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Fahrzeugtechnik

Bauarten von Federn

In Fahrzeugen kommen unterschiedliche Federarten zum Einsatz. In diesem Kurstext stellen wir dir diese nacheinander vor. Auf folgende Federarten gehen wir dabei näher ein:

  1. Blattfeder
  2. Torsionsstabfedern
  3. Schraubenfedern
  4. Gummi- und Gasfedern

Merke

Hier klicken zum Ausklappen Jede Federart wird in einem anderen Bereich des Fahrzeugs verbaut und erfüllt dort unterschiedliche Eigenschaften. 

1. Blattfedern

Blattfeder (mehrlagig)
Blattfeder (mehrlagig)

 

Blattfeder an einem Oldtimer
Blattfeder an einem Oldtimer

 

Die Blattfeder zählt zu den ältesten Bauformen im Bereich der Fahrzeugfedern. Diese werden ausschließlich aus Stahl gefertigt. Das konstante E-Modul des Stahls bei einer einlagigen Blattfeder zeigt eine annähernd lineare Federkennlinie an. Bei mehrlagigen Blattfedern kommen einzelne Blätter erst bei stärkerem Federweg zum Einsatz, wodurch sich die Federsteifigkeit c mit dem Federweg erhöht.

Blattfeder verbaut
Blattfeder verbaut

 

Folglich erhält man keine lineare, sondern eine progessive Federkennlinie. Problematisch ist bei mehrlagigen Blattfedern, dass Reibung zwischen den Blättern auftritt, die wiederum die Federung beeinträchtigt. Um dem entgegenzuwirken, setzt man häufig Kunststoffeinlagen und Gleitmittel ein. 

2. Torsionsstabfeder

Die Torsionsstabfeder erinnert rein optisch betrachtet an einen Metallstab. 

Torsionsstab
Torsionsstab

Verdreht man beide Enden des Stabs gegeneinander, so ergibt sich ein Moment MT, welches sich proportional zum Verdrehwinkel $ \varphi $ verhält. Formal lässt sich dieser Zusammenhang mit nachfolgender Gleichung berechnen:

Methode

Hier klicken zum Ausklappen Moment: $ M_T \approx \frac{G \, \cdot \, \pi \, \cdot \, d^4}{32 \, \cdot \, l } \cdot \varphi_T  $

Der Verdrehwinkel wird im Bogenmaß angegeben. Der Schub-Modul G beträgt für Stahl ca. 80.000 N/mm2. Am Fahrzeug findet sich die Torsionsstabfeder einseitig mit der Drehachse eines Lenkers der Radführung und an der Karosserie verbunden. Die Torsionsstabfeder ist fest eingespannt.

3. Schraubenfeder

Die Schraubenfeder ist im Prinzip nichts anderes als ein schraubenförmig gewundener Torsionsstab.

Schraubenfeder an einem Schienenfahrzeug
Schraubenfeder an einem Schienenfahrzeug

Es existieren drei gängige Ausführungen für Schraubenfedern:

Schraubenfeder mit inkonstantem Windungsdurchmesser

Schraubenfeder mit inkonstanter Windung, Motorrad

 

Die Windungsdurchmesser dieser Schraubenfederform sind unterschiedlich. Man bezeichnet diese Bauform auch als Tonnenform. Ihr Vorteil besteht darin, dass die Baulänge verhältnismäßig gering ausfällt. Zudem sind die Windungen mit einem großen Windungsdurchmesser weicher. Damit jedoch zuerst die äußeren Windungen mit einer höheren Härte zuerst zum Anliegen kommen, wird die Schraubenfeder so gewickelt, dass sie einen deutlich geringeren Federweg aufweisen. 

Schraubenfeder mit inkonstanter Steigung

Schraubenfeder mit inkonstanter Steigung, Motorrad
Schraubenfeder mit inkonstanter Steigung, Motorrad

Bei dieser Schraubenfederform sind die Windungsabstände unterschiedlich, der Drahtdurchmesser und Windungsdurchmesser aber bei allen Windungen konstant. Infolge des Einfederns nimmt der Windungsabstand zwischen zwei Windungen um einen konstanten Betrag ab. Daher ist es auch logisch, dass zuerst die Windungen anliegen, deren Abstand am geringsten zueinander ist. Daraus folgt wiederum, dass die Federsteifigkeit [Gleichung folgt] durch die Abnahme der federnden Windungen zunimmt. 

Schraubenfeder mit inkonstantem Drahtdurchmesser

Schraubenfeder mit inkonstanten Draht
Schraubenfeder mit inkonstantem Drahtdurchmesser

 

Diesen Typ  Schraubenfeder kennzeichnet, dass der Drahtdurchmesser unterschiedlich ausfällt, aber die Abstände der einzelnen Windungen zueinander konstant sind. Die Windungen mit einem größeren Drahtdurchmesser sind härter. Beim Einfedern ist der Federweg an diesen Windungen kleiner. Hingegen an den weicheren Windungen (dünnerer Draht) bewirkt ein Anliegen eine Härtung der Feder, da die Anzahl der federnden Wicklungen abnimmt und folglich nur noch die härteren Windungen federn.   

Federsteifigkeit

Infolge des Einfederns der Schraubenfeder tordiert der Stab und das auftretende Moment bewirkt die Federkraft. Als Ergebnis erhält man dann die Federrate bzw. Federsteifigkeit der Schraubenfeder.

Methode

Hier klicken zum Ausklappen Federsteifigkeit: $ c_F = \frac{G \, \cdot \, d^4}{8 \, \cdot \, D^3 \, \cdot \, i_F} $
  • $ d $ : Durchmesser des Drahts
  • $ D $ : Mittlerer Windungsdurchmesser
  • $ G $ : Schubmodul (Werkstoffabhängig)
  • $ i_F $ : Anzahl der Windungen mit federnder Wirkung

Zusätzlich lassen sich auch die Schubspannungen bestimmen mit

Methode

Hier klicken zum Ausklappen Schubspannung: $ \tau \approx \frac{8 \, \cdot \, D}{\pi \, \cdot \, d^3} \cdot F_F $
  • $ F_F $ : Federkraft

Hinweis

Hier klicken zum Ausklappen Im kommenden Kurstext betrachten wir dann die Gummi- und Gasfedern.