Das Missverständnis bei der Federvorspannung
Die Federvorspannung ist eine dieser Sachen, die unglaublich leicht missverstanden werden.
Und ehrlich gesagt gibt es einige Gründe, warum man dabei leicht auf die falsche Idee kommt. Man kann es den Leuten also nicht wirklich übel nehmen.
Schließlich heißt das Ganze „Federvorspannung“.
Tja … ich meine, was soll man da sonst denken? Der Name selbst ist schon eine kleine Falle.
…Macht das Sinn?
Neulich habe ich bei einer Recherche einen weiteren Artikel gefunden, in dem es um das übliche Missverständnis bei der Federvorspannung ging.
Interessant war allerdings, dass der Artikel auf den ersten Blick sehr logisch geschrieben war. Beim Lesen dachte ich: „Diese Person hat wirklich viel Arbeit in die Recherche gesteckt.“
Dort wurde erklärt, dass die Federrate streng genommen nicht vom Anfang bis zum Ende des Federwegs immer exakt gleich ist.
Selbst wenn zwei Federn mit derselben Federrate angegeben sind, kann es je nach Hersteller oder Konstruktion leichte Unterschiede geben.
Zum Beispiel können Federn mit offenem und geschlossenem Federende im ersten Teil des Federwegs unterschiedliche Kennlinien haben.
Und auch gegen Ende des Federwegs, wenn sich die Windungen immer weiter annähern, kann sich die Federrate je nach Konstruktion etwas verändern.
Hmm. Klingt logisch. Bis hierhin ist alles richtig.
„Wenn man also die Federvorspannung erhöht, nutzt die Feder mehr von ihrem Federweg, wodurch sich der verfügbare Federweg verändert. Und deshalb verändert sich das Fahrverhalten des Autos!“
Whoa …
Bis dahin lief doch alles so gut. Wie sind wir denn jetzt hier gelandet?
Eigentlich denke ich, dass jemand, der so etwas schreiben kann, wahrscheinlich ein ziemlich kluger Mensch ist.
Gerade deshalb sollte man aber merken, dass irgendetwas nicht ganz zusammenpasst, wenn man einfach einmal einen Schritt zurückgeht und über die Federvorspannung selbst nachdenkt.
Wahrscheinlich sorgt schon der Begriff „Federvorspannung“ für die Verwirrung.
Was Vorspannung tatsächlich bedeutet: Der Dämpfer hält die Feder zurück
Schauen wir uns das einmal genau an. Stell dir eine Feder mit einer Federrate von 10 N/mm vor, die nach 150 mm Federweg auf Block geht.
Wenn du 50 mm Vorspannung aufbringst, bedeutet das dann, dass die Feder jetzt bereits bei 1000 N auf Block geht?
Nein.
Um eine Feder mit 10 N/mm um 150 mm zu komprimieren, brauchst du immer noch 1500 N.
Nur weil du 500 N Vorspannkraft aufgebracht hast, wird daraus keine Feder, die bei 1000 N auf Block geht.
Genauso: Wenn du 10 mm Vorspannung gibst, komprimiert sich die Feder dann um 110 mm? Und bei 20 mm Vorspannung um 120 mm?
So funktionieren Federn nicht.
Drück einfach einmal mit den Fingern auf die Feder in einem Kugelschreiber.
Egal, wie stark sie vorher zusammengedrückt wurde: Wie weit sie sich weiter komprimiert, hängt von der Kraft ab, die gerade auf sie wirkt.
Anders gesagt bedeutet Federvorspannung im Grunde Folgendes:
Der Dämpfer verhindert, dass sich die Feder weiter ausdehnt.
Indem man den Abstand zwischen der oberen Dämpferaufnahme und dem unteren Federteller kleiner macht als die freie Länge der Feder, verhindert man, dass sich die Feder über dieses Maß hinaus ausdehnt.
Das bedeutet allerdings nicht, dass die Feder selbst irgendeine zusätzliche Kraft speichert.
