Fahrwerkhandbuch

Wenn in den Fachkreisen der Kraftfahrzeugtechnik über Pkw geredet wird, werden Worte wie Mobilität, Agilität, Leistung, Verbrauch, Umweltschutz, Fahrzeugklasse, Sicherheit, Fahrkomfort, Fahrdynamik, elektronische Systeme und Elektrifizierung benutzt. Aktuell sind auch Begriffe wie CO₂-Emission, Hybridantrieb, Elektroantrieb, Fahrerassistenz, Connectivity, autonomes Fahren. Das Fahrwerk spielt dabei die wichtigste Rolle, wenn es um Fahrsicherheit, Fahrkomfort, Fahrdynamik, Agilität aber auch um autonomes Fahren geht. Alle fahrsicherheits- und komfortrelevanten Systeme findet man im Fahrwerk integriert.

Neben Aufbau und Antrieb gehört das Fahrwerk zu den Hauptbestandteilen des Automobil und besteht aus Reifen, Rädern, Radträgern, Radlagern, Bremsen, Radführung, Federung, Dämpfung, Lenkung, Achsträger, Achsantrieb und Fahrwerksregel- und Fahrassistenzsystemen.

Die Fahrdynamik beschreibt die Bewegungen des Fahrzeugs im Raum sowie die auf das Fahrzeug einwirkenden Kräfte und Momente. Fahrzeugbewegungen wie Geradeaus-, Kurvenfahrten sowie Vertikal-, Gier-, Nick- und Wankbewegungen werden durch entsprechende Wege, Geschwindigkeiten, Beschleunigungen, Winkeln, Drehraten und Winkelbeschleunigungen beschrieben. Hinzu kommen die dabei entstehenden Schwingungen und Kräfte des komplexen dynamischen Systems.

Das Schwingungsverhalten des Fahrzeugs in Richtung der Hochachse wird als Vertikaldynamik bezeichnet, die maßgeblich das Fahrkomfort beeinflusst. Das Verhalten des Fahrzeugs beim Lenken bestimmt die Querdynamik und somit im Wesentlichen die Fahrstabilität.

Neben den emotional belegten Bereichen Design und Image ist das stark technisch bestimmte Fahrverhalten nach wie vor eines der wesentlichen Kriterien für die Entscheidung über den Kauf eines bestimmten Fahrzeugs. Die Abstimmung des Kompromisses zwischen Agilität, Sicherheit und Komfort kann für eine Marke ein wesentliches Differenzierungsmerkmal sein, weil es für den Kunden schon bei der ersten Probefahrt unmittelbar wahrnehmbar, also „erfahrbar“ ist. Hinzu kommt auch das sichtbar werden der Fahrverhaltensabstimmung in den Bewertungen der Populär- und Fachpresse, in denen Tests zur Fahrsicherheit und -agilität ein großes Gewicht haben. Das Fahrverhalten ist definiert als die Fahrzeugreaktion auf Fahrerhandlungen und auf das Fahrzeug einwirkende Störungen während der Fahrbewegung, beschrieben durch die Bewegungsgrößen. Gutes Fahrverhalten ist insbesondere die Möglichkeit der exakten Kurshaltung im Sinne der Führungsaufgabe. Eng verknüpft mit der Fahrzeugreaktion ist das Schluckvermögen des Fahrzeugs bezüglich der Störungen, die dem Komfort zugeordnet werden müssen (z. B. Schwingungen, Lenkunruhe). Daher muss zur Bewertung des Fahrverhaltens stets der Fahrer einbezogen sein, um die Einflüsse des Komforts bei seiner Bewertung herausfiltern zu können. Das folgende Kapitel befasst sich mit den Methoden und Testabläufen zur subjektiven und objektiven Beurteilung des Fahrverhaltens. Als Grundlage werden die fahrzeugseitigen Bestimmungsgrößen und die Abstimmungsmöglichkeiten vorgestellt.

Der Fahrkomfort umfasst die Gesamtheit aller auf die Insassen einwirkenden mechanischen und akustischen Schwingungen in allen Fahrsituationen.

Der Fahrkomfort wird bestimmt durch die Abstimmung der Federung (weich oder hart), die Fahreigenschaften (ruhig gedämpft oder hart und poltrig), die Geräuschentwicklung (leise oder laut) und die Ausstattung, die dem Fahrer die Arbeit des Fahrens erleichtert bzw. den Insassen ein entspanntes Reisen ermöglicht (z. B. einfache Bedienung, bequeme Sitze, behagliche Temperierung etc.).

