Die Technik von Fahrwerk und Federung

Wenn Karl und Liesel ihre sieben Sachen aufs Motorrad packen, freut sich die halbe Welt: Ihre Kinder, weil dann die Bude sturmfrei ist, die Nachbarn, weil Karls gefürchtete Grillparty ausfällt, und der Reifenhändler, weil Karl nach seinem Motorradurlaub neue Reifen aufziehen muss. Nur für die Hinterradschwinge in Karls Reisedampfer ist das ganze keine Spaß mehr, weil das lebenslustige Pärchen mit Diäten nichts am Hut hat, Liesel gerne den ganzen Haushalt bis auf den Staubsauger einpackt, und Karl auf der Rückfahrt in Bozen noch schnell die Valpolicella-Vorräte für die nächste Grillparty bunkert. Macht unterm Strich eine halbe Tonne, die von Karl hurtig bewegt, auch vor groben Bodenwellen nicht halt und die geschundene Schwinge dabei fast die Grätsche macht. Warum?

Zur Beantwortung stellen wir einen voll bepackten Tourensportler (Suzuki Bandit 1250 S) auf die Waage und berechnen anhand der Hebelverhältnisse, welche Kräfte und Momente die Konstruktion aushalten muss; denn nicht allein die große Achslast von über 250 Kilogramm, sondern das extreme Hebelverhältnis zwischen Hinterrad und Federbein ist es, das Lager und Schwingholme bis zum Bersten strapaziert.

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Technik: Hinterrad Die Technik von Fahrwerk und Federung

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Zuvor lassen wir jedoch die technische Entwicklung der Hinterradaufhängung im Zeitraffer Revue passieren. Noch bis spät in die 1970er Jahre hinein stemmten sich zwei Federbeine am Schwingenende gegen die Last von Ross und Reiter (siehe Entwicklung Hinterradaufhängungen). So angeordnet, war die Schwinge nahezu frei von jeglichen Biegekräften und musste nur mit einer ordentlichen Torsionssteifigkeit (Verdrehung) aufwarten. Dazu genügten einfache, eindimensionale Konstruktionen aus Vierkant- oder Rundrohren mit spielfreier Lagerung und einer stabilen Klemmung des Hinterrads in den Achsführungen.

Erst mit Einführung der Zentralfederung mit oder ohne Umlenkhebel änderten sich die Biegemomente dramatisch. Anfangs noch mit sehr schlichten Konstruktionen aus Strangpressprofilen ausgerüstet (siehe Foto Seite 109, Suzuki GSX R 750), erkannten die Konstrukteure bei der Einführung der Breitreifen mit mehr als 160 Millimetern, dass nur ein dem Verlauf des Biegemoments angepasstes Profil (siehe Entwicklung Hinterradaufhängungen Mitte links, Yamaha FZR 1000 EXUP), die notwendige Steifigkeit bei gleichzeitig geringem Gewicht garantieren konnte.

Aus dieser Erkenntnis mutierten die Hinterradschwingen von einem schlichten, unscheinbaren Bauteil zu einem monströsen Gebirge aus oft höchst eleganten Aluminium-Formteilen, die so manchem GP-Renner gut zu Gesicht gestanden hätten (Foto Entwicklung Hinterradaufhängungen unten links, Honda CBR 1000 RR).

Heutzutage weichen diese handwerklichen Meisterstücke den ein- oder zweiteiligen Gussformen mit zum Teil sensationell dünnen Wandungen. Die Eleganz allerdings bleibt mit den pickeligen Gussoberflächen auf der Strecke. Dafür sind solche Gusskonstruktionen unschlagbar günstig in der Herstellung (Foto Entwicklung Hinterradaufhängungen Mitte rechts, BMW F 800 R).

