Federn am Gespann

Physikalische Grundlagen
Es gibt die Kräfte „Last“ und „Impuls“, die die Auslenkung einer Feder beeinflussen. Die aufliegende Last ist zunächst statisch konstant, wird aber dynamisch größer, wenn die Fahrbahnoberfläche Impulse auf das Federelement ausübt oder zusätzliche Fliehkräfte wirken. Die beeinflussen dabei den so genannten Gravitationswert der Last. Wir kennen ihn zum Beispiel vom Einbremsen eines Fahrstuhls. Impulse erfolgen in unterschiedlicher Größe, Zeit oder Zeitfolge.

Reifen und Stoßdämpfer mit Druckstufe verringern die Wirkung eines Impulses auf die Auslenkung der Feder. Die Last stellt im Ruhezustand den sogenannten negativen Federweg her. Der wird für das Ausfedern benötigt und verringert gleichzeitig den aktiven Federweg. Beide Faktoren wirken sich auf den Fahrkomfort aus.

Die Faustregel für den negativen Federweg: Er sollte nach dem Zusteigen der Passagiere etwa ein Viertel bis ein Drittel des Federbein-Gesamtarbeitsweges betragen.

Eine Feder folgt bei ihrer Arbeit physikalischen Gesetzen, sie schwingt mit einer bestimmten Frequenz. Dabei dauern Ein- und Ausfedervorgang immer gleich lang. Um ein Nachfedern zu verhindern, benötigt sie einen Dämpfer, der mindestens einen dieser Vorgänge verlangsamt.

Bei einem Druckimpuls wird die Feder schnell und ungehemmt zusammen gepresst, ihr Ausfedern wird verzögert, sie schwingt nicht nach. So funktioniert die Zugstufe eines klassischen Stoßdämpfers, und es ist der komfortabelste Weg.

Federn1
Bei zunehmender Geschwindigkeit wird die Impulsfolge – die Zahl der Fahrbahnstöße – zeitlich dichter. Bald kann die Feder mit ihrer Arbeit nicht mehr folgen. Hier wird die Druckstufe des Stoßdämpfers aktiv. Sie verzögert auch das Einfedern, sodass die Feder bis zum Ende des Impulses einen kürzeren Weg zurücklegt, früher umkehrt und so Einund Ausfederprozess schneller vollzogen werden. Das wirkt sich negativ auf das Komfortempfinden der Passagiere aus.

Wenn also Einstellmöglichkeiten gegeben sind: So weich wie möglich, so hart wie nötig. Eine als zu hart empfundene Federung kann durchaus in zu hart gebremsten Impulsen durch andere Elemente begründet sein.

Zunächst vermessen wir den Gesamtfederweg von Auge zu Auge des unbelasteten Federbeines und notieren ihn. Dann erfolgt das gleiche Spiel mit dem verbleibenden, aktiven Federweg durch Auflasten des typischen Gewichtes von Fahrer, Beifahrer und Ladung auf das Fahrzeug.

Beträgt die Differenz, also der negative Federweg, mehr als ein Drittel des Federweges, gilt zu beachten: Vorspannen verbessert lediglich das Statikverhalten einer Feder gegenüber der Last. Das Verhalten gegenüber schwachen Impulsen verschlechtert sich. Obendrein bleibt die Gefahr des Durchschlagens bei härteren Impulsen, das Dämpferelement setzt am Gummi auf, und der Orthopäde reibt sich die Hände.

Eine passende, auch härtere Feder ohne Vorspannung hat hingegen neben dem nötigen negativen Federweg auch ein sehr sensibles Ansprechverhalten gegenüber allen Impulsen, nur der Weg ist kürzer, den sie bei der Arbeit zurücklegt. Dies bedeutet aber nicht zwangsläufig weniger Komfort.

Allerdings wird eine zu harte Hinterradfederung vom Beiwagenpassagier schon als Komforteinbuße wahrgenommen. Besser ist, wir spendieren dem Beiwagen eine härtere, passende Feder ohne Vorspannung, dem Hinterrad hingegen eine weichere. Jetzt kann die Last eine Verbesserung der Fahrgestelleinstellung herbeiführen.

Federn2
Unbeladen steht das Gespann eher gerade, beladen hingegen nimmt der Sturz der Zugmaschine zu, auch das Hinterrad federt ein. Dies verbessert den Geradeauslauf, erleichtert das Lenken und verringert die Linkskurvenneigung. Bitte beachten: Diese Ausführungen gelten für die Federn, deutlich härtere Federn benötigen auch andere Dämpfer.