Der Dämpfer hält sie einfach an ihrem Platz.
Wenn du beispielsweise einen Dämpfer mit deutlich vorhandener Vorspannung nimmst und die Kolbenstange mit einem Winkelschleifer durchtrennst, wird sich die Feder plötzlich wieder auf ihre freie Länge ausdehnen – mit einem ziemlich lauten Knall.
Wer schon einmal einen Seriendämpfer zerlegt hat, kann sich wahrscheinlich vorstellen, was ich meine.
Der Dämpfer ist es, der die Feder um den Betrag der Vorspannung komprimiert hält.
Aber was passiert, wenn jemand mit übermenschlichen Kräften beide Enden des Dämpfers packt und ihn von Hand weiter zusammenschiebt?
Wenn der Dämpfer weiter komprimiert wird, als es der Vorspannung entspricht, trägt die Kolbenstange diese Vorspannkraft nicht mehr.
In diesem Zustand wird sich die Feder selbst dann nicht plötzlich ausdehnen, wenn du die Kolbenstange mit einem Winkelschleifer durchtrennst.
Denn jetzt wird die Feder von deinen Händen zusammengedrückt.
Egal, ob die Vorspannung 20 oder 50 mm beträgt: In dem Moment, in dem die Kraft deiner Hände die Vorspannkraft übersteigt, hat die Vorspannung selbst überhaupt keinen Einfluss mehr auf die Feder.
Wenn der Dämpfer im Auto eingebaut ist, ist es das Fahrzeuggewicht, das den Dämpfer zusammendrückt.
Solange das Auto also nicht mit einem Wagenheber vom Boden abgehoben ist, wird der Dämpfer normalerweise weiter zusammengedrückt, als es der Vorspannung entspricht.
Unter diesen Bedingungen hat die Vorspannung keinen Einfluss auf die Feder selbst.
Am Fahrzeug: Warum der aufgebockte Zustand täuschen kann
Aber hier kommt der interessante Punkt.
Wenn man die Vorspannung tatsächlich verändert, ändert sich doch irgendetwas, oder?
Was sich verändert, ist nicht der Federweg.
Was sich verändert, ist die Position des Dämpfers relativ zur Karosserie.
Dieser Teil ist wahrscheinlich allein mit Worten etwas schwer zu verstehen, also schauen wir uns das einmal bildlich an.
Wenn man von „Vorspannung erhöhen“ spricht, meint man normalerweise, dass man den unteren Federteller am Dämpfer dreht, während das Auto mit einem Wagenheber angehoben ist.
Ein Auto auf Unterstellböcken ist allerdings ein ziemlich besonderer Zustand – die Reifen haben keinen Bodenkontakt und das Fahrwerk ist vollständig ausgefedert.
Aber wenn du tatsächlich mit deinem Auto fährst, schweben die Reifen normalerweise nicht in der Luft, oder?
…Moment, bist du etwa ein WRC-Fahrer? Entschuldige bitte. Ich wusste nicht, dass ich gerade mit jemandem spreche, der die Hälfte seiner Zeit in der Luft verbringt.
(Okay, okay, zurück zum Thema.)
Schauen wir uns also an, was tatsächlich passiert, wenn wir die Vorspannung unter normalen Fahrbedingungen erhöhen – also mit dem vollständigen Fahrzeuggewicht, das auf dem Fahrwerk lastet.
Visualisieren wir das Ganze mit einer Animation.
(Für eine bessere Verständlichkeit wird die Karosserie in der Luft fixiert und stattdessen die Bodenseite bewegt.)
Konzentrieren wir uns nun auf den Dämpfer und machen ihn durchsichtig, damit wir seine inneren Bewegungen sehen können.
Kannst du erkennen, was hier passiert?
Stell dir vor, eine Kamera ist im Radhaus befestigt.
Zuerst machst du ein Foto mit 1 mm Vorspannung, nachdem du das Auto vom Wagenheber abgelassen hast.
