich die Zulassung für 4 Personen.
Ist die Tieferlegung vollzogen, muss die sich einstellende Kinematik beider Achsen untersucht werden, da wir uns jetzt bei allen fahrwerkspezifischen Kennungen um 30 mm im Einfederbereich befinden.
Welche Folgen das für unsere hier betrachteten Mc-Pherson-Federbeinachsen hat, möchte ich noch kurz am Beispiel der VA erwähnen.
Bedingt durch eine stark gekrümmte Sturzkurve erzielen wir mit unserer Maßnahme eine Verringerung des positiven Sturzes um ca. 50 , was einen deutlichen Gewinn an Querkraftaufnahme am Rad bedeutet. Weiterhin erhalten wir so eine geringe Spurweitenvergrößerung. Das hat hier zur Folge, dass trotz tiefergelegtem Fahrzeug, in Kombination mit einem tieferen Momentanzentrum (größerer Fliehkrafthebelarm) die Wankneigungen des Aufbaues kaum reduziert sein werden!
Wie sich jedoch die theoretisch erarbeiteten und ausgeführten Arbeiten dann letztendlich subjektiv und objektiv auswirken, ergibt erst der Fahrversuch. Mit Hilfe dieser Versuche wird dann basierend auf einer gesunden Ausgangsbasis die optimale Fahrwerksabstimmung vollendet.
Um Sie, liebe Leser jedoch nicht zu entmutigen, möchte ich als Trost und aufbauende Stütze Sie damit beruhigen, dass ein großes Team von erfahrenen Fahrwerksspezialisten "Jahre" für dieses "Optimum" benötigten, welches wir uns jetzt mit wenigen Worten versuchten näher zu bringen!
Winfried Reischl

