Stoßdämpfer

Hydraulischer Stoßdämpfer und unterer Federteller eines McPherson- Federbeins

vereinfachter Aufbau eines Stoßdämpfers

Der Stoßdämpfer ist ein Schwingungsdämpfer. Bei Kraftfahrzeugen ist er ein sicherheitsrelevantes Bauteil des Fahrwerks. Ein Stoßdämpfer dient dazu, die Schwingungen der ungefederten Massen zu unterdrücken bzw. schnell abklingen zu lassen. Er dient nicht dazu, durch Fahrbahnunebenheiten ins Fahrzeug eingeleitete Stöße abzufangen. Diese werden durch die Federung „geschluckt“. Richtiger wäre daher die Bezeichnung Schwingungsdämpfer. Diese Fehlbezeichnung verleitet viele Laien dazu, unter einem Stoßdämpfer irrtümlich das in Pkw oft eingesetzte McPherson-Federbein, eine Kombination von Feder und Dämpfer, zu verstehen.

Aufbau und Funktion

Hydraulische Stoßdämpfer bestehen im Wesentlichen aus einem an einer Kolbenstange in einem ölbefüllten Zylinder geführten Kolben. Bei axialer Bewegung der Kolbenstange (und damit des Kolbens) gegenüber dem Zylinder muss das Öl durch enge Kanäle und Ventile im Kolben strömen. Durch den Widerstand, der dem Öl dabei entgegengebracht wird, werden Druckdifferenzen erzeugt, die über Wirkflächen die Dämpfungskräfte erzeugen. Mit zunehmender Geschwindigkeit der Kolbenbewegung steigt der Strömungswiderstand und damit die Dämpfungswirkung, wobei in gewissen Grenzen diese Charakteristik gezielt beeinflusst werden kann. Die Dämpfungsarbeit, das Produkt aus Dämpfungskraft und Stoßdämpferweg, führt zur Erwärmung des Öls, was auch zu leicht reduzierter Dämpfungswirkung aufgrund sinkender Viskosität des Öls führt. Um den Temperaturanstieg aufgrund der Belastbarkeit diverser Bauteile zu begrenzen, muss der Dämpfer ausreichend Wärme an die Umgebungsluft abgeben können.

Mechanische Stoßdämpfer bestehen prinzipiell aus federbelasteten Reibflächen. Geschichtete Blattfedern bestehen aus mehreren Federblättern und stellen kombinierte Feder-/Dämpfer-Einheiten dar, die wegen ihres robusten, langlebigen und kostengünstigen Aufbaus bevorzugt in Lkw eingesetzt werden. Durch die Biegung der Feder wird der Stoß aufgefangen und in der Feder gespeichert. Die Reibung zwischen den einzelnen Federblättern dämpft die Schwingung und überführt einen Teil der Federkraft in Wärme. Diese Dämpfung ist jedoch nicht abhängig von der Geschwindigkeit, mit der die Federbewegung stattfindet, und ist deshalb im Vergleich zur geschwindigkeitsabhängigen Dämpfung von hydraulischen Stoßdämpfern weniger effektiv. In der Regel werden deshalb zusammen mit Blattfedern zusätzliche hydraulische Stoßdämpfer verbaut.

Eine besondere, in der Formel 1 eingesetzte Bauart, ist der außen anliegende Drehstoßdämpfer. Bisher nur in Motorrädern und Fahrrädern werden Luftfederdämpfer eingesetzt, bei denen das Medium Luft sowohl Feder- als auch Dämpferaufgaben übernimmt.

Zug- und Druckstufe

Ein direkt angelenkter hydraulischer Stoßdämpfer wird beim Ausfedern auf Zug und beim Einfedern auf Druck beansprucht. Deshalb wird die Dämpfung beim Ausfedern als Zugstufe, beim Einfedern als Druckstufe bezeichnet.

Aus der Federkennlinie und der auf die Feder wirkenden Kraft ergibt sich der Hubweg. Die Dämpferrate multipliziert mit der Hubgeschwindigkeit ergibt die Dämpfungskraft, die dem Hub entgegen wirkt. In Fahrzeugen werden Dämpfer eingesetzt, die verschiedene Dämpferraten für Zug- und Druckstufe haben. Damit beim Überfahren einer Bodenwelle die Feder ihre Aufgabe erfüllen kann und den dabei entstehenden Stoß des Rades nach oben (in Richtung Karosserie) auffangen kann, ist die Dämpfungsrate der Druckstufe niedriger als die der Zugstufe.

Der Grund dafür ist, dass in Druckrichtung wesentlich höhere Beschleunigungen auftreten können als in Zugrichtung, in der sie durch die Erdanziehungskraft limitiert sind. Ein Dämpfer mit höherer Dämpfung würde die folglich schnelleren Anregungen (härteren Stöße) in Druckrichtung direkter an die Karosserie weitergeben und somit den Komfort mindern. Um dennoch die Schwingungsenergie schnell abzubauen, wird die Dämpfungsrate in Zugrichtung höher gesetzt, da hier die Folgen für den Komfort geringer sind.

Bedeutung der Stoßdämpfer in Kraftfahrzeugen

Nach Bremsen, Reifen und der Lenkung ist der Stoßdämpfer das wichtigste Bauteil, um ein Fahrzeug sicher beherrschen zu können. Dennoch wird in Deutschland im Rahmen der Hauptuntersuchung (z.B. bei einem TÜV) nur eine Sichtprüfung der Stoßdämpfer durchgeführt. Eine Funktionsprüfung kann mit einem Shocktester (engl. Stoßdämpfer = shock absorber, oder kurz: shock) durchgeführt werden, bei dem die einzelnen Räder des Fahrzeugs in Schwingung versetzt werden und danach die Abklingkurve der Schwingung aufgezeichnet wird.

