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Fahrwerks-Technik im Detail

Suche nach dem perfekten Komfort

Grafik, Bodenwellen Foto: Hersteller 11 Bilder

Das Fahrwerk bekommt alles ab, muss Schläge und Stöße aushalten – möglichst ohne dass die Passagiere etwas davon mitbekommen. So zumindest stellt man sich die perfekte Federung vor. Und die neue Mercedes S-Klasse kommt diesem Ideal so nahe wie kein Auto zuvor.

19.09.2013 Marcus Peters

Bringen wir es auf den Punkt: Wenn ein Fahrwerk – so wie bei der neuen S-Klasse von Mercedes – eine lange Bodenwelle komplett kompensieren kann, ohne dass sie im Auto zu spüren ist, dann ist das der perfekte Federungskomfort. Dafür ist ein so enormer technischer Aufwand nötig, dass sich selbst Ingenieure von Konkurrenzunternehmen voller Ehrfurcht verneigen. Und letztlich sind Stoßdämpfer und Stahlfedern beteiligt – so wie bei den meisten Autos auf deutschen Straßen. Doch während alle anderen auf Unebenheiten nur reagieren können, agiert die S-Klasse gewissermaßen.

Dank einer Kamera erspäht der Luxusliner Bodenwellen im Voraus. Sie ist auf Höhe des Innenspiegels positioniert und sendet ihre Daten an einen Rechner: Dieser wertet aus und gibt dem Federbein den Befehl, der Bodenwelle entgegenzuwirken. Das funktioniert, weil hydraulisch ansteuerbare Zylinder an den vier Federbeinen die Stahlfeder samt Dämpfer zusammendrücken oder auseinanderziehen können – und damit die Bodenwelle praktisch ausgleichen.

Konkurrenten in Zugzwang

Mit dieser aufwendigen und vor allem teuren Technik kommt Mercedes dem perfekten Federungskomfort derzeit nahe wie kein anderer Hersteller. Die Messlatte liegt nun auf einem so hohen Niveau, dass andere unter Zugzwang stehen. Fraglich ist aber, ob und wann kleinere Fahrzeugklassen von dem neuen Wunderwerk profitieren können. Nach Auskunft von Mercedes-Ingenieuren passen die Komponenten nicht in jedes Modell, konventionelle Federbeine dagegen schon. Diese dürften deshalb noch geraume Zeit eingesetzt werden.

Federhärte bestimmt den Komfort des Fahrwerks

Fragt man einen Fahrwerksentwickler, was den Komfort beeinflusst, holt er weit aus, fängt bei der Karosseriesteifigkeit an, geht über Reifen, Bremsanlage, Stabilisatoren sowie Aufhängung und Anlenkpunkte bis hin zum Sitz und dreht noch eine große Schleife ums Thema Akustik. Nach wie vor wesentlichen Anteil am Fahrkomfort eines Autos haben allerdings Federn und Stoßdämpfer. Grob eingeteilt hat eine geringe Federrate einen hohen, eine große Rate dagegen einen niedrigen Federungskomfort zur Folge. Die Rate (Härte) drückt aus, wie viel Kraft man aufwenden muss, um die Feder zusammenzudrücken.

In Zeiten von Verstellmöglichkeiten und Adaption denken viele, der Schwingungsdämpfer (Stoßdämpfer) sei für den Federungskomfort verantwortlich – was nur bedingt stimmt. Eigentlich ist es die Feder: Sie darf bei ihrer Arbeit aber nicht vom Dämpfer behindert werden.

Fährt man also über eine Bodenwelle, drückt es das Rad in den Radkasten. Federn und Dämpfer werden zusammengepresst – Letzterer arbeitet in der Druckstufe. Ist diese zu hart, muss die Feder dagegenarbeiten, und der Komfort-Eindruck verschlechtert sich; das Auto wirkt unangemessen straff. Beim Ausfedern des Fahrzeugs kommt die Zugstufe ins Spiel; sie soll verhindern, dass sich die Feder mit der hohen Kraft ihrer gespeicherten Energie allzu schnell entspannt. Der Dämpfer bremst die Feder ab. Ist die Zugstufe zu weich, kann die Karosserie nachschwingen, was bei vielen Passagieren Unwohlsein auslöst.

