Blattfedern VS Schraubenfedern – Federungsarten beim Expeditionsmobil

SabineWerkstatt4 Comments

Warum haben viele Allrad-LKW’s Blattfedern verbaut, andere aber Schraubenfedern? Lies hier, welche Wirkungsweisen sie haben und was ihre Vor- und Nachteile sind.


Inhalt:

Federung / Stoßdämper. Aufgaben und Unterschied
Video Special – Federn und Dämpfer beim Ex-Mo
Blattfedern in Trapez- und Parabelform. Aufbau, Vor- und Nachteile
Schraubenfedern. Aufbau, Vor- und Nachteile

Üblicherweise kommen zwei Grundarten von Stahlfedern in LKW‘s vor, die gerne als Expeditionsmobil Verwendung finden. Es sind die Blattfeder und die Schraubenfeder. Als dritte Federungsart, wäre noch die Drehstabfeder zu nennen, doch bis auf den Tatra 813 und Tatra 815, wissen wir von keinen Allrad LKW, der damit ausgestattet ist.


WAS GENAU MACHT DIE
FEDERUNG EIGENTLICH?


Die Federn verbinden die Radachsen elastisch mit dem restlichen Fahrzeugaufbau. Sie gehören also zu den Teilen des Fahrwerks.

Die Aufgabe der Federn ist es, Stöße abzufangen – also „abzufedern“. Sie sorgen damit nicht nur für Fahrkomfort, sondern auch dafür, dass die Räder bei Bodenunebenheiten und höherer Geschwindigkeit, sowie in Kurven am Boden bleiben.

Wäre ein Fahrzeug komplett ungefedert, könnte man es oberhalb der Schrittgeschwindigkeit kaum kontrollieren.


UND WAS MACHEN DANN DIE STOSSDÄMPFER?


Wenn die Federn eigentlich die Stoßdämpfung übernehmen, ist das natürlich eine berechtigte Frage.
Tatsächlich wäre der Name Schwingungsdämpfer besser geeignet, um zu beschreiben, was ein Stoßdämpfer macht.

Die Federn nehmen einen Stoß auf, und wandeln ihn in Schwingung um. Wird dieser Schwingung keine andere Kraft entgegen gesetzt, wird sich alles immer weiter aufschaukeln oder zumindest würde die Schwingung viel zu langsam wieder abgebaut. Hier kommen die Stoß- oder Schwingungsdämpfer zum Einsatz. Sie bewirken, dass die Feder nach der so genannten Auslenkung wieder in ihre Ruheposition kommt, ohne noch großartig weiter zu schwingen.

Somit sorgen auch die Dämpfer für einen optimalen Bodenkontakt des Reifens. Würde sich die Fahrzeugmasse zu stark aufschwingen, könnten die Räder sogar komplett abheben, das Fahrzeug wäre unkontrollierbar.

Federn und Dämpfer wirken also gleichzeitig gegen- und miteinander. Wenn man eine dieser Komponenten verändert (oder sogar beide), sollte man sich sicher sein, dass am Ende alles wieder sehr gut aufeinander abgestimmt ist.


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Video-Link: https://youtu.be/Fb03ob4eik0

In diesem Video gibt uns Tobias Teichmann von 4wheel24 einen kleinen Crash-Kurs zum Thema Federn und Dämpfer beim Expeditionsmobil


BLATTFEDERN


Blattfedern sind so alt wie Fahrzeuge auf Achsen. Vor den Automobilen wurden schon die Kutschen damit ausgerüstet. Sie bewähren sich also schon ewig auf der ganzen Welt – und wenn etwas so verbreitet ist, ist es immer gut für ein Expeditionsmobil. Dies betrifft vor allem die einfache Bauweise, in Trapezform.

Blattfedern sind also simpel, damit auch kostengünstig und sie übernehmen zusätzliche Funktionen wie die der Längs- und Querlenker.


Blattfedern Aufbau


Blattfedern bestehen aus langen Federstahllagen. Mehrere Lagen werden zu einem sog. Federpaket gebündelt.

Das zentrierende Element der einzelnen Lagen ist ein Bolzen, der in der Mitte des Paketes durch alle Lagen hindurch führt. Der sog. Herzbolzen.
Die Mitte des Federpaketes mit dem Herzbolzen, wird über große Bügel, die Briden mit der Achse verbunden.

