GesteiGerte effizienz und fahrdynamik durch ein adaptives allradsystemIm Allrad-Antriebssektor muss man sich frühzeitig der Herausforderung stellen, den Kraftstoffverbrauch

von Allradfahrzeugen zu senken. Gleichzeitig soll die Fahrdynamik erhöht werden. Getrag All Wheel Drive

(Getrag AWD) entwickelte ein adaptives Allrad-Antriebs system auf Basis der Twinster-Kupplungen, bei dem im

realen Fahrzyklus der Mehrverbrauch des Allradantriebs um 80 % gesenkt wird. Auch die vom Endkunden

geschätzte Allradperformance kann gesteigert werden.

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stand der technIk

Mit einem jährlichen Volumen von welt-weit 1,6 Millionen produzierten Achsen und Nebenabtrieben (Power-Take-Offs – PTUs) zählt Getrag zu den weltgrößten unabhängigen Zulieferern im Allrad-Antriebssektor (Getrag kündigte den Ver-kauf seiner Tochter Getrag All Wheel Drive an GKN an). So ist zu verstehen, dass man sich frühzeitig der Herausforde-rung gestellt hat, den Kraftstoffverbrauch von Allradfahrzeugen zu senken [1].

Maßnahmen, den Wirkungsgrad zu optimieren, wie Reduzierung des Gewichts, von Reibung an Lagern und Dichtstellen [2, 3] sowie der Plansch-verluste haben bereits Anwendung in heutigen Allrad-Antriebssystemen gefun-den und können somit als Stand der Tech-nik angesehen werden. Daher beleuchtet der vorliegende Beitrag das mögliche Ein-sparpotenzial durch Eliminierung der last-unabhängigen Verluste, die sich durch eine Allradabschaltung eröffnen.

hIntergrund zur LösungsfIndung

1 zeigt die Häufigkeitsverteilung der akti-ven Nutzung bei einem Hang-On-Allrad-system. Die Auswertung zeigt, dass der

Allradantrieb auf Straßen mit niedrigem Reibwert µ (wie Schnee) zu 25 % einge-setzt wird, und auf Hochreibwert-Fahrbah-nen – zum Beispiel bei Autobahnfahrten – nur 1 % aktiv am Vortrieb beteiligt ist. Auf diesem Sachverhalt basiert auch die Inten-sion von Getrag, ein bedarfsgesteuertes All-radsystem zu entwickeln, welches bei Nichtbedarf den Antriebsstrang stilllegt.

Dieser Lösungsansatz ist vergleichbar mit einer Hofbeleuchtung. Um den Strom-verbrauch zu reduzieren, kann man Ener-giesparlampen verwenden – dies kommt einer Wirkungsgradoptimierung gleich – oder man verwendet einen Bewegungs-melder, der das Licht bei Bedarf einschal-tet (Hang-On) und bei Nichtbedarf aus-schaltet (Hang-Off).

LösungsfIndung

Um den Kraftstoffverbrauchsnachteil bei nichtaktivem Allradsystem zu verbessern, sind die Verluste, die durch die alleinige Rotation der Antriebskomponenten ent-stehen, zu eliminieren. Das bedeutet, dass der Allrad-Antriebsstrang möglichst nahe am Getriebeausgang, und in Rad-nähe, stillgelegt wird. Damit ist gewähr-leistet, dass wenige Komponenten durch lastfreies Drehen Verlustleistung generie-ren. Systeme mit Radnaben abschaltung

MIchaeL höckist Niederlassungsleiter und

verantwortlich für den Bereich Fahrdynamik und regelalgorithmen

bei Getrag All Wheel Drive (Getrag AWD) in Köln.

hans-Peter nettist verantwortlich für den Bereich Vorentwicklung und Konstruktion

bei Getrag All Wheel Drive (Getrag AWD) in Köln.

AuTorEN

1 Häufigkeitsverteilung der Allrad-Nutzung bei einem Mittelklasse-Pkw auf verschiedenen reibwerten µ

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(Saisonschaltung) sind bereits in Serie. Deren Nachteil ist jedoch, dass diese Saisonschaltungen vom Fahrer aktiviert werden müssen. Und durch die Verwen-dung von Klauenkupplungen werden keine dynamische Trennung und Ankopp-lung des Antriebsstrangs zugelassen.

Somit sind auch die erzielbaren Ver-brauchsvorteile fahrerabhängig und wer-den seitens des Gesetzgebers nicht die erforderliche CO2-Einstufung zur Steuer-entlastung erhalten. Daher ist eine adap-tive Zu- als auch Abschaltung im Lasten-heft als Hauptanforderung gesetzt. Hier nochmals die Zusammenfassung der Systemanforderung: : adaptive Zu- und Abschaltung des

Allradantriebs : Anwendung sowohl für Front-Quer-

als auch Längs-Einbau-Fahrzeuge (modularer Aufbau)

: Verbrauchsvorteil größer als 0,2 l pro 100 km

: Erhalt der Allradverfügbarkeit und keine Einbuße bei der fahrdynamischen Performance

: Verwendung von Gleichteilen aus dem Getrag-Getriebebaukasten.

