PUSH-ROD by ZORN Motorsport – eine Übersicht

Kapitel 1: das wichtigste zuerst (die Vorteile)

Wir werden oft gefragt, warum man Push-Rod Systeme trotz ihrer bedeutenden Vorteile nicht öfter antrifft. Für den Rennsport liegt die Antwort auf der Hand: es kommt darauf an, ob das jeweilige Reglement eine Push-Rod-Anlenkung des Federbeins zulässt. Nehmen wir mal die vom DMSB ausgeschriebenen Rennserien:
bis auf Gruppe H im Slalom und E1 am Berg gibt es keine Möglichkeit, nachträglich auf Push-Rod umzubauen.

Was Serienfahrzeuge angeht, sieht die Welt ganz anders aus. Die Fahrzeughersteller hätten theoretisch freie Hand. Doch neben der Kostenseite (Push-Rod = mehr Teile im Fahrwerk = teurer) verhindert üblicherweise das Thema Bauraum den Einsatz von Push-Rod-Anlenkungen. Ein Mittelklasse-Kombi ohne Kofferraum, weil
innenliegende Federbeine den Platz versperren? Unpraktisch!

So kommt es, dass Push-Rods maßgeblich bei extrem hochpreisigen Sportwagen zum Einsatz kommen. Die Produktionskosten spielen kaum eine Rolle und Kofferraum wird sowieso nicht benötigt.

Nun kommen wir zu unserem persönlichen ZORN-Motorsport-Ranking in Sachen Vorteile eines Push-Rod Systems und dazu, warum es Sinn macht, Push-Rods nachzurüsten:

Vorteil #1: Reduktion der ungefederten Massen

Die Grundlagen:
Physikalisch gesehen ist die Verbindung zwischen der Karosserie und einem Rad ein so genannter Zwei-Massen-Schwinger. Masse 1 ist der auf ein einzelnes Rad bezogene Anteil der Karosserie (man spricht hier auch vom Aufbau). Diese Masse ist entsprechend sehr viel höher als Masse 2, dargestellt durch das Rad und dessen Anbindung inklusive aller daran angebrachten Anbauteile wie z.B. die Bremse. Weil die Karosserie mittels Feder von den Fahrbahnunebenheiten entkoppelt ist, wird Masse 1 als gefederte Masse bezeichnet. Masse 2 ist im Gegensatz dazu die ungefederte Masse, sie wird direkt von Fahrbahnunebenheiten angeregt. Für ein stabiles, kontrollierbares Fahrverhalten müssen beide Massen relativ zueinander gedämpft werden – andernfalls würde Masse 2 unkontrollierte Anregungen in den Aufbau einleiten.

Die Bedeutung der ungefederten Masse:
Man mag es kaum glauben, aber es lässt sich in einem einzigen Satz zusammenfassen: eine geringere ungefederte Masse leitet vertikaldynamisch weniger Energie in die Karosserie ein, was der Stabilität des Aufbaus und damit der Beherrschbarkeit des Fahrverhaltens im Grenzbereich entgegenkommt.

Zugegebenermaßen, für heutige Straßen-PKW ist das in der Regel kein Thema. Diese nutzen schon allein aus Komfort-Gründen verhältnismäßig geringe Federraten und lange Dämpferhübe. Damit wird die eingeleitete Energie ohne großen Einfluss auf den Aufbau zuverlässig abgebaut.

Ganz anders sieht es bei Rennfahrzeugen aus: sie kommen nicht nur mit hohen Federraten, einer geringen Bodenfreiheit und damit einhergehend mit verringerten Dämpferhüben. Sie haben in der Regel auch ein deutlich geringeres Gewicht des Aufbaus, was das Verhältnis zwischen Masse 1 (Karosserie) und Masse 2 (ungefederte Masse) deutlich verschlechtert und damit die Empfindlichkeit auf vertikaldynamische Anregungen extrem erhöht.

Es liegt also auf der Hand, dass jede Reduktion der ungefederten Massen, sei es durch leichte Felgen, gewichtsoptimierte Bremsanlagen (z.B. Keramik) oder eben ein Push-Rod Dämpfersystem, der Stabilität des Aufbaus zuträglich ist – mit dem Ziel, das Fahrverhalten im Grenzbereich beherrschbarer zu machen.

Kommen wir nun zu den Zahlen: am Beispiel eines Golf 2 wird die Größe der Einsparung deutlich. Während ein handelsübliches Gewindefederbein der Hinterachse ca. 4.900g auf die Waage bringt, wiegt die Schubstange aus hochfestem Aluminium (mit 2x Stahl-Uniball) nur ca. 700g. Die Reduktion beträgt an dieser Stelle also ganze 85 Prozent!

