Technik: Federn und Dämpfer Fahr-Werk

Jedes Motorrad hat eines, alle Motorradfahrer reden drüber: das Fahrwerk. Aber wer versteht das gemeinsame Treiben von Geometrie, Federung, Steifigkeiten und Trägheitswirkungen wirklich? 34 Fragen, 34 Antworten – PS bringt etwas Licht ins große Dunkel.

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Fahr-Werk

Rein ins Gemüse – warum eigentlich Federung? Erstens zum Schutz: Der Asphalt ist einfach nicht so glatt, wie er aussieht, teilt Schläge aus, die ein ungefedertes Motorrad auf Dauer zermürben würden. Was zweitens Komfort generiert. Und drittens dafür sorgt, dass man schneller fahren kann – auch derbe Schläge durch hastig überfahrene Kanten schluckt die Federung. Viertens lässt die Federung hilfreiche Geometrieänderungen je nach Fahrsituation zu. Und fünftens, weil Lastspitzen vom Reifen fernbleiben; dieser dankt es mit Grip.

Alles Federung? Wie gut ein Motorrad mit den Schwierigkeiten der Fahrt zurechtkommt, hängt auch von seiner Geometrie ab, die sich je nach Federweg und Fahrsituation in vorgegebenen Bereichen ändert und ändern soll. Dann von der Steifigkeit aller beteiligten Bauteile, denn Rahmen, Gabel, Schwinge, einfach alles flext natürlich mehr oder weniger stark, wenn auch kaum sichtbar – physikalisch betrachtet alles Federn, übrigens. Auch die Trägheiten wirken spürbar, sei es die des rotierenden Kurbeltriebs, die der gesamten Vorderradführung um die Lenkachse, die der drehenden Räder, schlicht die eines jeden Bauteils um alle verfügbaren Bewegungsachsen. Nicht zu vergessen die Gewichtsverteilung, die das Fahrverhalten nachhaltig beeinflusst: als dynamische Radlast vorn oder hinten je nach Größe der anliegenden Beschleunigung einerseits, durch Position des Fahrers, sein Gewicht, seine Bewegungen und seine Handlungen andererseits. Falsche Bewegungen oder allzu große Passivität kann auch das beste Fahrwerk nicht wettmachen.

Und was kann man tun, damit ein Moped wie gewünscht funktioniert? Einen großen Einfluss hat die Reifenwahl, denn Typ und Arbeitsdruck beeinflussen das Fahrverhalten enorm – ein eigenes Thema. Den zweitgrößten nehmen die Federelemente ein – aber wie? Zurücklehnen, konzentrieren, lesen – und mitdenken.
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Grundwissen

Passt die Federung meines Mopeds für mich?
Die meisten Serienfedern – wir reden hier noch nicht von der Dämpfung – decken einen großen Bereich möglicher Fahrergewichte einschließlich eines potenziell aufgeladenen Beifahrers ab. Die individuelle Anpassung auf einen speziellen Fahrer funktioniert über die Verschiebung der Federbasis – siehe unten. Besser wäre es, wie am Rennmoped die Federraten vorn und hinten passend zu Fahrer- und Gesamtgewicht zu wählen. Allgemeinlösungen gibt es dabei leider nicht, weil je nach Grip unterschiedliche Kräfte auf Fahrwerk und Federung wirken. Klarer Zusammenhang: Je mehr Grip und je höher das Fahrzeuggewicht inklusive Fahrer, desto höher die nötigen Federraten vorn wie hinten. Beim Serienbike bringt die Einstellung der Federbasis aber schon viel.

Was ist die Federbasis?
Jedes Federelement verfügt über einen gewissen Federweg von ganz ausgefedert – oberer Anschlag – bis ganz eingefedert – unterer Anschlag. Steigt ein Fahrer auf ein Motorrad, drücken sein Gewicht und der gefederte Masseanteil des Motorrades die Federn um einen gewissen Weg, den Negativfederweg, zusammen (nennen wir ihn wie die Amis ab hier „Sag“, weil das so schön kurz ist). Diese Stellung des Dämpferkolbens unter dem Fahrergewicht teilt den Federweg also in einen Positiv- und einen Negativanteil auf. Die „Federbasis“ liegt da, wo die verwendete Feder unter der gewählten Vorspannung diese Anteile einstellt.

