Zusammenhang zwischen Tieferlegung und Rädern (Baureihenübergreifendes Forum)

Da das Thema hier und dort immer wieder auftaucht und es diesbezüglich offenbar zu Missverständnissen und Verständnisproblemen kommt habe ich mich über die ruhigen Tage an einer Erläuterung versucht.
Oft ist die Frage: "Ich habe Felge X und Reifen Y, wie tief kann ich den Wagen legen ohne, dass es schleift?" - Die Antwort ist: So tief wie es mit einer Tieferlegungsfeder möglich ist. Ich brauche mir also eigentlich um die Tieferlegung keine Sorgen zu machen, lediglich um die Räder - aber nur solange bis ich den Sturz korrigiere um die Reifen nicht in 5000 Kilometern aufzufressen. Aber warum? Dazu bitte weiterlesen.
Für diejenigen, denen die Mechanik der Radaufhängung vertraut ist wird hiervon nichts neu sein. Allen anderen, Fachfremden, Interessierten und Fragenden hilft es aber hoffentlich die Funktion und Hintergründe zu verstehen. 
Über die allgemeinen Vor- und Nachteile einer Tieferlegung ist im Netz bereits viel geschrieben worden. Darum soll es im Folgenden also nicht gehen.

Um jegliche Urheberrechtsstreitigkeiten im Keim zu ersticken, sind die verwendeten Darstellungen eigens für diesen Beitrag erstellt und auf die Verwendung externer Darstellungen verzichtet worden. Diese dürfen gerne für private Zwecke oder im Netz weiterverwendet werden, unter Verweis auf die Quelle. 

Im Nachfolgenden soll der Einfluss einer Tieferlegung durch einen Satz Tieferlegungsfedern auf die Radhubkinematik beleuchtet werden - möglichst verständlich. Auf Details oder für die Funktion unwichtige Einzelheiten wird hier bewusst verzichtet. Es soll verdeutlichen, welche Bewegung das Rad im Fahrbetrieb durch Ein- und Ausfedern macht und wodurch diese Bewegung begrenzt wird. Als Beispiel soll eine vereinfachte McPherson-Achse betrachtet werden, wie sie bei nahezu allen modernen Fahrzeugen bis einschließlich der Mittelklasse als Vorderachse zum Einsatz kommt. Prominentes Beispiel sei hierfür die BMW 3er Modellreihe, im speziellen der E36 und E46, deren Achskonstruktion weithin bekannt und leicht verständlich ist. Als Ergänzung zu den hier gezeigten schematischen Zeichnungen sei die "Ausführliche Fahrwerkskunde & Tuning des E36" aus dem Nice2Know des BMW-Syndikats empfohlen. Zusammen mit den dort gezeigten Darstellungen erkennt der Leser die hier gezeigten Bauteile am realen Fahrwerk wieder und kann hoffentlich die Funktionsweise gedanklich darauf übertragen.
Es ist explizit von Tieferlegungsfedern die Rede. Auf die Eigenheiten eines Gewindefahrwerkes soll nicht eingegangen werden.

Die Ausgangslage - das Serienfahrwerk

Zunächst wird das Fahrzeug mit McPherson-Achse und Serienfederung im Stand betrachtet (Bild 1 & 2). Also weder ein- noch ausgefedert, in sogenannter Normal- oder Konstruktionslage. Dargestellt ist die Aufhängung des linken Rades, in Fahrtrichtung von hinten betrachtet. Die Darstellung des Kotflügels und Radlaufs ist natürlich fahrzeugabhängig und variiert auch von Vorder- zu Hinterachse.