Betrachtet man die Einsparung auf die ganze Radaufhängung (also inklusive Achse, Bremse, Rad etc.), landet man unter dem Strich bei ca. 14% Reduktion (Annahme: 30kg vorher / 25,8kg nachher).

Vorteil #2: Einstellung der Fahrhöhe ohne Einfluss auf die Federwege/Dämpferwege

Gewindefahrwerke sind heute Stand der Technik – sowohl im Motorsport als auch in der breiten Masse der Fahrzeugliebhaber allgemein. Das große Manko dürfte daher jedem aus erster Hand bekannt sein: schraubt man das Fahrwerk tiefer, reduziert sich der Einfederweg, was sich oft durch unkomfortables Fahrverhalten bemerkbar macht. Um den gleichen Betrag erhöht sich entsprechend der Ausfederweg, vielmals verbunden mit einem Verlust der Federvorspannung. So richtig flexibel ist man in Sachen „perfekter Fahrhöhe“ also nicht.

Ein anderes Bild ergibt sich in Verbindung mit einem Push-Rod System. Zusätzlich zum Gewinde am Federbein, was wirklich nur noch dazu dient, die nominale Dämpferlänge bei der tatsächlichen Radlast einzustellen, gibt es eine Gewindeverstellung an der Schubstrebe. Ausgeführt als Kombination aus Rechts- und Linksgewinde, lässt sich die Fahrhöhe einstellen, ohne Einfluss auf die tatsächlichen Ein- und Ausfederwege zu nehmen. Fahrzeug mal eben auf „Safari-Höhe“ stellen und trotzdem noch Ausfederweg? Geht! Oder andersrum: bei topfebener Strecke nochmal 10mm tiefer stellen, ohne danach auf dem Endanschlag zu reiten? Kein Problem!

Vorteil #3: einfache Implementierung von Messtechnik

Auch wenn wir an die Wirksamkeit eines guten Popometers in Sachen Feinabstimmung glauben – ein Grundsetup findet sich oftmals leichter durch objektive Daten. Ein paar wenige Sensoren reichen, um die Bewegung des Fahrzeugs zu dokumentieren und Rückschlüsse auf Fahrwerksoptimierungen zu ziehen: Wegsensoren in Form von Linear-Potentiometern (montiert an den Federbeinen) zeichnen den Hub auf, die Ableitung des Signals ergibt die Dämpfergeschwindigkeit.

Endlich bekommen die F-V-Diagramme des Fahrwerksherstellers eine handfeste Bedeutung!

Selbstverständlich lassen sich die Wegsensoren auch an einem „normalen“ Federbein oder Dämpfer anbringen. Dann aber sind Kabel und Sensoren allen Widrigkeiten im Radhaus ausgesetzt: Steinschlag, Staub, Regenwasser oder umherfliegende Fremdkörper. Das mag für kurze Testfahrten in Ordnung sein, aber die Daten einer ganzen Saison wird man auf diese Weise nicht sammeln können.

In besonderen Fällen gehen wir noch einen Schritt weiter und applizieren Dehnungs-Mess-Streifen (DMS) auf den Schubstreben. Über die elastische Längenausdehnung unter Last ändert sich die Spannung am Eingang des Messverstärkers. Wenn Querschnitt und Materialdaten exakt bekannt sind, kann man daher ziemlich präzise auf die wirkende Last zurückrechnen. Was sich hier recht einfach liest, ist in der Praxis eine Wissenschaft für sich – Applikation und Kalibrierung brauchen ein gewisses Maß an Fingerübung.

Solche Messungen ohne Push-Rod System? So gut wie unmöglich!

Vorteil #4: mehr Platz für die Räder

Betrachtet man ein handelsübliches Gewindefederbein, beträgt der Außendurchmesser der Federn ca. 85 bis 90mm, abhängig von der Federrate. Die Schubstrebe eines Push-Rod-Systems hat hingegen keine 25mm im Durchmesser. Damit ergibt sich ein Bauraum-Plus von (42,5 - 12,5 =) 30mm – oder anders gesagt mehr als ein ganzes Zoll, was das Rad nach innen breiter werden kann. Warum sollte man sich dieses Plus an Bodenhaftung (sowohl längs- als auch querdynamisch!) entgehen lassen?

Vorteil #5: Gewichtsersparnis allgemein

Je größer das gewählte Übersetzungsverhältnis zwischen Rad und Federbein ist, umso geringer sind die resultierenden Hübe an Dämpfer und Feder. Überschlägig könnte man sagen: halbe Federlänge = halbes Federgewicht. Das Ganze gilt in gewissen Grenzen auch für den Dämpfer.

