Drehstabfeder

Eine Drehstabfeder (auch Torsionsstab oder Drehstab) ist eine stabförmige Feder. Beim Verdrehen des Stabes um seine Längsachse entstehen in dessen Querschnitten Torsionsspannungen genannte Scherspannungen, die mit dem von außen angebrachten Torsionsmoment im Gleichgewicht sind. Drehstabfedern weisen in der Regel einen kreisförmigen Querschnitt auf.

Prinzip einer Torsionsfeder, links eingespannt, rechts Torsionsmoment. Zur besseren Veranschaulichung hier die weniger verbreitete Variante mit rechteckigem Querschnitt.

Längs liegende Drehstabfedern und Drehstabfeder (rot) (als Stabilisator) an der Vorderachse einer Alfa Romeo Alfetta

Die Drehstabfeder ist eine Teilmenge der Torsionsfedern. Zu diesen zählt auch die Schraubenfeder. Sie ist ein schraubenförmig gewickelter „Stab“, der gleich wie der gerade Torsionsstab über die ganze Länge durch ein Torsionsmoment elastisch beansprucht wird.

Berechnung

Der Verdrehwinkel $\phi$ ist der Länge $L$ des Stabs und dem ihn belastenden Torsionsmoment $M_{t}$ proportional:

\phi ={\frac {M_{t}\cdot L}{G\cdot I_{p}}}

Der Schubmodul $G$ ist eine Materialkonstante. Form und Größe der Querschnittsfläche werden mit dem polaren Flächenträgheitsmoment $I_{p}$ berücksichtigt.

Damit keine bleibende Verformung eintritt, darf die Grenze zum Fließen nicht überschritten werden. Die Torsionsspannung $\tau$ muss kleiner als ihr zulässiger Wert $\tau _{\mathrm {zul} }$ sein:

\tau ={\frac {M_{t}}{W_{p}}}<\tau _{\mathrm {zul} }

Die Torsionsspannung ist am Querschnittsrand am größten. Das kommt im polaren Widerstandsmoment $\textstyle W_{p}={\frac {I_{p}}{a_{\mathrm {max} }}}$ mit dem maximalen senkrechten Abstand $a_{\mathrm {max} }$ der Randfaser von der neutralen (spannungsfreien) Faser zum Ausdruck.

Verwendung zur Stabilisierung von Fahrzeugen

Drehstabfedern dienen vielfach als Stabilisator-Elemente in Kraftfahrzeugen. Gelegentlich sind Drehstabfedern auch an Hinterradschwingen von Motorrädern anzutreffen.

Bei Schienenfahrzeugen werden Drehstabfedern als Wankstütze eingesetzt; sie federn die Wankbewegung des Fahrzeugkastens um die Längsachse ab. Vor allem bei luftgefederten Fahrzeugen sind Wankstützen ein entscheidender Teil der Federung. Die Drehstabfeder der Wankstütze kann je nach Platzverhältnissen im Fahrwerk oder im Wagenrahmen eingebaut sein.

Verwendung zur Federung von Fahrzeugen

Federstabbündel in der vorderen Radaufhängung eines Harburger Transporters, hier DB L 206D

Pkw und Kleintransporter

In der Vergangenheit wurden Drehstabfedern auch zur primären Federung des Wagenkörpers verwendet. Eines der bekanntesten drehstabgefederten Autos ist der VW-Käfer mit einem „Federschwert“ als Längslenker an der Hinterachse, an dem das Halbachspendel mit dem Radlager befestigt ist. Auch in den Achsrohren der Kurbellenkervorderachse befanden sich Federblätter, die auf Torsion beansprucht wurden. Weitere bekannte Kraftwagen mit Torsionsstabfederung – meistens sind die Drehstäbe quer zur Fahrtrichtung angeordnet – sind der Audi 60 (Vorderachse: Drehstäbe in Fahrtrichtung, Hinterachse: quer), BMW 501/502 (Drehstäbe in Fahrtrichtung), DAF 55 (Drehstäbe in Fahrtrichtung), Simca 1100, Peugeot 205 (Hinterachse), VW-Bus T1, T2 und T4, VW Typ 82 (Kübelwagen), Porsche 356, Porsche 911 (bis 1989) und Barkas B 1000; Drehstabfederung ist auch an den Hinterachsen vieler Automodelle von Peugeot und Renault zu finden – bei Renault 4, 5, 6 und 16 mit leicht unterschiedlichem Radstand für die linke und rechte Fahrzeugseite, weil die beiden parallelen Drehstäbe über die Fahrzeugmitte herüberragen. Bei manchen Drehstabfederachsen, beispielsweise beim Peugeot 205, Porsche 356 und BMW 501/502, kann durch Stellelemente an der fest eingespannten Seite der Feder die Vorspannung und damit die Bodenfreiheit des Fahrzeugs justiert werden.

