Radaufhängungsbauarten, Geometrie und Radführung
Die Bauart einer Radaufhängung bestimmt, wie das Rad bei Federbewegung, Lenken und Kraftübertragung geführt wird. Bezeichnungen wie MacPherson, Doppelquerlenker und Mehrlenker beschreiben Anordnungen von Lenkern und Gelenken; für sich allein sagen sie nicht das vollständige, im EV suspension overview eingeführte Fahrkomfort- und Handlingverhalten voraus.
Kinematik und Nachgiebigkeit
Ein Radträger kann sich in drei Dimensionen verschieben und drehen. Aufhängungslenker schränken die meisten dieser Freiheitsgrade ein, lassen aber einen festgelegten Weg beim Ein- und Ausfedern zu. Kinematik beschreibt diese ideale geometrische Bewegung. Elastokinematik, auch Nachgiebigkeitskinematik, beschreibt die zusätzliche Bewegung, die entsteht, wenn Buchsen, Gelenke, Lenker, Hilfsrahmen und Karosserie unter Reifenkraft nachgeben.
Beides ist wichtig. Eine Bauart kann auf einem Geometrieprüfstand einen günstigen Sturz zeigen, beim Bremsen jedoch durch die Verformung einer Buchse eine unerwünschte Spuränderung entwickeln. Umgekehrt kann gezielt ausgerichtete Nachgiebigkeit einen Stoß aufnehmen oder unter Seitenlast eine stabilisierende Spuränderung erzeugen. Moderne Entwicklung verbindet daher Mehrkörpersimulation, Steifigkeitsmodelle, Kinematik- und Nachgiebigkeitsprüfungen, Dauerhaltbarkeitsarbeit und Straßenabstimmung. SAE: three-dimensional analysis of major suspension layouts SAE: suspension kinematics and data-driven compliance
Die wichtigsten Geometriebegriffe sind:
- Sturz: Neigung des Rades in der Vorderansicht. Seine Veränderung über den Federweg und beim Wanken beeinflusst, wie der Reifen auf der Straße steht.
- Spur: Gibt in der Draufsicht an, ob die Räder nach innen oder außen zeigen. Eine unerwünschte Spuränderung über den Federweg wird häufig als Bump Steer bezeichnet.
- Nachlaufwinkel, Lenkachsneigung und Nachlaufstrecke: Geometrie der Lenkachse in Vorder- und Seitenansicht, die Rückstellverhalten, Lenkkräfte und Empfindlichkeit gegenüber Störungen beeinflusst.
- Lenkrollradius: Seitlicher Abstand auf Fahrbahnhöhe zwischen dem Schnittpunkt der Lenkachse und der Mitte der Aufstandsfläche. Er beeinflusst Lenkkräfte beim Bremsen und bei unterschiedlicher Haftung.
- Wankzentrum: Geometrische Darstellung zur Analyse, wie sich Seitenkräfte auf Kräfte in den Aufhängungslenkern und elastisches Wanken der Karosserie verteilen. Es ist kein physisches Gelenk und wandert mit der Aufhängungsposition.
- Bremsnick- und Anfahrnickausgleich: Lenkeranordnungen, die einen Teil der Längskraft des Reifens durch die Aufhängungselemente führen, um dem Nicken der Karosserie entgegenzuwirken. Zu hohe Werte können mehr Störungen in die Karosserie übertragen.
- Übersetzungsverhältnis: Verhältnis zwischen Radweg und Feder- oder Dämpferweg. Es verändert Radsteifigkeit, Dämpfergeschwindigkeit und die erforderlichen Bauteilkräfte.
Kein einzelner Geometriewert ist der „beste“. Die Zielwerte hängen von Reifenverhalten, Schwerpunktlage, Spurweite, Radstand, Antriebskonzept, Bremskraftverteilung, Lenkung, Aerodynamik und Einsatzzweck ab.
Einzelrad-, gekoppelte und abhängige Bauarten
Bei einer Einzelradaufhängung kann sich ein Rad vertikal bewegen, ohne dass eine starre Achse das gegenüberliegende Rad zu derselben Bewegung zwingt. Beide Seiten bleiben jedoch über Karosserie, Hilfsrahmen, Stabilisator und bei manchen Systemen über hydraulische oder pneumatische Kreise gekoppelt.
Eine hintere Verbundlenkerachse wird häufig als halbunabhängig bezeichnet. Ihre Längslenker können sich unterschiedlich weit bewegen, doch der Querträger verdreht sich und koppelt beide Seiten.
Bei einer abhängigen Radaufhängung verbindet ein starres Bauteil beide Radträger. Eine einseitige Radbewegung verändert die Lage der gesamten Achse und kann das gegenüberliegende Rad direkt beeinflussen. Starre Antriebsachsen vereinen Differential- und Halbwellenfunktionen in diesem Bauteil; bei einer De-Dion-Anordnung sind die Räder verbunden, das Differential jedoch an der Karosserie befestigt.
