Federbein mit Axiallager

Vor einigen Jahren las ich zufällig von einer ungewöhnlichen Tuning-Maßnahme für Federbeine: der Lagerung des Federfußpunkts in einem Axiallager.

Feder Fußpunkt axial gelagert: Federenden können sich im montierten Zustand frei verdrehen, während die Nutmutter fixiert ist

Dieser Informationsfetzen hatte anscheinend eine Art „kleines Eselsohr“ in meinem Hirn hinterlassen, denn anlässlich meiner Beschäftigung mit der Federbein-Optimierung kam mir die Sache mit dem Axiallager gleich wieder in den Sinn.

Aber was sollte das bringen? Das war mir anfangs nicht klar. Da musste ich erst ein wenig recherchieren. Um Sinn und Zweck eines Axiallagers in einem Federsitz zu erklären, muss ich folglich ein wenig ausholen:

Spiralfedern zeigen unter Druckbelastung eine Durchmesseraufweitung, die sich in Abhängigkeit von Wicklungsdurchmesser, Drahtdurchmesser, ungespannter Länge, Windungsanzahl und Form der Endwindungen (hier: angelegt und geschliffen) exakt berechnen lässt. Die folgende Formel gibt die Durchmesseraufweitung bei Federkompression bis auf Blocklänge an: 

Druckfeder, Formel zur Berechnung von Durchmesseraufweitung und Verdrehwinkel der Federenden relativ zueinander.
Formel zur Berechnung der Durchmesseraufweitung einer Spiralfeder bei Kompression.
Die Formel für die Windungssteigung Sw gilt für angelegte und geschliffene Federenden

Den entscheidenden Hinweis hierzu erhielt ich freundlicherweise auf meine Anfrage an den Autor des Feder-Blogs des Federherstellers Gutekunst, den ich Interessenten wärmstens empfehlen kann.

Obwohl Spiralfedern unter Druckbelastung eine Durchmesseraufweitung erfahren, wird der Federstahldraht einer Druckfeder weiterhin rein auf Torsion beansprucht. Insbesondere wird der Federdraht nicht auf Zug oder Druck beansprucht, ändert also bei Belastung seine Länge nicht. In der Folge kann  ein Federdraht gegebener Länge einen aufgeweiteten Durchmesser nur weniger weit/oft umschlingen, was als Verdrehung der beiden Federenden relativ zueinander erscheint. Für die eingangs gewählte Feder würde der Verdrehwinkel beim vollen Einfederungshub des Hinterrads von 150 mm (entsprechend 60 mm Federhub!) immerhin rund 14° betragen, wenn sich die beiden Federenden unter Belastung frei gegeneinander verdrehen könnten.

Tatsächlich liegen die Federendwindungen aber ab Werk ohne weitere Lagerung direkt auf Federteller bzw. Einstellmutter des Federbeins auf, wo sie durch Haftreibung und Anpresskräfte von mehreren tausend Newton zumindest teilweise an einer Verdrehung gehindert werden. Das wäre insoweit unkritisch, denn dann könnte man die sich ergebende zusätzliche Verspannung aus verhinderter Verdrehung gedanklich einfach der gewollten Federsteifigkeit zuschlagen. Schlecht wäre allerdings, wenn sich die Federenden aufgrund undefinierter oder veränderlicher Reibungsverhältnisse (z.B. Nässe!) ruckartig gegeneinander verdrehen könnten, wodurch es zu einer Hysterese (=Energieverlust) käme. Solche Phänomene sind als Stick-Slip-Effekt im Alltag häufig anzutreffen. Und um ehrlich zu sein: ich weiss auch nicht, ob diese theoretisch mögliche, ruckartige Entlastung der Verspannung in der Praxis vorkommt.

