Drehmoment statt Bremsmoment – gesteigerte Fahrdynamik durch „Torque Vectoring“

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Unter dem Begriff „Torque Vectoring“ erobert eine neue Form des Verteilergetriebes den Automobilmarkt. Noch werden vor allem hochpreisige Sportwagen damit ausgerüstet, doch angesichts der Vorteile dieses neuen Systems könnte eine Marktdurchdringung bald erfolgen.

Die Automobil-Entwicklung der letzten Jahrzehnte war unter Anderem durch aufwändige Mehrlenker-Fahrwerke, Allradantriebe und Systeme zur elektronischen Unterstützung des Fahrers im Grenzbereich geprägt. Diese Entwicklung schlägt sich sowohl in sinkenden Unfallzahlen als auch in einer stetig abnehmenden Zahl von Verletzten und Todesfällen im Straßenverkehr nieder. Vor allem das vor 13 Jahren eingeführte ESP sorgte für einen solch enormen Quantensprung bei der Sicherheit, dass im neu formulierten NCAP-Crashtest das Fehlen eines Schleuderschutz-Programms unweigerlich zu einem Punktabzug in der Wertung führt. Die Konsequenz: Ohne ESP lässt sich die Crashtest-Bestnote von fünf Sternen zukünftig nicht mehr erreichen.

Torque Vectoring

Doch allen ESP-Systemen ist bis heute gemeinsam, dass sie einzelne Räder des schleudergefährdeten Fahrzeugs abbremsen, um so dem um die Hochachse entstehenden Drehmoment (Giermoment) gezielt entgegenzuwirken. Allerdings wird mit dem Abbremsen einzelner Räder auch das gesamte Fahrzeug langsamer. Mit anderen Worten: Die Fahrdynamik sinkt durch den Eingriff des ESP. Exakt an dieser Stelle setzten die Ingenieure bei der Entwicklung des neuen Differentials an. Ziel war, die Schleuderneigung des Fahrzeugs nicht durch das gezielte Abbremsen bestimmter Räder zu verringern, sondern durch das gezielte Beschleunigen der entgegengesetzten Räder den gleichen Effekt zu erreichen. Das „Sportdifferential“ arbeitet damit im Prinzip wie ein umgekehrtes ESP, d.h. statt bei einer instabilen Fahrsituationen ein Rad abzubremsen, wird die Antriebskraft an das Rad geleitet, das die größte Giermomentreduktion verspricht.

Am effektivsten lässt sich das „Torque Vectoring“ (auch „Sportdifferential“, „Vector-Drive“, „Dynamic Performance Control“) an der Hinterachse einsetzen, es ist aber genauso in den Antrieb der Vorderachse integrierbar. Am Beispiel eines frontgetriebenen Fahrzeugs arbeitet das System wie folgt: Sobald in einer Fahrsituation – egal ob Kurvenfahrt oder Ausweichmanöver – Untersteuern einsetzt, beaufschlagt die elektronische Steuerung das kurvenäußere Rad über die separate Kupplung mit mehr Antriebskraft. So schiebt „Torque Vectoring“ den Wagen sozusagen in die Kurve hinein.

Aufbau und Funktionsweise

Um die Antriebsmomente stufenlos variabel zwischen den antreibenden Rädern zu verteilen, musste ein neues Achsgetriebe konstruiert werden. Deshalb wurde an das in seiner Funktion bekannte Differential jeweils ein Überlagerungsgetriebe (als integriertes Planetengetriebe) für jedes Rad der antreibenden Achse angeflanscht. Diese beiden seitlich am Differential, also direkt auf den Achswellen sitzenden Überlagerungsgetriebe können mittels in Ölbad laufender Mehrscheiben-Lamellenkupplung mit der Achswelle kraftschlüssig gekoppelt werden. Die beiden Kupplungen werden je nach Hersteller durch elektrohydraulische Aktuatoren (Audi) oder elektrische Stellmotoren (BMW) betätigt, die zum Ein- bzw. Auskuppeln lediglich 80–100 Millisekunden benötigen. Das Drehmoment ist stufenlos variierbar.