Zurück zur Frage, wie die Tonnenlasten einer Bandit 1250 zusammenkommen. Bei einer Schwingenlänge von 590 Millimetern und einer maximalen statischen Achslast von 270 Kilogramm entsteht zwischen Hinterachse und Drehpunkt der Umlenkung ein Hebelverhältnis von eins zu 2,9. Ergibt nach Adam Riese eine Belastung am Anlenkpunkt des Umlenklagers von 781 Kilogramm. Beim eleganten Gleiten über flachen Asphalt versteht sich. Donnern Karl und Liesel aber mitsamt ihrem Valpolicella-Vorrat auf der verdellten Brenner-Autobahn zackig gen Heimat, liegen beim vollen Beschleunigen und einer maximalen dynamischen Achslast 426 Kilogramm auf der Hinterachse.

In diesem kurzen Moment entsteht eine Spitzenbelastung von bis zu 1232 Kilogramm am Anlenkpunkt des Umlenklagers. Das entspricht dem 2,6-Fachen des zulässigen Gesamtgewichts der Bandit 1250.

Diese extreme Last lässt sich zwar auch mit einem direkt angelenkten Federbein abfangen, doch dabei erschwert die notwendige extrem harte Feder eine sehr hohe Dämpfungsrate. Insgesamt ein Paket, das auch Probleme in der Abstimmung bereitet und die Schwinge extrem beansprucht, was bei der Dauertest-Yamaha XJ 600 S sogar zum Bruch geführt hat.

Wesentlich geschmeidiger funktioniert die Sache, wenn das Federbein mehr Hub verrichtet und damit auch mit einer weicheren Feder auskommt. Und genau das macht das Umlenksystem möglich. Es reduziert das Hebelverhältnis auf etwa zwei zu eins. Das heißt: Bei 120 Millimetern Federweg am Hinterrad begnügt sich der Stoßdämpfer mit 60 Millimetern Hub.

Bedingt durch die Veränderung der Hebelposition erreicht man mit den Umlenksystemen auch eine progressive Feder-/Dämpferwirkung. Ein Beispiel: Bis etwa zur Hälfte des Federweges, also wenn das Motorrad ohne große Belastung über den Asphalt rollt, spricht die Federung weich und sensibel an, weil jetzt das Federbein mit einer kurzen Hebelübersetzung wenig Hub (fünf Millimeter Hub bei zehn Millimetern Federweg am Hinterrad) macht, und somit auch die Feder weniger stark zusammengepresst wird. Taucht das Motorrad durch eine Bodenwelle hinten bis auf etwa 100 Millimeter ein, nimmt die Hebelübersetzung ab (Progression). Dann müssen Dämpferkolben und Feder (6 mm Hub bei 10 mm Federweg am Rad) mit mehr Kraft beaufschlagt werden. Diese Progression (hier 20 Prozent) schützt vor einem Durchschlagen der Federung und stabilisiert das Motorrad auf welligen Strecken oder bei sportlich flotten Wechselkurven.

Je nach Motorradtyp und Einsatzzweck, fällt die Progressionskurve flach (leichte Mittelklassemaschinen) oder stark (Motocross-Maschinen) aus. Dass bei modernen Motorrädern auch bei voller Beschleunigen und abgehobenem Vorderrad die Hinterradfederung kaum eintaucht, hat seine Ursache in der Schrägstellung der Schwinge und der Anordnung des Kettenantriebs. In Kombination ergibt sich daraus ein so genannter Nickausgleich, neudeutsch Anti-Dive-Effekt oder Anti-Squad. Aber das ist eine ganz andere Geschichte.

Konventionelle Schwinge

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Konventionelle Schwinge

Bis Mitte der 1970er Jahre stützen sich die Zweiarmschwingen der meisten Motorräder über zwei in Höhe der Hinterachse montierte Stoßdämpfer ab. Dadurch wurde der eindimensionale Schwingenkörper aus Rundstahl mit geringen Biege- und Torsionskräften belastet und konnte entsprechend zierlich und leicht gebaut werden.

Kastenschwinge

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Kastenschwinge

Bei den ersten Zentralfederungen, im Bild die Suzuki GSX-R 750 R von 1985, sollten stabilere Aluminium-Rechteckprofile mit großem Querschnitt und profilierten Wandungen den Biegekräften zwischen Hinterachse und Federbein gerecht werden, ohne das Gewicht zu erhöhen. Das gelang mit den oft unterdimensionierten Bauteilen nicht immer.