1 zeigt die Radlaufinnenkante - diese begrenzt an der Hinterachse oftmals den Freigang für das Rad. Die sichtbare Außenkante (2), wird bei aufwendigeren Karosseriearbeiten nach außen gearbeitet um Platz zu schaffen - zusammen mit der Innenkante (1).
3 ist eine schematische Darstellung des Dom- bzw. Stützlagers. Da es in einem gewissen Rahmen eine Bewegung der Dämpferkolbenstange zulässt ist, es als Gelenk dargestellt. Es ist an der Karosserie befestigt und seine Position daher fix.
4 ist die Aufbaufeder. Bei Tieferlegungen, das Bauteil, das durch eine oftmals kürzere aber dafür härtere Feder ersetzt wird um so den Fahrzeugaufbau in der Höhe abzusenken.
5 ist der Radträger in einer vereinfachten Darstellung. Der Stoßdämpfer ist fest mit diesem verbunden, daher ist deren Verbindung als starr dargestellt. Beide sind blau gehalten.
6 ist das innere (vordere) Querlenkergelenk, es ist an der Karosserie bzw. dem Achsträger befestigt und daher ebenfalls in seiner Position fixiert. Das hintere Querlenkerlager soll hier der Einfachheit wegen ausgeblendet werden.
7 ist der Querlenker, zur besseren Unterscheidung zusammen mit den Gelenken, die er aufnimmt, grün eingefärbt. Nr. 8 ist das äußere Traggelenk. 
9 - die Felge, auch hier vereinfacht, ebenso wie 10, der Reifen selbst.

Die Feder (4) wird zusammengedrückt (Einfedern - Bild 3) oder teilweise entlastet (Ausfedern - Bild 4). In letzterem Fall erhält sie einen Teil ihrer ungespannten Länge zurück. Ihre Länge variiert also, je nach Radhub. Der Querlenker bleibt in seiner Länge logischerweise gleich und das Rad bewegt sich somit entlang einer definierten Bahn auf und ab und „kippt“ dabei zugleich nach innen (Einfedern) oder außen (Ausfedern). Dieses Kippen sorgt für die Sturzänderung, die das Rad entlang des Federweges durchmacht. Einfedern -> Sturz in Richtung negativ. Ausfedern -> Sturz in Richtung positiv.

Die rot gestrichelte Linie in Bild 5 zeigt beispielhaft die Kurve auf der sich der Radmittelpunkt entlang des Federweges bewegt. Die gepunktete Linie stellt den Bewegungsverlauf des äußersten Punktes des Rades dar. Diese muss, gemäß TÜV-Richtlinie, stets den Mindestabstand von 6 mm zur Karosserie aufweisen. Am engsten wird es hier in der Regel im gezeigten Bereich des Radlaufes oder am höchsten Punkt der Einfederung, an der Innenseite des Seitenwandbleches (ist in diese Beispiel verhältnismäßig geräumig und unproblematisch dargestellt).

Bei einer Tieferlegung wird die Serienfeder (bislang gelb) durch eine, i.d.R. kürzere und härtere, Tieferlegungsfeder (hellgrün) ersetzt (Bild 6). Durch diese Längenänderung der Feder befindet sich das Rad jedoch nach dem Einbau der neuen Feder nicht mehr in der ursprünglichen Normallage, sondern ist bereits leicht eingefedert - genauer, um das Maß der gewählten Tieferlegung (Die Maßangabe der Tieferlegung bezieht sich auf die Position des Rades zum Kotflügel oder Fahrzeugaufbau - nicht auf die Länge der Feder). Ohne, dass unser Fahrzeug nun fährt oder federt befindet sich die Aufhängung in einem dauerhaft eingefederten Zustand - schon im Stand. Daher auch die Achsvermessung mit Sturz- und Spureinstellung nach dem Verbau von Tieferlegungsfedern. Dieser Zustand ist vergleichbar mit einem beladenen Fahrzeug und Serienfedern. Denn das Fahrzeuggewicht stützt sich auf den Federn ab. Der Verbau von Tieferlegungsfedern simuliert also im Prinzip bloß einen Beladungszustand. Ob ich mein Fahrzeug also um 30 mm mithilfe von Federn tiefer lege oder solange belade bis die Räder optisch 30 mm weiter ins Radhaus eingetaucht bzw. eingefedert sind macht optisch, von außen betrachtet, erst einmal keinen Unterschied - allerdings für Fahrdynamik, -komfort und -sicherheit.