Zusätzliche Klammern verbinden die einzelnen Lagen noch einmal auf der Läge des Federpaketes miteinander. So wird verhindert, dass sie sich seitlich verschieben.

An den äußeren Enden des Federpaketes, also an der längsten Lage, ist eine Art „Kringel“ geschmiedet. Dieser Kringel, das Federauge, nimmt die Befestigung der Feder am oberen Fahrzeugaufbau (der „gefederten Masse“) auf.

Da sich beim Ein- und Ausfedern die Länge der Federn ändert, muss einer der Aufhängepunkte beweglich sein. Aus diesem Grund findet man dort bei älteren Fahrzeugen noch ein Wälzlager, das unbedingt im Schmierplan mit beachtet werden sollte.

Bei vielen Fahrzeugen, ist nur die oberste Federlage mit einem Auge versehen. Bei anderen beteiligt sich auch noch die zweite Lage am Halteapparat.

Blattfeder IVECO 90-16

Hier gut zu erkennen: Die beiden langen Halteklammern, die Briden, die das Federpaket mit der Achse verbinden. Zu beiden Seiten sitzt hier je eine zusätzliche Klammer, von den beiden Aufhängepunkten am Rahmen ist der hintere beweglich gelagert.


Persönliche Erfahrung:

Eine zweite Federnlage mit Auge zu haben, war unser Glück beim Steyr 680, als uns in Marokko die oberste Lage beider hinterer Federnpakete gebrochen ist. Ohne die zweite Lage hätten wir ohne Reparatur nicht weiterfahren können – so haben wir den Bruch sogar erst sehr viel später überhaupt bemerkt.

Den Tausch, bzw Wiedereinbau der Federpakete haben wir in in diesem Video festgehalten. Mehr Eindrücke vom Arbeiten an den Federn bekommst Du auch beim Höherlegen des Iveco 90-16.


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ARTEN VON BLATTFEDERN


Selbst eine so einfache Konstruktion wie eine Blattfeder kann vielfältig angewendet werden. Es gab im Laufe der Zeit bereits diverse (Ein-)bauformen, doch üblich sind für unsere gängigen Basisfahrzeuge die längs eingebaute Halbelliptikfeder und die Parabelfeder.


HALBELLIPTIKFEDERN


Früher wurden Blattfedern paarweise gegeneinander montiert, was dann so aussah:


Skizze Vollellipikfeder

(Voll-) elliptikfeder in Form eines Ovals.


Die Konstruktion, die in ihrer Form an eine Ellipse erinnert, nennt man deshalb auch (Voll-)Elliptikfeder.

Von ihr leiten sich Variationen ab. Es gibt von der Dreiviertel Elliptikfeder, die oben ein ganze Ovalhälfte hat und unten nur eine halbe, bis zur, als Querlenker verbauten Viertel Elliptikfeder, alle möglichen Varianten.

Die uns geläufigste, die wir aus unseren Fahrzeugen kennen, stammt natürlich auch aus dieser Reihe und nennt sich, logischer Weise, Halbelliptikfeder. Ihre typisch geschichteten Lagen, haben ihr auch den Namen Trapezfeder eingebracht.


Trapezfeder

Trapezfeder bei einem, sich in der Restauration befindlichen LKW.


WIRKUNGSWEISE HALBELLIPtIK- ODER TRAPEZFEDER


Die Wirkunsweise der Trapezfedern ist einfach. Die gewalzten Federstähle haben eine gewisse „Aufrichtung“. Die Biegung von beiden Federarmen nach oben, ist gerade bei neuen Federn und ohne schwere Beladung gut erkennbar. Diese Aufrichtung gibt dem Federstahl die Vorspannung, das Paket kann nach unten durchfedern, bis es komplett durchgedrückt ist.

Die Bewegung der Lagen untereinander verursacht Reibung und dadurch eine gewollte Eigendämpfung. Bei Fahrzeugen mit vielen Federlagen (sprich, viel Reibung), wurde früher sogar auf den Einsatz eines hinteren Stoßdämpfers verzichtet. Ein feines Ansprechen der Federung darf damit natürlich nicht erwartet werden.


