Luftfederung

Die Luftfederung ist ein Federungssystem, das die Kompressibilität von Gasen, insbesondere von Luft ausnutzt. Ein einfaches Beispiel ist die Luftmatratze, ein komplexeres sind die zur Fahrzeugfederung verwendeten Systeme.

Bauarten

Luftfeder, geschnitten
mit Schlauchrollbalg

Luftfedern in Straßenfahrzeugen werden in zwei Formen gebaut.

Luftfeder mit konstantem Volumen in Regellage
Hier ist die Luft typischerweise in einem Rollbalg eingeschlossen, der mit weiteren Beschlagteilen wie Deckel und Abrollkolben luftdicht verbunden ist. Der Rollbalg ist über den Kolben gestülpt und rollt unter Druck auf diesem ab. Die Luftfeder wird durch einen Kompressor mit Druckluft versorgt. Abhängig von der Beladung wird Luft zu- oder abgepumpt, um das Füllvolumen und somit die Niveaulage des Fahrzeugs konstant zu halten. In Schienenfahrzeugen gibt es unterschiedliche Bauformen wie Gürtelbälge oder Halbrollbälge. Der Balg ist hier auf eine Gummifeder, der sogenannten Notfeder, aufgesetzt, die bei Ausfall der Luftfederung noch eine gewisse Federwirkung gewährleistet. Den höchsten Komfortgewinn erzielt die Luftfeder in Verbindung mit einem adaptiven Dämpfungssystem. Das Druckniveau liegt in Normallage bei ca. 5 bis 12 bar, bei dynamischer Einfederung bei ca. 10 bis 20 bar, abhängig von der Beladung.
Gasfedern mit konstanter Gasmasse
Hier wird eine bestimmte Gasmasse in einem Federelement eingeschlossen. Mit steigender Beladung nimmt das Volumen ab, und die Federung wird steifer. Durch eine zusätzliche hydraulische Regelung wird bei der Hydropneumatik von Citroën ein Niveauausgleich erreicht. Bei der Hydragasfederung von Leyland sind die Gasfedern jeder Seite durch die Hydraulik verbunden und parallel geschaltet.

Vorteile

Bei Fahrzeugen kommen folgende Vorteile im Vergleich mit metallischen Federn zum Tragen:

Personenwagen

Die Cowles-MacDowell Pneumobile Company aus den USA stellte bereits zwischen 1914 und 1915 Pkw mit Luftfederung her.

Allgemeines

Im Pkw-Bau ist Luftfederung (Stand 2008) ein klares Oberklassen-Kennzeichen und wurde bereits seit Mitte der 1950er-Jahre bei manchen Fahrzeugtypen, beispielsweise Cadillac Eldorado Brougham beim Borgward P 100, beim Mercedes-Benz 300 SEL und beim Mercedes-Benz 600 eingesetzt. Hingegen wurde Luftfederung bisher aufgrund ihres Bauaufwandes nicht auf breiter Front eingesetzt.

Im Pkw-Bau ist neben der einfachen und preiswerten Stahlfederung (für weit über 95 % der Fahrzeuge) auch die Hydropneumatik zeitweise verbreitet gewesen. Diese ist eine Entwicklung von Citroën und war typisches Merkmal der mittleren und großen Limousinen des Herstellers (DS, SM, GS, CX, BX, Xantia, XM, C5, C6), wurde jedoch in Lizenz auch beim Mercedes-Benz 450 SEL 6.9, bei den Modellen 500 SEL und 560 SEL der Baureihe W126 (V126) und beim Rolls-Royce Silver Shadow eingebaut, beim Silver Shadow jedoch nur als Niveauregulierung, die die Stahlfederung ergänzte.

Die erste elektronisch geregelte semi-aktive Radaufhängung gab es 1986 in Kombination mit Luftfederung im Toyota Soarer und ab 1989 in Toyota Celsior (Lexus LS): Toyota Electronic Modulated Suspension (TEMS, aktuelle Bezeichnung: Adaptive Variable Suspension).

In der S-Klasse von Mercedes-Benz wird die „Airmatic“ genannte elektronisch geregelte Luftfederung seit 1998 serienmäßig eingesetzt, mit Ausnahme des Topmodells S 600, welches mit dem sogenannten Active-Body-Control-Fahrwerk ausgestattet ist. Dies ist ein aktives Fahrwerk, das auf einer konventionellen Stahlfederung mit speziellen Hydraulik-Elementen beruht. Das ABC-Fahrwerk ist in technischer Hinsicht der Luftfederung aufgrund der schnellen Reaktionszeiten in allen Fahrsituationen überlegen. Luftfederungen sind auf Stabilisatoren für die Abstützung der Karosserie bei Kurvenfahrt (Erhöhung der Wankfederrate) angewiesen, auf die beim ABC-Fahrwerk verzichtet werden kann.

