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Entwicklung der Dämpfungstechnik

Die Entwicklung der Dämpfungstechnik ist untrennbar mit der Entwicklung im Fahrzeugbau verbunden. Denn  Fahrsicherheit und Fahrkomfort bei steigender Geschwindigkeit setzt das Beherrschen von Schwingungen, die durch Unebenheiten der Fahrbahn von der ungefederten Masse (Räder und Achsen) auf das Fahrzeug  übertragen werden, voraus.
Die Blattfeder, in der Reisekutsche, dämpfte erstmals harte Stöße durch Reibung einzeln  aufeinanderliegender Federblätter. Bewegungsenergie wird in Wärmeenergie umgewandelt. Dieses Prinzip der Schwingungsdämpfung wurde im Laufe der technischen Entwicklung extrem verfeinert - am Grundprinzip hat sich heute nichts verändert.

Erst der Stoßdämpfer bringt eine gute Straßenlage. Denn Fahrsicherheit und Fahrkomfort  bei steigender Geschwindigkeit setzt das Beherrschen von Schwingungen, die durch Unebenheiten der Fahrbahn von der ungefederten Masse (Räder und Achsen) auf das Fahrzeug übertragen werden, voraus. Die Karosserie wird stabilisiert und so ein Aufschaukeln des Fahrzeugs verhindert. Die durch Fahrbahnunebenheiten aufgebauten Schwingungen der Räder und werden absorbiert. Kontinuierliche  Bodenhaftung der Räder sorgt für eine optimale Traktion der Räder.

Das Wirkungsprinzip aller hydraulischen Stoßdämpfer ist die Umsetzung von kinetischer Energie  (Bewegung) in thermische Energie (Wärme). Um dies zu erreichen wird das Öl in dem Dämpfergehäuse durch enge Ausgleichsräume und Ventilsysteme gepreßt, wodurch hydraulischer Widerstand gebildet wird.  Ein Teleskopstoßdämpfer kann eingedrückt und ausgezogen werden: den sogenannten Druckhub und Zughub.

Teleskopstoßdämpfer werden unterschieden in:

• Einrohrdämpfer, auch wohl Hochdruckgasdämpfer genannt
   
• Zweirohrdämpfer, in hydraulischer- oder gashydraulischer Ausführung
  ( Bild/Text : K.A.W. Fahrzeugtechnik )

Einrohr - Gasdruckdämpfer

Beim Einrohr-Gasdruckdämpfer ist das Zylinderrohr mit Öl und Gas gefüllt. Öl und Gas werden durch den beweglichen Trennkolben exakt voneinander getrennt. Die Ölsäule steht unter einem Überdruck von ca. 25-30 bar. 

Zweirohr – Gasdruckfederbein

Beim Zweirohr Gasdruckfederbein haben wir zwei mit Öl gefüllte Räume (Rohre). Der Arbeitsraum (Zylinderrohr) ist mit Öl gefüllt. Der Vorratsraum (Behälterrohr) dient zugleich als Ausgleichsraum. Er ist zu 2/3 mit Öl und zu 1/3 mit Gas gefüllt. (Druck 6 - 8 bar) Das Kolbenventil ist an der Kolbenstange befestigt und übernimmt die Dämpfung in der Zugstufe. Das Bodenventil verschließt das untere Zylinderrohr und übernimmt die Dämpfung in der Druckstufe.

Funktionsweise des Dämpfers

Dämpfer machen nichts anderes, als Energie umzuwandeln. Und zwar Bewegungsenergie (von der Feder) in  Wärmeenergie. Fahrzeugschwingungen ziehen den Dämpfer auseinander (Zugstufe) oder drücken ihn zusammen (Druckstufe). In der Zugstufe übernimmt das Kolbenventil, in der Druckstufe das Bodenventil die Dämpfung.