LINEARE UND PROGRESSIVE FEDERKENNLINIEN


Die Federwirkung eines solchen Federpaketes ist linear. Man braucht also an jedem Punkt an dem sich die Feder befindet, die gleiche Kraft um sie weiter zu drücken.

Fahrzeuge jedoch, die für sehr schwere Beladung konstruiert wurden, brauchen eine weichere Federung, wenn sie unbeladen sind und eine harte, bei voller Beladung. Um dies zu erreichen, ist eine progressieve oder geknickte Kennlinie der Federung nötig. Dies wird durch Zusatzfedern möglich gemacht, die nur greifen, wenn die normalen Lagen bis zu einem gewissen Punkt durchgefedert haben.

Einige Fahrzeuge haben dafür eine besonders starre, unterste Lage. Andere besitzen gar ein komplettes, zweites Federpaket.


Blattfeder mit Schwerlastlagen

Wird die untere Feder zu stark belastet, kommt das obere Paket durch den darüberliegenden Anschlag zum Einsatz.


ZUSATZINFO FAHRZEUGKAUF

Federn können übrigens auch altern, indem sie nicht bewegt werden. Kauft man ein Fahrzeug wie eine alte Feuerwehr, das gute 30 Jahre voll beladen fast ausschließlich stand, kann sich die Aufrichtung der Federn im Laufe der Zeit plattgedrückt haben. Man erkennt solche Federn, wenn sie keine halbelliptische Form mehr haben, sondern wahrhaft platt wie eine Flunder sind. Es ist aber durchaus möglich, solche Federn neu aufrichten zu lassen.

Durchhängende BlattfederBlattfedern ohne Vorspannung

Fotos oben: Selbst ganz ohne Beladung ist die Feder bei diesem LKW total eben und ohne Aufrichtung.
Foto unten: Zum Vergleich noch einmal unser eigener Iveco 90-16 – die beiden Arme des Federpaketes zeigen hier noch deutlich nach oben.


Trapezfeder Iveco 90-16
Vorteile von Trapezfedern

Mit der trapezförmig aufgebauten Halbelliptikfeder kommt die Dorfschmiede im hintersten Kaff der Pampa zurecht. Der Austausch einer gebrochenen Lage ist unproblematisch und selbst provisorisches Flicken ist auf freier Strecke durch den Bau einer improvisierten Halteklammer machbar.


Nachteile von Trapezfedern


Mit Fahrkomfort haben diese Art Blattfedern nicht viel am Hut. Oft ist es deswegen so, dass hinten, also für die Federung der Ladung, diese Art der Blattfedern zum Einsatz kommt, vorne unter dem Fahrerhaus jedoch eine feiner ansprechendere Bauform. Beim Aufbau eines Expeditionsmobils kann man hier gewisse Kniffe anwenden, indem man etwa der Blattfeder eine Lage entnimmt und dafür zusätzlich Schwingungsdämpfer nachrüstet.

Diese Blattfedern sind im Verhältnis zu ihrer Leistung extrem groß und schwer. Sie haben von den in Frage kommenden Bauformen den geringsten Wirkungsgrad.

Durch das Bündeln der Federlagen liegen die Stahllagen direkt aufeinander auf. Rost und damit die Gefahr, dass die Federn deshalb irgendwann mal brechen, ist immer wieder ein Problem.


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PARABELFEDERN


Parabelfedern sind wie die verschiedenen Elliptikfedern eine Unterform der Blattfedern. Sie sind etwas aufwändiger konstruiert. Hierdurch entstehen viele Vorteile, für ein Expeditionsmobil aber auch ein großer Nachteil.


AUFBAU VON PARABELFEDERN


Der Grundaufbau und die Aufhängung der Parabelfedern im Fahrzeug ist mit den „gewöhnlichen“ Blattfedern identisch.

Betrachtet man sich die Lagen einer Parabelfeder von der Seite ist allerdings ein großer Unterschied zu den Stahllagen einer Trapezfeder erkennbar:

Die Dicke des Materials ist bei der Trapezfeder durchgehend gleich. Die Lagen einer Parabelfeder sind im Bereich zur Mitte hin deutlich dicker als an ihren Enden. Hierdurch wird innerhalb einer einzigen Lage eine progressive Kennlinie der Federung erreicht. Das heißt am Anfang federt die Lage ziemlich leicht und bei zunehmendem Druck immer schwerer.

