Hydraulische Dämpfer

Hydraulische Dämpfer haben gegenüber dem Reibungsdämpfer ein deutlich besseres Ansprechverhalten durch geringere Haftreibung. Konventionelle Stoßdämpfer in Pkw werden daher heutzutage hauptsächlich als hydraulische Teleskopstoßdämpfer in Ein- und Zweirohrbauweise gefertigt. Ihr Prinzip beruht darauf, dass die Widerstandskraft gegen das Fließen verdrängter Flüssigkeit (Stoßdämpferöl) von der Fließgeschwindigkeit abhängt. Die Dämpfungskraft, die der Dämpfergeschwindigkeit entgegenwirkt, steigt mit zunehmender Ein- bzw. Ausfedergeschwindigkeit des Kolbens progressiv an. Zu große Dämpferkräfte verschlechtern den Fahrkomfort. Deshalb öffnen sich ab einem bestimmten Druck Ventile. Die Dämpferkennlinie kann so den Anforderungen von Fahrdynamik und Fahrkomfort angepasst werden.

Reibungsdämpfer

Vor der Entwicklung hydraulischer Stoßdämpfer wurden die Fahrzeuge mit mechanisch wirkenden Reibungsdämpfern ausgerüstet. Nachteilig ist, dass bei geringen Anregungen die Federung durch die Haftreibung blockiert wird: die Federung „spricht schlecht an“.

Ein Reibungsdämpfer funktioniert wie eine Lamellenkupplung. Er besteht aus mehreren aufeinander gestapelten und axial von einer Feder gegeneinander gedrückten Reibscheiben. Diese bilden abwechselnd zwei Gruppen, die sich gegeneinander verdrehen können: eine Gruppe ist mit dem Fahrgestell verbunden, die andere mit dem Teil, dessen Schwingung zu dämpfen ist.

Stoßdämpfer an Pkw

Grundsätzlich unterscheidet man zwischen einem Achsdämpfer, das heißt einem allein eingebauten Schwingungsdämpfer, einer Feder-Dämpfer-Einheit („Federbein“), bei der Feder und Dämpfer zu einer Baugruppe vereint sind und dem MacPherson-Federbein, das zusätzlich zu beidem das Rad in Längs- und Querrichtung führt.

Stoßdämpfer-Bewegungsmodell

Im Bewegungsmodell des (Zweirohr-)Stoßdämpfers wird gezeigt, wie sich mit der Ein- und Auswärtsbewegung der Kolbenstange der Ölspiegel im Stoßdämpfer hebt und senkt. Die Bewegung des Ölspiegels ist aber stark übertrieben dargestellt. Der Hub des Ölspiegels ist größer als der Hub der Kolbenstange. Das entspricht weder den Abmessungen des Modells noch den Verhältnissen in einem wirklichen Pkw-Dämpfer. Für die Bewegung des Ölspiegels gilt, dass das Volumen der einfahrenden Kolbenstange gleich dem Volumen des Ölanstiegs in der Ringfläche zwischen den Rohren ist, also:

${\displaystyle A_{S}\cdot h=A_{R}\cdot H}$

oder

${\displaystyle H=h\cdot A_{S}/A_{R}}$

mit

${\displaystyle A_{S}}$ = Querschnittsfläche der Kolbenstange

${\displaystyle A_{R}}$ = Ringfläche zwischen dem Außen- und dem Innenrohr

${\displaystyle d}$ = Durchmesser der Kolbenstange

${\displaystyle D_{a}}$ = Innendurchmesser des äußeren Rohres (Behälterrohr)

${\displaystyle D_{i}}$ = Außendurchmesser des inneren Rohres (Zylinderrohr)

${\displaystyle h}$ = Hub der Kolbenstange

${\displaystyle H}$ = Hub des Ölspiegels

Mit wirklichen Dämpferabmessungen (d= 11: Da = 36; Di = 29,4) ergibt sich ${\displaystyle H=h\cdot 0{,}28}$

Der Hub des Ölspiegels macht also nur das 0,28fache des Kolbenstangenhubs aus. Diesen realistischen Wert sollte auch das Bewegungsmodell zeigen. Dies kann einfach durch Änderung des Ölspiegelhubs geschehen. Am besten natürlich mit zusätzlichen Anpassungen der Maße d, Da und Di im Bewegungsmodell, damit Berechnung und Erscheinungsbild exakt übereinstimmen.

Hydraulische Stoßdämpfer bestehen im Wesentlichen aus einem ölbefüllten Zylinder und einer darin geführten Kolbenstange. 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. Die daraus resultierende Dämpfarbeit wird in Erwärmung des Öls umgesetzt. Die Viskosität und damit Dämpfungswirkung des Öls ist auch temperaturabhängig. Um den Temperaturanstieg des Dämpfers auf ein für die beteiligten Bauteile erträgliches Niveau zu begrenzen, muss der Dämpfer ausreichend Wärme an die Umgebungsluft abgeben können.

Das Volumen der einsinkenden Kolbenstange muss innerhalb des Dämpfers ausgeglichen werden. Einen reinen Öldämpfer kann es also nicht geben, denn Öl ist wie alle Flüssigkeiten nahezu inkompressibel. Der Ausgleich kann etwa durch ein unter hohem Druck (~30 bar) stehendes Gaspolster aus Stickstoff oder Luft realisiert werden, das durch einen beweglichen Kolben vom Ölvolumen getrennt angeordnet ist (Einrohrdämpfer). Durch Verschiebung des trennenden Kolbens übernimmt das Gaspolster den Volumenausgleich beim Einfahren der Kolbenstange. Das Gas wirkt wie eine zusätzliche Feder, sodass die Wirkung der Federung unterstützt wird.

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.

Um das „Anfedern“ beim Auffahren auf rampenförmige Einzelhindernisse zu verbessern, wird die Zugstufe meist härter als die Druckstufe ausgeführt. Ein weiterer Grund für diese Auslegung ist ein harmonischer Aufbau des Wankwinkels bei schnellen Ausweichmanövern.