Durch die Stoßdämpfer werden die Reifen vor allem beim Durchfahren von Kurven, aber auch bei Vollbremsungen auf der Straße gehalten. Ohne deren Schwingungsdämpfung würden die Räder nach dem Einfedern selbsttätig wieder ausfedern, dadurch das Fahrzeug nach oben beschleunigen, und somit die Normalkraft der Räder auf die Fahrbahn verringern, was dazu führen würde, dass die Reibkraft, die die Reifen auf die Fahrbahn bringen können, sinkt. Das Fahrzeug rutscht dann (Übergang von Haft- in Gleitreibung: es tritt Schlupf auf, diesen kann man als Quietschen wahrnehmen). Bildlich formuliert „hüpft“ das Fahrzeug wie ein Gummiball auf der Fahrbahn. Die Reifen können jedoch nur Antriebs-, Brems- und Querkräfte (Kurvenfahrt) übertragen, wenn sie mit einer bestimmten Kraft auf die Fahrbahn gepresst werden. Ein Fahrzeug mit Federn ohne Stoßdämpfer ist daher nicht sicher steuerbar.

Gelegentlich wird angegeben, dass bei Fahrzeugen ohne ABS der Bremsweg von 50 km/h bis zum Stillstand um vier Meter länger ist, wenn die Stoßdämpfer verschlissen sind (dies ist abhängig vom Fahrbahnzustand). Mit nicht funktionierenden Stoßdämpfern verdoppelt sich die Wahrscheinlichkeit eines Überschlags bei einem Notausweichmanöver (Iso-Spurwechseltest, Elchtest). Die Lebensdauer von Stoßdämpfern in Pkw ist von der Einsatzart abhängig und kann zwischen 60.000 und 250.000 km liegen.

Bei der Auslegung eines Fahrzeuges werden Federn und Dämpfer aufeinander abgestimmt. In der Praxis können Nachrüstsätze aus dem Zubehörhandel, bei denen kürzere Federn (Tieferlegung) mit dem vorhandenen Dämpfer kombiniert werden, zu schlechterem Fahrverhalten führen: Wenn die Federraten höher sind, die Dämpfungsraten jedoch unverändert bleiben, können sich Schwingungen im Fahrwerk länger halten, das Fahrzeug "hüpft" nach Überfahren von Bodenwellen. Bei Serienfahrwerken mit defekten Dämpfern ist die Frequenz etwas niedriger, es wippt langsamer. In beiden Fällen ist die maximal erreichbare Kurvengeschwindigkeit bei einem bestimmten Radius niedriger, als bei intakten bzw. auf die Federn abgestimmten Stoßdämpfern, da die Reifen bei Unebenheiten wegen auftretender Schwingungen schneller den Kontakt zur Fahrbahn verlieren.

Erkennen von defekten Stoßdämpfern in Pkw

Nachlassende Dämpfung wird oft unbewusst durch ein geändertes Fahrverhalten des Fahrers ausgeglichen. Es gibt einige Anzeichen von nachlassenden Stoßdämpfern:

• Mehrfaches Nachschwingen, wenn man das Fahrzeug in Radnähe mit der Hand in Schwingungen versetzt (einfacher Funktionstest, das Phänomen tritt nur bei völlig kaputten Dämpfern auf)
• Nach Unebenheiten schwingt das Fahrzeug nach
• Poltergeräusche auf schlechten Straßen bei niedriger Geschwindigkeit (30er-Zone)
• Ungleichmäßige Abnutzung von Reifen und erhöhter Reifenverschleiß
• Flatternde Lenkung oder vielfach unterbrochene Bremsspur nach einer Vollbremsung wegen springender Räder
• schwammiges Kurvenfahrverhalten
• erhöhte Seitenwindempfindlichkeit

Gänzlich defekte Dämpfer erkennt man auch durch erhebliche Mengen austretenden Öls an den Kolbenstangen der Dämpfer, was aber nicht heißt, dass ein vollkommen dichter Stoßdämpfer nicht defekt sein kann.

Einrohrdämpfer

Bei konventionellen Stoßdämpfer gibt es hauptsächlich zwei Arten, einerseits Einrohrdämpfer und andererseits Zweirohrdämpfer. Der Einrohrdämpfer ist in die Arbeitskammer (Ölraum) und Gegendruckraum (Gaskammer) untergliedert. Im Ölraum wird die eigentliche Dämpfarbeit vollbracht, d.h. die am Kolben sitzenden Federscheiben bringen einen Widerstand dem zu durchzufließenden Öl auf (Reibungsdämpfung). Die Gaskammer dient zum Volumen- und Temperaturausgleich. Beim Einfedern kommt zusätzlich das Volumen der Kolbenstange hinzu, was über die Gaskammer durch deren Kompression ausgeglichen wird. Bei Wärmeentwicklung durch die Dämpfreibung am Kolben dehnt sich das Dämpferöl aus. Diese Ausdehnung wird das Gasvolumen kompensiert. Üblicherweise hat ein Einrohrdämpfer einen Basisinnendruck von ca. 20 bar. Diese Vorspannung wird benötigt, damit beim Einfedern nicht die Ölsäule in der oberen Arbeitskammer (Kammer über dem Kolben) abreißt und somit kein Vakuum entsteht. Das würde sich negativ auf die Dämpfkraftcharakteristik des Dämpfers auswirken.