Durch die Bauform leitet sich auch der Name der Federn ab, da der Stahl sich zu den Enden hin parabelförmig verjüngt.

Als weiteres Merkmal lässt sich zwischen den einzelnen Lagen ein deutlicher Spalt erkennen.


Parabelfedern mit Schwerlastlagen

Auch Parabelfedern können mit zusätzlichen Lagen für schwere Beladung ausgestattet sein.


Parabelfedern Detailansicht Federlagen

VORTEILE VON PARABELFEDERN


Bei Parabelfedern sind weniger Lagen notwendig, was das Bauteil als solches leichter macht und nicht so hoch aufbaut.

Außerdem sprechen sie wesentlich sanfter an und erhöhen so den Fahrkomfort. Parabelfedern kommen deshalb in einigen Fällen als vordere Federung zum Einsatz, selbst wenn für eine hohe Nutzlast hinten eine Trapezfeder verbaut ist.

Durch die kleineren Auflageflächen der einzelnen Federstahllagen ist die Rostbekämpfung einfacher.


NACHTEIL VON PARABELFEDERN

Bricht eine solche Federlage auf einer Reise, ist man darauf angewiesen, genau den passenden Ersatz zu erhalten. Das einfache Nachschmieden in der Dorfklitsche ist damit nicht mehr so einfach möglich.

Das Gute ist jedoch, dass Ersatz für die gängigen Fahrzeuge keine Mangelware ist und sich die Vielzahl der Arten in Grenzen hält.

SCHRAUBENFEDERN

Eine Schraubenfeder besteht aus einem dicken, runden Federdraht, der schraubenförmig gewunden ist. Betrachtet man den gesamten Fahrzeugbau, sind sie heute die vorherrschende Form der Federung. Im Bereich der Allrad LKW’s sind sie allerdings die absolute Ausnahme.

Tatsächlich sind Schraubenfedern bei den gängigen Allrad-LKW‘s für Expeditionsmobile lediglich im MAN KAT und im UNIMOG verbaut.


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VORTEILE VON SCHRAUBENFEDERN


Die Schraubenfedern haben sich vor allem aufgrund ihres sehr hohen Fahrkomforts im Fahrzeugbau durchgesetzt. Auch im Expeditionsmobil macht sich dies natürlich bemerkbar.

Desweiteren holen sie den größten Wirkungsgrad aus den federnden Eigenschaften des Materials heraus. Gewicht und Materialaufwand muss somit nur einen Bruchteil einer normalen Blattfeder betragen.

Der entscheidende Vorteil der Schraubenfeder für ein Fahrzeug, das auch im Gelände eingesetzt werden soll, ist jedoch der große Federweg.
Wo bei einer Blattfeder nach einigen Zentimetern Schluss ist und dann dann das Rad bei einer Geländeverwerfung nicht mehr am Boden bleibt, legt die Schraubenfeder nochmal ein Stück mehr Weg drauf. Dies ist der Grund, warum die Schraubenfeder sich ausgerechnet bei KAT und UNIMOG wiederfindet. Die beiden LKW Modelle wurden für höchste Geländegängigkeit konzipiert und die Befederung trägt genau diesem Anspruch Rechnung.


NACHTEILE VON SCHRAUBENFEDERN


Durch das feine Ansprechverhalten und die hohe Beweglichkeit der Schraubenfeder schaukelt sich die gefederte Masse schneller auf, als dies mit einer starreren Feder der Fall ist. Eine Eigendämpfung ist im Verhältnis gesehen so gut wie nicht vorhanden.

Wesentlich stärkere Schwingungsdämper müssen eingesetzt werden, um diesen Nachteil in den Griff zu kriegen. Dennoch wird das Fahrzeug mit hoher Wahrscheinlichkeit schwammiger zu fahren sein.

Gibt der Schwingungsdämpfer den Geist auf, wird ein Expeditionsmobil mit schwerem Aufbau so gut wie unfahrbar.

