Betrachtet man ausschliesslich die Federung, so ist die Feder
abhängig von der zu federnden Masse, vom Federweg, dem auftretenden Impuls, und der Federrate.
Um es vorab zu sagen:
Dies ist keine Anleitung um die Feder für eine beliebige Anwendung zu bestimmen sondern soll nur das Prinzip aufzeigen.
Weniger technisch:
Zu federnde Masse:
Alle Masse („Gewicht“) „oberhalb“ der Feder, also etwa das Mopped plus Fahrer plus Zuladung aber ohne „ungefederte Massen“ wie Rad, Reifen und Bremsscheibe(n).
Federweg:
Die unterschiedlichen Einsatzbereiche von „Rennerle“ und „Crosser“ geben den Federweg vor.
Bei ersterem tendiert der Federweg gegen „wenig“ (60…80mm), bei zweiterem nach „kann nicht genug sein“, und ist nur durch technische Grenzen begrenzt. Ausserdem sind Sitzhöhen von wesentlich über 110cm einfach unpraktisch weil kaum noch jemand raufkommt.
Impuls:
Fährt ein Fahrzeug (eine „Masse“) mit einer bestimmten Geschwindigkeit über ein Hindernis, muss es eine von den obigen Faktoren abhängige Energie, den Impuls „verdauen“.
Eine Fahrbahnstufe von 1,5 cm macht mit dem „Rennerle“ bei 280 km/h bestimmt mehr „wumm“ als bei 100 km/h, aber bei einer Stufe von 10 cm benötigt man (auch mit einer Enduro) sicher keine 100 km/h um einen ähnlichen Impuls absorbieren zu müssen.
Federrate
Die Federrate besagt aus wie viel Kraft notwendig ist um eine Feder um 1 mm zu stauchen. Hat eine Feder eine sehr hohe (harte) Federrate, dann wird es diese bei einem bestimmten Impuls wenig stauchen, dafür wird der Rahmen „ziemlich“ belastet sein. Bei einer niedrigen (weichen) Federrate, dann wird es sie stark stauchen und der Rahmen wird „weniger“ belastet sein. Ist die Federrate sehr niedrig, dann wird es diese derart stark stauchen, dass sie „auf Block“ geht und der Rahmen wird wieder „stärker“ belastet sein.
Die Feder soll also die Energie eines einwirkenden Impulses aufnehmen.
Bei einem leichteren Fahrer wird die auftretende Energie geringer, und somit kann die für ihn ideale Federrate kleiner sein.
Nebenher:
Mit einem 21“ Rad lassen sich 10 cm Bordsteine wesentlich leichter überrollen als mit den 16 oder 17“ Rädchen, für ein Rollerbladerad wirkt der Bordstein wie eine Wand.
Vorspannung
Weshalb ist praktisch jede Feder eines Federbeins mehr oder weniger vorgespannt?
Einmal würde sie, falls sie auch nur geringfügig ausleiert oder der Lack abgeschabt ist lose im Federbein sitzen.
Zum zweiten, viel wichtiger, würde das Gewicht des Moppeds die Feder weit zusammendrücken und den, aus konstruktiven Gründen begrenzten Dämpferweg „klauen“.
Idealerweise ist sie also so weit vorgespannt, dass das Mopped inklusive Fahrer in ihrer „Grundstellung“ seinen idealen Negativfederweg (ca. 30%) hat. Bei einer GS aus der Serie passt das schon mal nicht (oder der Normfahrer ist Jockey und wiegt 65 Kg).
Die Vorspannung sollte sich dann, mit Hakenschlüsseln oder Verstellhydraulik so verstellen lassen, dass der Negativfederweg auch bei voller zulässiger Zuladung erreicht wird.
Was passiert bei/mit der Vorspannung:
Dargestellt ist immer nur die Feder. Der Dämpferhub ist nur teilweise angedeutet!
Teilt man den gewünschten Gesamtfederweg grob in 33% negativ (also „Ausfederweg“) und 66% positiv („Einfederweg“), so kann man erkennen, dass der Dämpferweg nicht so lang zu sein braucht wie die freie Länge der Feder. Die Feder kann also vorgespannt werden weil sie „ohnehin“ ständig belastet ist und nur ein bestimmter Negativfederweg gebraucht wird. (Falls das Fahrzeug nach einem Unfall auf dem Kopf steht ist sie unbelastet, aber dann braucht’s auch keinen Federweg mehr).