Dämpfer werden adaptiv

Besonders bei günstigen Modellen wie Microcars und Kleinwagen werden rein mechanische Lösungen ohne Zusatzfunktionen eingesetzt. Erst ab der Kompaktklasse bieten viele Hersteller hydraulische, adaptive Dämpfer als Option und ab der Oberklasse meist serienmäßig an. Diese beinhalten Funktionen, welche auch die Wank- und Nickbewegungen des Fahrzeugs minimieren. Kontinuierlich verstellbare Dämpfersysteme lassen sich meist über eine Taste in den Kennlinien Komfort und Sport beeinflussen; vor allem bei Sportwagen entschärfen sie den Zielkonflikt aus agilem Einlenkverhalten, das straff arbeitende Dämpfer erfordert, und einem guten Federungskomfort auf der Langstrecke, welcher sich nur mit einer nachgiebigeren Abstimmung erzielen lässt.

Ein Dämpfer, viele Kennlinien

Aus der Idee, die Federung ebenfalls über Kennfelder beeinflussen zu können, entstand die Luftfederung in der Luxusklasse. Ein mit Gas gefüllter Balg ersetzt die konventionelle Stahlfeder. Anders als bei einer Stahlfederung mit fester Rate kann die Luftfederung adaptiert werden, womit sich sowohl die Höhe des Aufbaus über der Straße als auch die Federrate regulieren lässt. In Kombination mit einem adaptiven Stoßdämpfer sind Einstellungen für Fahrdynamik und Komfort getrennt voneinander realisierbar, was sie auch für sportlich ausgelegte Limousinen interessant macht.

Ein weit verbreiteter Irrglaube ist übrigens, dass ein moderner Verstelldämpfer nur über zwei Kennlinien verfügt – hart (Sport) und weich (Komfort). Tatsächlich können in der Software zahlreiche Abstimmungen hinterlegt werden. Damit erreichen die Ingenieure, dass die Stoßdämpfer, obwohl per Knopfdruck auf Komfort gestellt, auch mit den Dämpfkräften des Modus Sport arbeiten können.

Erkennt die Sensorik, dass die Federwege schnell zunehmen, weil der Fahrer auf schlechter, kurviger Straße ambitioniert unterwegs ist, dann wird die Dämpfung verhärtet. Umgekehrt wird sie auf ebener Strecke reduziert, obwohl der Modus Sport vorgewählt ist – um den Federungskomfort zu verbessern. So genannte Proportional-Ventile verengen den Öldurchfluss im Dämpferkolben für ein härteres oder erweitern ihn für eine weicheres Ansprechen. Eine alternative Technik verwendet magnetisch polarisierbare Partikel im Öl; wird ein Magnetfeld angelegt, ändert sich dessen Viskosität und damit die Dämpferhärte.

Alle Räder werden vernetzt

Regelungen dieser Art können auch dazu genutzt werden, unerwünschte Karosseriebewegungen wie etwa Wanken zu minimieren. Man spricht hier von teilaktiven Systemen, ebenso übrigens bei Hydrauliken, die Querstabilisatoren und Stoßdämpfer untereinander koppeln. Beginnt sich das Chassis in eine Richtung zu neigen, wirkt das System der Bewegung entgegen, gibt beim Kurvenfahren Druck auf die belastete Seite, was sie weniger stark einfedern lässt. Ähnlich funktioniert die Gegenbewegung beim Bremsen, reduziert also das Nicken.

Die Stärke dieses Moments lässt sich elektronisch beeinflussen. Bei Geradeausfahrt, wenn die Stabilisierung nicht benötigt wird, öffnen sich Ventile und reduzieren den Druck im System. Das verbessert wiederum den Federungskomfort, denn die Räder können unabhängig voneinander arbeiten – eine Wechselwirkung wäre beispielsweise bei Schlaglöchern unerwünscht. Wankstabilisierungen dieser Art verwenden nahezu alle Premium-Hersteller bei Sportwagen, Luxuslimousinen und SUV.

Nun lassen sich die vier verstellbaren Dämpfer hydraulisch miteinander vernetzen und mit aktiven Wank- und Niveauregulierungen kombinieren. Das System Kinetic H2/CES des amerikanischen Zulieferers Tenneco arbeitet im britischen Supersportwagen McLaren MP4-12C, in dem die adaptiven Dämpfer hydraulisch so miteinander vernetzt sind, dass herkömmliche Stabilisatoren nicht mehr nötig sind, um Wanken auszugleichen.

Eine ähnliche Idee verfolgt Mercedes mit dem Active Body Control (ABC) genannten System schon seit 1998. Hier sind die Federbeine ebenfalls mit Zylindern ausgerüstet, die hydraulisch Kräfte erzeugen können und damit der Bewegung des Fahrzeugs entgegenwirken. ABC macht Stabilisatoren überflüssig, unterdrückt das Wanken in Kurven dennoch nahezu vollständig.