Die komplette Feder besteht bei dieser Bauform aus einem einzigen Stück gewundenem Stahl. Während bei einer Blattfeder oftmals gar nicht auffällt, wenn eine Lage bricht, ist der Schaden weitaus größer, wenn die Aufgabe des defekten Teils nicht von einem anderen aufgefangen werden kann. Die Wahrscheinlichkeit eines Bruches ist überdies höher als bei einer Blattfeder, da die Amplituden der Federbewegung höher sind und das Material mehr belasten.

Ist eine Schraubenfeder gebrochen, muss die Reise (je nach Stelle des Bruches) bis zu ihrem Ersatz unterbrochen werden.

Eine Schraubenfeder kann keine Achsführung übernehmen, wie dies Trapez- oder Parabelfedern tun. Sie ist ein loses Bauteil, das keinerlei stabilisierende Wirkung hat. Diese Aufgabe müssen in Unimog und Kat von zusätzlichen Zug- und Schubstreben übernommen werden.

Der hohe Federweg der Feder bedingt auch einen höheren Aufbau und die zusätzlich stabilisierenden Führungen tragen dazu bei, dass schnell eine größere Gesamthöhe des Fahrzeugs erreicht ist. Der Zwischenrahmen, auf dem aufgebaut werden kann, muss höher liegen.


Schraubenfeder MAN KAT 1

Hinterachse mit Zug- und Schubstreben bei einem MAN KAT 1. Die müssen die stabilisierenden Aufgaben übernehmen, die die Schraubenfeder nicht leisten kann. Wie sich so ein KAT auf einer Weltreise bewährt, davon erzählen hier übrigens Jutta und Gerd aus den Vereinigten Arabischen Emiraten


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4 Kommentare zu “Blattfedern VS Schraubenfedern – Federungsarten beim Expeditionsmobil”

  1. Hi, ihr lieben. Super geschrieben, super informativ. Vielen Dank! Vielen Dank vor allem fürs Schreiben: mag ich lieber als Videos und funzt unterwegs mit schlechtem Internet einfach besser (auch wenn mein uralt iPad in diesem Bericht viele Bilder nicht anzeigen will/kann (zeigt nur ein blaues Fragezeichen)).

    Liebe Grüße von unterwegs

    Tom/die6

    1. Hallo Thomas!
      Wir werden versuchen, wieder mehr zu schreiben und die ganzen Infos, die wir auf unserem Youtube-Kanal rüber bringen, auch mal hier in Worte zu fassen.
      Danke für Deine total liebe Nachricht und die aller besten Grüße aus unserer Baustelle,
      Sabine und Micha

  2. Wieder mal klasse erklärt. Sabine du hast Fachwissen mehr als simpel, für Nichtfachleute gut rübergebracht. Meinen aufrichtigen Respekt. Man merkt, dass du eine Fachfrau bist. Bin immer wieder Begeistert, weiter so und lass die vielen Dummis etwas lernen. Auch ich bin so ein Fachidiot und finde das so etwas von allen Fahrerrinnen und Fahrern zum allgemeinen Grundwissen gehört. Wer so ein Gerät durchs Gelände fahren möchte, sollte schon wissen was er (sie) tut! Auch ich als gelernter Kfz Mechaniker und 30zig Jähriger Erfahrung als Fahrlehrer, der endlich in Rente ist und auf eurer, unserer Insel Sardinien das Strandleben genießt, grüßt euch beiden, mit ausgesprochem Respekt!!! Martin und Christina mit Knuthilde (Düdo 508D) on Tour aus Berlin Spandau.l

    1. Wow, lieber Martin, das ist echt ein unheimlich schönes Lob von Dir, das ich wirklich sehr zu schätzen weiß! :))
      Ich bin selber immer froh, wenn ich in der Hinsicht Infos vermittelt bekomme und etwas lernen darf. So versuche ich einfach etwas davon weiter zu geben. Schön, dass Du als Fachmann mit 30 Jahren Berufserfahrung mit meinen Ausführungen zufrieden bist! 🙂
      Ich schicke Euch beiden und natürlich auch der Knuthilde die aller herzlichsten, liebsten Grüße auf die Trauminsel Sardinien, fühlt Euch gedrückt und lasst es Euch gut gehen! Schön, dass Du mit uns hier unterwegs bist! :))
      Sabine aus der H3 Baustelle 😀

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