Der Sinn des Axiallagers liegt jedenfalls darin, der Verdrehung der beiden Auflagerflächen der Feder relativ zueinander einen möglichst geringen Widerstand entgegenzusetzen. Dadurch soll das Federbein insgesamt feiner ansprechen, weil die in der Feder gespeicherte Energie vollständig und verlustfrei wieder abgegeben werden kann. Ich erwarte zwar  nur einen geringen Effekt, aber der Ingenieur in mir freut sich trotzdem über diese Mikro-Optimierung. Die vernachlässigbaren Kosten und das ebenso vernachlässigbare Zusatzgewicht werden in meinen Augen durch den absehbaren Coolness-Zuwachs mehr als aufgewogen.

Im Nebeneffekt verringert ein Axiallager zudem den Reibungswiderstand bei der Einstellung der Federvorspannung über die Nutmuttern des Federbeins.

Das verwendete Axiallager benötigt seinerseits ca. 5 mm axialen Bauraum, und deswegen hatte ich die Austausch-Feder in entsprechender Voraussicht bereits um 10 mm kürzer als in der Serienausführung bestellt. Gewinde auf dem Dämpfergehäuse ist nämlich reichlich vorhanden, um auch kürzere Federn im gewünschten Umfang und weit darüberhinaus vorspannen zu können.

Derartige Federbeinmodifikationen scheinen vor Allem im angelsächsischen Raum (USA, AUS, UK) verbreitet zu sein. Dort besonders häufig im BMX- und Quadsport. Wer Details googlen möchte, kann z.B. mit den folgenden Suchbegriffen starten:

„shock thrust bearing“

Zurück zu meinem Federbeinumbau:

Grundsätzlich ist es für die Funktion egal, ob das Axiallager oben, am Federteller, oder unten an der Einstellmutter montiert wird. Aus Gründen der besseren Zugänglichkeit und Sichtbarkeit habe ich mich für die Platzierung am unteren Ende der Feder entschieden. Die mögliche Verschmutzung durch vom Hinterrad hochgewirbelten Dreck, Nässe etc. wird durch das Tanga-artige Mini-Schutzblech der Monster 1200S erstaunlich gut von beiden Federbeinaugen abgehalten, daher spielte dieser Aspekt bei der Wahl des Federendes keine Rolle.

Ducati Monster 1200S Öhlins Federbein unterer Federsitz mit Nutmuttern und Anlaufscheibe.
Öhlins Federbein einer Ducati Monster 1200S: unterer Federsitz (Serie) mit Anlaufscheibe und Nutmuttern

Die zur Feder gewandte Nutmutter weist serienmäßig einen 8mm hohen Kragen auf, mit dem die Feder radial zentriert wird, damit sie nicht am Dämpfergehäuse schleift. Eine derartige Zentrierung benötigt das Axiallager ebenfalls, verbraucht aber selbst schon 5 mm axialen Bauraum. Die dann serienmäßig verbleibenden 3 mm des Zentrierkragens erschienen mir zu wenig für eine zuverlässige Zentrierung der Feder. Also habe ich mir aus hochfestem Aluminium (7075) eine angepasste Nutmutter gedreht und gefräst, welche einen 13 mm hohen Kragen aufweist (8 mm wie bisher, plus 5 mm für das Axiallager). Die Bearbeitung auf der Drehmaschine konnte ich bei mir zu Hause auf meiner eigenen Drehbank vornehmen.

Gestern war die Fräse im Freizeitwerkstatt-Verein Neuhausen/Rheinfall nach ihrer mehrwöchigen Revision erstmalig wieder nutzbar, und so konnte ich endlich die noch ausstehenden Nuten ausfräsen.

Monster 1200S, Federbein mit Axiallager, Einbringen der Nuten in Eigenbau-Nutmutter mittels Fräse und Teilapparat.
Custom-Nutmutter für axiale Lagerung des Federendes im Öhlins Federbein:
Fräsmaschine und Teilkopf zum Einbringen der Nuten, alle 30°, 6 mm breit, 3 mm tief

Wenn man bereits viel Zeit und Sorgfalt in eine Vor-Bearbeitung eines Werkstücks investiert hat, bringt jeder weitere Bearbeitungsschritt erhöhtes Risiko und Herzklopfen mit sich, weil der Schaden bei einem möglichen Ruinieren des Werkstücks umso größer wird, je mehr Arbeit man bereits investiert hat. Und beim Zerspanen gibt es einfach keine „Rückgängig“-Funktion. Aber zum Glück ging diesmal alles gut! 😎

