Systembeschreibung

Luftfederung - Systembeschreibung

Allgemein

Die Anzahl der Fahrzeuge mit Luftfederung wird in den nächsten Jahren steigen, weil sich mit diesem System entscheidende Vorteile ergeben. Nach vorsichtigen Schätzungen sind ca. 85% der LKW´s, 100% der schweren Omnibusse und 60% der Drehschemelanhänger bzw. 95% der Sattelanhänger mit Luftfederung ausgestattet. Wir beschäftigen uns mit allgemeinen theoretischen Grundlagen zur Luftfederung, Aufbau und Funktion der Komponenten und zusätzliche Steuermöglichkeiten, z.B. Wechsel-Lade-Systeme, Liftachssteuerungen und Sonderschaltungen zur Erhöhung des Bedienungskomforts bzw. der Sicherheit.

Zweikreisig:

Rechte und linke Fahrzeugseite wird separat vom Luftfederventil und COLAS angesteuert (Querdrosselung aktiv).

Bei nahezu allen modernen Trailer-Luftfederungen wird der exzellente Fahrkomfort und die hohe Ladegutschonung über eine niedrige Federrate der Luftfederbälge erzielt. Die Federraten der Luftfederbälge und des Verbunds Lenker-Achse (mechanischer Stabilisator) erzeugen die Rollsteifigkeit der Luftfederachsen, die für die Wankstabilisierung und somit auch für die Fahrsicherheit des Trailers bei Kurvenfahrt von entscheidender Bedeutung ist. Die Besonderheit der modernen Luftinstallation der Luftfederung ist die Verwendung eines einzelnen Luftfederventils, das eine „Pseudo Zweikreisigkeit“ dieser Luftinstallation darstellt. Bei diesen Zweikreisigen Versionen mit Querdrosselung im Luftfederventil sind die Luftfederbälge der rechten und linken Fahrzeugseite pneumatisch getrennt und nur durch die Querdrosselung verbunden. Die Balgversorgung der linken und rechten Fahrzeugseite erfolgt durch die Anschlüsse 21 und 22. Die Luft kann sich bei Kurvenfahrt nur langsam zwischen rechter und linker Fahrzeugseite ausgleichen. Dadurch unterstützen die Luftfederbälge die Stabilisierung des Fahrzeugaufbaus bei Kurvenfahrt. Innerhalb der Luftfederung wird ca. 80 % der Rollsteifigkeit von dem Verbund Lenker-Achse und ca. 20 % von den Luftfederbälgen übernommen. Bezogen auf das Gesamtsystem, bestehend aus Reifen und Luftfederung, beträgt der Anteil der Luftfederbälge an der Rollsteifigkeit jedoch nur ca. 10 %, da die Federrate der Reifen einen nicht unerheblichen Anteil an der Seitenneigung des Aufbaus hat.

Einkreisig:

Rechte und linke Fahrzeugseite sind direkt miteinander verbunden (keine Querdrosselung).

Bei den einkreisigen Luftinstallationen ohne Querdrosselung werden die Luftfederbälge der rechten und linken Fahrzeugseite pneumatisch miteinander verbunden. Durch die direkte Verbindung kann sich der Druck in den Luftfederbälgen bei Kurvenfahrt sehr schnell ausgleichen, so dass die Bälge die Wankbewegung des Aufbaus nicht abstützen können. Die Wankstabilität und damit die Fahrsicherheit wird also im Vergleich mit einer zweikreisigen Luftinstallation herabgesetzt. Neben der Reduzierung der Fahrsicherheit werden auch die Beanspruchungen im Luftfederaggregat höher. Da die Wankstabilisierung der Luftfederbälge entfällt, muss der Achse-Lenker Verbund diesen Anteil der Stabilisierung zusätzlich übernehmen. Die Verwendung von einkreisigen Luftfederinstallationen kann aufgrund der höheren Beanspruchungen zu Schäden am Fahrwerk führen. Aus diesem Grund können von einigen Achsenherstellern keine Gewährleistungen für derartig entstandene Fahrwerksschäden übernommen werden. Um die optimale Funktionalität und die größtmögliche Fahrsicherheit, insbesondere in kritischen Situationen, zu erhalten, empfehlen wir ausdrücklich die Verwendung von zweikreisigen Luftfederinstallationen mit Querdrossel. Liftachsen sind die einzige Ausnahme von dieser Empfehlung. In diesem Fall ist es erlaubt maximal eine Liftachse in einem 3 oder 4 Achaggregat über eine einkreisige Ansteuerung zu verwenden.