ModuLarer systeMaufbau

Bei der Systemauswahl wurde darauf geachtet, dass sich das Abschaltsystem sowohl bei Front-Quer- als auch bei Längs-Einbau der gleichen Komponenten bedient, um durch Skaleneffekte ein kos-tengünstiges Gesamtsystem zu ermög-lichen. 2 zeigt den prinzipiellen Aufbau des Abschaltsystems zwischen Vorder-

achsgetriebe (VAG) und Hinterachsge-triebe (HAG), welches mit einem hohen Maß an Gleichteilen, wie Twinster-Kupp-lung, Synchronisierung und hydrauli-schem Aktuator, beide Antriebsstrang-konfigurationen bedient.

getrIebe- und radabkoPPLung

Zur getriebeseitigen Abkopplung entschied man sich für eine Synchronisierung, damit beim Ankoppeln die drehenden Massen radunabhängig vom Motor hochbeschleu-nigt werden. Kritische Fahrzustände, die sich bei einer radseitigen Ankopplung er geben würden, wie beispiels weise ein Rad abriss auf Niedrig reib wert-Unter grün-den, werden somit vermieden.

Bei den von Getrag entwickelten Twins-ter-Kupplungen wird das Antriebsmoment differenziallos auf die Räder übertragen. Durch eine unabhängige Ansteuerung der Kupplungen kann das Moment individuell auf die Antriebsräder geleitet werden. Stan-den zu Beginn der Twinster-Entwicklung fahrdynamische Eigenschaften im Fokus [4], so ist es durch die radnahe Anordnung der beiden Kupplungen naheliegend, diese zur Allradabschaltung zu verwen-den. Somit werden keine zusätzlichen Trennelemente – wie zum Beispiel Klauen-kupplungen [5] – benötigt, und durch die Doppelfunktion Hang-On-Kupplung und Trennung des Triebstrangs kann eine kos-tengünstige Lösung dargestellt werden.

aktuIerung

Im Vergleich mit einem Hang-On-Allrad-system, bei dem nur eine Kupplung ange-

Front-Quer-Einbau

Rotierende Bauteile

Längs-EinbauStehende Bauteile

Twinster-Kupplungen

Twinster-Kupplungen

Synchronisierungseinheit

Synchronisierungseinheit

HydraulischerAktuator

Verteilergetriebe

HAG

HAG

HydraulischerAktuator

PTU

VAG

2 Modularer Aufbau des Abschaltsystems für Front-Quer- (oben) und längs-Einbau (unten) zwischen Power-Transfer-unit (PTu), Vorderachsgetriebe (VAG) und Hinterachsgetriebe (HAG)

MotorDruckregelventile

Pumpe

Ventilgehäuse

Ansaugfilter

Motorgehäuse

3 Aufbau des Hydraulik-Aktuatorsystems

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steuert wird, stellt ein Allrad-Abschaltsys-tem mit mehreren Stellelementen eine neue Herausforderung seitens der Aktua-torik dar. 3 zeigt den Aufbau des Aktua-torsystems. Über einen bürstenlosen Elek-tromotor (BLDC) wird die hydraulische Pumpe angetrieben, und die Druckregel-ventile steuern die Kupplungen und die Synchronisierung. Ein solches hydrauli-sches Kraftpaket hat den Vorteil, dass die räumliche Zuordnung im Fahrzeug sehr variabel gewählt werden kann. Das Sys-tem lässt sich direkt an der Achse bezie-hungsweise dem T-Gehäuse verbauen. Oder das System kann als sogenannter Remote-Verbau eingesetzt werden, wenn es die Fahrzeugumgebung erfordert, zum Beispiel durch Bauraum- oder Tempera-turgegebenheiten (Abgasanlage). Durch die hydraulische Aktuierung werden Zuschaltzeiten von 350 ms erreicht.