Für unsere Push-Rod Systeme gehen wir jedoch noch einen Schritt weiter: statt Stahlgehäuse handelsüblicher Gewindefahrwerke kommen Aluminium-Gehäuse zum Einsatz. Des Weiteren konnte der Feder-Innendurchmesser von 61mm auf 51mm reduziert werden, was einer weiteren Gewichtsersparnis an der Feder von näherungsweise 20% entspricht! Ein großes Dankeschön geht an dieser Stelle an das Team von KW Racing (ehemals KW Competition) für den unermüdlichen Support.

Nachfolgend ein Bild mit dem direkten Vergleich 'Gewindefederbein Golf 2 Standard' zu 'Gewindefederbein ZORN Motorsport Push-Rod AusfĂĽhrung'.

Leider wird der Gewichtsvorteil im Falle unseres Golf 2 durch die Haltekonstruktion wieder aufgezehrt. Schade, aber es bleibt immerhin noch die zusätzliche Versteifung der Karosserie an dieser Stelle.

Damit wären wir am Ende unserer Aufzählung der Vorteile angelangt. Weil es außer bei Formelfahrzeugen keine freistehenden Räder gibt, führen wir verbesserte Aerodynamik hier nicht als Vorteil auf, möchten diesen Punkt allerdings auch nicht komplett unerwähnt lassen. Schließlich war die Aerodynamik ausschlaggebend für den allerersten Einsatz eines Push-Rod Systems überhaupt. Mehr dazu weiter unten.

Kapitel 2: die Technik

2.1 Umlenkungsmechanismus
Der Aufbau eines Push-Rod Systems ist recht einfach zu beschreiben. Das Federbein wird mittels einer Umlenkung (bestehend durch eine Schubstrebe und einen so genannten Rocker) an eine andere Position im Fahrzeug versetzt.

Die Federbeine können dabei theoretisch beliebig im Raum positioniert werden, so lange die verwendete Dämpfertechnologie eine entsprechende Position zulässt: quer zur Fahrtrichtung, längs zur Fahrtrichtung, stehend oder liegend - oder eben diagonal.

Das einzige was bei der Konzeption beachtet werden sollte ist, dass die Lasteinleitung in den Umlenkungsmechanismus möglichst ohne Querkräfte erfolgt. Querkräfte sind nicht nur negativ für die Lebensdauer der Lagerung sondern erzeugen auch zusätzliche Reibung. Daher erfolgt die Anbindung von Schubstrebe und Dämpfer üblicherweise durch sphärische Lager (umgangssprachlich Uniball genannt).

Eine grundlegende Frage ist außerdem die Wahl des Übersetzungsverhältnisses von Radhub zum Hub des Federbeins. Hier gibt es kein richtig oder falsch – in der Regel hängt die Auswahl von 3 Faktoren ab:
- Einsatzzweck des Fahrzeugs
- zur VerfĂĽgung stehender Bauraum
- zur VerfĂĽgung stehende Systemkomponenten (beispielsweise Auswahl der Federn)

Drei mögliche Fälle sind denkbar:

Fall 1
Ăśbersetzung 1:1 Rad/Federbein (Radhub entspricht dem Hub am Federbein)
Anwendungsfall: Federbein wird bei freistehenden Rädern maßgeblich aus Aerodynamik-Gründen hinter Verkleidungen/Karosseriebauteile verlegt

Fall 2
Ăśbersetzung >1, beispielsweise 2:1 Rad/Federbein
Vorteil: das Federbein kann im Verhältnis deutlich kleiner und leichter ausfallen
Nachteil: extrem hohe Federraten notwendig (nur ein echter Nachteil, wenn diese Federn nicht zum Standard-Programm des Federnherstellers gehören)
Anwendungsfall: Rennfahrzeuge, beengte Platzverhältnisse

Fall 3
Ăśbersetzung <1, beispielsweise 1:2 Rad/Federbein
Vorteil: Dämpfer und Anschlagpuffer können etwas filigraner abgestimmt werden
Nachteil: extrem hoher Platzbedarf fĂĽr die Federbeine
Anwendungsfall: aus Rennfahrzeugen abgeleitete StraĂźen-Sportwagen

Wir haben uns aufgrund der Platzverhältnisse und der Gewichtsreduktion für eine Übersetzung >1 entschieden.

2.2 Federn
Die nachfolgende Tabelle ist ausdrücklich keine allgemeingültige Tabelle. Sie legt zwei Annahmen zu Grunde: nämlich einerseits das von uns vordefinierte Übersetzungsverhältnis unseres Push-Rod Systems und andererseits eine ungefederte Masse von nur 20kg, was definitiv nur für Fahrzeuge mit kleinen Rädern zutrifft.