Die Beschleunigung des angesteuerten Rades wird möglich, weil sich der Planetensatz des Überlagerungsgetriebes rund zehn Prozent schneller als die Antriebswelle des Rades dreht. Bei schließender Kupplung wird diese Antriebsenergie in die Achswelle eingeleitet. Im Gegensatz zu einem normalen Differential kann durch das Überlagerungsgetriebe die Kraft unabhängig vom kurveninneren Rad auf das kurvenäußere Rad geleitet werden. Das ist ein gravierender Vorteil, da ein herkömmliches, offenes (ungesperrtes) Differential die Kraft auf das kurveninnere, entlastete Rad leitet, das nur geringe Antriebskräfte übertragen kann. So verbessert das System auch die Traktion auf unterschiedlichen Fahrbahnbelägen (µ-Split) und wirkt damit letztlich wie ein Sperrdifferential.

Bei Geradeausfahrt ist kein Unterschied spürbar, denn dann arbeitet das Differential – ohne dass das Überlagerungsgetriebe zugeschaltet ist – wie ein ganz gewöhnliches Verteilergetriebe. Die beiden Kupplungen sind geöffnet, wobei das Überlagerungsgetriebe bzw. der Planetensatz sich im Ganzen zwar im Gehäuse mitdreht, jedoch die Zahnräder des Planetengetriebes nicht abwälzen, weshalb bei Geradeausfahrt kaum zusätzliche Energie verbraucht wird.

Doch das „Sportdifferential“ kann noch mehr: Die Entwickler haben die Software so programmiert, dass nicht nur bei angetriebenen Rädern eine Drehmomentdifferenz erzeugt wird, sondern auch im Schubbetrieb. So regelt das System bei kurvigen Bergabfahrten den Vortrieb über eine Verteilung des Motorschleppmoments. Die Regelung der Drehmomentverteilung zwischen den beiden Rädern erfolgt über ein Hochleistungs-Steuergerät, das aus den Informationen über Querbeschleunigung, Fahrgeschwindigkeit, eingelegter Gangstufe, Raddrehzahl, Gier- und Lenkwinkel die geeignetste Verteilung der Radmomente errechnet.

Verbesserte Fahrdynamik

Dadurch, dass nicht nur in Gefahrensituationen und beim Beschleunigen der Kraftfluss zwischen den antreibenden Rädern verteilt wird, sondern ebenso beim Anlenken von Kurven die Antriebskraft gezielt in das kurvenäußere Rad fließt, steigt die Fahrdynamik spürbar. Mit diesem „gezielt eingesetzten Drehmoment“ (so die wörtliche Übersetzung von „Torque Vectoring“) lenkt das Fahrzeug noch spontaner und direkter in die Kurve ein, außerdem bleibt es deutlich länger spurstabil. Die unterschiedlichen, kontinuierlich zwischen linkem und rechtem Rad fließenden Antriebskräfte lenken dabei das Fahrzeug aktiv mit – hektische Lenkkorrekturen gehören deshalb der Vergangenheit an.

Durch diesen aktiven Einfluss auf die Lenkung lassen sich mit „Torque Vectoring“ erstaunliche Wirkungen erzielen. In der Fahrpraxis lässt sich das Sportdifferential nahezu mit einer Hinterachslenkung vergleichen – zumindest bei höheren Geschwindigkeiten (natürlich nicht beim Rangieren in die Parklücke). Eine kostengünstige Verbesserung der Fahrdynamik, der Agilität und der Fahrsicherheit ist ohne Zweifel möglich. Da das ESP seltener eingreifen muss, vermindert sich obendrein der Bremsenverschleiß.

TWINSTER®+: Simulierter Heckantrieb

Einen ganz besonderen Anspruch an die „Torque Vectoring“-Technologie haben indes die Entwickler des weltweit größten unabhängigen Pkw-Getriebeherstellers GETRAG, die für frontgetriebene Fahrzeuge das sogenannte TWINSTER®+-Differential entwickelt haben. Dieses System wurde noch vor einiger Zeit als Vierradantrieb im Mini Cooper S präsentiert, doch die Ingenieure haben sich mittlerweile dazu entschlossen, einen anderen Ansatz zu verfolgen, der in seiner Auswirkung durchaus richtungsweisend sein dürfte. Auf einen Vierradantrieb wurde bei der aktuellen Entwicklung verzichtet, das Twinster-System stattdessen in den Vorderachsantrieb integriert.