Deltabox-Schwinge

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Deltabox-Schwinge

Yamaha setzte den Trend zur steifen Aluminium-Konstruktion konsequent um, indem man die Querschnitte der FZR 1000-EXUP-Schwinge dem Biegeverlauf anpasste: kleiner Querschnitt an der Hinterachse, großer Querschnitt vorn am Federbein.

Guss-Schwinge

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Guss-Schwinge

Meist aus einem Gussteil hergestellt, senkt diese Bauart die Kosten dramatisch. Die Guss-Schwinge der BMW F 800 R muss nur noch an den Dreh- und Befestigungspunkten bearbeitet werden. Schweiß- und Richtarbeiten entfallen. Ausnahmen: hochwertige, mit zusätzlichen Alublechen optimierte Konstruktionen wie diese Ducati-Einarmschwinge mit großer Klemmfaust für den Radachsexzenter.

Formblech-Guss-Schwinge

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Formblech-Guss-Schwinge

Kostengünstige Gussteile, stabile Strangpressprofile, gedrehtes Schwingenlagerrohr und gebürstete Formblechteile mit hochwertiger Optik erlaubten es, bildschöne asymmetrische Bauteile wie diese Schwinge der Honda CBR 1000 RR in Großserie herzustellen. Mehr Leichtbau bei höchster Stabiliät ist kaum denkbar.

Umlenksysteme

Zeichnung: Archiv

Die Federwinkel.

Funktionsprinzip der Umlenkung
Mit dem Umlenksystem versuchen die Ingenieure die Hinterradfederung mit einer mehr oder weniger starken Progression auszustatten. Dazu wird zwischen Federbein (gelb) und Schwinge (blau) eine Umlenkplatte (rot) benutzt, bei der sich je nach Winkelposition und Hebelarmlänge über den Federweg die Übersetzungverhältnisse der Kräfte und Momente verschieben. Auf der Skizze ist zu erkennen, dass die Zugstrebe (grün) im ausgefederten Zustand im 90-Grad-Winkel (längster möglicher Hebelarm) an der Umlenkplatte angreift. Während des Einfedervorgangs vergrößert sich der Winkel auf etwa 140 Grad, der Hebelarm verkürzt sich um rund 30 Prozent und erzeugt so eine progressive Kennline des Federsystems.

Wegabhängige, progressive Dämpfung (PDS)

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Die Schubstange (1) betätigt über die Wippe (2) das Federbein (3) der KTM RC8.

KTM setzt seit Jahren auf direkt angelenkte Federbeine, die jedoch über eine integrierte progressive Dämpfung und progressiv gewickelte Federn verfügen, Fachbegriff: Progressive Damping System. Allerdings geht auch bei KTM der Trend im Motocross- wie im Straßenbereich zu den bewährten Umlenksystemen.

Progressionskurven

Konventionelle Systeme mit zwei Federbeinen haben eine lineare Kurve. Für leichte Mittelklasse- und Sportmaschinen wird meist eine relativ flache Progressionskurve verwendet. Nur bei Motocross-Maschinen steigt die Progressionskurve bei zunehmendem Federweg extrem an. Dies garantiert ein sensibles Ansprechverhalten bei kleinen Bodenwellen und schützt gleichzeitig Fahrer und Material vor brutalem Durchschlagen nach hohen Sprüngen.

Höchstbelastungen

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Die Belastungen auf die Achsen.

Je nach Bauart und Federsystem entstehen an Motorradschwingen mehr oder weniger hohe Biegekräfte. Speziell Tourenmaschinen mit voller Zuladung und einer hohen dynamischen Achslastverteilung auf der Hinterachse beanspruchen Schwinge und Federsystem extrem. Wichtig: Bei voller Zuladung die Federvorpannung erhöhen, um ein Durchschlagen der Federung und damit extreme Lastspitzen zu vermeiden. Schäden wie etwa das gebrochene Federbeinauge der Yamaha-Schwinge können so vermieden werden.