In Darstellung 7 (Tieferlegung über Fahrwerk mit Serienfeder gelegt) wird erkennbar, dass sich allerdings die rot gestrichelte Kurve, auf der sich unser Rad bewegt, nicht verändert hat. Der Federweg ist derselbe - wir befinden uns jetzt lediglich bereits im Stand weiter „oben“ auf dieser Bahn. Wir haben also jetzt zwar weniger Einfederweg zur Verfügung, aber um dasselbe Maß mehr Ausfederweg, bei unverändertem Stoßdämpfer (hier kommen dann zum Erhalt der Federvorspannung beim Ausfedern gekürzte Stoßdämpfer ins Spiel).
Gleichzeitig sehen wir auch, dass der äußerste Punkt des Rades bzw. Reifens, auch hier nach wie vor auf derselben Bahn entlangläuft. Er braucht also genau denselben Freiraum mit Tieferlegung, wie ohne. Denn den Anfang und das Ende des Federweges haben wir nicht verändert - lediglich den Punkt, den das Rad bei Fahrzeugstillstand bereits annimmt.

Das Fazit ist also: Ob große, kleine oder gar keine Tieferlegung spielt für den nötigen Bewegungsfreiraum des Rades keine Rolle. Überfahren wir ein hohes Hindernis, dann federt das Rad mit der Serienfeder genau bis zu demselben Punkt ein, wie das Rad mit Tieferlegungsfeder - wir brauchen also keinen zusätzlichen Platz für das Rad um eine Tieferlegung umzusetzen. Woran liegt das? Der Anschlag der Ein- und Ausfederbewegung wird nicht durch die Feder bestimmt.

Wie weit das Rad ausfedern kann bestimmt der Stoßdämpfer (Bild 8 - das Stützlager ist hier erst einmal unwichtig und daher weggelassen worden). Er hat eine bestimmte Kolbenstangenlänge, die bis zu einem bestimmten Punkt ausfahren kann. Damit es keinen Schlag von Kolbenstange auf Stoßdämpfergehäuse gibt, ist im Dämpfer ein sogenannter Zuganschlag (12, dunkelgrün) verbaut. Er ist ebenfalls nachgiebig ausgelegt, mal härter, mal weicher, aber setzt der Kolbenstangen- und somit der Ausfederbewegung der Feder und des ganzen Fahrwerks ein Ende.
Das obere Ende des Einfedervermögens der Aufhängung und somit der Feder, gibt die Zusatzfeder oder auch Anschlagpuffer vor (11/14, beige/hellgelb). Sie sitzt außen um die Stoßdämpferkolbenstange herum und liegt oben auf dem oberen Federteller oder dem Stützlager auf. Sobald das Rad ein Hindernis überfährt, durch das es Einfedern muss (Bild 8.3), wird dieser Einfedervorgang durch diese Zusatzfeder begrenzt. Sie wird gestaucht (14) und setzt der Radbewegung eine Kraft entgegen bis dieses nicht weiter einfedert. Deshalb federt das Rad mit Serienfeder und Tieferlegungsfeder nur bis zum gleichen Endpunkt ein - passt mein Rad also mit „Serienfahrwerk“ ins Radhaus, wird es dies auch mit Tieferlegungsfedern. Diese Zusatzfeder ist jedoch als "Notstopp" gedacht. Im realen Fahrbetrieb soll sie so selten wie möglich eingreifen.

