AW: Differnzialsperre und Einparkhilfe
Hallo,
wer sich mit Allrad, Traktion und Differentialen auskennt … bitte nicht weiterlesen (zumindest nicht bis zum bitteren Ende), denn der Kundige erfährt hier Nichts Neues, vielleicht sogar das Eine, oder Andere, dass so nicht ganz korrekt ist (Konstruktive Korrekturen deshalb gerne).
Für alle anderen ist es vielleicht langatmig, aber hoffentlich verständlich.
Zum Thema.
Traktion:
Unter Traktion versteht man die Fähigkeit unseres Fahrzeugs, die vorhandene Antriebskraft des Motors in Vortrieb umzusetzen.
Die Variablen sind im wesentlichen der Reibwert (zwischen Reifen und Untergrund), die Achslast (je höher desto besser) und die Fahrzeugmasse (je niedriger desto besser).
Reibwert:
Der Reibwert ist umso höher je größer die effektive Reifenaufstandsfläche ist und je besser das verwendete Reifenmaterial „Kontakt“ zum Untergrund bewahrt.
Auf trockendem Asphalt ist dies ein möglichst breiter Reifen mit einem größtmöglichen Umfang und einer möglichst weichen Gummimischung.
So ist die Traktion auf trockenem Asphalt z.B. mit einem Rennslick optimal, denn die maximale Reifenaufstandsfläche wird nicht durch (in diesem Fall) unnötige Rillen (Profil) vermindert. Idealerweise hätte der Reifen auch noch einen größtmöglichen Umfang um die Reifenaufstandsfläche zu vergrößern, aber praktisch findet die Vergrößerung des Umfangs seine Grenzen u. A. im zunehmenden Cw Wert (Strömungswiderstandskoeffizient).
Dass dieses Prinzip funktioniert kann man nachvollziehen, wenn man sich mal den Reifenumfang auf der Antriebsachse eines Dragsters vergegenwärtigt.
Desto wärmer die Gummimischung ist umso weicher wird sie auch, was auch der Grund ist, warum in der F1 die Reifen vor dem Start aufgeheizt werden und zur Verteidigung einer Pole Position eine weiche Gummimischung einer härteren vorzuziehen ist.
Auf nassem Asphalt findet der profillose Rennslick aber seine Fähigkeit zum Aufbau eines optimalen Reibwerts, denn mit zunehmender Geschwindigkeit bildet sich ein Wasserfilm zwischen Straße und Reifen (Aquaplaning) und der Reibwert geht schnell gegen Null, weshalb wir eben Reifen mit Profil fahren (schlecht für die Traktion auf trockener Fahrbahn, aber entscheidend bei nasser Fahrbahn).
Im Gelände – man stelle sich mal eine lehmig, schlammige (oder verschneite) Auffahrt vor - hat der Slick verständlicherweise überhaupt keine Chance mehr, der breite 275er Sommerreifen auf 20“ Felge (trotz guter Reifenaufstandsfläche) scheitert auch schnell, allein große Reifen mit grobstolligem Profil und weicher Gummimischung verkrallen sich optimal im Untergrund und sind in der Lage Reibwert und somit Traktion aufzubauen.
Breit, groß, grobstollig und weich … dass das im Gelände funktioniert erlebt man, wenn man einmal dabei ist, wenn ein Monstertruck (auf Traktion optimiert) auf einem extrem schlechten Untergrund doch maximal beschleunigt. Einem Untergrund auf dem es jeden Menschen erst einmal flachlegt.
Für das Prinzip maximale Reifenaufstandsfläche gibt es noch viele Beispiele, z.B. vermindert man beim Fahren im Sand den Reifenluftdruck massiv und vergrößert somit die effektive Reifenaufstandsfläche, die wird nicht nur breiter, sondern gewinnt auch durch die Anpassung des stark walkenden Reifens an den Untergrund.
Das Prinzip Reibwert kennen wir auch, wenn wir an die in Skandinavien noch zulässigen Spikes (für eisglatte Fahrbahn), oder grobstollige Geländereifen an Landrovern und den Rallye Dakkar LKWs, oder nur einem T5 mit Seikel Fahrwerk mit VWN Geländebereifung denken.
Reicht der aufgebaute Reibwert nicht aus um die auf das Fahrzeug wirkenden Kräfte 1:1 auf die Straße zu bringen (Schlupf), dann gilt nicht nur, dass die Traktion abnimmt, sondern auch die Fähigkeit der Reifen Seitenführungskräfte aufzubauen, d.h. unser Fahrzeug fährt nicht mehr in die Richtung in die wir lenken, sondern dorthin wohin unsere Gesamtmasse aufgrund Ihrer Masseträgheit hin will. Blöd, einfach blöd.