Der Fahrkomfort wird im Allgemeinen definiert durch ein geringes Beschleunigungsniveau der am Gesamtfahrzeug und an Fahrzeugkomponenten auftretenden Schwingungen. Neben den translatorischen Bewegungen gelten niedrige Nick- (beim Bremsen und Beschleunigen) und Wankbeschleunigungen (während der Kurvenfahrt) als weitere Komfortmerkmale.

Außer den fühlbaren Schwingungen trägt auch die Geräuschentwicklung im Innenraum zum Komforteindruck bei. Ein hohes Gesamtgewicht und große Radstände sowie Spurweiten sind wichtige Voraussetzungen für guten Fahrkomfort. Der wesentliche Beitrag zu gutem Komfortverhalten wird jedoch durch eine optimale Auslegung und Abstimmung der Federung und Dämpfung erreicht. In diesem Kapitel werden im Wesentlichen Gummi-Verbundteile beschrieben, die durch ihre viskoelastischen Eigenschaften die Schwingungen und Geräusche dämpfen und dadurch Fahrkomfort deutlich verbessern.

Die Entwicklung eines Fahrwerks ist gekennzeichnet durch sehr große Fertigungsstückzahlen, anspruchsvolle Technologien, strenge Sicherheitsanforderungen, hohe Umweltauflagen sowie Termin- und Kostendruck.

Da die Autos weltweit verkauft werden, müssen sie in den polarnahen wie auch in heißen und feuchten tropischen Gegenden einsetzbar sein, nicht nur auf den gut gebauten Autobahnen sondern auch auf den schlechten Feldstraßen problemlos fahren können. Insofern wird selten ein Produkt so gründlich entwickelt und getestet wie ein Auto.

Auf der anderen Seite ist die hohe Komplexität jeden Autos zu betonen, das aus 25 bis 30 Systemen, rund 50 Modulen und ca. 20.000 Einzelteilen besteht.

Diese entstehen simultan in unterschiedlichen Entwicklungsabteilungen und bei verschiedenen Entwicklungslieferanten und Dienstleistern in rund drei Jahren. Dabei kommt es auf effizientes Projektmanagement und eine sehr gut organisierte Projektlogistik an. Die Entwicklungsphasen und -schritte sind in jedem Autohersteller genau festgelegt und beschrieben. Diese sind Planungs-, Konzept-, Design-, Serienentwicklungs- und Absicherungs-, Serienvorbereitungs- sowie Serienanlaufphasen.

Dabei stehen effektive Strategien (Projektmanagement, Simultaneous Engineering, Plattform- und Moduldefinitionen) und Hilfsmittel (CAE, MU, virtuelle Berechnungen und Tests sowie Simulationen) zur Verfügung, die in diesem Kapitel beschrieben werden.

Die Strukturen lassen sich nach Funktionen oder Modulen aufbauen. Dabei kann eine Funktion mehrere Module haben oder ein Modul zur Erfüllung mehrerer Funktionen dienen.

Die Module des Antriebs, die am Fahrwerk befestigt sind, gehören zum Fahrwerkumfang. Diese sind die Achsgetrieben (Längs- und Querverteiler) und die Seitenwellen, die den Antriebsmoment vom Hauptgetriebe zu den Antriebsrädern weiterleiten. Genauso wie durch Bremsen kann man auch durch radindividuelle Verteilung der Antriebsmomente das Fahrzeugfahrverhalten beeinflussen.

Die beim Bremsen eines Fahrzeugs hervorgerufenen Kräfte zwischen Fahrbahn und Reifen werden über die Komponenten des Bremssystems auf die Komponenten des Fahrwerks übertragen, um das Fahrzeug zu verzögern.

Durch die in den letzten Jahren eingeführten elektronisch geregelten Funktionserweiterungen der Bremssysteme zur Verbesserung der Fahrzeugstabilität auch außerhalb des eigentlichen Bremsvorgangs (z. B. das elektronische Stabilitätsprogramm ESP) wird nicht nur die Längs-, sondern zunehmend auch die Quer- und Vertikaldynamik des Fahrzeuges beeinflusst.

Die Funktionstüchtigkeit der Bremsen bestimmt maßgeblich die Sicherheit jedes Fahrzeugs, seiner Insassen und anderer Verkehrsteilnehmer. Die Wirkkette des Bremssystems fängt am Bremspedal an und hört mit dem Aufbau des Bremsmoments am Rad auf. Heute werden in PKW’s fast ausschließlich hydraulische Scheibenbremsen eingesetzt. Mit den aktiven Bremssystemen lassen sich radindividuell jedes Bremsmoment einstellen. Dadurch kann die Fahrzeugstabilität gewährleistet werden. Viele der Assistenzsysteme, aber auch das autnome Fahren bauen sich auf das Bremssystem auf.