Hydraulische Dämpfer benutzen dazu Bohrungen, durch die das Öl umgepumpt wird. Da diese Bohrungen recht klein sind (diese werden bei Zug- und Druckstufenverstellung auf oder weiter zu gemacht), erwärmt sich das Öl - weg ist die Energie.
Bei einer Teleskopgabel unterstützt ein Luftpolster zusätzlich die Federwirkung und bewirkt dabei eine progressive Federkennung. Außerdem verhindert die Luft ein Aufschäumen des Dämpfungsöl. Schäumt das Öl auf, geht die Dämpfungswirkung auf Null zurück.
Oft werden hydraulische Dämpfer auch durch ein Gasfüllung (25 bar und mehr) unter Druck gesetzt. Dabei kann die Ölsäule im Dämpfer auch bei harter und härtester Belastung nicht abreißen und sich Ölschaum bilden.
Gasdämpfer arbeiten ähnlich.

Zugstufe:
Beim Ausfedern wird die Feder von der Zugstufe am Entspannen behindert. Dadurch wird das Ausfedern zeitlich verzögert, was den Dämpfungseffekt bewirkt. Ist die Zugstufe zu weich abgestimmt, wird das Rad nach dem ersten Bodenkontakt noch einmal aufgeschaukelt, ist sie zu hart, siehe oben.
Das Kolbenventil setzt dem Öl, das aus dem Raum oberhalb des Kolbens nach unten strömt, einen Widerstand entgegen. Die Aufwärtsbewegung (-schwingung) wird abgebremst (gedämpft).

Druckstufe:
Um zu verhindern, daß die Räder bei einer Fahrbahnunebenheit nach oben schnellen, wird die Dämpfung beim Einfedern von einem Dämpfer gebremst. Man nennt dies die Druckstufe. Ist die Druckstufe zu weich eingestellt, hebt das Rad kurzzeitig ab, ist sie zu hart eingestellt,  wird der Fahrer durchgeschüttelt (das kann auf die Dauer Schäden an Wirbelsäule und Nieren herbeiführen).
Das Bodenventil setzt dem Öl, das aus dem Raum zwischen Kolben- und Bodenventil durch das  Bodenventil strömt, einen Widerstand entgegen. Die Abwärtsbewegung (-Schwingung) wird abgebremst (gedämpft).

Aufgaben des Federbeins

Das Federbein hat gegenüber dem herkömmlichen Stoßdämpfer zusätzliche Aufgaben zu erfüllen: – Zusammen mit Querlenkern und Lenkungselementen übernimmt es die Radführung sowie Lenkbewegungen des Rades. – Der Federteller ist zugleich Aufnahme für die Fahrzeugfeder ( Platzersparnis) – Das  Federbein muss alle Biegebeanspruchungen, verursacht durch Brems-, Beschleunigungs- und Seitenführungskräfte, aufnehmen.

Die Feder

Überfährt man mit einem Fahrzeug ein leichte Bodenaufwölbung, wird das Rad nach oben, gegen die Feder gedrückt.  Diese versucht nun wieder gegen das Rad zu drücken und bringt so den Reifen wieder auf die Fahrbahn.
Wird eine Vertiefung überfahren, drückt die Feder, aufgrund ihrer Vorspannung, das Rad nach unten, und  versucht so, wieder Bodenkontakt herzustellen.

Man unterscheidet hierbei Federn mit linearer Kennung und solchen mit progressiver Kennung :

• Die lineare Schraubenfeder, erkennbar an ihrer gleichmäßigen Wicklung, hat eine lineare Kennung. Das heißt, daß der Federweg direkt proportional zur einwirkenden Kraft ist. Mit anderen Worten: doppelt so große Kraft ergibt einen doppelt so großen Federweg. Die Feder wird also mit zunehmender Kraft linear härter, und zwar bis sie kompelt zusammengedrückt ist.
  
  Progressive Federn verhalten sich dagegen anders: Sie sind bei geringer Kraft relativ weich, und werden überproportional mit der Kraft immer härter. Erkennbar sind progressive Schraubenfedern an den Wicklungen, die  ungleichförmig (abnehmend) angeordnet sind.

So testest du den Federweg

1. Die Vorderradbremse ziehen und den Motorroller mit dem ganzen Körpergewicht nach vorne drücken, bis er vollständig einfedert ist. Dann am niedrigsten Punkt die Vorderradbremse wieder loslassen. Falls der Motorroller umgehend und gleichmässig zurückfedert, ist die Dämpfung richtig eingestellt.