Veränderung an Felgen oder Reifen

Einzig die Wahl anderer Felgen und Reifen hat also Einfluss auf die Freigängigkeit, wie in Abbildung 9 gezeigt. Das Rad wandert bei geringerer Einpresstiefe, größerer Felgenmaulweite oder breiterer Reifenwahl nach außen, in Richtung Kotflügel. Hier kann es dann bereits am Radlauf oder bei maximaler Einfederung an der Innenseite des Radhauses schleifen.
Ändert man hier jedoch zusätzlich den Sturz in Richtung positiver Werte, ändert das auch die Platzverhältnisse, wie der nächste Abschnitt beleuchten wird.

Diese Funktionsweise der Federwegbegrenzung ist für die McPherson-Achse gleichermaßen gültig, wie für alle anderen Achsen. Nur können dort Bauteile wie beispielsweise die Aufbau- oder Zusatzfeder getrennt vom Stoßdämpfer angeordnet sein - siehe viele Hinterachsen, u.a. E36, E46, E90 etc. Auch die Bewegung des Rades im Raum verhält sich dort ähnlich, wird nur ggf. mit einer anderen Lenkeranordnung erzielt.
Zudem stellen die Abbildungen und Bewegungsmuster nur Tendenzen dar und bilden Bewegungen mitunter übertrieben ab (Beispiel Sturzänderung über Federweg). So steht das Rad im Stand natürlich nicht immer exakt senkrecht auf der Straße - eine leichte Neigung in Richtung negativen Sturz ist bereits hier vorhanden - aber eben nicht pauschal bei allen Fahrzeugen. Zugleich existiert auch eine Spuränderung entlang des Federweges. Da diese aber ebenso von der Achskonstruktion abhängig ist und die Darstellung erschwert, wurde diese zugunsten der Erklärbarkeit hier außen vorgelassen.

Warum geht dann bei einem Fahrer mit 8,5x17 ET35 Rädern und 225er Reifen bei einer Tieferlegung von 20 mm das Rad sauber an der inneren Kotflügelkante vorbei und bei dem anderen mit 60/40 mm Tieferlegung küsst der Reifen die Kotflügelkante?
Die Antwort liegt im Radsturz.

Bild 10 zeigt das Tiefergelegte Rad in der Ruhelage, keine Ein- oder Ausfederung. Rein durch das Fahrzeuggewicht belastet. Der Sturz ist auf exakt dem Wert, den das Rad durch die Tieferlegung annimmt, wurde also noch nicht korrigiert.
Wenn ein Rad einfedert nimmt es an modernen Pkw nahezu immer einen zunehmend negativen Wert an um die Kurvenfahrt zu unterstützen und das Fahrzeug in der Spur zu halten. So wie hier jetzt zu sehen.
Warum sollten wir hier also etwas korrigieren? Das Rad hat doch Platz? Ja, das Rad hat Platz und federt berührungsfrei bis in den Anschlag, ABER: Der Reifen verschleißt durch die höheren Sturzwerte in der Ruhelage stärker auf der Innenseite des Gummis. Dieser einseitige Reifenabrieb verringert die Lebensdauer des Reifens mitunter enorm (je nach Tieferlegung und Achskonstruktion) von mehreren zehntausend Kilometern auf wenige Tausend.
Wir wollen also eigentlich die obere Außenkante des Reifens wieder "nach außen kippen", also den negativen Sturz verringern, damit das Rad bei normaler Fahrt nahe der Ruhelage, möglichst senkrecht auf der Straße liegt. Das macht uns aber Probleme hinsichtlich der Freigängigkeit.
In diesem Fall haben wir einen Kotflügel, der uns wenig Freiraum bietet (verglichen mit den Darstellungen oben) und wir müssen darauf achten, dass das Rad nicht anstößt oder schleift. Sonst ist der Wagen nicht fahrbar, da das Rad nicht einfedern kann oder der TÜV nimmt die Tieferlegung oder Radänderung nicht ab, aufgrund mangelnder Freigängigkeit (zur Karosse 6 mm min.).