Die Idee dahinter: Wird das kurvenäußere Vorderrad mit mehr Drehmoment beaufschlagt als das kurveninnere Vorderrad, entsteht ein Drehmoment um die Hochachse (Giermoment), das einerseits die Fahrzeugfront in die Kurve hineinschiebt, andererseits das Fahrzeugheck kontrolliert zum Kurvenäußeren drehen lässt – also ein Fahrverhalten ähnlich wie bei einem Hecktriebler nachahmt. Zum fahrdynamisch verblüffenden Resultat konkretisiert Michael Höck von GETRAG gegenüber KRAFTHAND: „Mit dem lediglich auf die Vorderachse wirkenden Twinster-System ist es nahezu möglich, einen Heckantrieb zu simulieren. Das Fahrzeug schiebt trotz Frontantrieb bei Kurvenfahrt nicht mehr über die Vorderräder, bricht auch nicht mit dem Heck aus, bleibt beherrschbar und vollkommen neutral.“

Der Aufbau des GETRAG-Verteilergetriebes dürfte durch seine kostengünstige und kompakte Bauart richtungsweisend sein, denn das TWINSTER®+-System besteht lediglich aus zwei hydraulisch geregelten Kupplungen, die die Antriebskraft des Motors bedarfsgerecht und unabhängig voneinander auf die beiden Vorderräder verteilen. Das mechanisch aufwändige Differential und die beiden angeflanschten Überlagerungsgetriebe werden damit überflüssig.

Fazit und Ausblick

Sowohl das „Torque Vectoring“-Differential als auch das Twinster-System sind laut Hersteller auf Lebenszeit wartungsfrei, doch abgesehen vom GETRAG-System sind die anderen „Torque Vectoring“-Systeme recht aufwändig konstruiert und deshalb teuer. Aus diesem Grund sind sie bislang vor allem in hochpreisigen Sportwagen zu finden.

Die Frage nach der Sinnhaftigkeit eines solchen, letztlich nur für ambitionierte Sportfahrer sinnvollen Fahrdynamik-Systems mag sich jeder Kunde selbst beantworten. Eine indirekte Antwort wurde bereits von einem renommierten Automobilhersteller gegeben, der den Einbau eines „Torque Vectoring“-Differentials in Serienfahrzeugen für überflüssig hält und sich deshalb grundsätzlich gegen eine Integration eines solchen Systems in seine Fahrzeuge ausgesprochen hat.

Veröffentlichung mit freundlicher Genehmigung von KRAFTHAND / Frank O. Hrachowy

Bilder: ZF, Getrag, BMW, Audi

 

Begriffsverwirrung

Begriffsverwirrung: Egal ob „Torque Vectoring“, „Sportdifferential“, „Vector-Drive“ oder „Dynamic Performance Control“ – dahinter verbirgt sich eine aktive Drehmomentverteilung. (Bild ZF)

Umgekehrtes ESP

Umgekehrtes ESP: Mittels aktiver Drehmomentverteilung lässt sich das Fahrverhalten sowohl beim Unter- als auch beim Übersteuern korrigieren. (Bild ZF)

Funktionsschema

Funktionsschema: Nicht nur in Notsituationen wird das System aktiv, sondern auch bei ganz normaler Kurvenfahrt. Dadurch steigt die Agilität spürbar. (Bild Audi)

Komplexes Regelsystem

Komplexes Regelsystem: Aus den Informationen über Querbeschleunigung, Fahrgeschwindigkeit, eingelegter Gangstufe, Raddrehzahl, Gier- und Lenkwinkel wird die geeignetste Verteilung der Radmomente errechnet. (Bild Audi)

Verborgenes Überlagerungsgetriebe

Verborgenes Überlagerungsgetriebe: Der Planetenradsatz dreht sich rund 10 Prozent schneller als die Achswelle, dadurch kann seine kinetische Energie zur Drehmomentsteigerung herangezogen werden. (Bild BMW)

Kostengünstig und umkompliziert

Kostengünstig und umkompliziert: Mit dem TWINSTER®+-System von GETRAG lässt sich ein Fronttriebler fast wie ein Fahrzeug mit Heckantrieb bewegen. (Bild Getrag)

Lesen Sie im angehängten PDF-Dokument "Fahrdynamik" noch einmal in Ruhe diesen interessanten und umfangreichen Bericht zu dieser Thematik.

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