Das elektronische Steuergerät (ECU) wurde als autarke Steuereinheit speziell für die Anwendung des Allrad-Abschalt-systems entwickelt. So ist das Steuergerät von der Leistungsfähigkeit her in der Lage, die Funktionen für die Allrad-Antriebsabschaltung, die Fahrdynamik und die funktionale Sicherheit (ASIL), die ein zweites Kupplungssystem erfordert, abzudecken.

systeMoPtIMIerung für hohes eInsParPotenzIaL

Um das im Lastenheft verankerte Ein-sparungspotenzial zu erzielen, bestand bei der Entwicklung des Allrad-Abschalt-systems die Herausforderung, die Reib-momente an den Abschaltelementen – Synchronisierung und Twinster-Kupplung – auf ein möglichst geringes Niveau zu trimmen. Im Gegensatz zur Synchroni-sierung, die durch die Verwendung in Schaltgetrieben schon in Richtung niedri-ger Schleppmomente optimiert ist [6], stellte die Reduzierung der Schleppmo-mente an den Kupplungen eine neue Herausforderung dar und wurde als nicht realisierbar eingeschätzt.

4 zeigt den Aufbau eines Kupplungs-elements, in dem durch die konstruktive Anordnung die Schleppmomente opti-miert werden konnten. Das abzukop-pelnde Rad ist über die Seitenwelle mit dem Innenlamellenträger der Kupplung verbunden. Bei abgeschaltetem Allradsys-tem generieren nur die rotierenden Innen-

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lamellen, die beiden Führungslager und der Radialwellendichtring am Achsaus-gang Schleppverluste. Der Außenlamellen-träger mit den beiden Drucklagern, die bauartbedingt relative hohe Schleppmo-mente aufweisen, sind achsseitig ange-bunden und stehen still.

Bei der Optimierung der Kupplungs-schleppmomente zeigte sich, dass das Öl im Scherspalt den größten Anteil auf-weist. Um diesen Einfluss zu verringern, wurde ein aktives Beölungssystem ent-wickelt. Im Allradbetrieb nimmt das Tellerrad das Schmieröl aus dem Ölsumpf auf und schleudert es in Fangtaschen, von wo aus es über Kanäle dem Kupp-lungsinnenlamellenträger zugeführt wird. Wird der Allradantrieb abgeschaltet, kommt das Tellerrad zum Stehen und unterbricht den Ölfluss zur Kupplung. Mit diesem, im Aufbau einfachen, Beölungsprinzip lässt sich für die Funk-tion ein maßgeschneidertes Konzept darstellen. Im aktiven Allradmodus ermöglicht dies eine aktive Kupplungs-beölung, und im Abschaltmodus stellen sich sehr geringe Schleppmomente von <0,5 Nm durch die Unterbrechung des Ölflusses ein.

eInsParPotenzIaL durch aLLradabschaLtung

Um die Verbrauchsvorteile des Allrad-Abschaltsystems nicht nur in der Simula-tion zu bewerten, wurde realitätsnah 2009 ein Demonstratorfahrzeug auf Basis des Land Rover Freelander aufgebaut. Es wurde auf einem Vierrollenprüfstand der Firma Bosch folgendem Testprogramm unterzogen: : Hang-On-Allrad-Betrieb im Vergleich

mit Hang-On-Abschaltungs-Betrieb : NEFZ-Versuche „heiß“ und „kalt“ : konstante Geschwindigkeit bei 50, 100

und 150 km/h.Wie 5 zeigt, wurde mit dem Allrad-Abschaltsystem Eco2-Twinster im NEFZ ein Verbrauchsvorteil von 0,54 l auf 100 km und eine Einsparung von 14,2 g CO2 pro km ermittelt.

Unter winterlichen Fahrbahnbedingun-gen akzeptiert der Kunde einen Mehrver-brauch durch den Allradantrieb, weil dies mit vorteilhafter Mobilität abgegolten wird. Jedoch bei einer Fahrt im Sommer, zum Beispiel von Hamburg nach Mün-chen, ist dieser Mehrverbrauch nur

schwer zu begründen. Daher wurden die Ergebnisse aus den Konstantfahrt-Messun-gen in einer weiteren Auswertung verwen-

det, um darzustellen, wie sich der Ver-brauchsvorteil des Allrad-Abschaltsystems bezogen auf unterschiedliche Straßenpro-

file auswirkt, 6. Wenig überraschend ist, dass sich im Stadtverkehr mit 0,6 l/100 km das größte Einsparungspotenzial zeigte. Das bei Landstraßen- und Auto-bahnfahrt etwas geringere Potenzial von 0,37 bis 0,48 l/100 km lässt sich dadurch erklären, dass die Getrag-Serien PTU und RDU hinsichtlich Planschverlusten auf höhere Geschwindigkeiten optimiert sind.

fahrdynaMIsche VorteILe des twInster-systeMs

Beim vorgestellten Allrad-Abschaltsystem übernehmen die beiden Kupplungen eine Mehrfachfunktion. Zum einen dienen sie im Abschalt-Modus am Achsausgang als Trennelement, können aber zum anderen auch zur positiven Beeinflussung der fahr-dynamischen Eigenschaften genutzt wer-den. Das System erlaubt eine variable Drehmomentverteilung zwischen Vorder- und Hinterachse sowie zwischen den Antriebsrädern der Hang-On-Achse. Im Bezug auf das Traktionspotenzial eines Allradfahrzeugs wird damit die Funktion einer Längssperre und eines Achsquer-sperrdifferenzials dargestellt. Damit kann bei Reifenkraftschluss-Differenzen, verur-sacht durch Reibwert- oder Radlastände-rungen in Längs- oder Querrichtung – µ-Split und µ-Sprung –, immer bestmög-liche Mobilität erzielt werden.

Außen-lamellenträger

Innen-lamellenträger

Axialnadellager

Seitenwelle

Wellfeder

Rotierende BauteileStehende Bauteile

Lamellen-paket

Kolben

4 Kupplungsaufbau; durch die konstruktive Anordnung konnten die Schleppmomente effizient optimiert werden

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Die Möglichkeit der radselektiven Dreh-momentregelung wird außerdem dazu genutzt, das Gierverhalten des Fahrzeugs zu verbessern. Zum einen kann bei Kur-venfahrt unter Last mehr Drehmoment am kurvenäußeren Rad abgesetzt werden und damit das Fahrzeug beim Gieren unterstützt (Bekämpfen des allradtypi-schen Untersteuerns) und die maximale Querbeschleunigung angehoben werden. Zum anderen kann das System bei zu starkem Gieren (Übersteuern) sehr effek-

tiv zum Dämpfen der Fahrzeuggierreak-tion verwendet werden.

zusaMMenfassung

Das Allrad-Abschaltsystem von Getrag stellt für den Endkunden eine sehr gute, alltagstaugliche Gesamtlösung dar. Der Mehrverbrauch durch den Allradantrieb kann im realen Fahrzyklus mit dem Eco2-Twinster um bis zu 80 % gesenkt werden, ohne dabei Kompromisse bei der

Verfügbarkeit – kurze Zuschaltzeiten von 350 ms – in Kauf zu nehmen. Darüber hinaus erlauben die beiden Twinster-Kupplungen eine deutliche Steigerung der Mobilität und der querdynamischen Fahr-eigenschaften, was nicht nur für den sportlich ambitionierten Fahrer eine will-kommene Bereicherung gegenüber dem konventionellen Hang-On-Allradsystemen darstellt.

Durch das von Getrag entwickelte Abschaltkonzept lassen sich sowohl Fahr-zeuge mit Front-Quer- als auch mit Längs-Einbau des Verbrennungsmotors aus dem modularen Baukasten bedienen. Für den OEM ergibt sich durch die übergreifende Plattformnutzung ein interessantes Gesamtkonzept, welches durch Nutzung der Skaleneffekte eine für den Kundennut-zen vermarktbare Funktion ist. Durch die Verbrauchsreduzierung stellt das Konzept eine den Umweltschutz fördernde, zukunftsfähige Technik dar.

LIteraturhInweIse[1] Hoffmann, W.; Höck, M.: Fuel Efficient AWD Systems with 2 Active Couplings. 2nd CTI Symposium, Detroit (MI), uSA, 2008[2] Auffahrt, K.; Petery, G.; Winkler, M.: Tandem-schrägkugellager als Innovation für Achsgetriebe. In: ATZ 111 (2009), Nr. 4, S. 242 – 246[3] Wolf, T.: Energy Efficiency Equipped Solutions for Driveline Application. A Contribution to Sustainability and reduction of Co2-Emission. 9th European All-Wheel Drive Congress, Graz, Austria, April 2009[4] Auweiler, M.; Höck, M.; Nett, H.-P.: Das Allrad-Antriebssystem für den Getrag-Twinster. In: ATZ 107 (2005), Nr. 7-8, S. 570 – 579[5] Granzow, C.: ZF-Front-quer-Allradsystem mit Abkopplung: Verbesserte Traktion und Fahrdyna-mik bei reduziertem Verbrauch. 11th European European All-Wheel Drive Congress Graz, Austria, April 2011[6] Skubacz, T.; otto, S.; Poll, G.: untersuchungen von Schleppverlusten an Synchronisierungen. In: VDI-Tagung Getriebe in Fahrzeugen, Friedrichs hafen, 2008; VDI-Berichte Nr. 2029 (2008), S. 181 – 196

5 Kraftstoffverbrauch des Allrad-Abschaltsystems Eco2-Twinster im Vergleich mit einem konventionellen Allradantrieb im NEFZ „kalt“ und „heiß“

6 Einsparpotenzial des Allrad-Abschaltsystems; Auswirkung der Vorteile (beim Kraftstoffverbrauch in l pro 100 km und beim Co2-Ausstoß in g/km) bei unterschiedlichen Straßenprofil-reibwerten µ

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