Wird die Feder beim Vorspannen härter?
Weder die Feder noch die Federung. Bei ausgebauten Federelementen drückt die Feder den Dämpferkolben zum oberen Anschlag, maximale Federbeinlänge, mehr geht nicht. Dann steigert das Drehen der Vorspannmutter tatsächlich die sogenannte innere Vorspannung. Belasten nun Moped und Fahrer die Feder, gibt sie ihrer Kennlinie entsprechend so weit nach, bis das Verhältnis aus Positiv- und Negativfederweg erreicht ist. Vorspannen ändert an dieser belasteten Federlänge nichts, verschiebt nur den Dämpferkolben im Reservoir, verlängert also das Federbein – Heck höher – und ändert die Federbasis, nicht die Federhärte. An der Kraft, die nötig ist, um einen weiteren Zentimeter einzufedern, ändert sich dabei nichts. Allerdings wächst der verfügbare Positiv-Federweg, also die Gesamtkraft bis zum unteren Anschlag, weil die Feder ihre Kennlinie weiter erklimmen kann.
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Basiswissen 2

Wozu jetzt Negativfederweg oder „Sag“?
Um das Rad besser am Boden zu halten – der Sag ist eine Griphilfe. Viele Fahrsituationen entlasten ein Rad: Das Motorrad fährt über eine Vertiefung, seine große Masse reagiert zu träge, um ihr zu folgen: Die Feder drückt das Rad um den Negativfederweg nach, so bleibt der Reifen am Asphalt. Oder hartes Bremsen: Das Hinterrad wird leicht, aber der Sag hält den hinteren Gummi am Boden, der so das Motorrad stabilisiert. Und? Sag ist gut.

Und Positiv-Federweg?
Um den federt das Motorrad ein, etwa unter dynamischer Radlastverteilung beim Bremsen vorn oder beim Beschleunigen hinten, aber auch, wenn Wellen oder Kanten überfahren werden. Er sorgt nicht nur für Ruhe im gefederten Anteil des Motorrades, sondern erlaubt auch hilfreiche Geometrieänderungen, etwa wenn am Kurveneingang durch die dank Einfederung kürzere Gabel der Lenkwinkel steiler und der Nachlauf kürzer werden, weshalb es leichter in die Ecke geht.

Wie misst man den Negativ-Federweg?
Einfach: Einen Kabelbinder um ein Gleitrohr (inneres Rohr) der Gabel ziehen, am Heck einen Punkt horizontal über der Radachse markieren. Jetzt helfen lassen: Das Moped erst vorn, dann hinten ganz entlasten, also aus der Feder ziehen, bis das Rad abhebt, zum Beispiel einfach gegen den Seitenständer. Vorn jetzt die Länge das freistehenden Stücks Gleitrohr messen und den Kabelbinder bis zur Staubschutzkappe drücken, hinten den Abstand zwischen Achse und Markierung messen. Jetzt hält einer das (vollgetankte) Moped, während Sie in Fahrmontur aufsitzen und Fahrposition einnehmen. Helfer 2 misst in diesem Zustand das freie Gleitrohr vorn und den Weg Achse–Messpunkt hinten. Jetzt vorn wie hinten die Differenz der beiden Messwerte bilden: die Sags.

Wieviel Sag brauche ich?
Bei fahrfertigem Moped 25 bis 30 Prozent des verfügbaren Federweges: Differenz aus Punkt 6 durch maximalen Federweg (Werksangabe oder aus PS-Datenkasten) mal 100, fertig. Die Federbasis so einstellen, dass ungefähr dieser Wert ansteht.

Wie eigentlich wirkt eine Feder?
Motorradfedern arbeiten meist linear, haben deshalb eine konstante Federrate: Ein gleicher Teil zusätzlicher Belastung drückt die Feder um ein gleiches Mass zusammen. Beipiel? Acht Newton oder die Gewichtskraft von ungefähr 0,8 Kilo komprimieren eine 8er-Gabelfeder um einen Millimeter, 80 um einen Zentimeter, 800 würden 10 Zentimeter Federweg bewirken. Entsprechend wird die Federrate in Newton (Kraft) pro Millimeter (Weg) angegeben. Und? Genau, proportionale Entwicklung, deshalb linear.
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Noch mehr Antworten

Woran erkenne ich die Federrate?
Darüber entscheiden Federlänge, Durchmesser, Drahtstärke und Windungszahl. Oft steht sie auf der Feder, sonst beim Hersteller von Moped oder Federelement nachfragen.