Achslast:
Je höher die Achslast, also der Druck auf die Kontaktfläche Reifen:Untergrund desto höher fällt natürlich auch wieder der Reibwert aus.
Fronttriebler haben hier natürliche Nachteile, denn beim Beschleunigen vermindert sich die Achslast auf der Frontachse und somit die Traktion. Advantage Hecktriebler besser noch: Allrad (4-Motion).
Beim Hecktriebler wird beim Beschleunigen die Achslast auf der Hinterachse erhöht, der Grip an der angetriebenen HA wird dank eines höheren Reibwerts besser.
Dass dieses Prinzip funktioniert weiß jeder, der schon einmal mit einem Käfer, T1, T2, T3 (oder Porsche 911) im Winter (nur mit 2-Motion) so ziemlich Jedem davon gefahren ist, denn hier kommt beim Anfahren alles zusammen, erhöhte dynamische Achslast auf der HA beim Beschleunigen, hohe Hinterachslast dank Heckmotor und der Antrieb wo er hingehört … nach hinten – ideal.
Optimal ist natürlich ein ständiger 4-Rad Antrieb (Land-Rover, Unimog), oder zumindest ein Regelungssystem, dass je größer der Schlupf an einer Achse wird, dann auch immer mehr Antriebskraft auf die verbleibende Achse bringt.
Ein an der VA durchdrehender Reifen (zu viel Kraft, oder zu geringer Reibwert) wird beim 2-Motion durch die ASR eingebremst (mehr dazu weiter unten), beim 4-Motion auf die dynamisch beim Beschleunigen stärker belastete HA „gelenkt“ und erst wenn auch dort Schlupf auftritt, wirkt auch beim 4-Motion das ASR durch einen gezielten Brems- und Motormanagement Eingriff, d.h. Antriebskraft minimierend bis der Reibwert ausreicht, oder bis auch hier Nichts mehr vorwärts geht.
Fahrzeugmasse:
Je höher das Fahrzeuggewicht (auf allen Achsen), desto mehr Antriebskraft muss auf den Untergrund übertragen werden um unser Fahrzeug zu beschleunigen, d.h. ich brauche einfach auch mehr Reibwert. Gilt leider auch fürs Abbremsen ...
Auch hierfür steht der Käfer als Musterschüler, denn bei geringem Fahrzeuggewicht und (anteilig) maximaler Achslast auf der HA geht er klar in Front.
Dass dieses Prinzip stimmt, sieht man natürlich auch bei Dunebuggy Rennen. Hier kommt (für den Sand) das Optimum zum Einsatz. Minimales Gesamtgewicht, Motor und somit Gewicht auf der HA, Antrieb hinten (oder über alle Achsen), große, breite, weiche Reifen … gut so.
Elektronische Helferlein:
ASR:Wenn die Traktion beim Beschleunigen nicht ausreicht dann qualmen auf trockener Straße die Reifen. Das ist unerwünscht, gewünscht ist optimale Beschleunigung. Hier greift ein elektronisches System helfend ein: eben ASR.
Mit ASR haben wir es auch zu tun, wenn unsere Reifen auf der schönen Schneedecke keinen ausreichenden Reibwert aufbauen können.
Hier - wie im ersten Fall - regelt die Antischlupfregelung durch einen Brems- und Motormanagement Eingriff die Antriebskraft solange nach unten bis der Reibwert die verringerte Antriebskraft übertragen kann, oder eben Nichts mehr geht.
ESP: ist ein elektronisch gesteuertes System , das durch gezieltes Abbremsen einzelner Räder und/oder einen Eingriff in das Motormanagment, oder sogar einen aktiven Lenkeingriff, instabilen Fahrzuständen entgegenwirkt.
Wichtig: Ein Abbremsen (oder Drehmomentverringerung) an einzelnen Achsen, oder an einzelnen Reifen zur Aufhebung von instabilen Fahrzeugzuständen (z.B. Unter- oder Übersteuern) wirkt nur, wenn der abgebremste Reifen noch eine Kraftkoppelung mit der Straße hat, also genug Reibwert aufbaut.
Schlupf ist also des ESPs Sytemfeind Nr.1, oder anders gesagt: tritt erst einmal Schlupf auf hilft auch kein ESP (sondern ASR).
Ist man so schnell unterwegs, dass selbst durch gezieltes Abbremsen, oder Verringerung der Antriebskraft der instabile Fahrzustand nicht aufgehoben werden kann, ja dann sind eben die Grenzen der Regelung überschritten und unsere Fahrzeugmasse folgt den physikalischen Gesetzen.