Die Feder hat eine freie Länge (blau dargestellt).
Auch wenn sie im Federbein eingebaut ist wird sie bereits etwas zusammengedrückt (gelb; Eigenlast aufgebockt) Belastet man sie mit dem Gewicht des Fahrzeugs wird sie um ein Stück zusammengedrückt (gelb; Eigenlast abgebockt).
Mit dem Zusatzgewicht des Fahrers wird sie weiter zusammengedrückt (Last mit Fahrer; orange). Ist sie so weit zusammengedrückt, dass ihre Windungen aneinander anliegen, so ist sie „auf Block“ (rot).
Wird bis zur zul. Belastung beladen (Mitte; magenta), dann hängt die gesamte Fuhre „am Boden“. Der Positivfederweg verkürzt sich, der Negativfederweg wird grösser (uninteressant). Also spannen wir vor. In der Praxis drückt häufig eine Hydraulik (oder grosse Muttern) die Feder von unten nach oben (violett, zur Verdeutlichung nach rechts „herausgezeichnet). Die zur Last passende Einstellung ist erreicht wenn mit ihr wieder der normale Negativfederweg besteht. Mir ist kein BMW-Serienfederbein bekannt mit dem dieser Ausgleich bei zul. Ges-Gewicht tatsächlich möglich wäre. Entweder ist der Verstellweg zu gering oder die Federn sind zu weich.
Im gezeichneten Fall ist die Feder gerade ausreichend um bei voller Belastung noch den gewünschten Maximalfederweg zu erreichen ehe die Feder „auf Block“ geht (und auch der Dämpferweg am Ende ist). Bei weniger Last wäre ein grösserer Federweg möglich wenn dieser nicht durch andere konstruktive Eigenheiten wie z.B. Weg- oder Einbaulänge des Federbeins begrenzt wäre. Die gezeichnete Feder wird ohne Vorspannung nie auf Block gehen weil der Dämpferweg nicht ausreichen würde.
Ideal wäre eine progressive Feder, also eine bei der die Federrate mit zunehmendem Weg steigt. Das liesse sich z.B. durch Wicklung mit unterschiedlicher Steigung (Feder geht Windung für Windung auf Block) oder mit einem konischen Federdraht erreichen.
In der Praxis rechnet man das natürlich „anders herum“ und bestimmt nicht die Eigenschaften nach der Feder, sondern die Feder gemäss der zu erbringenden Eigenschaften.
In der Grafik ist das noch einmal dargestellt
Nach rechts aufgetragen ist die Last, nach oben der Weg um den die Feder zusammengedrückt wird.
Die blaue Linie stellt somit eine weiche Feder (viel Weg bei Last), die orange Linie eine harte Feder(wenig Weg bei gleicher Last) dar.
Durch die Begrenzung des Dämpferwegs wird die Feder vorgespannt (Vorspannung Grundlast). Eine kleinere Last als L1 bewirkt keinen Federhub!
Das Eigengewicht (L2) der Maschine staucht die Feder bis Pkt1, mit dem Fahrer (L3) bis Pkt2.
Die Feder wird einmalig durch eine Grundvorspannung (dazu gehört auch die Begrenzung des Federbeinwegs!) optimal auf den „Arbeitspunkt“ Maschinengewicht + Fahrergewicht vorgespannt.
Die Feder liesse sich bis L6 belasten, danach wäre sie „auf Block“. Praktisch hat der Dämpfer bereits vorher -bei L5- seinen Endanschlag erreicht und die Feder kann nicht auf Block gehen.
Bei zul. Gesamtgewicht L4 ist die Feder bereits kräftig belastet. Der Negativfederweg ist sehr gross, der Positivweg (zu) klein.
Jetzt kommt die bekannte Vorspannung mit Hakenschlüssel oder Hydraulik zum Einsatz. Im Beispiel wird bis L4 vorgespannt.
Nur mit dem Fahrer besetzt ist jetzt kaum noch Negativfederweg vorhanden.
Wird noch mehr vorgespannt reicht die Last mit „Fahrer solo“ nicht mehr um die Feder zu bewegen. Klartext: ES FEDERT NICHT MEHR, die Karre hoppelt, der Fahrbahnkontakt ist „suboptimal“! Erst kräftige(re) Impulse, also entweder mehr Last oder ein „tiefes Loch“ oder „ein Bordstein mit hohem Tempo“ verursachen eine Federreaktion!