Bild 11 zeigt diese Sturzkorrektur, die man im Normalfall bei jedem Straßenfahrzeug durchführen würde um die negativen Verschleißeffekte durch den Sturz nach einer Tieferlegung wieder zu kompensieren. Diese Sturzkorrektur kann verschiedene Formen annehmen (Langlöcher im Federbein, Langlöcher im oberen Stützlager, Exzenterschrauben, o.ä.), die hier im Detail aber unwichtig sind. Das Prinzip ist relevant.
Wir kippen also das Rad wieder oben nach außen. Zurück in die Ausgangslage (oder möglichst nahe daran), die unser Rad in Bild 1 und 2 noch inne hatte. 
Wenn wir jetzt besonders sportlich unterwegs sind und mit Absicht viel Sturz fahren möchten, dann lassen wir die Radstellung wie sie ist oder korrigieren den Sturz nur ein wenig zurück. In Kurven hilfreich, auf der Geraden kostet es uns Traktion und erhöht den Verschleiß auf der Innenkante des Reifens.
Diese Sturzkorrektur zurück auf die Serienwerte zeigt aber schnell ein Problem: Der Reifen läuft nun nicht mehr sauber am Kotflügel vorbei. Das stellt Bild 12 nochmal besser dar.



Hier sehen wir die theoretische Kurve, die das Rad ohne Sturzkorrektur beschrieben hätte (grün): Das Rad wäre sauber am Kotflügel vorbei gelaufen.
Gleichzeitig sehen wir aber auch das Problem, das die Sturzkorrektur mit sich bringt: die rote Kontur zeigt, dass das Rad mit diesen Sturzwerten an Kotflügel anstoßen würde.
Was bedeutet das? Wir müssen mehr Sturz einstellen um die benötigte Freigängigkeit zu schaffen, das kostet aber unter Umständen Reifenlebensdauer. Oder wir müssen eventuelle Spurplatten entfernen oder weniger davon fahren, falls vorhanden. Oder das wir müssen eine andere Felge (weniger breit, höhere Einpresstiefe) wählen oder die Tieferlegung überdenken. Alles in allem haben wir ein schwerwiegendes Problem mit der Tieferlegungs-/Felgen-Kombination die wir gewählt haben und müssen oben genannte Lösungsmöglichkeiten erwägen.



Im Umkehrschluss bedeutet es aber auch: Brauchen wir mehr Freigängigkeit zwischen Kotflügel und Rad, können wir auch den Sturz als Werkzeug einbeziehen. Müssen uns aber auch der Nachteile bewusst sein, wenn wir größere Negativwerte zulassen. Bis zu einem gewissen Grad können wir so auch Kurvenperformance generieren. Aber ab großen Sturzwerten (bei Straßenreifen: mehr -3° bis -4°, Rennreifen verkraften auch -4° bis teilweise -5°) wird der Reifen nicht mal mehr in der Kurve vollständig genutzt und es ist nur noch ein Mittel zum Zweck - oder der Optik, wie bei einigen extremen Tuningtrends zu sehen. Diese haben aber dann nichts mehr mit Fahrbarkeit gemein.

Fazit: Die Tieferlegung an sich beeinflusst nicht die Freigängigkeit einer gleichen Rad-/Reifenkombination verglichen mit Serienfedern oder einer anderen Tieferlegung. Was einen Einfluss schafft ist die nachträgliche Sturzänderung 

Wer sich tiefer in die Materie einlesen möchte, dem sei neben einer intensiven Internetrecherche auch das Buch "Fahrdynamik in Perfektion" von Wolfgang Weber empfohlen - für Technik- und Automobilinteressierte sehr anschaulich und verständlich gehalten. Noch detaillierter ist die einschlägige Fachliteratur zum Thema Fahrwerk.

Über Anmerkungen, Ergänzungen, Hinweise auf etwaige Fehler oder unverständliche Formulierungen per persönlicher Nachricht an mich würde ich mich freuen.

„SHiFTY-59“