Aufgrund dieser Systemeigenschaft ist ESP in aller Regel mit anderen Assistenzsystemen kombiniert. Die Bekanntesten: Das Antiblockiersystems (ABS), und die Antriebsschlupfregelung (ASR).
ABS: ist ein elektronisch gesteuertes System , das mittels dynamischer Regelung der Bremskraft (nicht der Antriebskraft) verhindert, dass die vom Fahrer eingeleitete Bremsung nicht stäker wird als die Reibkraft, die die Reifen noch mit dem Untergrund „aufbauen“. Ansonsten blockieren die Räder und der Reibwert ist minimal (fast wie bei Schlittenkufen auf Eis), gebremst wird kaum noch.
Wichtig: Die Grenzen zwischen den einzelnen Systemen sind aufgrund des hohen Integrationsstands und der Hersteller- bzw. modelltypischen Implementierung nicht eindeutig.
Für den T5 verfüge wir Laien über keine Systembeschreibung die die Parameter der einzelnen Systeme beschreiben würde und habe auch keine Tests unternommen um die Regelungssystematik und -Charakteristik näher zu verstehen.
Schalten wir z.B. beim T5 das ESP aus, dann bleibt ABS aktiv, aber ASR wird ebenfalls deaktiviert.
VA-Differential, Haldex-Kupplung, HA Differential und
mechanische HA Differentialsperre
Der T5 ist ein Fronttriebler mit Frontmotor. Soweit bekannt.
Das ist nicht so optimal wie Hecktriebler mit Heckmotor (vgl. dynamische Erhöhung der HA Last beim Beschleunigen), aber immerhin ist der Motor auf der primären Antriebsachse sodass wir für einen Fronttriebler optimale Verhältnisse haben.
Dreht einer unserer Reifen an der Vorderachse beim Beschleunigen durch (nicht genug Reibkraft), so regelt ASR die Antriebskraft durch Bremsen des durchdrehenden Rades bzw. durch Verminderung der Motorleistung (beide Räder) solange herunter bis wieder ausreichend Traktion gegeben ist.
Je nach Untergrund, z.B. bei Eis) regelt das System auf Null, d.h. es geht Nichts mehr.
Das ist nicht gut, aber außer elektronischen Helferlein haben wir auch noch ganz klassische, „mechanische“ Einrichtungen zu betrachten.
Differentiale:
Fahrzeuggetriebe, Differentialgetriebe und Achsantrieb stellen an der Vorderachse u.a. sicher, dass wir keine starre Verbindung zwischen den einzelnen Rädern der Vorderachse haben, die Räder können mit unterschiedlicher Geschwindigkeit drehen.
Dies ist erforderlich um die unterschiedliche Umdrehungsgeschwindigkeit des jeweils Kurveninneren gegenüber dem Kurvenäußeren Rad auszugleichen.
Wäre dieser Ausgleich nicht konstruktiv vorgesehen, dann gilt zumindest auf trockenem Asphalt, dass eine starre Verbindung zu Verspannungen bis zum Bruch der Konstruktion, oder zum blockieren des Kurvenäußeren Rades führen würde, mithin zu einem sehr stark vergrößerten Kurvenradius, oder sogar einem unkontrollierbaren Fahrzustand.
Mangels starrer Verbindung bewirkt das Vorderachsdifferential auch, dass bereits ein einzelnes durchdrehendes Rad an der Vorderachse dazu führt, dass wir auf dem verbleibenden Rad (dass womöglich noch genug Traktion aufbauen könnte) ebenfalls eine verringerte bzw. keine Antriebskraft mehr übertragen.
Ergebnis es geht Nichts mehr.
Daran ändert auch ASR Nichts, denn ASR regelt nur die überschüssige Kraft, die wir über unseren Gasfuß abfordern wieder nach unten, verschafft uns aber keinen besseren Reibwert.
Hilfreich wäre also die Möglichkeit – wenn ein Reifen an der VA keine Traktion mehr aufbauen kann, dass man die Möglichkeit hätte doch eine starre Verbindung zwischen den Rädern herzustellen … diese Möglichkeit gibt es, jeder ernsthafte Geländewagen hat es … eben eine Differentialsperre.
Eine mechanische Differentialsperre an der VA wie beim Unimog, das wär’s. Beide Räder der Vorderachse drehen mit der gleichen Geschwindigkeit, dreht eines durch und das andere findet noch genug „Halt“, dann geht eben doch wieder etwas … es geht weiter.
Dass das Kurvenäußere Rad den weiteren Weg hat interessiert auf „schlüpfrigem“ Untergrund auch nicht weiters … es rutsch eben ein wenig.
Kommt man wieder auf festen Untergrund muss man allerdings daran denken, die mechanische Sperrdifferential wieder auszuschalten, sonst gibt’s eben das schon weiter oben beschriebene Problem(chen).
Fazit: Dreht ein Vorderrad unseres T5 2-Motion durch, dann hilft auch der schönste Untergrund auf dem verbleibenden Rad nicht. Eine Differentialsperre haben wir an der VA nicht. ASR ist keine Differentialsperre sondern nur ein Gasfußkompensator.
Was aber ist bei Allrad 4-Motion Antrieb ?
Irgendwie kommt die Kraft vom Motor auch an die Hinterachse. Eine starre Verbindung wäre denkbar (einfach eine Kardanwelle wie beim klassischen Frontmotor, Heckantrieb), aber dann hätten wir auch eine 50:50 Verteilung der Antriebskraft – ständig - auch wenn wir diese gerade nicht brauchen – z.B. auf der sommerlichen Autobahnfahrt von München nach Hamburg. Folge: Dieselverbrauch ohne Ende – für Nichts und wieder Nichts. Also muss wieder ein Differential her … diesmal weder starr, noch entkoppelt, sondern mit variabler Kraftübertragung an die Hinterachse.
Gesagt getan … Audi hat ein solches (Thorsen), wir haben beim 4-Motion auch eins – ein Haldex Differential. Grundidee … je mehr Schlupf an der Vorderachse auftritt desto mehr Kraft wird auf die Hinterachse übertragen. Details im Internet.
Nachteil: hinten kommt erst Kraft an, wenn vorne Schlupf feststellbar ist.
Vorteil: Das ganze spart Diesel und noch viel wichtiger, das Ganze funktioniert aufgrund der variablen (nicht starren) Verbindung auch mit ESP (Abbremsen einzelner Räder heißt ja auch, dass zwischen Ihnen KEINE starre Verbindung sein darf).
Also Wiederholung … vorne geht Nichts mehr, weil ein Rad durchdreht (auf Schnee, Eis, Schlamm, etc.), aber jetzt kommt ja Kraft auf die Hinterachse … soweit so gut.
An der Hinterachse haben wir auch wieder ein Differential (2-Motion und 4-Motion), denn eine starre Verbindung dürfen wir Asphalt und City Survival T5er Junkies ja nicht haben … da würde ja auf Asphalt was brechen … siehe oben.
Können beide Reifen an der HA noch Grip (Traktion) aufbauen, dann ist alles OK, wir Beschleunigen und hoffentlich geht es mit dem erworbenen Schwung auch schon über die Stelle hinaus, die unsere Vorderreifen scheitern ließ.
Hat ein Hinterrad auch so einen schönen Eisfleck erwischt, dann war’s das wieder – wie vorne – Nichts geht und zwar trotz 4-Motion. Blöd gelaufen.
Aber hier hilft uns VWN aus der Patsche, denn für die Hinterachse gibt es eine mechanische Differentialsperre (für vorne leider sehr aufwendig). Kaum ist diese eingelegt reicht ein Hinterrad aus um uns in Bewegung zu setzen. Vorausgesetzt die Reifenaufstandsfläche von nur einem Reifen ist in der Lage auf dem Untergrund genug Reibwert aufzubauen um das ganze Fahrzeuggewicht auch ohne große dynamische Achslasthöhung weit genug aus der Patsche heraus zu bewegen.
Fazit: Wenn vorne Nix mehr geht und hinten mit mechanischer Differntialsperre noch ein Rad genug Traktion aufbaut geht’s weiter, ohne mechanische Sperre müssen beide Hinterräder Grip auf die Straße bringen.
Unimogs haben es da gut … vorne, hinten und längs die mechanische Sperre rein, im Kriechgang nach vorne … sobald auch nur ein Reifen Grip hat geht’s weiter, bis dahin gräbt er sich schön langsam in den Untergrund, aber bei einer Bodenfreiheit von 50cm dauert das eine Weile … da kommt dann schon der härtere Sand.
Aber Unimogs fahren auch nicht mit 200km/h zwei betten, eine Küche, ein Wohnzimmer durch die Gegend.
so das wars (schon)
Manche werden jetzt sagen … hab ich alles schon gewußt … was soll das, will der uns auf den Arm nehmen … nein … will ich nicht, der lange Text ist eher für die, die es nicht wußten.
Andere werden sagen, was erzählt der für einen Scheiß … Recht haben Sie, denn ich bin leider nur Laie und das führt zu Ungenauigkeiten, aber für, die es wirklich besser wissen, hab ich den Schmarrn auch nicht getippt, sondern für den Rest, die immer wieder im Board fragen … wozu Differentialsperre, wozu 4-Motion, etc.
Solong
Gypsy
für Deine ausführliche Erörterung! 