Diese Kategorien beschreiben die Kopplung, nicht die Qualität. Ein Kleinwagen mit gut entwickelter Verbundlenkerachse kann ruhiger fahren als ein schlecht abgestimmtes Fahrzeug mit hinterer Einzelradaufhängung, während eine Starrachse für Nutzlast, Haltbarkeit und Verschränkung die vernünftige Wahl sein kann.
MacPherson- und aufgeteilte Federbeinachsen
Bei einer MacPherson-Bauart dient das Feder-Dämpfer-Bein als tragendes Radführungselement. Ein unterer Arm oder mehrere Lenker führen den unteren Teil des Radträgers; Federbeindom und Spurstange vervollständigen die grundlegende Vorderachsgeometrie.
Zu den Stärken zählen die geringe Teilezahl, der günstige seitliche Bauraumbedarf und der Raum zwischen den Federbeindomen für Crashstruktur, Antriebskomponenten oder einen vorderen Gepäckraum. Einschränkungen sind die hohe strukturelle Last über Federbein und Domlager, die Empfindlichkeit gegenüber Reibung und Lagersteifigkeit sowie weniger unabhängige Kontrolle von Sturz und Lenkachsgeometrie als bei Bauarten mit getrennten oberen Lenkern.
Federbeinachsen mit „Doppelgelenk“, „Dual Axis“ oder „Doppelzapfen“ teilen die untere Führungsfunktion auf zwei Lenker auf und erzeugen einen virtuellen unteren Lenkpunkt. Sie gehören weiterhin zur Federbein-Familie, doch der virtuelle Drehpunkt gibt Entwicklern mehr Freiheit bei Lenkrollradius, Lenkeinflüssen und Kraftpfaden. BMWs eigene Beschreibung seiner Doppelgelenk-Federbeinachse zeigt, weshalb es irreführend ist, jede Federbeinachse auf einen einzelnen unteren Querlenker zu reduzieren. BMW: double-joint spring-strut and five-link axle construction
Doppelquerlenker
Eine Doppelquerlenker-Radaufhängung führt das Rad mit einem oberen und einem unteren Arm. Diese müssen keine buchstäblichen A-Formen haben; jeder Arm kann in einzelne Lenker aufgeteilt sein, und Feder sowie Dämpfer können direkt oder über einen Umlenkhebel beziehungsweise eine Druckstrebe wirken.
Getrennte obere und untere Geometrie gibt Entwicklern viel Freiheit bei der Gestaltung von Sturzänderung, Bewegung des Wankzentrums, Lage der Lenkachse sowie Bremsnick- und Anfahrnickausgleich. Sie kann außerdem eine steife Radführungsstruktur ermöglichen, bei der der Dämpfer von Lenkkräften getrennt ist.
Der Preis dafür sind Bauraum und Teilezahl. Ein oberer Lenker konkurriert mit dem Reifenfreigang, der Karosseriestruktur und dem vorderen Gepäckraum; kurze Lenker können starke Geometrieänderungen bewirken, lange benötigen Platz. Eine schlecht gewählte Querlenkergeometrie wird durch ihre Bezeichnung nicht besser.
Mehrlenker
„Mehrlenker“ bezeichnet eine Familie, keinen einheitlichen Mechanismus. Einzelne Lenker kontrollieren unterschiedliche Kombinationen von Längs-, Quer- und Drehbewegung. Position, Gelenkart und Steifigkeit bestimmen das Ergebnis.
Eine Fünflenker-Radführung nutzt häufig fünf unabhängige Lenker, um fünf der sechs Freiheitsgrade des Radträgers einzuschränken und die gewünschte Federbewegung freizulassen. Reale Konstruktionen sind weniger eindeutig als diese Lehrbuchbeschreibung: Ein Querlenker kann als ein Arm oder als zwei Lenker gezählt werden, ein Spurlenker kann aktiv lenken, und Hersteller verwenden unterschiedliche Bezeichnungen.
Der Wert einer Mehrlenker-Bauart liegt in der Abstimmungsfreiheit. Entwickler können Spur- und Sturzführung voneinander trennen, Brems- und Antriebskräfte durch unterschiedliche Buchsen leiten und Feder sowie Dämpfer passend zu Gepäck- oder Motorbauraum positionieren. Dem stehen mehr Gelenke, strengere Toleranzkontrolle, komplexere Radeinstellung und mehr Möglichkeiten gegenüber, dass Nachgiebigkeit oder Verschleiß das Verhalten verändern.