Der logische nächste Schritt wäre, die Räder komplett losgelöst von Federn und Dämpfern auf und ab zu bewegen – etwa mittels Elektromotoren. Bose, der Hersteller von HiFi-Anlagen, hat hierzu 2004 eine Entwicklung vorgeführt: Unebenheiten in der Fahrbahn wurden von einer Sensorik nahezu in Echtzeit erkannt, und das Fahrwerk konnte sie fast vollständig kompensieren – für die Passagiere fühlte sich das fast wie ein Schwebe-Zustand an.

Dennoch ging diese Lösung nie in Serie. Die Linearmotoren werden auf langen welligen Passagen stark beansprucht, müssen große Hitze ertragen können und aufwendig gekühlt werden. Zudem können Stabilitätsprobleme auftreten, falls das System in einer Kurve eine Bodenwelle unter dem eingeschlagenen Vorderrad missdeutet und das Rad hochzieht – mit Verlust der Seitenführungskräfte: Das Auto würde kaum kontrollierbar untersteuern.

Elektromagnetisches Federbein

Ein anderes aktives System entwickelt die Technische Hochschule in Aachen: ein programmierbares Federbein mit elektromagnetischem Aktuator samt regelbarem Schwingungsdämpfer. Er lässt sich in ein bestehendes Fahrwerk eingliedern und kann nahezu alle Kennlinien darstellen. Allerdings ist dieses System derzeit nur ein Hilfsmittel zur Abstimmung eines Fahrzeugs in einem sehr frühen Entwicklungsstadium und für den Einsatz in der Serie zu teuer.

Anders ein neues Produkt von Tenneco: die vollaktive Dämpfung Acocar. Sie soll kurz vor der Serienreife stehen und in der Luxusklasse eingesetzt werden. Acocar basiert ebenfalls auf den elektronisch verstellbaren Dämpferventilen, erweitert allerdings um eine spezielle Hydraulik, die den Karosserie-Aufbau selbst auf schlechten Straßen auf einem konstanten Niveau halten soll – und beim schnellen Ausweichen ebenso die Fahrstabilität sicherstellt.
Dabei variiert Acocar sowohl die Dämpfer- als auch die Federrate, was in der Theorie zumindest Komfort und Fahrdynamik auf höchstem Niveau vereinen könnte. Laut Zulieferer soll das System leichter und kompakter als bisherige aktive Fahrwerke sein – kaum schwerer als eine konventionelle Federung mit Stahlfeder und Dämpfer. Gleichzeitig verspricht Tenneco einen geringeren Energieverbrauch als bei bisherigen aktiven Fahrwerken.

Kamera scannt die Fahrbahn

Noch aber ist das nur ein Versprechen vom perfekten Federungskomfort – in der Realität kommt ihm ausschließlich die neue S-Klasse nahe. Deren Optionsfahrwerk Magic Body Control baut auf dem bisherig bereits optional erhältlichen Active Body Control (ABC) und damit der Stahlfederung auf. Herzstück der Federbeine sind Hydraulikzylinder, welche kontinuierlich die Federvorspannung regeln. Zusätzlich gibt es verstellbare Stoßdämpfer.

Dem sagenhaften Schweben auf dem fliegenden Teppich kommt die S-Klasse allerdings nur aus dem Grund nahe, weil sie mit einer hinter der Frontscheibe positionierten Stereo-Kamera die Straße nach Unebenheiten absucht. Mercedes nennt diese Errungenschaft Road Surface Scan. Detektierte Bodenwellen werden so blitzschnell erfasst und kategorisiert. Anhand der optisch ermittelten Daten errechnet der Computer die Strategie für die Federrate jedes einzelnen Rads sowie die entsprechende Dämpfung bei der Gegenbewegung, die das Federbein absolvieren muss, um die Bodenwelle auszugleichen. Die Kraft für die Vorspannung der Stahlfeder bringt die Hydraulik auf.

Wie bisher reduziert ABC Wank- und Nickbewegungen des Aufbaus beim Anfahren, in Kurven oder beim Bremsen. Und es gibt eine Stellung Sport, in der statt Road Surface Scan ausschließlich die adaptiven Stoßdämpfer arbeiten – und zwar mit einer etwas strafferen Kennung. Doch selbst damit ist der Federungskomfort der S-Klasse immer noch sehr gut.

Derzeit behauptet der Hersteller, dass Magic Body Control nicht in kleinere Baureihen passe. Nun werden die wenigsten unter uns in den Genuss kommen, den fast schwebenden Luxus-Mercedes erfahren zu können. Doch die magische Federung wäre nicht die erste Entwicklung, die top down, also von oben nach unten durch die Fahrzeugklassen gereicht wird.

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