EV-Radaufhängung: Radführung, Fahrkomfort und Handling

Die Radaufhängung ist das mechanische und elektronische System, das die Kräfte zwischen den Reifen eines Elektrofahrzeugs und seiner Karosserie beherrscht. Ihre Aufgabe besteht nicht einfach darin, das Fahrzeug weich abzufedern: Sie muss eine nutzbare Reifenlast erhalten, Karosseriebewegungen kontrollieren, Federweg bereitstellen, Geräusche und Schwingungen isolieren und das Fahrzeug beim Bremsen, Beschleunigen und in Kurven sicher führen.

Was die Radaufhängung kontrolliert

Eine Straßenanregung beginnt an der Reifenaufstandsfläche. Der Reifen verformt sich, Rad und Nabe bewegen sich, die Aufhängungslenker führen diese Bewegung, die Feder speichert Energie und der Dämpfer wandelt einen Teil der Bewegungsenergie in Wärme um. Buchsen, Hilfsrahmen, Sitze und Karosseriestruktur bestimmen, wie viel von der verbleibenden Störung die Insassen erreicht.

Das System erfüllt daher mehrere Aufgaben gleichzeitig:

das Rad bei Feder- und Lenkbewegungen in einem zweckmäßigen Bereich für Sturz und Spur halten;
Schwankungen der vertikalen Reifenlast begrenzen, damit der Reifen vorhersehbare Brems-, Seitenführungs- und Antriebskräfte erzeugen kann;
Hubbewegung (vertikale Bewegung), Nicken (Drehung um die Querachse) und Wanken (Drehung um die Längsachse) der Karosserie kontrollieren;
Straßenanregungen aufnehmen, ohne wiederholt die Druck- oder Zuganschläge zu erreichen;
wechselnde Belastungen durch Insassen, Gepäck und Anhänger bei einer akzeptablen Fahrzeughöhe tragen;
Körperschall isolieren, ohne die Radführung unpräzise zu machen.

Keine Radaufhängung kann die Reifenkraft vollkommen konstant halten. Eine Bodenwelle, eine Senke oder ein Lenkimpuls verteilt die Last stets neu, und ein Reifen ohne Straßenkontakt kann keine Fahrbahnkräfte erzeugen. Das Entwicklungsziel besteht darin, Größe, Geschwindigkeit und Dauer dieser Veränderungen innerhalb der verfügbaren Haftung und des vorhandenen Federwegs zu kontrollieren.

Ein nützliches Modell: Karosserie, Rad und Straße

Das einfachste zweckmäßige Aufhängungsmodell bildet eine Fahrzeugecke mit zwei bewegten Massen ab:

die gefederte Masse: der von der Feder getragene Anteil von Karosserie, Batterie, Insassen und Ladung;
die ungefederte Masse: im Wesentlichen Rad, Reifen, Nabe, Bremse und ein Anteil der Aufhängungslenker;
die Feder und der Dämpfer der Radaufhängung zwischen diesen Massen;
die Reifensteifigkeit und -dämpfung zwischen ungefederter Masse und Straße.

Dieses „Viertelfahrzeug“-Modell mit zwei Freiheitsgraden ist bewusst unvollständig, macht aber den zentralen Zielkonflikt sichtbar. Eine weiche Entkopplung der Karosserie, eine straffe Kontrolle des Federwegs und geringe Schwankungen der Reifenlast lassen sich mit einer passiven Feder-Dämpfer-Kombination nicht unabhängig voneinander optimieren. Die Änderung eines Parameters beeinflusst mehr als ein Ergebnis. SAE: dynamic behavior of passive and active suspension systems

Für eine schwach gedämpfte Einmassen-Näherung lautet die Eigenfrequenz der Karosserie:

fₙ ≈ (1 / 2π) × √(kᵥ / mₛ)

Dabei ist kᵥ die vertikale Radsteifigkeit in N/m und mₛ die an dieser Fahrzeugecke getragene gefederte Masse in kg. Im realen Fahrzeug sind alle vier Räder miteinander gekoppelt; außerdem gibt es Eigenformen von Reifen, Sitz, Buchsen und Struktur. Die Gleichung ist daher ein Hilfsmittel zum Verständnis und keine vollständige Vorhersage des Fahrkomforts.