Seit Ende der 1990er Jahre nimmt der Anteil von Pkw der Oberen Mittelklasse und Oberklasse mit serienmäßiger oder optionaler Luftfederung zu. Beispielsweise kann auch im Gelände das Niveau erhöht oder auf der Autobahn abgesenkt werden, wodurch sich der Luftwiderstand verringert. Darüber hinaus werden Zweikammer- und Dreikammer-Luftfederungen eingesetzt: Diese Bauweise erlaubt es, das Federvolumen der Luft zu vergrößern oder zu verkleinern.

Frühere Pkw mit Luftfederung

(Auswahl)

Aktuelle Pkw mit Luftfederung

(Stand ab 2013, Auswahl)

Luftfahrwerke zum Nachrüsten

Seit einigen Jahren gibt es Firmen, die sich auf „Luftfahrwerke“ für den nachträglichen Einbau in Serienfahrzeuge spezialisiert haben. Hierbei gibt es Vollluftfederungen, welche die komplette Federung übernehmen, für Showzwecke werden diese auch als Airride bezeichnet, oder Systeme, welche die serienmäßig vorhandene Federung unterstützen. Hierdurch werden der Fahrkomfort und die Sicherheit verbessert. Bei diesen Systemen kommen meist Federbälge aus Polyurethan zum Einsatz. Der Luftdruck kann hier entweder mit einem handelsüblichen Reifenfüllgerät oder über einen nachgerüsteten Kompressor verändert werden.

Nutzfahrzeuge, Omnibusse

Lkw-Luftfederung (schwarzer Gummibalg)
Fernbedienung einer Lkw-Luftfederung

Allgemeines

Auch bei Nutzfahrzeugen kommt die Luftfederung zum Einsatz, zum Beispiel bei Omnibussen. Dort kann sie in vielen modernen Busmodellen zum leichteren Ein- und Aussteigen das Fahrzeug zum Bordstein neigen (Kneeling). Ein weiteres Einsatzgebiet der Luftfederung sind Lkw, ein früher Vertreter war der 1965 präsentierte Berliet Stradair. Inzwischen wird in Europa fast die Hälfte aller Nutzfahrzeuge mit Luftfederung ausgestattet. Mit Hilfe der Niveauregulierung lässt sich beispielsweise ein Sattelauflieger einfach und unkompliziert ab- und aufsatteln.

Aktuelle Nutzfahrzeuge mit Luftfederung

(Stand 2007, Auswahl)

Mittlerweile bietet nahezu jeder Nutzfahrzeughersteller eine Luftfederung an.

Fahrräder

Fox-Luftfeder am Hinterbau eines Santa Cruz-Fullys

Bei gefederten Fahrrädern, insbesondere bei höherwertigen Mountainbikes sind als Federelemente sowohl an der Vorderradgabel als auch am Hinterbau Luftfederungen üblich. Diese haben neben dem geringeren Gewicht gegenüber einer Stahlfeder den Vorteil, dass die Federrate mit einer externen, kleinen Handpumpe individuell durch Aufpumpen der Luftkammer auf das Fahrergewicht eingestellt werden kann. Bei Federungen mit Stahlfedern oder Elastomerblöcken wäre hier diese Anpassung nur durch Beschaffung und Austausch von Feder oder Elastomer möglich. Die Erhöhung der Federvorspannung bei einer Stahlfeder erhöht in diesem Zusammenhang nicht die Federrate an sich, sondern verändert nur den Negativ-Federweg. Aufgrund der geringeren Losbrechkräfte durch die fehlenden Dichtringe hat die Stahlfeder jedoch ein etwas sensibleres Ansprechverhalten. Moderne Luftfederelemente haben in der Regel zwei Luftkammern (Positiv- und Negativkammer), die gegeneinander arbeiten und das Losbrechmoment in der Ausgangsposition vermindern. Da sich der Druck in diesen Kammern durch eine Ausgleichbohrung anpasst, ist es erforderlich, nach dem Ändern des Luftdrucks das Rad nach Herstellerangabe einige Male einzufedern, um die endgültige Auswirkung der Anpassung beurteilen zu können. Die Dämpfung wird sowohl bei Stahl- oder Luftfedern durch einstellbare Öldämpfer bewerkstelligt, die in der Gabel oder im Hinterbaufederbein integriert sind. Elastomerfedern bedürfen durch ihre innere Reibung in der Regel keiner gesonderten Dämpfung.