Worauf muss ich beim Federwechsel achten?
Durchmesser, Länge und Blocklänge (Länge der vollständig komprimierten Feder, alle Windungen liegen aufeinander) müssen stimmen – Fehler hier können fatale Folgen haben: Nicht-Ausnutzung des Dämpferhubs, Klemmen in der Gabel, zu frühes Blocken der Feder oder Abrutschen der Feder vom zu kleinen Federteller. Mit den Federraten ändert sich der Anspruch an die Dämpfung: Höhere Federraten verursachen nach dem Einfedern höhere Rückstellkräfte. Für die gleiche Ein- und Ausfedergeschwindigkeit wie zuvor braucht es also mehr Dämpfung.

Wie entsteht Progression?
Progression einer Federung beschreibt keine lineare, sondern eine über den Federweg zunehmende Federrate. Hinten wird die Progression meist geometrisch verursacht: Entweder ändert eine Umlenkung kontinuierlich das Verhältnis des Federweges am Rad zu dem am Federbein. Dies bewirkt am Federbein eine progressive Zunahme der Federkraft. Ähnliches erreicht ein im Winkel angestelltes Federbein. Federt die Schwinge, schrumpft die Länge des Federbeines. In der Folge ändert sich sein Winkel zur Raderhebungskurve und damit die Kraftkomponente entlang des Federbeins, die nötig ist, um ein weiteres Stück einzufedern.

Wie stark muss die Progression wirken?
So stark, dass extreme Lastspitzen ausgeglichen werden können, etwa starke Bodenwellen bei beinahe eingefedertem Zustand und großer Zuladung. Und kann ich die Progression hinten beeinflussen? Durch mehr oder weniger progressive Federn oder andere Umlenkhebel; im Rennsport bei tendenziell härteren Federn gang und gäbe, um die Progression zu reduzieren und eine linearere Änderung der Radlast zu bewirken.

Und Gabelprogression?
Entsteht einerseits durch progressive Gabelfedern. Die werden im ersten Bereich meist im engeren Abstand, also weicher gewickelt und generieren so Sensibilität und Komfort. Stärkeren Einfluss nimmt die Größe des Luftpolsters über dem Dämpferöl. Das Luftpolster wirkt wie eine Gasfeder, wird beim Einfedern kleiner, komprimiert dabei die eingeschlossene Luft. Eine Gasfeder wirkt immer progressiv, die Gabelfederung also auch, unabhängig von der verwendeten Schraubenfeder, da sich die Kräfte der Feder und des Luftpolsters beim Einfedern addieren. Anwendung? Per Luftpolster lässt sich eine Gabel leicht am Durchschlagen hindern, wenn keine passende Feder zur Hand ist. Aber Vorsicht, schon ein Schnapsglas mehr Öl hat einen spürbaren Effekt.
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Wissensdurst

Wie misst man das Luftpolster?
Man misst seine Länge über dem Ölspiegel ohne Gabelfedern – auch die haben ein Volumen – bei ganz eingefederter Gabel; kein Problem, wenn kein oberer Stopfen mehr die Federung hält. Aber Achtung, das Moped sackt so vorn völlig ein, also unbedingt stabilen Ständer hinten, helfen lassen und die Gabelstopfen nur bei entlastetem Rad lösen!

Haben direkt angelenkte Federbeine Vorteile?
Die Bauweise spart Lagerstellen und sorgt so für gutes Ansprechverhalten. Auch bewegen die relativ hohen Hubgeschwindigkeiten große Mengen an Dämpferöl, was der Dämpfung generell hilft. Insgesamt überwiegen die Vorteile einer Umlenkung: Schwerpunkt, Entkopplung von Querkräften durch Biegung und Torsion der Schwinge, kleineres Federbein.