Ihr könnt daraus ablesen, welche Federrate wir abhängig von Einsatzzweck und Achslast empfehlen würden und ob diese Federrate in unserem Sortiment verfügbar ist. Grüne Felder = Federrate ist verfügbar.

Falls ihr einen Anwendungsfall mit anderen ungefederten Massen oder höheren Achslasten habt, nehmt gerne Kontakt mit uns auf.

2.3 Dämpfer
Es gilt zu beachten, dass handelsübliche Zwei-Rohr-Dämpfer in der Regel nicht zur Anwendung in Push-Rod Systemen geeignet sind. Sie kommen ohne Gas-Öl-Trennung und würden bei extremer Schrägstellung zur Verschäumung neigen und keine oder nur noch geringe Dämpfkräfte stellen - oder im günstigsten Fall „nur“ verzögerten Kraftaufbau zeigen. Nicht nur im Renneinsatz, auch im Straßenbetrieb eine extrem gefährliche Angelegenheit.

Als Faustformel gilt: spätestens sobald Einbauwinkel von 40° überschritten werden, werden entweder Dämpfer mit externem Reservoir (Ausgleichsbehälter) oder Dämpfer in Einrohr-Bauweise benötigt.

Kapitel 3: kundenspezifische Auslegung

Wir fertigen jedes Push-Rod System auf Kundenbestellung und haben daher die Möglichkeit, auf alle Wünsche oder technischen Gegebenheiten (z.B. Bauräume) einzugehen. Bei bisher nicht realisierten Fahrzeugmodellen oder bei modifizierten Fahrzeugen mit gravierenden Änderungen verglichen zu einer Serien-Karosserie scannen wir den Bauraum mittels 3D Laser Scan.

Optional bieten wir UnterstĂĽtzung bei Inbetriebnahme und/oder bei Einbau von Messtechnik, ebenso wie Abstimmbegleitung mit oder ohne Datenaufzeichnung.

Die benötigten Federbeine oder auch ein Gesamtfahrwerk (VA+HA) können Sie wahlweise über uns beziehen (KW V3 racing) oder anhand unserer vorgegebenen Zeichnung von einem Hersteller Ihrer Wahl anfertigen lassen. Gerne legen wir auch in diesem Fall zusammen mit Ihnen Federrate und einen Dämpfkraftbereich fest.

Kapitel 4: Historie, Anwendungen und weitergehende Links

4.1 Historie
Glaubt man der Literatur, kam das erste Push-Rod System im Jahr 1961 in einem Lotus 21 zum Einsatz.
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4.2 bekannte Anwendungen
Eine Auswahl an StraĂźenfahrzeugen mit Push-Rod, in alphabetischer Reihenfolge:
- Ariel Atom - 2000 - Vorder- und Hinterachse
- Aston Martin One-77 - 2009 - Vorder- und Hinterachse
- Ferrari F50 - 1995 - an Vorder- und Hinterachse
- Ford GT - 2017 - Vorder- und Hinterachse
- Gumpert Apollo - 2005 - Hinterachse
- KTM X-Bow - 2008 - Vorderachse
- Lamborghini Aventador - 2011 - Vorder- und Hinterachse
- McLaren F1 - 1993 - Vorderachse
- Porsche 911 GT1 - 1996 - Hinterachse
- Porsche Carrera GT - 2003 - Vorder- und Hinterachse
- Rimac Concept One - 2013 - Vorderachse
- RUF SCR und CTR - 2019 - Vorder- und Hinterachse

4.3 weitergehende Links
Eine interessante Bachelor-Arbeit aus dem Jahr 2009 von Andrew Bayer, University of Cincinnati:
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Kapitel 5: Push-Rod Systeme von ZORN Motorsport

Auch wenn wir das Rad an dieser Stelle nicht neu erfinden, sind wir ĂĽberzeugt von den technischen Vorteilen der Push-Rod Anlenkung.

Die Herausforderung, ein kompakt bauendes und dennoch möglichst flexibles System zu entwerfen hat uns angetrieben – ohne Abstriche bei der Zuverlässigkeit zu machen:
- die entworfene mehrteilige Lager-Einheit ist vollkommen wartungsfrei und reibungsarm
- alle Lagerteile wurden ausgelegt auf Betriebsfestigkeit ĂĽber Lebensdauer
- die Übersetzungsverhältnisse sind dank flexibler Arm-Längen anpassbar
- eine groĂźe Feder-Auswahl ist verfĂĽgbar, um ein breites Spektrum von Achslasten und Einsatzzwecken abzudecken

Alles mit dem klaren Ziel vor Augen, die theoretischen Vorteile in einen echten Wettbewerbsvorteil auf der Strecke umzuwandeln.

Das sagen unsere Kunden: