24. September 2010

«Neuer» Drehzahlausgleich bei Audi

Viele Baugruppen im Automobil, von denen man denkt, dass ihre Entwicklung abgeschlossen wäre, erwachen plötzlich wieder zu neuem «Leben» und verändern sich in Funktion, Aufbau oder Eigenschaften. Audi stellte am diesjährigen Automobilsalon in Genf im Modell RS5 erstmals das Kronenrad-Differenzial vor und erweitert damit die Möglichkeiten im Allradantrieb.

«Neuer» Drehzahlausgleich bei Audi

Das Doppelkupplungsgetriebe mit angeflanschtem Zentraldifferenzial in der Bau­art des Kronenraddifferenzials. Auf Kupplungshöhe ist die Antriebswelle sichtbar.

VON ANDREAS LERCH

Lange Jahre war das Kegelraddifferenzial «Stand der Technik». Alle Autos waren mit diesen doppelten Getrieben ausgerüstet: Das Achsantriebsgetriebe lenkte bei den Fahrzeugen mit Standard-Antrieb mittels zwei Kegelrädern (Pignon und Tellerrad) das Drehmoment in die Querachse des Fahrzeuges und verstärkte dieses gleichzeitig noch ungefähr um den Faktor 4. In diesem Achsantriebsgetriebe war das Differenzialgetriebe untergebracht, welches den Drehzahlausgleich der Räder bei Kurvenfahrt, ungleichem Haftwert zwischen linkem und rechtem Rad oder «holpriger» Strasse übernahm. Sportliche Fahrzeuge wussten über mechanisch betätigte Lamellenkupplungen die Differenzialwirkung zu bremsen und ermöglichten dadurch ein effizienteres Beschleunigen aus der Kurve.

Entwicklungstendenzen

Mit der Verbreitung der Allrad-Fahrzeuge wurde die Entwicklung vor allem bei den Verteilergetrieben
(= Längs- oder Zentraldifferenzial) vorangetrieben. Da wurden plötzlich selbstsperrende Torsen- oder Planetendifferenziale eingebaut. Kegelrad- oder Planetendifferenziale konnten mit Viscokupplungen gesperrt werden und mit der Zeit wurden die Sperrlamellen elek­trohydraulisch oder elektromechanisch angesteuert.
Den auch in Antriebsbelangen fortschrittlichen Audi-Ingenieuren ist es zusammen mit der im schweizerischen Düdingen beheimateten Firma ASS AG gelungen, eine neue Generation von Differenzialen auf den Markt zu bringen. Der «Vorsprung durch Technik» wird in diesem Zusammenhang von Audi mit dem «selbstsperrenden Kronenrad-Mittendifferenzial und der radselektiven Momentensteuerung» beschrieben.

Kronenräder

Die Kronenräder ähneln tatsächlich einer königlichen Zackenkrone, da ihre, am Umfang angebrachten Zähne nicht nach aussen schauen, sondern axial seitlich wegweisen. Die bei der Differenzialkonstruktion zwischen den Kronenrädern liegenden Ausgleichsräder sind hier ganz gewöhnliche Stirnräder oder Ritzel. In dieser Bauform weisen Kronenraddifferenziale 20 – 30% weniger Masse auf als herkömmliche Kegelraddifferenziale und der Lagerabstand der Abtriebsstutzen konnte fast auf die Hälfte verkleinert werden. Daneben weist es die gleichen Eigenschaften auf wie das Kegelraddifferenzial: das Drehmoment wird grundsätzlich je zu 50% auf die beiden Antriebswellen übertragen. Hat ein Antriebsrad weniger Bodenkontakt, wird dieses Rad das anliegende Drehmoment nicht mehr übertragen können und dreht durch. Die Drehzahlzusammenhänge sind gleich wie beim Kegelraddifferenzial: die Summe der Raddrehzahlen entspricht der doppelten Differenzial-Antriebsdrehzahl (Tellerraddrehzahl).