Und die Federbalance?
Ein gut ausbalanciertes Motorrad reagiert vorn und hinten ähnlich, liegt also neutral in Schräglage, gibt vorn wie hinten unter Last vergleichbar nach – prima fürs Fahrgefühl. Die Hersteller haben meist eine ziemlich gute Idee davon, weshalb bei korrektem Sag meist gute Verhältnisse herrschen. Die Balance zu verhunzen ist leider einfach, etwa durch unharmonisch gewählte Federraten vorn und hinten, eine ungünstige Gabelstellung oder eine schlecht gewählte Federbeinlänge. Die Balance schließt auch Kompromisse, meist gute: Ein etwas flach stehender Lenkkopf hilft z. B. zwar nicht kurveneingangs, dafür in der Kurvenmitte und erst recht kurvenausgangs, wo das Motorrad dann nicht nach außen treibt.

Was tut jetzt endlich eine Dämpfung?
Sie bremst die Federung. Eine ungedämpfte Federung würde nach einer Anregung prinzipiell unendlich lange nachschwingen – nicht gut für die Straßenlage, wenn das Motorrad pausenlos wippt. Die Dämpfung bremst diese Nachfederbewegungen ab, verhindert idealerweise zwar nicht das erste Ein- und Ausfedern, aber alle Schwingungen, die eine Feder danach verursachen würde.

Welche Dämpfung bewirkt was?
Die Druckstufe bremst das Einfedern, die Zugstufe das Ausfedern. Beide heißen übrigens eigentlich Druck- und Zugdämpfung, werden aber aus Gewohnheit wegen der zwei „Stufen“ möglicher Bewegung so genannt; „Druckstufe“ zum Beispiel: Solange zusammengedrückt wird, dann arbeitet Druckdämpfung.

Was ist High-, was Lowspeed-Dämpfung?
High- und Lowspeed haben nichts mit der Fahrgeschwindigkeit des Motorrades zu tun, sondern mit der Ein- und Ausfedergeschwindigkeit am Federelement, gleich der Geschwindigkeit, mit der der Dämpferkolben durch das Öl drückt. Stellen sie sich vor, sie durchfahren eine lange, sanfte Bodenwelle, das Motorrad schmiegt sich in die Senke und federt dann gemächlich wieder aus: Lowspeed. Stellen Sie sich jetzt vor, sie rattern über steile Curbs, über einen Absatz, oder beim Motocross über ein Waschbrett: Highspeed. Lowspeed reicht je nach Definition etwa bis zwischen 1 und 1,5 m/s am Dämpferkolben, Highspeed beginnt darüber.
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Nachgefragt

Wie regelt jetzt endlich ein Federelement die Dämpfung?
Indem der schon zitierte Dämpferkolben Öl durch Ventile drückt: durch manche an oder in sich selbst, durch andere, die im Ölfluss zum und vom Reservoir liegen. Der dabei wirkende hydraulische Widerstand dämpft die Federbewegungen.

Und die verschiedenen Dämpfungsbereiche?
Regeln verschiedene Typen von Ventilen. Die Lowspeed-Dämpfung arbeitet durch bloßen hydraulischen Widerstand in einem Flussventil; die Highspeed-Dämpfung mit sogenannten Plattenventilen.

Wie funktioniert ein Flussventil?
Beim Flussventil strömt das Öl durch ein Loch, meist relativ viel Öl durch ein relativ kleines Loch. Dabei entsteht Reibung im Öl und zwischen Öl und Lochwandung. Diese Reibung behindert den Ölfluss, es entsteht ein Strömungswiderstand, und der dämpft. Auch Nadelventile – das sind die meisten, die sich von außen zum Beispiel per Schraubendreher einstellen lassen – sind Flussventile, nur dass sich hier die Durchflussöffnung per Ein- oder Ausschieben eines Stiftes mit meist kegelförmiger Spitze, der Nadel, verkleinern oder vergrößern lässt. Ersteres steigert die Dämpfungskraft, zweiteres verringert sie.

Und ein Plattenventil?
Das Plattenventil greift ein, wenn der Strömungswiderstand im Flussventil zu hoch wird. Und dann? Sogenannte Shims, in genau gewählter Reihenfolge im „Shimstack“ (=„Scheibenstapel“) aufgetürmt, pressen Öffnungen meist im Dämpferkolben gegen den Durch die Federbewegung verursachten Öldruck zu – zu abstrakt? Stellen Sie sich vor, sie gehören zu einer Gruppe Flüchtlinge, die durch ein kleines Loch in einer Deckenluke müssen. Die Luke selbst geht nicht auf, es liegt etwas Schweres darauf. Kein Problem, solange der Druck in der Gruppe nicht zu groß wird: Einer nach dem anderen krabbelt durch das Loch, hier unser Flussventil. Plötzlich Panik (=schnelle Federbewegung), alle drängen Richtung Loch und heben mit vereinten Kräften die beschwerte Luke an, um durch die dann größere Öffnung zu strömen – das Plattenventil.