Progressive Federn
Technisch ist es fast nicht möglich, preisgünstig, gleichmäßig, wiederholt und passend progressive Federwicklungen anzufertigen. Was wir besser kennen, sind zweistufig gewickelte Federn mit einem weichen und einem harten Segment. Das weiche ist für den Komfort und leichte Bodenwellen zuständig. Schlägt es durch, und alle Windungen des Segments liegen aufeinander, beginnt das zweite Segment mit einer härteren Federrate, intensiver zu arbeiten.

Dieser Federntyp ist aber mit der Verwendung von Gasdruckdämpfern und einstellbaren Druckstufen wieder aus der Mode gekommen, da diese Features die Wirkung der Federprogression übernehmen können und sollen. Die Berechnung, vor allem aber die Beschaffung der gewünschten Federwicklung ist deutlich schwieriger als die mit einer konstanten Federrate. Stattdessen irgendetwas zu nehmen, ist möglicherweise hinausgeschmissenes Geld. Ein Vorspannen, auch wegen zu großer Baulänge, würde die Wirkung der Stufenwicklung deutlich verringern.

Federhärten
Am Beiwagen Am Beiwagenrad wirken statische Lasten von 400 bis 1200 Newton (beim Zweisitzer mehr). Mit einem G-Wert von 2 für schnelle Kurven kommen nicht mehr als 2500 zusammen. Das ergibt bei 50 Millimetern Federweg eine 50er Feder, aber: Eine 100er Feder federt genau so sensibel, nur nicht so tief!#

Am Vorderrad
Am Vorderrad des Gespanns sollten unbedingt die Werte für die Verkehrssicherheit dominieren. Bei einer Vollbremsung wirken rund zwei Drittel des zulässigen Gesamtgewichtes auf die Federn. Um ein Durchschlagen zu vermeiden und sicheren Bodenkontakt des Rades zu gewährleisten, sollte die Multiplikation von Gesamtfederrate und aktuellem Federweg einen Wert von rund 5000 Newton ergeben.

Bei Verwendung von zwei Federn am gleichen Hebel werden die Federraten addiert. Beispiel mit zwei Federbeinen an einer Vorderradschwinge:
5000 N (Tragkraft) : 2 (Anzahl der Federn) : 60mm (Federweg)
= 2500 : 60 = 41,67 N/mm (Federrate).

Benötigt würden also zwei 42er Federn, die dann bei einer Radlast von 125 kg einen negativen Federweg von 15 mm zur Verfügung stellten. Zwei 35er Federn mit 11,5 Millimetern Vorspannung würden zwar die gleiche Traglast (35 x (60 + 11,5) erbringen, aber bis zu einem Gewicht von 805 Newton (35 x 11,5 x 2) würde die Federung gar nicht erst ansprechen. Das ist bei einer Bodenwelle ebenso gefährlich wie ein Durchschlagen.#

Am Hinterrad
Hinten wirken bei der Solomaschine etwa 60 % des zulässigen Gesamtgewichtes, also rund 3000 Newton. Beim Gespann mit nur dem Fahrer auf der Maschine und beladenem Beiwagen kommen kaum 40 Prozent des zulässigen Gesamtgewichtes zusammen, also wiederum rund 3000 Newton. Das bestätigen Messungen beim Euro-Gespanntreffen 2013 (siehe Tabelle M-G 138, Seite 29).

Eigentlich sollte es genügen, die Vorspannung der Federn für den Soziusbetrieb zu erhöhen oder beim Monofederbein die Umlenkhebel zu verändern. Auch bei der Rechtskurve mit angehobenem Beiwagen kommen nicht mehr als 5000 Newton zusammen, gerade so viel wie am Vorderrad bei einer Vollbremsung.

Dennoch fordern viele Fahrer und Gespannbauer gerade hinten besonders harte Federn. Doch das Hinterrad hat wie kein anderes mit Entlastung und Traktionsverlust beim Bremsen und in der Linkskurve zu kämpfen. Dagegen hilft nur ein besonders langer negativer Federweg.

Olaf Schulze

Der komplette Artikel ist in MOTORRAD-GESPANNE Ausgabe 140, Seite 59, erschienen.

Schreibe einen Kommentar

Design by MR design / Powered by MR cloud

Zur Werkzeugleiste springen