Dann hebst du das Auto wieder an, erhöhst die Vorspannung um weitere 1 mm, lässt das Auto wieder ab und machst aus derselben Position ein weiteres Foto.
Das wiederholst du und setzt zehn solcher Bilder zu einer Animation zusammen.
Im Grunde ist genau das zu sehen.
Wie du erkennen kannst, wird der Abstand zwischen der oberen Aufnahme und dem Dämpfergehäuse größer.
Dadurch verändert sich die Position des Kolbens im Dämpfergehäuse – mit anderen Worten: Die Hubverteilung im Dämpfer verändert sich.
Wenn wir das Ganze von der Höhe über dem Boden aus betrachten, bewegt sich außerdem der untere Federteller – also die Plattform, auf der die Feder sitzt – nach oben.
Dadurch erhöht sich die Fahrhöhe.
Und das war’s auch schon.
Das sind die einzigen Dinge, die sich verändern.
Da wir lediglich die Position des Dämpfergehäuses verändern, ändert sich außer der Fahrhöhe und der Hubverteilung nichts weiter.
Was sich wirklich ändert: Fahrhöhe und Hubverteilung
Der wichtige Punkt ist: Das Drehen des unteren Federtellers bedeutet überhaupt nicht, dass die Feder tatsächlich „komprimiert“ wird.
Wenn das Auto mit einem Wagenheber angehoben ist, sieht es zwar so aus.
Aber das liegt nur daran, dass in diesem Zustand das Fahrzeuggewicht nicht auf dem Fahrwerk lastet.
Wenn das Auto normal auf dem Fahrwerk steht und sein vollständiges Gewicht darauf wirkt, verändert eine Erhöhung der Vorspannung lediglich die Fahrhöhe und die Hubverteilung.
Die Sache mit „welcher Teil der Feder genutzt wird“
Es gibt allerdings einen Punkt, der dieses Thema etwas verwirrend macht.
Manchmal wird eine Veränderung der Hubverteilung so beschrieben:
„Es verändert, welchen Teil der Feder man nutzt.“
Das ist nicht wirklich falsch.
Eigentlich ist es überhaupt nicht falsch.
Aber diese Formulierung kann leicht zu Missverständnissen führen.
Sie ist ein bisschen eine Falle.
Ein Ingenieur von Team Le Mans, einem Team, das unter anderem in Super Formula und Super GT erfolgreich angetreten ist, hat die Federvorspannung folgendermaßen erklärt.
(Quelle: Damper Lecture No.101)
Beeinflusst die Vorspannung das Masse-Feder-System?
Eine Änderung der Vorspannung verändert an der Feder selbst nichts, solange die Feder nicht vollständig ausfedert oder auf Block geht, wie in der Abbildung dargestellt.
Die Feder schwingt einfach um den Punkt, an dem sie mit dem Fahrzeuggewicht im Gleichgewicht ist.
Die Feder wird weder härter noch weicher. Es verändert sich lediglich, welcher Teil der Feder genutzt wird.
Siehst du, was dort steht?
„Es verändert sich lediglich, welcher Teil der Feder genutzt wird.“
Genau hier scheint es bei vielen zu Missverständnissen zu kommen.
Sie verstehen es so:
„Wenn ich also 10 mm Vorspannung hinzufüge, komprimiert sich die Feder um weitere 10 mm? Und bei 20 mm Vorspannung um weitere 20 mm?“
Aber genau das bedeutet es nicht.
Interessanterweise erklärt derselbe Artikel weiter hinten sogar Folgendes:
Selbst wenn das System auf einem 7-Post-Rig angeregt wird, verändert sich nichts.