Das Lenksystem dient dazu, ein Fahrzeug bei allen Fahrzuständen zielsicher zu führen. Dabei wird der Fahrerwunsch durch eine sinnfällige Drehbewegung am Lenkrad vermittelt und vom Lenksystem in einen Einschlagwinkel der gelenkten Räder übertragen. Das Lenksystem muss ausreichend robust, feinfühlig und präzise sein, um den Fahrer möglichst umfassend über verschiedenste Zustandsgrößen und ggf. deren Veränderungen informieren zu können.

In der Umsetzung haben sich zwei Bauformen der hydraulische Servo-Lenkanlagen durchgesetzt: Zahnstangenlenkung für PKW und Kugelmutterhydrolenkung für schwere PKW und für alle NKW. In den letzten Jahren wird jedoch der Hydroantrieb der Zahnstangenlenkung durch den elektromechanischen Antrieb ersetzt, weil diese Antriebsart Kraftstoff spart und sich unabhängig vom Fahrer betätigen lässt.

Durch Elektrolenkung ist es nun möglich, zahlreiche weitere Fahrerassistenzsysteme zu generieren und eines Tages autonomes Fahren zu realisieren.

Neben der Lenkanlage gehören auch Spurstangen, Lenkwelle, Lenksäule und Lenkrad zu diesem System.

Überlagerungslenkung, Hinterachs- und Allradlenkung sowie Steer-by-wire bilden weitere aktuelle Schwerpunkte des Lenksystems.

Federn sind elastisch nachgiebige Bauteile, die Verformungsarbeit ohne plastische Deformation aufnehmen, diese in Form von potentieller Energie speichern und bei Entlastung wieder abgeben. Dies gilt auch bei wiederholter und schwingender Belastungen. Die Höhe der gespeicherten Energie ist vom Verformungsweg und von der Belastung abhängig.

Die Federung im Fahrwerk als Oberbegriff für das Zusammenwirken von Tragfedern, Stabilisatoren und Schwingungsdämpfern hat bedeutsame Aufgaben zu erfüllen, die sowohl zum Komfort als auch zur Fahrsicherheit eines Fahrzeuges beitragen. So soll sie den Fahrzeugaufbau und damit vor allem auch die Insassen vor unangenehmen Hub-, Nick- und Wankschwingungen sowie vor Stößen schützen und damit zum mechanischen Schwingungskomfort beitragen. Darüber hinaus soll sie für eine möglichst gleichmäßige Bodenhaftung der Räder sorgen, als Voraussetzung für die zur Kurshaltung, zum Antreiben und Bremsen erforderliche Kraftübertragung zwischen Reifen und Fahrbahn. Dies ist ein wesentlicher Aspekt der Fahrsicherheit. Die Federung trägt ebenfalls durch die Aufteilung der Wankabstützung zwischen den beiden Achsen maßgeblich zum Fahrverhalten eines Fahrzeuges bei.

Im Fahrwerk werden am meisten Federn aus Stahl eingesetzt. Es gibt aber vereinzelt auch Federn aus Elastomer- oder Compositwerkstoffen sowie hydropneumatische. Wesentlich komfortabel aber kostenintensiv ist eine Luftfederung mit Niveauausgleich.

Da es sich bei einem PKW um ein schwingungsfähiges System mit zwei Eigenfrequenzen handelt, ist es notwendig, die beim Fahren durch Fahrbahnunebenheiten eingeführten Schwingungen am Rad und Aufbau zu dämpfen. Dazu baut man zwischen diesen beiden Massen Schwingungsdämpfer.

Die haben die Aufgaben das Aufschaukeln und Nachschwingen des Aufbaus zu verhindern (Fahrkomfort) sowie die Schwingungen des Rades zum Abklingen zu bringen um für ständige Bodenhaftung der Räder zu sorgen und damit die Fahrsicherheit zu steigern.

Im KFZ hat sich das hydraulische (viskose Reibung) Dämpfungsprinzip durchgesetzt, besonders in teleskopischer Bauform in Ein- oder Zweirohr-Ausführungen. In den letzten Jahren werden sie immer häufiger semi-aktiv gesteuert, d.h. die Dämpfungskonstante wird ständig der sich ändernden Fahrsituation angepasst, um sowohl die Fahrsicherheit, als auch den Fahrkomfort deutlich zu verbessern.

Die Radführung bezieht sich auf die Führung und Verbindung des Rades mit dem Aufbau. Diese Verbindung ist enweder durch eine starre Achse oder durch Aufhängung jedes Rades einzeln mit dem Aufbau realisiert.