Viele glauben sportlich hart unterwegs zu sein ohne zu begreifen, dass sie die Federung für feine Unebenheiten praktisch nur „ausgeschaltet“ und sich die Fahreigenschaften verschlechtert haben.
Mit voller Last sieht das anders aus. Diese soll die vorgespannte Feder bis zu dem für diese Last optimalen Arbeitspunkt „anheben“ (vorspannen). In der ersten Grafik ist zu sehen, dass der Arbeitspunkt quasi angehoben, der zu grosse Negativfederweg verkürzt und dafür der Positivweg verlängert wurde.
Wird die Feder(-ung) durch das Vorspannen härter?
NEIN, wird sie definitiv nicht! Lediglich der Bereich in dem das System bei gleichbleibender Last überhaupt nicht federt wird grösser. Ist auch klar zu sehen. Die Steigung der blauen Linie ändert sich nicht. Würde die Feder härter, wäre in Verbindung mit der korrekten Dämpfereinstellung auch ein ordentlicher Fahrbahnkontakt gegeben. Im Beispiel würde im voll vorgespannten zustand die Feder zeitgleich mit dem Dämpfer auf Block bzw. Anschlag gehen.
Anschaulich:
Wir betrachten eine Feder mit 1:1 Anlenkung, mit 200mm freiem Hub und einer Federrate von 5kg/mm. Steigt ein Fahrer(chen) mit 50kg drauf wird sie sich also 10mm stauchen lassen. Pro weitere 5 kg wird sie sich um 1mm stauchen lassen (Definition der Federrate!). Wir spannen jetzt das Ding um 50mm, also mit 250Kg vor und unser Fahrer steigt wieder drauf. Es tut sich nichts! Erst wenn die Last 250kg übersteigt wird sich die Feder weiter bewegen. Dann allerdings mit „nur“ 1mm/5Kg!. Also wird sich die Feder in dieser Konfiguration nur bei herben Schlägen überhaupt bewegen! Bis zu diesem Punkt ist die Fuhre ungefedert!
Praxis:
Die ausgebaute Serienfeder „1095 54/140 L402“ meines hinteren Öhlinsbeines ist nicht sonderlich beeindruckt wenn ich mich mit gut 100Kg draufstelle. Sie gibt um ca. 7..8 mm nach. Die Federrate beträgt lt. Öhlins 140N/mm. Das stimmt also mit der Praxis überein. Eingebaut ist die härtere 1095-64/160 L402. Mechanisch vorgespannt auf 63mm Negativfederweg mit mir als Fahrer. Die hydraulische Vorspannung lässt sich dann voll nutzen und schafft es bei max. zul. Last die 63mm knapp wieder zu erreichen.
Fährt gelegentlich die Beste meiner Frauen solo mit dem Ding und vergisst die „Volllastvorspannung“ zurückzunehmen, kann von Federung nicht die Rede sein. Auch wenn sie die Hydraulik voll löst ist sie für „meine“ Feder schlicht und ergreifend zu leicht!
Fazit:
1. Wird die Feder stärker gespannt als es der Last entspricht, wird zuerst der Negativfederweg aufgebraucht und dabei das Ansprechverhalten verschlechtert. Übertreibt man die Vorspannung, federt bei kleineren Belastungen bestenfalls der Reifen. Der hat aber andere Aufgaben!
2. Weiche Federn lassen sich auch durch hohe Vorspannung NICHT zu harten Federn machen! Harte Federn federn, zu weit vorgespannte Federn tun dies nicht!
Alle Betrachtungen sind schematisch zu sehen. Die meisten Federn können in der Praxis nicht „auf Block“ gehen weil vorher der Hub des Federbeins mechanisch begrenzt ist.
Wenn möglich sollten Federn soweit fix (mit Muttern)vorgespannt werden, dass die Hydraulikverstellung bei der Grundstellung (Last mit Fahrer) nicht gebraucht wird. Ideal bemessen ist die Feder dann, wenn bei voller Vorspannung und voller Last der ursprüngliche Negativfederweg wieder erreicht ist. Ist er nicht erreicht ist die Feder zu schwach. Ist noch Hydraulikweg "übrig" ist sie zu stark.
Link
Federbein einstellen