2. Den Motorroller hinten mit Kraft fest nach unten drücken. Am tiefsten Punkt den Motorroller wieder loslassen. Er sollte jetzt mit einer gleichmässigen Bewegung wieder zurückfedern. Eine langsame  Federbewegung sowie ein Nachschaukeln deutet auf eine schlecht eingestellte Federung hin

3. Setz dich wie gewohnt auf den Motorroller. Bei einer guten Abstimmung sollte der Motorroller vorne und  hinten gleich tief einfedern. Unterschiedliches Einfedern bedeutet, dass Ist die Federung unterschiedlich, sind der vordere und der hintere Teil nicht optimal aufeinander abgestimmt. (bee)

Funktionsweise einer Gabel mit Cartridge - Dämpfer am Beispiel der Kayaba Gabel

Die Kayaba Gabel ist eine Upside down Gabel mit einem Cartridge-Dämpfer. Cartridge-Dämpfer bedeutet, das sich im Innern der Gabel ein separates Kolben-Zylinder-System befindet ( die Kartouche oder Dämpferpatrone ).
Anhand der Animation sieht man, wie sich die Bestandteile bewegen und das Oel fliesst. ( Dunkelgrau = Raum mit erhöhtem Druck ).

Für die Druckstufe ist das Bodenventil zuständig :
Wenn der Kolben sich in die Patrone hineinbewegt, wird der Raum über dem Kolben grösser, also muss Oel von unten nach oben durch das Kolbenventil strömen. Dort öffnet sich das Rückschlagventil, damit das Kolbenventil dem Oelfluss keinen  Widerstand bietet. Die in die Patrone fahrenden Kolbenstange verdrängt Oel im Zylinder, dadurch steigt der Druck in der ganzen Patrone. Das Oel entweicht nun durch das Bodenventil aus der  Patrone, welches in dieser Flussrichtung Widerstand bietet und so die Einfederbewegung dämpft. Das Oel fliesst bei langsamen Bewegungen nur neben der Einstellschraube durch. Bei  schnelleren Bewegungen steigt der Druck in der Patrone, welcher die Shims des Bodenventils nach unten drückt, was zusätzlichen Querschnitt für den Oelfluss freigibt.

 Für die Zugstufe (Dämpfung beim Ausfedern) ist das Kolbenventil zuständig:
Der Kolben bewegt sich in der Patrone nach oben. Die aus der Patrone fahrenden Kolbenstange gibt wieder Volumen frei. Das Oel  strömt durch das geöffnete Rückschlagventil des Bodenventils in die Patrone. Der Raum über dem Kolben wird kleiner, dadurch steigt der Druck über dem Kolben, so dass das Oel durch eine  Bohrung die Kolbenstange hoch fliesst. Die Einstellschraube der Zugstufe reguliert diesen Fluss, indem sie bestimmt, wie weit ein im inneren der Kolbenstange geführtes Rohr die Bohrung beim Kolbenventil freigibt. Bei schnelleren Hubbewegungen drückt der höhere Druck im oberen Teil der Patrone zusätzlich die Shims des Kolbenventils nach unten, so dass zusätzlich Oel in den Raum  unterhalb des Kolbens strömen kann.

Was hat der Reifen damit zu tun ?

Das beste Fahrwerk hilft nichts, wenn der Reifen Schwächen zeigt. Nicht zuletzt hat auch der Reifen Dämpfungseigenschaften.
Wird ein kleines Hindernis überfahren, wird der Reifen zusammengedrückt. Dies ergibt ebenso einen Dämpfungseffekt, da der Reifen einen Teil der Dämpfungsenergie absobiert. Ein Springen des Rades braucht also erst bei größeren Fahrbahnunebenheiten vom Fahrwerk verhindert werden.
Zusätzlich übernimmt der Reifen einen Teil des Federweges.
Dies alles funktioniert aber nur bei richtigem Luftdruck. Er hält den Reifen stabil, bügelt Verformungen aus, und bestimmt die Intensität des Eigenfederverhaltens.