Vorteile von Luftfederungssystemen

  • Durch gleich bleibenden Abstand zwischen Fahrbahn und Fahrzeugaufbau ergibt sich gleiche Einstiegs- und Beladungshöhe.
  • Die Scheinwerfereinstellung bleibt konstant, unabhängig vom Beladungszustand.
  • Hoher Federungskomfort. Dadurch schonender Transport des Ladegutes, kein Springen bei leerem Anhänger, geringere Abnutzung des Fahrbahnbelages.
  • Stabiles Fahrverhalten durch festen Kontakt der Reifen mit der Fahrbahn.
  • Stabiles Kurvenverhalten.
  • Präzisere Steuerung der lastabhängigen Bremsdruckregelung (ALB, EPV, EBS).
  • Einseitiges Absenken bei Omnibussen möglich (Kneeling).
  • Wechsel - Lade - Systeme zur Rampenanpassung möglich (COLAS, COLAS+)
  • Elektronische Steuerung möglich z.B. Memory-Funktion, verschiedene Fahrhöhen abspeicherbar.
  • Liftachssteuerungen möglich.
  • Erhöhung des Bedienungskomforts. Schnelles Ab - u. Aufsatteln.
  • Geringer mechanischer Verschleiß der Komponenten.
  • Reparatur- und Wartungsfreundlichkeit, dadurch Kosteneinsparung.

Prinzipdarstellung der Federkennlinien (Bild 1)

 

Theoretische Grundlagen

Definition der Luftfederung:

Ein Federungssystem gilt als luftgefedert, wenn die Federwirkung zu mindestens 75% durch pneumatische Vorrichtungen erzeugt wird.

Aufgabe

Die Fahrzeugfederung hat die Aufgabe, dass Stöße, die während der Fahrt durch Fahrbahnunebenheiten auftreten, nicht mit voller Wucht, sondern abgedämpft auf den Fahrzeugaufbau übertragen werden. Diese Aufgabe kann die Luftfederung auf komfortable Weise erfüllen. In Kraftfahrzeugen und Anhängern werden alle Bauarten von Luftfedern als tragende Feder für die Last des Aufbaus eingesetzt. Man unterscheidet hierbei zwischen einer Primär- und Sekundärfederung. Die Primärfederung trägt ständig die Last des Fahrzeugaufbaus, während die Sekundärfederung nur bei extrem harten Fahrbahnstößen oder bei Ausfall der Primärfederung zum Einsatz kommt. Primär- und Sekundärfederung müssen gut aufeinander abgestimmt werden, wobei bei Fahrzeugen zur Personenbeförderung dem Fahrkomfort und bei denen zur Güterbeförderung der Handhabung (Heben und Senken des Fahrzeugaufbaus) höhere Priorität eingeräumt wird. Als Sekundärfederung wird meistens durch eine Gummi, Gummihohl- oder Kunststofffeder verwendet. Da die Luftfederung nahezu keine Eigendämpfung hat, sind daher Stoßdämpfer mit höheren Kräften in der Zug- und Druckstufe notwendig.

Außerdem ist der Luftfederbalg nur in begrenztem Umfang in der Lage, Seitenführungskräfte aufzunehmen. Deshalb ist es erforderlich, die abgefederten Räder bzw. Achsen durch Schwingen, Lenker, Stabilisatoren u.ä. zu führen.

Federrate – allgemein

Die Federkennlinie kann eine lineare, progressive oder degressive Charakteristik haben, wobei letztere eine instabile Feder ergeben würde. Bild 1 zeigt neben dem statischen und dynamischen Arbeitsbereich einer Feder auch deren Arbeitsvermögen, welches durch die von der Federkennlinie, den Grenzen (3) und (4) und der X - Achse umrahmten Fläche dargestellt ist. Der dynamische Arbeitsbereich überlagert den statischen entsprechend den zur Verfügung stehenden dynamischen Federwegen (Strecke 1 - 3 und Strecke 2 - 4).

Wichtig: Das gesamte Federspiel setzt sich also zusammen aus dem statischen Federweg, der bei Zuladung bereits bei stehendem Fahrzeug auftritt und aus dem dynamischen Federweg, der mit der maximalen Durchfederung identisch ist. Je kleiner die Federrate und je größer die (Fahrzeug-)masse (Gewicht), desto kleiner die (Aufbau-) Beschleunigung und desto besser der Fahrkomfort.