Was sind also Shims?
Runde Plättchen aus Federstahl, die die Löcher im Kolben – die Falltür – mit definierter Federkraft verschließen. Im Shimstack sind Shims von unterschiedlichem Durchmesser so aufgetürmt, dass je nach Federspeed die passende Kraft dämpft.

Sind die Arbeitsbereiche von Fluss- und Plattenventil strikt getrennt?
Nein, sie arbeiten zusammen: Obwohl alles zu den Rändern der Luke drängt, krabbeln immer noch Flüchtende durchs kleine Loch. Sanfte Übergänge zwischen den Arbeitsbereichen zählen übrigens ebenso zum großen Voodoo der Dämpfungstechnik wie die Abstimmung der Einzelventile an sich: Grobe Änderungen der Dämpfungskraft würden das harmonische Feeling fürs Bike stören.

Lassen sich Plattenventile einstellen?
Manchmal, indem man den Shimstack per Schraubenfeder vorspannt und die Spannung dieser Schraubenfeder via Stellschraube einstellbar gestaltet. So funktionieren die meisten externen Highspeed-Einstellungen der Druckstufe, nur dass der vorgespannte Shimstack dann fest vor dem Reservoir und nicht auf dem beweglichen Dämpferkolben sitzt.
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Wissenswertes

Beeinflussen sich Druck- und Zugstufe?
Ja, solange sie über die Flussventile wirken: Wo man hineinfließen kann, kann man auch herausfließen, weshalb die Dämpfung in beide Richtungen funktioniert. Allerdings benötigt die Zugstufe mehr Dämpferkraft, so dass ihr Einfluss auf die Druckstufe spürbarer ist als umgekehrt.

Warum muss die Zugstufe stärker dämpfen?
Beim Einfedern arbeitet die ansteigende Federkraft der Federbewegung entgegen, unterstützt also die Druckstufe. Das Ausfedern beginnt schlimmstenfalls am Punkt maximaler Federkraft, ganz unten: Von hier katapultieren die Federn den gefederten Masseanteil – Bike und Fahrer – wieder zurück. Diese Bewegung wird aber von keiner Feder mehr eingebremst, muss entsprechend stärker gedämpft werden.

Warum lässt Dämpfung nach?
Klassischer Fading-Effekt: Das Öl dämpft wie gesagt durch Reibung, wird dabei heiß, seine Viskosität (Zähigkeit) lässt nach, infolge auch die Dämpferkraft. Schlimm wird es, wenn das Öl in Emulsionsfederbeinen nach alter Väter Sitte aufschäumt: Schaum dämpft denkbar schlechter als Flüssigkeit. Moderne Stoßdämpfer haben einen Ausgleichsbehälter, in dem ein Trennkolben das Öl mit Druck beaufschlagt, den er von einer Gaspackung erhält. Dieser Druck verhindert das Aufschäumen. Und wozu Ausgleichsbehälter? Wenn die Kolbenstange den Kolben ins Reservoir drückt, bringt sie ein immer größeres Stück von sich selbst mit ein. Dieses Volumen verdrängt Öl, das muss irgendwo hin – in den Ausgleichsbehälter.

Welche Rolle spielt die Ölqualität?
Gutes Dämpferöl benimmt sich ähnlich wie gutes Motorenöl: Es schäumt weniger, arbeitet zuverlässiger in einem breiteren Temperaturbereich, schmiert besser, was das Ansprechverhalten und die Langlebigkeit der Dämpferteile fördert. Unterstützt die Federung den Grip? Oh ja.

Wirken die Reifen auch als Federn?
Als Federn und als Dämpfer – Reifen beeinflussen das Fahrverhalten dramatisch. Welche Fahrwerksprobleme hängen mit der Federung zusammen? Wie funktioniert ein gutes Setup der Reihe nach? Wie wirken sich Geometrieänderungen aus? Typisch: Denkt man einmal über das Fahrwerk nach, tun sich immer weitere Fragen auf. Die passen hier leider nicht mehr rein. Es gibt noch viel zu erzählen.

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