Diese zweite Art, die heute bei allen PKW’s hauptsächlich eingesetzt wird, bietet deutliche Vorteile in Fahrverhalten, Fahrsicherheit und Fahrkomfort. Die Verbindung wird mit Hilfe von Lenkern und Gelenken (Kugelgelenke und Gummilager) kinematisch so ausgelegt, dass das Rad nur einen vertikalen Freiheitsgrad besitzt. Die vorderen Räder haben zusätzlich einen Drehfreiheitsgrad, um das Lenken des Fahrzeugs zu ermöglichen. In diesem Kapitel werden die einzelnen Bestandteile der Radführung wie Lenker, Kugelgelenke und Gummilager, aber auch als Strukturteil der Achsträger, an dem die Lenker aufbauseitig angebunden werden, detailliert beschrieben.

Das Radmodul besteht aus Rad, Bremssattel, Bremsscheibe, Radlager mit Nabe (Radlagereinheit), Radträger, und ggf. Verbindung zur Antriebswelle (Gelenkglocke mit Zapfen).

Die Kernfunktion des Radmoduls ist genaues Führen von Rad und Bremsscheibe, wobei der Radlagerung sowie deren Einbau in den Radträger eine besondere Bedeutung zukommt. Die Aufgaben des Radmoduls ist Aufnehmen und Übertragen von Kräften und Momenten zwischen Fahrwerk und Straße sowie Lagern, Führen und Sichern des Rades. Die Radlager befinden sich im Zentrum des Rades und trennen die drehenden Komponenten von den stationären Komponenten des Radmoduls. Alle Kräfte und Momente werden über die hochbelasteten gehärteten Wälzelemente geleitet. Diese sind entweder Schrägkugel- oder Kegelrollenlager, die zweireihig parallel zueinander in einem Gehäuse angeordnet sind.

In der System Fahrzeug-Straße nimmt der Reifen eine hervorgehobene Rolle ein. Als Bindeglied zwischen Fahrbahn und Fahrzeug überträgt er alle Kräfte und Momente, sein Übertragungsverhalten geht deutlich in Sicherheit, Fahrverhalten und Komfort des Gesamtfahrzeugs ein. Die dynamischen Fahrzeugeigenschaften werden damit maßgeblich durch das Reifenverhalten beeinflusst.

Bei pneumatischen Reifen ist das unter Überdruck eingeschlossene Gas das tragende Element. Die Hülle bestimmt weitgehend die Gebrauchseigenschaften des Reifens. Die wichtigsten, nämlich Rollwiderstand (maßgebend für Kraftstoffverbrauch), Bremsweg in Nässe (wichtigste für Fahrsicherheit), Rollgeräusch für die Umwelt, müssen in einem Reifenlabel aufgezeichnet sein.

Reifen besteht im Wesentlichen aus Kautschuk (38%), Füllstoffen (30%), Festigkeitsträger (16%). Die Reifeneigenschaften werden dabei hauptsächlich vom Gummi bestimmt, insbesondere durch die Gummimischung und Profilierung der Laufstreifen.

Jeder PKW hat zwei Achsen und vier Aufhängungen, um Reifen und Radträger mit dem Aufbau zu verbinden. Feder und Dämpfer werden zwischen Rad und Aufbau gebaut, um die Vertikalkräfte zu übertragen. Die modernen PKW-Achsen werden vorab als einbaufertiges Modul auf einem Achsträger montiert. Lenkgetriebe mit Spurstangen sind Bestandteile der Vorderachse. Bei den Heck- und Allradfahrzeugen ist das Achsgetriebe Bestandteil der Hinterachse.

Der bewegliche Radträger wird durch die Radführungsteile (Lenker, Spurstangen, Federbein) mit dem nicht beweglichen Achsträger verbunden. Die Verbindungspunkte, die die Aufhängungskinematik bestimmen, bilden die Grundlage jeder Radaufhängung.

Es gibt starre und halbstarre Achsen sowie Einzelradaufhängungen. In den PKW sind aus Fahrdynamik- und Fahrkomfort-Gründen Einzelradführungen bevorzugt.

In diesem Kapitel werden alle gängigen Achsen und Aufhängungen beschrieben und untereinander verglichen. Danach werden die Aufhängungen, die sich besonders für Vorder- bzw. Hinterachsen eignen, erläutert. Dann werden die Anteile der einzelnen Aufhängungen in Serieneinsatz gezeigt und eine Prognose für die zukünftigen Arten gegeben.