Eigenanfertigung Nutmutter für Öhlins Federbeine mit extra-hohem Kragen zur Aufnahme eines Axiallagers und zur Zentrierung der Druckfeder, bei gleichzeitiger Aufnahme eines Axiallagers
Custom-Nutmutter mit neu 13 mm Kragen schafft Raum für Axiallager im Federbein

Bei der Auswahl des Nadellagers hatte ich mich aus dem Katalog üblicher Abmessungen bedient. So fiel meine Wahl auf den Lagertyp AXK5578, zusammen mit den kompatiblen Lagerscheiben vom Typ AS5578. Zur Erinnerung: Federn von Öhlins Motorrad-Federbeinen haben einen Innendurchmesser von 57 mm.

Nadellagerkäfig und Lagerscheiben zur Aufrüstung eines Öhlins-Federbeins.
Axiallager, bestehend aus Nadellagerkäfig AXK5578 mit zwei Laufscheiben AS5578

Da die Lagerscheiben gehärtet sind und somit einer Bearbeitung mit „definierter Schneidengeometrie“ (a.k.a. „Drehen“) nicht zugänglich waren, habe ich eine halb-automatisch, halb-manuelle Schleifbearbeitung durch Zusammenspannen von Drehbank und Dremel vorgenommen, um den Innendurchmesser von Lagerscheiben und Nadelkranz genügend aufzuweiten, damit alles über den Kragen der Nutmutter mit Aussendurchmesser von 56,5 mm montiert werden kann:

Halb maschinell, halb manuelles Innenrundschleifen der Lagescheiben des Axiallnadellagers zwecks Ausweitung des Innendurchmessers.
Anpassung des Axialagers durch Innenrundschleifen der Lagerscheiben mittels Dremel von 55 mm auf 56,5 mm

Das eingangs dieses Artikels gezeigte Video zeigt das gelungene Zusammenspiel von Nutmutter, Axiallager und sich verdrehender Feder. Nun muss alles nur noch ans Federbein montiert werden.

Das spare ich mir aber auf, bis ich zu einer passenden Feder gefunden habe und ich mich ausreichend an das dann neue Federungsgefühl, noch ohne Axiallager, gewöhnt habe. Anderenfalls könnte ich nicht wissen, ob eine Verbesserung des Federungsverhaltens auf die geänderte Feder oder auf das Axiallager zurückzuführen wäre.

Ich werde weiter berichten! Kann aber Frühjahr 2020 werden.

P.S. an 30.03.2020: wie es ausgegangen ist, habe ich hier beschrieben.

3 Gedanken zu „Federbein mit Axiallager“

  1. Sehr informativer Artikel, vielen Dank dafür!
    Gibt es evtl schon Erkenntnisse über die Wirkung in der Praxis?
    Wären sie evtl bereit, mir die benötigten Teile (selbstverständlich gegen Bezahlung) anzufertigen, eine fühlbare positive Veränderung vorausgesetzt?

    Mit freundlichen Grüßen,

    Dietrich Albert

    1. Hallo Herr Albert,
      freut mich, daß Ihnen der Artikel gefallen hat.Leider kann ich zum Axiallager bis heute noch keinen Erfolg vermelden, da ich bisher – natürlich durch die jahreszeitlichen Bedingungen gebremst – noch nicht zur abschließenden Bewertung des Federtauschs gekommen bin. An das neue Fahrgefühl nach Federtausch möchte ich mich zuerst soweit gewöhnen, daß ich evtl. zusätzliche Veränderungen eindeutig dem Axiallager zuordnen könnte. Wenn es soweit ist, werde ich hier sicher darüber berichten. Aber wie unsere angelsächsischen Kollegen in derartigen Situationen zu sagen pflegen: versuchen Sie nicht bis dahin die Luft anzuhalten 😉
      Schönen Gruß,
      Chris

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