Inhaltsverzeichnis
In Fahrzeugen kommen unterschiedliche Federarten zum Einsatz. In diesem Kurstext stellen wir dir diese nacheinander vor. Auf folgende Federarten gehen wir dabei näher ein:
- Blattfeder
- Torsionsstabfedern
- Schraubenfedern
- Gummi- und Gasfedern
Merke
1. Blattfedern
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.
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.
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
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.
Es existieren drei gängige Ausführungen für Schraubenfedern:
Schraubenfeder mit inkonstantem Windungsdurchmesser
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
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
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
- $ 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
- $ F_F $ : Federkraft
Hinweis
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