Sinnvoll Tieferlegen - Dämpferanpassung

Abrundend zu den Berichten der zwei letzten Alpine-Post-Ausgaben, die sich mit der Gesamtproblematik einer Fahrwerkstieferlegung sowie der entsprechenden Federauslegung beschäftigen, wollen wir uns heute genauer mit dem Thema "Stoßdämpfer" befassen.
Wie bereits in den oben angesprochenen Abhandlungen mehrmals darauf hingewiesen, soll auch hier nochmals erwähnt werden: Eine Fahrwerksüberarbeitung muss als Ganzes gesehen werden,
d. h. auch wenn wir uns heute lediglich mit der Dämpfung beschäftigen, muss in der Praxis dieses Thema immer im Zusammenhang mit der Federung betrachtet und bearbeitet werden!
Um die Notwendigkeit des "Stoßdämpfers" bzw. richtig: des Schwingungsdämpfers festzustellen, bietet es sich an, die richtige Namensbezeichnung dieses Bauteils zu analysieren. Es soll die Vertikal-Schwingungen (hervorgerufen durch Bodenunebenheiten und über die Federung entsprechend weitergegeben) der Radaufhängung und somit auch der Karosserie dämpfen - dieser Anspruch erfüllt die Anforderung an den Fahrkomfort. Weiterhin soll der Dämpfer dynamische Radlastschwankungen mindern und das Springen von Rädern verhindern - Anforderungen der Fahrsicherheit.
Bevor wir uns mit den Auslegungskriterien eines Dämpfers beschäftigen, soll der Aufbau sowie die Wirkungsweise verschiedener Ausführungsbeispiele näher betrachtet werden. Ein Schwingungsdämpfer heutiger Kraftfahrzeuge besteht aus einem mit Dämpferöl gefüllten Zylinderrohr, in dem der an einer Kolbenstange befestigte Kolben bewegt wird und dabei unter Aufbringung von Kraft die Flüssigkeit durch definierte Drosselventile verdrängt. Beim Einfahren der Kolbenstange wird durch das zusätzliche Kolbenstangenvolumen eine Ausgleichsmöglichkeit für das Öl benötigt.
Beim Einrohr- oder Gasdruckdämpfer (siehe Bild 1) drückt der bewegliche Trennkolben (2) das Gaspolster (3) fester zusammen.
Bei entgegengesetzter Bewegung der Kolbenstange (1) drückt das Gas den Trennkolben wieder in die Ausgangslage.
Der Zweirohr-Stoßdämpfer B nimmt das vermehrte Flüssigkeitsvolumen über das Bodenventil (2) im Ausgleichsraum (4) (im äußeren Raum) auf. Beim Zurückfahren der Kolbenstange fließt das Öl auf demselben Weg zurück.
Dämpfer C vereint die zwei Prinzipien der zuvor beschriebenen Ausführungen. Der zusätzliche Niedergasdruck im Ausgleichsraum (3) schiebt die Kolbenstange wie beim Gasdruckdämpfer nach dem Einfahren wieder in die Ausgangslage zurück.
An positiven Eigenschaften sind für den Gasdruckdämpfer, bedingt durch das vorgespannte Öl, die kraftschlüssigen Dämpferfunktionen auch bei hohen Frequenzen, geringe Temperaturabhängigkeit sowie beliebige Einbaulage gegenüber dem Zweirohrsystem zu nennen. Als Nachteile müssen die geringeren Variationsmöglichkeiten bei der Einstellung sowie die temperaturabhängige Kolbenausschubkraft (= Höhenstandsänderung) erwähnt werden.
Wie bereits eingangs beschrieben, soll der Schwingungsdämpfer die Relativbewegungen zwischen Radaufhängung und Karosserie positiv beeinflussen. Dazu ist er an diesen Bauteilen befestigt und wird teleskopartig auseinandergezogen (Zugstufe) sowie zusammengedrückt (Druckstufe). Die Drosselventile im Schwingungsdämpfer sind so angeordnet und ausgelegt, dass sie in beiden Bewegungsrichtungen - Einfedern = Druck-/Ausfedern = Zug-Dämpfungsarbeit für Karosserie und Radaufhängung verrichten. Dabei wird die Strömungsenergie des Dämpferöles in Wärme umgesetzt und somit auch abgebaut.
Entscheidend für die Dämpfungskraft ist die Abhängigkeit von der Kolbengeschwindigkeit im Gegensatz zur Federung, die der Wegabhängigkeit unterliegt.
Da im Rahmen unserer Fahrwerk-Überarbeitungsmaßnahmen das Fahrzeug Vorteile in Punkto Straßenlage erlangen soll, können wir davon ausgehen, dass unser Fahrzeug tiefergelegt wird und somit auch harte Federn erhält. Damit die Dämpfer diesen neuen, höheren Anforderungen gewachsen sind, müssen die Kennungen entsprechend "angezogen" werden. Diese Arbeiten sind äußerst schwierig und überfordern den Laien. (Eine Dämpferabstimmung für ein Serienfahrzeug bedarf für lediglich eine Ausführungsvariante ca. 4 Wochen!)
Nach jeder Dämpferumstellung werden die Dämpferkennungen ermittelt und in einem Dämpferdiagramm festgehalten (siehe Bild 2).
Die Messungen finden auf einer Dämpferprüfmaschine statt. Dabei werden bei konstantem Hub und stufenweise variierten Drehzahlen (im Diagramm: Kolbengeschwindigkeiten) die Prüfwerte ermittelt. Das Verhältnis von Zugstufenkraft zu Druckstufenkraft bewegt sich erfahrungsgemäß von 3 : 1 bis 6 : 1.
Betrachtet man sich den Verlauf der einzelnen hier aufgeführten Dämpferkennungen über der Kolbengeschwindigkeit, so erkennt man drei charakteristische Verläufe.
1. Die progressive Kennung:
sehr geringe Kräfte im Aufbaubereich (bis ca. 0,39 m/s), d. h. die Karosserie kann sich sehr frei bewegen - was zu komfortablem Abrollen führt - die bei höheren Kolbengeschwindigkeiten stark ansteigenden Kräfte weisen auf ausgeprägte Raddämpfung hin. Somit wird das Radspringen unterbunden und die Bodenhaftung speziell auf ungleichmäßigen Fahrbahnen erhöht.
2. Die degressive Kennung der Schwingungsdämpfer übt bereits bei geringen Dämpfergeschwindigkeiten ein hohes Kraftniveau aus. Damit werden kleine Bodenunebenheiten wesentlich schlechter geschluckt.
Dagegen steht eine höhere Wankstabilität beim Aufbau von Querbeschleunigungen. Ebenso sind Verbesserungen im Anfahr- und Bremsnicken durch diese Maßnahme zu erwarten.
3. Die lineare Dämpfung kann unter Umständen einen akzeptablen Kompromiss darstellen.
Trotz all dieses hier aufgeführten theoretischen Wissens ist noch lange nicht die Gewähr dafür gegeben, dass die Umsetzung zu einem optimal sportlich abgestimmten Fahrzeug führt.
Dafür verbürgen sich die Experten auf diesem Gebiet mit dem Einsatz ihres ganzen Könnens und Wissens! Diese Fachleute alleine sind in der Lage, unter Berücksichtigung all der hier angesprochenen Punkte, ein optimales Fahrzeug für den sportlichen Fahrer bereitzustellen.
Sie, liebe Leser, sind angesprochen sich als Experten auf dem Sektor "Verantwortungsvolles Fahren" zu zeigen, indem Sie sich mit dem "optimalen Fahrzeug optimal auf der Straße bewegen"!
Winfried Reischl

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