Der Elektrik- und Elektronikanteil an der Wertschöpfung moderner Fahrzeuge liegt bei etwa 25 %. In Mittelklassefahrzeugen werden über 40 und in Oberklassefahrzeugen werden teilweise über 100 Steuergeräte verbaut. Die Fahrzeughersteller betrachten die Fahrzeugelektronik als Schlüsseltechnologie und Kernkompetenz. Prognosen sagen einen weiteren Anstieg des Elektro- und Elektronikanteils im Fahrzeug voraus. Sowohl die zunehmende Substitution hydraulisch betätigter Aggregate durch elektromechanische, als auch der Elektroantrieb und autonomes Fahren werden die Bedeutung der Elektrik und Elektronik im Fahrzeug weiter stärken.

Die starke Zunahme der Elektrik/Elektronik im Fahrzeug seit den 90er Jahren spiegelt sich auch im Fahrwerk wider. Die ersten Anwendungen der Elektronik im Fahrwerk betrafen die Bremse. 1987 war der Serienstart des Antiblockiersystems ABS. Im selben Jahr ging die adaptive Dämpferkontrolle in Serie. Weitere Meilensteine waren 1995 die Einführung des ESP und 2004 der Serienstart der Elektrolenkung bei der VW Golf-Plattform.

Mit elektronisch geregelter Bremse und der Elektrolenkung (ABS, EPS,…) werden heute zentrale Fahrzeugfunktionen durch die Fahrwerkelektronik realisiert. Das Antiblockiersystem und die elektronische Fahrzeugstabilisierung steigert wesentlich die Sicherheit der Fahrzeuginsassen. Hinzu gekommen sind die Assistenzsysteme, die hauptsächlich elektrisch/elektronisch funktionieren.

Mit dem ABS wurden vor 30 Jahren die ersten elektronischen Bauteile ins bis dahin rein mechanische Fahrwerk eingebaut. Mit der Zeit hat sich das elektronische Teil des Fahrwerks dramatisch ausgeweitet. Heute ist ein Fahrwerk ohne Elektronik nicht mehr vorstellbar.

Zuerst waren Fahrwerkregelsysteme, die die Fahrsicherheit und den Fahrkomfort verbessern, im Vordergrund. Dann ab Jahr 2000 wurden immer mehr Fahrassistenzsysteme ins Fahrwerk integriert, zuerst bremsenbasiert und dann lenkungsbasiert.

Durch weitere Entwicklungen in Drive-by-wire Systemen und Umfeldsensorik wurde auch der Weg zum autonomen Fahren eingeebnet.

In diesem Kapitel werden alle bekannten elektronischen Fahrwerksysteme, unterteilt in die Domäne Längs-, Vertikal- und Querdynamik, vorgestellt. Abschließend werden die Drive-by-wire Systeme ausführlich beschrieben.

„Fahrerassistenzsysteme“ (FAS) sind neben der Elektrifizierung und dem automatisierten Fahren, die aktuellste und sich am schnellsten weiterentwickelte Technologie im Fahrzeug. Diese drei Technologien haben die Zielsetzung Komfort, Sicherheit und Umweltschutz weiter zu erhöhen. Die Umsetzungs- und Kundenakzeptanzgeschwindigkeit ist jedoch bei Fahrerassistenzsystemen deutlich schneller als bei den anderen.

Fahrerassistenzsysteme unterstützen den Fahrer in seiner Fahraufgabe hinsichtlich Wahrnehmung, Fahrplanung und Bedienung des Fahrzeugs. Sie wirken damit bei der Navigation, der Fahrzeugführung und der Fahrzeugstabilisierung und tragen wesentlich zur Unfallvermeidung bzw. -verminderung bei.

Assistenzsysteme fangen mit der Informierung, Warnung und Unterstützung des Fahrers bei seinen Fahraufgaben an und immer mehr übernehmen sie sogar seine Aufgaben.

In diesem Kapitel werden die Zukunftstrends für die Fahrwerksysteme zusammengefasst. Der Schwerpunkt liegt dabei bei der Umweltverschmutzung durch Abgase, bei der Elektrifizierung (Hybrid- und E-Fahrzeuge), bei den Fahrerassistentsystemen, vorausschauenden und intelligenten Fahrwerken und beim autonomen Fahren. Der aktuellste Stand der Technik für alle diese Themen wird ausführlich diskutiert. Es wird auch versucht, Zukunftsszenarien für das Auto und sein Fahrwerk zu erstellen.

Das Kapitel schließt mit Prognosen zu zukünftigen Produktionszahlen, Fahrzeugklassen und Antriebsarten der Zukunft.