Fahrkomfort (Bild 2)

 

Folgende Schlussfolgerungen lassen sich ziehen:

  • Um jederzeit einen hohen Fahrkomfort zu erhalten, muss das Verhältnis von Achsfederkonstante und Aufbaugewicht konstant bleiben.
  • Die Aufbau-Eigenfrequenz muss möglichst klein sein, wenn ein guter Fahrkomfort erzielt werden soll.
  • Eine Beeinflussung der Eigenfrequenz geschieht sowohl über die Federrate als auch über die Aufbaumasse.
  • Die Eigenfrequenz hat starke Auswirkungen auf den Fahrkomfort. Da aber der Fahrkomfort nur sehr schlecht objektiv darstellbar ist, müssen subjektive Erkenntnisse herangezogen werden, mit denen der Komfort mathematisch oder graphisch beschrieben werden kann. Man sieht deutlich, dass der von Menschen angenehm empfundene Bereich nicht nur eine relativ sehr kleine Eigenfrequenz voraussetzt, sondern auch von der Schwingungsamplitude abhängt.
  • Sollen bei unterschiedlichen Belastungen die Eigenfrequenzen möglichst konstant gehalten werden, so muss die Federrate derart verändert werden, dass das Verhältnis von Federrate zu Gewicht konstant bleibt.
    Durch den immer mehr in den Vordergrund tretenden Leichtbau und damit verbundenen großen Gewichtsunterschied zwischen leerem und beladenem Fahrzeug wurde die Forderung nach einer regelbaren Feder immer dringlicher. 

Druckluft-Aufbereitung und -Speicherung

Aus Sicherheitsgründen muss die Druckluft für die Bremsanlage von der Luftfederanlage getrennt und abgesichert sein. Hierbei ist Kreis 1 und 2 (Anschlüsse 21  und 22 am Vierkreisschutzventil) immer der BBA zugeordnet.

Bei Luftfederanlagen für Anhänger oder Sattelanhänger entspricht das Druckniveau dem der Bremsanlage, da die Luftfederanlage über die Vorratsleitung der Bremsanlage versorgt wird.

ln Zugfahrzeugen können verschiedene Systeme unterschieden werden:

  • Druck in der Luftfederanlage = Druck in der Bremsanlage (entspricht Anhänger/Sattelanhänger).
  • Druck in der Luftfederanlage größer oder kleiner als Druck in der Bremsanlage (LKW und KOM).
  • lm ersten Fall wird nach dem Vierkreisschutzventil aus dem Nebenverbraucherkreis (Anschluss 23 oder 24 am Vierkreisschutzventil) die Druckluft für die Luftfederanlage entnommen, wobei das Vierkreisschutzventil auf bevorzugte Befüllung der Bremskreise 21 und 22 ausgelegt sein muss (Ab 1.10.1994 gesetzlich vorgeschrieben). In der Mehrzahl der Fälle ist die Luftfederungsanlage mit einem höheren Druck versehen als der Druck der Bremsanlage. Dabei wird die Druckluft zwischen Druckregler und Vierkreisschutzventil entnommen und über ein Überströmventil mit begrenzter Rückströmung (oder ohne Rückströmung), das auf einen höheren Öffnungsdruck als das Vierkreisschutzventil eingestellt sein muss, dem Druckluftbehälter für die Luftfederung zugeführt. Diese Art der Auslegung hat den Vorteil, dass kleinere Luftfederbälge und Druckluftbehälter eingebaut werden können. Zudem ergeben sich kürzere Be- und Entlüftungszeiten, da die Druckdifferenz zwischen Vorratsbehälter und Luftfederbalg größer ist.
  • Bei Anhängefahrzeugen wird der Vorrat für die Luftfederung vom Vorrat der Betriebsbremse entnommen. Deshalb müssen beide Kreise durch ein Überströmventil (ohne bzw. mit begrenzter Rückströmung) gegeneinander abgesichert werden. Der Öffnungsdruck liegt ca. bei 6 bar, da der Absicherungsdruck vom Gesetzgeber auf mindestens 5,2 bar festgelegt ist.

Lastabhängige Bremsdruckregelung über ALB/EBS

Ein wesentlicher Vorteil der Luftfederung liegt darin, dass der Balgdruck, der sich nach dem momentanen Beladungszustand richtet, zur Steuerung des automatisch lastabhängigen  Bremskraftreglers/EBS herangezogen wird. Eine Schaltung dieser Art zeigt das Bild oben bei der zweikreisigen Luftfederung, wobei durch Verwendung eines zweikreisig angesteuerten automatisch lastabhängigen Bremskraftreglers auch bei Bruch einer Leitung sowie eines Balges weiterhin eine lastabhängige Regelung des Bremsdruckes durch den intakten Balg gegeben ist.

Sowohl bei Voll- als auch teilluftgefederten Fahrzeugen kann je nach Auslegung bei Defekten in der Luftfederanlage eine ausreichende Bremswirkung erzielt werden.

Druckluftversorgung Beispiele (Bild 3)

AS = Luftfederung (Air suspension)
SB = Betriebsbremse (Service Brake)