Auch Fahrkomfort lässt sich nicht durch einen einzigen, allgemeingültigen Beschleunigungswert beschreiben. Die menschliche Empfindlichkeit hängt von Frequenz, Richtung und Dauer der Schwingung sowie von Körperhaltung und vorübergehenden Stößen ab. ISO 2631-1 bewertet deshalb frequenzgewichtete Ganzkörperschwingungen, anstatt jede Beschleunigung gleich zu behandeln. ISO 2631-1: whole-body vibration evaluation

Die Kraftpfade

Die Komponenten der Radaufhängung erfüllen unterschiedliche Aufgaben:

Reifen sind die ersten Federn und Dämpfer im Kraftpfad. Aufbau, Druck, Größe und Temperatur können sowohl den Fahrkomfort als auch das Lenkverhalten verändern.
Federn tragen die statische Last und speichern Energie, wenn sich die Aufhängung bewegt. Sie bestimmen die Fahrzeughöhe und zusammen mit der Geometrie die Radsteifigkeit.
Dämpfer widersetzen sich Relativbewegungen und bauen Energie ab. In einer üblichen Pkw-Konstruktion tragen sie nicht das statische Fahrzeuggewicht.
Lenker, Arme, Gelenke und Federbeine begrenzen die Radbahn und übertragen Längs-, Quer- und Vertikalkräfte.
Buchsen und Lager sorgen gezielt für Nachgiebigkeit und Entkopplung. Ihre Verformung unter Last – die Elastokinematik – kann Spur, Sturz und Lenkansprechen verändern.
Stabilisatoren erzeugen vor allem dann zusätzliche Federkraft, wenn sich das linke und rechte Rad unterschiedlich weit bewegen.
Druck- und Zuganschläge wirken nahe den Enden des Federwegs als Zusatzfedern.
Sensoren, Ventile, Pumpen und Aktuatoren können Dämpfung, Fahrzeughöhe, Wanksteifigkeit oder die Kraft an einer einzelnen Fahrzeugecke verändern.

Diese Bauteile lassen sich nicht isoliert beurteilen. Ein reibungsarmer Dämpfer ist nur dann wertvoll, wenn seine Lager und Gelenke ein feines Ansprechen ermöglichen. Eine aufwendige Mehrlenkerachse kann weiterhin unvorhersehbar lenken, wenn ihre Buchsen in die falsche Richtung nachgeben. Eine weiche Hauptfeder kann sich hart anfühlen, wenn das Fahrzeug zu häufig auf den Anschlagfedern fährt.

Warum Elektrofahrzeuge die Abstimmungsaufgabe verändern

Die physikalischen Gesetze der Radaufhängung ändern sich bei einem Elektroauto nicht, wohl aber häufig die konstruktiven Randbedingungen.

Eine Traktionsbatterie kann Gesamtmasse, Achslastverteilung, Gier- und Nickträgheit sowie den verfügbaren Bauraum um die Radaufhängung verändern. Bei der Umrüstung einer bestehenden Verbrennerplattform auf batterieelektrischen Antrieb können deshalb Radsteifigkeit, Dämpfung, Wanksteifigkeit, Federweg, Sturz und Spur neu bewertet werden müssen; eine einfache Erhöhung der Federrate genügt nicht. SAE: reassessing suspension characteristics after EV conversion

Mehrere Eigenschaften von Elektrofahrzeugen verdienen besondere Aufmerksamkeit:

Eine im Fahrzeugboden angeordnete Batterie platziert einen beträchtlichen Teil der gefederten Masse tief in der Karosserie. Das kann das bei einer bestimmten Querbeschleunigung entstehende Wankmoment verringern, beseitigt aber weder die Notwendigkeit der Wankkontrolle noch die Übertragung der Reifenlast.
Eine hohe Fahrzeugmasse erhöht die in Karosseriebewegungen enthaltene Energie und die Kräfte, die nötig sind, um diese innerhalb eines begrenzten Federwegs abzubremsen. Die Masse allein entscheidet jedoch nicht darüber, ob ein Elektrofahrzeug guten Fahrkomfort bietet.
Hohes Antriebsmoment und starke regenerative Verzögerung können die Nickabstimmung und Änderungen der Achslast deutlicher spürbar machen.
Große Räder, breite Reifen und große Bremsen können ungefederte Masse und Reifensteifigkeit erhöhen. Ihre Wirkung muss als vollständiges Rad-Reifen-Paket bewertet werden.
Weil kaum Motorgeräusch andere Geräusche überdeckt, können Schläge, Dämpferrauschen, Reifenhohlraumgeräusche und Anregungen aus den Buchsen leichter hörbar sein.
Eine verstellbare Fahrzeughöhe kann die Batterie auf schlechten Straßen schützen oder die Karosserie bei höherem Tempo absenken. Ein möglicher Reichweitenvorteil hängt jedoch von Aerodynamik, Regelstrategie und Energieverbrauch des Systems ab.