Die sogenannten Harburger Transporter haben Drehstabfedern mit rechteckigem Querschnitt, die gebündelt verwendet werden (Federstabbündel). Diese Bauweise findet sich zum Teil auch an leichten Pkw-Anhängern. Aufwändiger ist das Bündeln zylindrischer Drehstabfedern.

Sonderwege der US-Autohersteller

Packard verwendete in den Jahren 1955 und 1956 für die meisten Modelle ein Torsion-Level Ride genanntes Verbundsystem, das im Wesentlichen aus zwei Hauptdrehstäben längs und zwei auf die Hinterachse wirkenden Hilfsstäben bestand. Mit einem dazwischengeschalteten, relaisgesteuerten Elektromotor funktionierte das System als automatische Niveauregulierung: Es hielt das Auto stets waagerecht und glich innerhalb von 7 Sekunden die Zuladung im Kofferraum selbständig aus. Außerdem konnte es einen Radwechsel unterstützen. Die zeitliche Verzögerung war notwendig, damit die Elektrik nicht bei jeder Bodenunebenheit eingriff, sondern erst, wenn eine dauerhafte Gewichtsveränderung eintrat, zum Beispiel wenn Fahrgäste ein- oder ausstiegen oder der Kofferraum beladen wurde.[1]

Chrysler hatten von 1957 bis 1970 eine Torsion-Aire genannte Drehstabfederung für die Vorderachse. Sie sollte auch die exzessive Seitenneigung in Kurven vermindern. Für die Aufhängung der Hinterachse wurde lange an Blattfedern festgehalten. Das System wurde 1971 zur Torsion Quiet weiterentwickelt (bis 1992).[2]

General Motors ging mit seinen 1966 resp. 1967 eingeführten Luxus-Coupés Oldsmobile Toronado und Cadillac Eldorado (bis 1978) einen ähnlichen Weg, allerdings wohl eher aus Platzgründen. Hinten wurden stets Schraubenfedern verwendet.[3]

Lkw

Die tschechischen Tatra 813 und Tatra 815 sind bis zu vierachsige extrem geländegängige Nutzfahrzeuge mit Zentralrohrrahmen und einzeln an Halbachsen aufgehängten Rädern. Die 4x4-Varianten sind an allen Achsen und die 6x6-Varianten sind an der hinteren Achse mit längs eingebauten Drehstäben gefedert. Die Vorderachsen der 6x6- und alle Achsen der 8x8-Variante sind mit Halbelliptik-Blattfedern gefedert (Bogie-Achsen). Die Sattelzug-Variante ist an den Vorderachsen mit Drehstabfederung und an den Hinterachsen mit Luftfedern ausgerüstet.

Militär

Eine Drehstabanordnung (quer zum Fahrzeug) im Triebwerkraum des Leopard 2

Ein weiteres Einsatzgebiet für Drehstäbe sind Kampfpanzer: Seit dem Zweiten Weltkrieg beruht die Federung von mittleren (PzKw III – ab Ausf. E, Panther) und schweren Panzern (Tiger und Königstiger) sowie bei modernen Kampfpanzern wie dem Leopard 2 oder dem M1 Abrams auf Drehstäben.

Weitere Anwendungsfelder

Drehstabfedern finden über Fahrzeuge hinaus Anwendung als Torsionspendel in mechanischen Uhren und als Torsionsband in Drehspulmessinstrumenten (für Erzeugung des Reaktionsmoment und als Lagerelement für die Drehspule). Auch die kuppelbare Seilbahnklemme „DT“, kurz für „Doppelmayr Torsion“, arbeitet nach dem Drehstabfederprinzip. Sie wird seit 1993 von Doppelmayr Garaventa hergestellt.

Literatur

Wolfgang Merhof: Fahrmechanik der Kettenfahrzeuge. Hrsg.: Ernst-Michael Hackbarth. 2015, ISBN 978-3-943207-13-2, S. 445 ff. (Link zum PDF-Dokument [abgerufen am 29. Februar 2020]).

Weblinks

Commons: Drehstabfeder – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise

Packard, a history of the motor car and the company – General Edition – Beverly Rae Kimes, Editor – 1978 Automobile Quarterly, ISBN 0-915038-11-0
Chrysler Torsion Bar Car Suspensions, 1957–1992: Torsion-Aire, Torsion-Quiet bei Allpar.com (in engl. Sprache)
Gunnell, John (Herausgeber): The Standard Catalog of American Cars 1946–1975, Krause Publications (1987), ISBN 0-87341-096-3

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[1] Packard, a history of the motor car and the company – General Edition – Beverly Rae Kimes, Editor – 1978 Automobile Quarterly, ISBN 0-915038-11-0

[2] Chrysler Torsion Bar Car Suspensions, 1957–1992: Torsion-Aire, Torsion-Quiet bei Allpar.com (in engl. Sprache)

[3] Gunnell, John (Herausgeber): The Standard Catalog of American Cars 1946–1975, Krause Publications (1987), ISBN 0-87341-096-3