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 können zylindrischen oder anderen Querschnitt haben, rechteckige können gebündelt verwendet werden, z. B. an leichten PKW-Anhängern oder der F-Reihe von Hanomag-Henschel. Aufwändiger ist das Bündeln zylindrischer Drehstabfedern.

Eine Schraubenfeder ist ebenfalls eine Torsionsfeder. Sie ist ein schraubenförmig gewickelter Stab, der gleich wie der gerade Torsionsstab über die ganze Länge durch ein Torsionsmoment elastisch beansprucht wird.

Beispiele für angewendete Drehstäbe sind neben den Drehstabfedern und -stabilisatoren in Automobilen das Torsionspendel in mechanischen Uhren, das Torsionsband in Drehspulmessinstrumenten (für Erzeugung des Reaktionsmoment und als Lagerelement für die Drehspule).

Berechnung

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

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

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

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

${\displaystyle \tau =M_{t}/W_{p}\leq \tau _{\mathrm {zul} }}$.

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

Pkw

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 (Hinterachse), VW Käfer, 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.

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 selbstständig 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 den hinteren Achsen mit längs eingebauten Drehstäben gefedert. Die Vorderachsen der 6x6- und alle Achsen der 8x8-Variante sind an Halbelliptik-Blattfedern aufgehängt. Die Sattelzug-Variante ist an den Vorderachsen mit Drehstabfederung und an den Hinterachsen mit Luftfedern ausgerüstet.

Motorrad

Gelegentlich sind Drehstabfedern an Hinterradschwingen anzutreffen.

Militär

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.

Eisenbahn

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.

• AutoZine Technical School site (englisch)

Einzelnachweise

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