Aber selbst Leute aus dem Rennsport kommen manchmal zum 7-Post-Rig und fragen: „Ich überlege, ein bisschen Vorspannung zu geben. Was meinst du?“ Und wir antworten: „Du kannst sie verändern, wenn du möchtest. Aber solange die Feder nicht vollständig ausfedert, wird sich auf dem Rig nichts verändern.“
Die Vorspannung ist nichts anderes als eine Fahrhöhenverstellung, die gleichzeitig die Hubverteilung verändert. Mehr ist es nicht.
Genau das ist der ganze Punkt.
Übrigens: Ein 7-Post-Rig ist eine Prüfmaschine – ein hochentwickelter Straßensimulator, mit dem sich das Verhalten eines Fahrzeugs unter kontrollierten Bedingungen reproduzieren und analysieren lässt.
Die Vorspannung ist einfach eine „Fahrhöhenverstellung, die die Hubverteilung verändert“. Mehr nicht.
Wenn wir allerdings ganz genau sein wollen, muss die Vorspannung selbst nicht zwangsläufig etwas mit der Fahrhöhe zu tun haben.
Im Kern geht es bei der Vorspannung lediglich darum, die Hubverteilung des Dämpfers einzustellen.
Dass man eine Änderung der Vorspannung normalerweise mit einer Änderung der Fahrhöhe verbindet, liegt lediglich daran, dass sich der untere Federteller am einfachsten drehen lässt, um diese Einstellung vorzunehmen.
Du könntest zum Beispiel den Dämpfer ausbauen, eine 10-mm-Distanzscheibe unter der oberen Aufnahme entfernen und den Dämpfer wieder einbauen, ohne die Position des unteren Federtellers zu verändern.
Du hättest damit 10 mm zusätzliche Vorspannung erzeugt, aber die Fahrhöhe wäre unverändert geblieben.
Grundsätzlich ist die Vorspannung also einfach eine Möglichkeit, die Hubverteilung einzustellen.
In der Praxis kann eine Veränderung der Hubverteilung natürlich Dinge beeinflussen, zum Beispiel wie stark der Bumpstop komprimiert wird.
Und wenn sich die Fahrhöhe verändert, ändern sich auch Dinge wie die Spureinstellung und die Position des Wankzentrums.
Es ist also vollkommen nachvollziehbar, dass man denkt:
„Wow, die Änderung der Vorspannung hat einen riesigen Unterschied gemacht! Der Effekt davon, dass die Feder bereits vorher komprimiert war, muss gewaltig sein!“
Wenn sich die Fahrhöhe verändert, kann sich das Fahrverhalten natürlich deutlich verändern.
Eine veränderte Achsgeometrie oder eine andere Position des Wankzentrums wirkt sich selbstverständlich auf das Fahrverhalten aus.
Aber das ist nicht die Wirkung der Vorspannung selbst.
Die Feder verhält sich nicht anders, nur weil sie vorher bereits komprimiert wurde.
Wenn du glaubst, dass eine Erhöhung der Vorspannung dazu führt, dass die Feder zusätzlich um genau diesen Betrag einfedert, kann dir das irgendwann Probleme bereiten – zum Beispiel bei einem Fahrzeug, bei dem nur sehr wenig Platz bleibt, bevor die Feder auf Block geht.
Das tatsächliche Verhalten wird dann nicht deinen Erwartungen entsprechen.
Die eigentliche Bedeutung der Vorspannung ist also nicht wirklich „die Feder vorher zu komprimieren“.
Sie bedeutet vielmehr, die Hubverteilung zu verändern oder zu verhindern, dass sich die Feder weiter ausdehnt.
Das ist es, was die Vorspannung bewirkt.
Aber trotzdem …
Der Name lautet nun einmal „Federvorspannung“.
Also ganz ehrlich: Man kann es den Leuten kaum übel nehmen, wenn sie das missverstehen.
Genau das meinte ich ganz am Anfang mit:
„…Macht das Sinn?“
Daran können wir wohl nicht viel ändern.
Aber ich hatte schon immer das Gefühl, dass der Begriff selbst fast wie eine Falle ist, die das Verständnis schwieriger macht, als es eigentlich sein müsste.