Eisenbahn

Luftfederung an einem Triebzug vom Typ Stadler KISS
Luftfederung an einem Drehgestell

Moderne Personenwagen und Triebwagen (z. B. ICE 2) verfügen über eine Luftfederung zwischen Drehgestell und Wagenkasten. Sie dient hauptsächlich der Verbesserung des Fahrkomforts sowie zur automatischen Niveauregulierung, diese gewährleistet eine gleichbleibende Höhe des Wagenbodens über der Schienenoberkante. Die gleichbleibende Höhe sorgt vor allem bei Zügen des Personennahverkehrs dafür, dass oftmals der Wagenboden in einer Ebene mit der Bahnsteigkante liegt, um so einen barrierefreien Zugang für Rollstuhlfahrer zu ermöglichen.

Darüber hinaus wird der Luftdruck in allen Federbälgen ermittelt und an die Fahrzeugsteuerung gemeldet. Hierdurch wird der aktuelle Beladungszustand ermittelt, dessen Änderung pro Halt im Nahverkehr bis zu 6 Tonnen pro Wagen betragen kann und über die Bremssteuerung eine automatische Lastabbremsung gesteuert, um ein Überbremsen zu vermeiden und eine gleichbleibende und bestmögliche Verzögerung zu erreichen.

Luftfahrzeuge

Das Luftschiff LZ 129 Hindenburg (Baujahr 1936) besaß luftgefederte Fahrwerksbeine.

Siehe auch

Commons: Luftfederung – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise

  1. ↑ kfz-tech.de: Luftfederung (Memento vom 22. März 2016 im Internet Archive)
  2. ↑ A 75-Year History through Data > Automotive Business > Products, Technology > Technical Development > Chassis. Toyota, 2012, abgerufen am 19. Januar 2015 (englisch).
  3. ↑ Frank Bärecke, Promotionsarbeit Maschinenbau an der Universität Magdeburg, Seite 14 (PDF; 4,2 MB), April 2013, abgerufen am 27. Juni 2026 auf opendata.uni-halle.de
  4. ↑ Dominik Krauß: Untersuchung des Einflusses der Niveaulage auf den Fahrkomfort von Fahrzeugen mit semiaktiver Dämpferregelung, Seiten 21, 22. In: Masterarbeit der TU München. 2019, abgerufen am 3. Juli 2026. (PDF; 7,7 MB)
  5. ↑ Archivierte Kopie (Memento vom 10. Januar 2015 im Internet Archive) (Inhalt lädt nicht vollständig)
  6. ↑ Das Fahrwerk: Der Fahrdynamik verpflichtet. Abgerufen am 20. September 2021.
  7. ↑ Jens Dralle: Heimlich, still und leise Richtung Zukunft. In: auto-motor-und-sport.de. 20. November 2012, abgerufen am 20. Juni 2021.
  8. ↑ Fahrbericht: Tesla Model S – Das Auto, das mich geprägt hat. In: motor-talk.de. 7. Dezember 2015, abgerufen am 20. Juni 2021.
  9. ↑ Jürgen Voigt: Neuer XPeng G9 (2024): Erste Testfahrt. In: autozeitung.de. 12. April 2024, abgerufen am 3. Juli 2026.
  10. ↑ basf: Cellasto - Federentkopplung - Dauerhafter Fahrkomfort
  11. ↑ Das große Duell: Luft- vs. Stahlfederdämpfer, Enduro-MTB.com vom 21. November 2017, abgerufen am 27. Oktober 2026
  12. ↑ Federung und Dämpfung, Aufsatz über Federungstechnik bei „Radtechnik für Profis“, abgerufen am 27. Oktober 2026
  13. ↑ Karl Gerhard Baur: Drehgestelle – Bogies. EK-Verlag, 2. Auflage, Freiburg 2009, ISBN 978-3-88255-147-1
  14. ↑ https://www.hochgeschwindigkeitszuege.com/deutschland/ice-2.php
  15. ↑ https://books.google.com/books?id=m_nZDAAAQBAJ&pg=PA197&lpg=PA197&dq=luftfederung+ice&source=bl&ots=O6T5zTyeDK&sig=ACfU3U1H2E_SA5tBXqljikB6VYmmCSLgOg&hl=en&sa=X&ved=2ahUKEwiMwJaFxIbjAhWEpYsKHXh2AxI4ChDoATAAegQIAxAB#v=onepage&q=luftfederung%20ice&f=false

Literatur