Wie eine Luftfederung funktioniert

Federungskomfort durch Luftfederung

Ohne den Gummibalg zwischen Achse und Aufbau ginge manche Ladung schnell zu Bruch. Die Luftfederung bietet aber nicht nur Fahrkomfort, sondern auch Potenzial für neue Fahrwerkstechnik. Die Evolution der Luftfederung fürs Nutzfahrzeug macht auf dem europäischen Markt derzeit beachtliche Sprünge. Firestone Industrial Products und SAF Holland stehen beide kurz vor der Serienfertigung eines Luftfedersystems, das mit der Integration von Federung und Dämpfung in einem Bauteil die Kontrolle von Aufbau- und Achsenschwingungen eines Anhängers oder Aufliegers erlauben soll. Gut möglich also, dass die Luftfederung den Stoßdämpfer eines Tages in Rente schickt.

Rollbalgluftfedern für die Antriebsachsen

Bei den Stahlfedern jedenfalls ist das fast schon gelungen. Seit Mitte der 90er Jahre sind es vor allem die Rollbalgluftfedern, die bevorzugt an den Antriebsachsen der Lkw, aber auch an anderen Achskonstellationen von Zugfahrzeug und Hänger zum Einsatz kommen. Während eine Stahlfeder ihr bestmögliches Federverhalten nur bei voller Auslastung der Ladekapazität entfaltet, bleibt im luftgefederten Nutzfahrzeug der Federungskomfort über den gesamten Beladungsbereich nahezu gleich. Eine Luftfederung reduziert so den Verschleiß von Achsen, Getriebe und Reifen. Zudem verbessert sie die Stabilität der Lenkung und die Übertragung der Bremskräfte, wenn das Rad dem Straßenverlauf mit geringen Schwankungen der Radlast folgt.

Firestone ist ein Pionier der Luftfederung

Das erste Patent für eine Luftfeder hat Firestone im Jahr 1938 angemeldet. Seither ist ihr Grundprinzip bis auf den heutigen Tag gleich geblieben. Als elastisches Bauteil zwischen Achse und Fahrzeugaufbau installiert, ist die Luftfeder eine Spielart der Volumenfederung. Wie der Name sagt, ist bei diesem System die Luft das federnde Medium. Ein Behälter aus Gummi und Gewebe schließt im Inneren eine Luftsäule ein, die die Last des Fahrzeugaufbaus trägt. Diese Aufgabe hat es buchstäblich in sich. Die Wände der Luftbälge müssen jede Menge Druck aushalten – bis zu sieben bar bei regulärem Betriebsdruck, bis zu 20 bar, wenn das Fahrzeug dynamisch einfedert. Da es durch die Druckänderungen im Inneren der Feder auch zu sehr hohen Temperaturen kommt, müssen die Werkstoffe mit ausgezeichneten thermischen Eigenschaften aufwarten.

Beim Einfedern verliert die Luftfederung Volumen

Der Luftfederbalg besteht aus mehreren Lagen elastomerer Werkstoffe. Darin eingearbeitet ist als Festigkeitsträger in der Regel ein Gewebe aus Polyester oder Polyamid. Am oberen Ende des Balgs sitzt eine luftdicht abschließende Platte, die auch die Verbindung zum Aufbau herstellt. Am unteren Ende befindet sich der mit der Achse des Fahrzeugs verbundene Abrollkolben.Federungsvorgänge gehen im Fahrbetrieb stets mit einer Änderung des Volumens in der Feder einher. Dabei ist heute meistens eine elektronische Regelung mit Sensoren und Magnetventilen für die Be- oder Entlüftung zuständig. Beim Einfedern geht der Feder zunächst ein gewisses Volumen verloren. Dieser Verlust gleicht sich aber weitgehend aus, weil der Faltenbalg mit dem Druckaufbau über den Außenmantel des Kolbens abrollt und dadurch das Volumen durch Verlängerung der Rollfalte wieder vergrößert.

Eine Stellgröße für die Luftfederung ist die druckwirksame Fläche

Die Hersteller der Federungssysteme haben bei der Auslegung ihrer Federn einen handfesten Spielraum, den letztlich aber die Spielregeln der Physik begrenzen. Mit der Beladung eines Nutzfahrzeugs steigt zum Beispiel die Federkraft (Tragkraft). Steht genügend Einbauraum zur Verfügung, lässt sich das Volumen der Feder großzügig bemessen. Je größer das Volumen, desto weniger Druck ist nötig, um die Federkraft auszugleichen. Ist der Bauraum dagegen beschränkt, kommt als relevante Stellgröße die so genannte druckwirksame Fläche ins Spiel. Dahinter steht die Regel, dass die Federkraft einer Luftfeder vom Druck im Inneren des Balgs sowie von der Größe der Fläche abhängt, auf die der Druck wirkt (druckwirksame Fläche).

Bei der Luftfederung spielt der Abrollkolben eine wichtige Rolle

Tatsächlich investieren die Entwickler viel technologisches Know-how, um genau diese Größe möglichst effizient zu beeinflussen. Eine entscheidende Rolle spielen dabei Durchmesser und Form des Abrollkolbens. Hier gilt die Faustregel, dass die druckwirksame Fläche mit dem Durchmesser des Kolbens ansteigt. Bei einem zylindrischen Kolben bleibt die wirksame Fläche über die gesamte Ein- und Ausfederung konstant. Bei einem konischen Körper dagegen, der sich nach oben hin verjüngt, nimmt die wirksame Fläche beim Einfedern in dem Maße zu, wie der Rollbalg über den größer werdenden Kolben abrollt. Das gleiche Prinzip gilt, wenn der Kolben zum Beispiel die Form einer Sanduhr hat. In diesem Fall nimmt die wirksame Fläche auch beim Ausfedern zu, wenn der Rollbalg im oberen Bereich des breiter werdenden Kolbens ankommt.

Firestone tüftelt an einer Luftfederung mit Air Damping

Maßgeschneiderte Federlösungen setzen daher häufig an der Form des Abrollkolbens an, um die Luftfederkennung einer Luftfeder zu beeinflussen. Die Landmarken für die weitere Evolution der Luftfeder sind übrigens schon gesetzt: Firestone tüftelt derzeit an einer Luftfeder mit Air Damping, die sich auch in Zugfahrzeugen und Motorwagen einsetzen lässt. Zudem arbeitet man daran, den Höhensensor der Luftfeder als Lieferant für Daten wie Systemdruck, Beschleunigung, Temperatur und Beladung in das vernetzte Nutzfahrzeug zu integrieren. Wie eine Lufederung funktioniert, zeigt auch dieses PDF.

Die innovative Luftfederung von Dtec sieht von außen betrachtet wie ein herkömmlicher Luftfederbalg aus.Die Luftfederung von Dtec kombiniert Federung und Dämpfung in einer Einheit

4 comments on Wie eine Luftfederung funktioniert

  1. Hey there just wanted to give you a brief heads up and let you know a few of the pictures aren’t loading properly.

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