Der aktuelle Porsche Taycan veranschaulicht den Unterschied zwischen Kategorie und Umsetzung: Porsche nennt eine Doppelquerlenker-Radführung vorn und eine geschmiedete Aluminium-Mehrlenkerachse hinten und kombiniert diese Bauarten anschließend mit Luftfedern und geregelten Dämpfern. Die Bauart verrät dem Leser nicht, welche Feder- oder Dämpfertechnologie verbaut ist. Porsche: Taycan front and rear suspension construction
Längslenker und Verbundlenkerachsen
Ein Längslenker dreht sich hauptsächlich um eine quer vor dem Rad liegende Achse. Er ist kompakt und leitet Längskräfte strukturell direkt ein, bietet in einfacher Ausführung jedoch nur begrenzte unabhängige Kontrolle von Sturz und Spur. Schräglenker stellen die Schwenkachse schräg und koppeln die Radbewegung gezielt an Änderungen von Sturz und Spur.
Eine Verbundlenkerachse verbindet zwei Längslenker über einen Querträger, der sich gezielt verwinden kann. Dieser Träger führt die Räder und liefert einen Teil der Wanksteifigkeit der Achse, sodass ein separater Stabilisator entfallen kann.
Die Bauart ist kompakt, teilearm und kostengünstig und kann wertvollen Unterboden- und Gepäckraum freihalten. Ihre Radbewegungen und Nachgiebigkeiten sind stärker gekoppelt als bei einer vollständig unabhängigen Achse; eine hohe Hinterachslast oder anspruchsvolle Komfort- und Handlingziele können es schwierig machen, Träger, Buchsen und Karosserieanbindungen gleichzeitig zu optimieren. Technische Untersuchungen zeigen dennoch, dass Querträgergeometrie und Buchsenausrichtung einen bedeutenden Abstimmungsspielraum bieten; „Torsionslenkerachse“ ist kein vollständiges Urteil über das Fahrwerk. SAE: rear twist-beam geometry and bush optimization
Starrachsen und Radführung durch Blattfedern
Eine Starrachse hält das Sturzverhältnis beider Räder zur Achse konstant und bietet robuste, einfache Kraftpfade. Sie bleibt für Transporter, Pick-ups und Geländefahrzeuge relevant, bei denen Nutzlast, Anhängerbetrieb, Verschränkung und Haltbarkeit die Nachteile bei ungefederter Masse und Entkopplung überwiegen können.
Blattfedern können sowohl die Karosserie tragen als auch eine Achse in Längsrichtung führen und so die Zahl der Lenker reduzieren. Aufwendigere abhängige Achsen nutzen separate Führungslenker, einen Panhardstab oder ein Wattgestänge zur Achsführung, während Schrauben- oder Luftfedern die Last tragen.
Da sich bei einer angetriebenen Starrachse Differential und ein großer Teil des Antriebsstrangs mitbewegen, kann die ungefederte Masse hoch sein. Eine De-Dion-Achse hält das Differential auf der Karosserieseite, verringert diesen Nachteil und behält zugleich die seitliche Kopplung der Räder bei.
Geometrie ist nicht Abstimmung
Zwei Elektrofahrzeuge mit derselben angegebenen Bauart können sich unterschiedlich verhalten, unter anderem wegen:
- der Übersetzungsverhältnisse von Feder und Dämpfer;
- der statischen Fahrzeughöhe und des nutzbaren Ein- und Ausfederwegs;
- Steifigkeit, Richtungsabhängigkeit und Reibung der Buchsen;
- Steifigkeit von Hilfsrahmen und Karosserieanbindungen;
- Steifigkeit des Stabilisators und Nachgiebigkeit seiner Lagerung;
- Radeinpresstiefe, Reifenkonstruktion, Druck und ungefederter Masse;
- Zielwerten und Toleranzen der Radeinstellung;
- Software für Lenkung, Bremsen und aktives Fahrwerk.
Deshalb bilden suspension springs, suspension dampers und active suspension eigene Teile dieser Serie.
Worauf Käufer und Halter achten sollten
Die Bezeichnung einer Bauart ist nur der Ausgangspunkt. Entscheidend sind die genaue Konstruktion vorn und hinten, mögliche Änderungen durch Hinterachslenkung oder aktive Spurregelung sowie die Frage, ob optionale Fahrwerkspakete Federn, Dämpfer oder beides ersetzen.
Die Radeinstellung sollte bei vorgeschriebener Fahrzeughöhe und Beladung beurteilt werden. Tieferlegen, Höherlegen oder eine andere Radeinpresstiefe können Sturz, Spur, Bump Steer, Lage des Wankzentrums, Antriebswellenwinkel und verbleibenden Federweg verändern. Lenker mit Gummibuchsen müssen möglicherweise in der vorgeschriebenen Konstruktionslage festgezogen werden; werden sie bei vollständig ausgefederter Aufhängung geklemmt, können die Buchsen bei normaler Fahrzeughöhe vorgespannt sein.
Auf der Straße zählt das Ergebnis: Lenkpräzision über Unebenheiten, Stabilität beim Bremsen, seitliches Kopfwackeln bei wechselnden Anregungen, Reifengeräusch, Stoßisolierung und das Abklingen der Karosseriebewegung. Architektur schafft Möglichkeiten. Geometrie, Nachgiebigkeit und Abstimmung entscheiden, wie viel von diesem Potenzial den Fahrer erreicht.