Statische Drehmomentverteilung

Wird das Kronenraddifferenzial als Zentraldifferenzial eingesetzt, können die statischen Drehmomente zu Vorder- bzw. Hinterachse – ähnlich wie mit einem Planetendifferenzial – unterschiedlich verteilt werden. Sind die Kronenräder und die dazwischen liegenden Ritzel gerade verzahnt, kann das eine Kronenrad im Durchmesser grösser ausgeführt werden (Bild rechts).
Damit die Differenzialfunktion nicht verloren geht, werden die Ausgleichsritzel etwas länger gebaut. Da die übertragenen Zahnkräfte von den Ritzeln auf die Kronenräder immer gleich sind, die Hebelarme aber unterschiedlich, werden sich für Vorder- bzw. Hinterachse unterschiedliche Drehmomente ergeben. Audi hat für den RS5 die Radien so gewählt, dass 40 % des Drehmomentes der Vorderachse und 60 % der Hinterachse zugeführt werden.
Damit aber zwei ungleich grosse Kronenräder die gleiche Zähnezahl aufweisen und mit den gleichen Ritzeln kämmen können, gab es einige verzahnungstechnische Fragen zu klären. Die fertigungstechnischen Probleme konnten gelöst und das Kronenraddifferenzial der Serienproduktion übergeben werden.

Kraftverlauf

Das Zentraldifferenzial im Audi RS5 wird über eine Vollwelle (1 in Bild oben) auf die Nabe des Differenzialantriebs (2) geleitet. Weiter fliesst das Drehmoment über die Ausgleichsräder (3) auf die Kronenräder (4 und 6), wobei das Kronenrad 4 für die Vorderachse den kleineren wirksamen Durchmesser aufweist als das Kronenrad 6 der Hinterachse.
Für die Vorderachse wird das Drehmoment von einer Hohlwelle (5) zum Getriebe zurück und über eine massive Zahnradpaarung auf eine Seitenwelle geleitet, welche das Drehmoment im Innern des Getriebegehäuses neben den Zahnrädern vorbei zum Vorderachs-Achsantriebs- und Differenzial-Getriebe führt.
Die Hinterachs-(voll-)welle (7) ist in der Differenzialantriebswelle (1) gelagert und leitet das Drehmoment vom Kronenrad (6) zum Differenzial der Hinterachse.

Sperrwirkung

Übertragen Kronenräder Drehmoment, müssen sie aufgrund ihrer Verzahnungsgeometrie axiale Kräfte übernehmen. Die entsprechenden Kräfte wirken bei einem Stirnrad auf die Lager der Getriebewelle. Kronenräder stecken hingegen auf einer Kerbverzahnung und könnten durch das Antriebsdrehmoment «weggeschoben» werden. Um diesem Effekt entgegenzutreten ist im Differenzial auf der Antriebswelle der Hinterachse (7) eine Vorspannfeder (9) angebracht. Bis zu einem voreingestellten Drehmoment verhindert diese Feder die axiale Ausdehnung der Kronenräder. Übersteigt das Drehmoment den bestimmten Betrag, werden die Axialkräfte der Kronenräder grösser als die entgegenwirkende Federkraft und verschieben sich axial. Hinter den Kronenrädern befinden sich Lamellenkupplungen, welche in diesem Moment zusammengepresst werden und das Drehmoment direkt vom Gehäuse (10), welches mit dem Differenzialantrieb (2) verbunden ist, auf die Antriebswellen leiten. Maximal können auf diese Weise 85 % des zufliessenden Drehmomentes auf die Hinterachse oder 70 % auf die Vorderachse geleitet werden.
Fahrdynamikeingriffe erfolgen beim Audi RS5 entweder durch das Sportdifferenzial an der Hinterachse (Torque Vectoring) oder aber durch einen gezielten Bremseneingriff (ESP).
Audi gelingt es mit dem Kronenraddifferenzial erneut, einen interessanten Beitrag zur Antriebstechnik zu leisten. Man darf gespannt sein, ob sich das Kronenraddifferenzial auch als Querdifferenzial und in kleineren Fahrzeuge durchsetzen kann.

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