Die richtige Schlussfolgerung lautet nicht, dass jedes Elektrofahrzeug eine Luftfederung oder aktive Radaufhängung benötigt. Entscheidend ist vielmehr, dass EV-spezifische Massenverteilung, Reifenbestückung, Struktur und Einsatzprofil eine EV-spezifische Abstimmung verlangen.

Wie die fünf Artikel zusammengehören

Die Bezeichnung der Hardware im Datenblatt erzählt nur einen Teil der Geschichte:

suspension layouts and wheel-control geometry erläutert Bauarten der Radführung, Kinematik, Nachgiebigkeit, Radeinstellung und Bauraum.
suspension springs erläutert Radsteifigkeit, Schrauben- und Luftfedern, Stabilisatoren, Federweg und Lastabstützung.
suspension dampers erläutert Kraft-Geschwindigkeits-Verhalten, Druck- und Zugstufe, passive Ventile und adaptive Dämpfung.
active suspension unterscheidet Niveauregulierung, semiaktive Dämpfung, aktive Wankregelung, vorausschauende Regelung und vollaktive Radaufhängung.

Der aktuelle Porsche Taycan veranschaulicht gut, weshalb diese Ebenen getrennt betrachtet werden müssen: Sein Standardsystem kombiniert Zweikammer-Luftfedern, kontinuierlich geregelte Zweiventil-Dämpfer, eine Doppelquerlenker-Radführung vorn und eine Mehrlenkerachse hinten. Porsche Active Ride ergänzt Hydraulikpumpen, die radspezifische Kräfte erzeugen können. „Luft“, „adaptiv“ und „aktiv“ bezeichnen in diesem einen Fahrwerk unterschiedliche Funktionen. Porsche: Taycan chassis, air suspension and Active Ride

So lässt sich die Radaufhängung eines Elektrofahrzeugs beurteilen

Aus einem Datenblatt gehen weder Losbrechreibung noch Dämpferkennlinien, Buchsenverhalten, verfügbarer Federweg, Reifenkonstruktion oder Softwareabstimmung hervor. Eine sorgfältige Probefahrt sollte deshalb einzelne Bedingungen isolieren, anstatt nach einem einzigen vagen Gesamteindruck zu suchen:

Vor dem Vergleich Reifengröße, Reifentyp, Druck und Beladung prüfen.
Denselben Fahrmodus und eine ähnliche Personen- oder Zuladung verwenden.
Scharfkantige Fugen, kleine wiederholte Unebenheiten, lange Bodenwellen und einseitige Anregungen einbeziehen.
Darauf achten, ob der erste Stoß isoliert wird und ob sich die Karosserie anschließend beruhigt.
Vertikale Härte von seitlichem Kopfwackeln und von Geräuschen unterscheiden.
Die Gleichmäßigkeit der Nickbewegung bei normaler Rekuperation und beim Bremsen prüfen.
Auf einer sicheren Straße beurteilen, ob nach einer Bodenwelle in der Kurve eine Lenkkorrektur nötig ist.
Jeden Fahrwerksmodus ausprobieren; eine größere Auswahl garantiert weder einen größeren noch einen besser kontrollierten Arbeitsbereich.

Die beste Radaufhängung für einen Käufer ist nicht zwingend die weichste oder komplexeste. Es ist das System, dessen Verhalten auf den Straßen sowie bei den Temperaturen, Lasten, Reifen und Geschwindigkeiten vorhersehbar bleibt, denen das Fahrzeug tatsächlich begegnet.