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Subaru-Allradsysteme. Konsequente Evolution von 1972 bis 2005(Bearbeiten)

Die konstruktiven Unterschiede der jeweiligen Allradantriebssysteme ergeben sich aus der Notwendigkeit, dass manuelle Schaltgetriebe andere Lösungen erfordern als Automatikgetriebe.

Subaru- Allrad-Systeme mit manuellem Schaltgetriebe(Bearbeiten)

1972: Mechanisch zuschaltbarer Allradantrieb

Die einfachste Form des Allradsystems ist der zuschaltbare Allradantrieb, der üblicherweise Four-Wheel-Drive genannt wird. Beim Subaru Leone AWD bestand der 4WD in der mechanischen Herstellung eines starren Durchtriebs mittels einer Klauenkupplung von der ursprünglich angetriebenen Vorderachse zur Hinterachse.

1980: Mechanisch zuschaltbarer Allradantrieb und "Dual-Range"

Ausgehend vom ursprünglichen System des zuschaltbaren Allradantriebs hat Subaru den Allradantrieb kontinuierlich weiter entwickelt. Der Subaru 1800 (1980) verfügt über ein Schaltgetriebe mit zuschaltbarem Allradantrieb und Getriebeuntersetzung "Dual-Range". Durch Ziehen des Hebels verbindet eine Schiebemuffe im Getriebe eine Zahnradpaarung und stellte den Verteilerantrieb zur Hinterachse. Die zweite Hebelstufe aktiviert das Untersetzungsgetriebe und den "Dual-Range"-Status.

1983: Pneumatisch zuschaltbarer Allradantrieb

Auch bei Libero (1983) und Justy (1984) setzt Subaru auf Schaltgetriebe mit zuschaltbarem Allradantrieb, doch die Zuschaltung erfolgt jetzt elektropneumatisch per Knopfdruck über einen Schalter im Schalthebel. Dabei wird eine Membrandose am Getriebe über ein Magnetventil an einer Seite mit dem Unterdruck des Motors verbunden, auf der gegenüberliegenden Seite wirkt der atmosphärische Druck auf die Membran. Diese Druckdifferenz aktiviert eine mit der Membran verbundene Schaltwelle, die wiederum eine Schiebemuffe betätigt. Diese Schiebemuffe stellte die kraftschlüssige Verbindung zum Verteilerantrieb sicher.

1987: Permanenter Allradantrieb

Mit dem Coupé XT beginnt bei der IAA 1987 die Ära des permanenten Allradantriebs bei Subaru. Erstmals kombiniert Subaru den Allradantrieb eines Modells alternativ sowohl mit einem Fünfgang-Schaltgetriebe als auch mit einem Viergang-Automatikgetriebe. Bei der handgeschalteten Variante verteilt das Mittendifferential die Antriebskraft jeweils zur Hälfte auf Vorder- und Hinterachse, bei auftretenden Drehzahlunterschieden zwischen den Achsen lässt es sich elektro-mechanisch sperren: Ein elektrischer Schalter aktiviert eine mechanische Sperrklinke immer zu 100 Prozent.

1988: Permanenter Allradantrieb mit Viskosperre

Beim Legacy der ersten Generation setzt Subaru erstmals ein Mittendifferential mit selbstsperrender Viskokupplung ein. Grundsätzlich ist der Aufbau des Getriebes identisch mit dem XT, doch sperrt die Viskosperre im Mittendifferential abhängig von der Größe der Drehzahlunterschiede zwischen Vorder- und Hinterachse selbsttätig und stufenlos bis zur vollen Sperrung des Differentials. Diese Konstruktion - Mittendifferential mit Viskosperre - wird heute noch in den aktuellen Modellen mit Schaltgetriebe verwandt.

2005: STi-AWD mit Planetenrad-Mittendifferenzial, Helical LSD, DCCD

Der Impreza WRX STi, Basisfahrzeug des Impreza WRC, variiert die Grundkonstruktion nach sportlichen Vorgaben: Das Sechsganggetriebe ist mit einem als Planetenradsatz ausgeführten Mittendifferential ausgestattet. Befindet sich die Kupplung in der Lösestellung, beträgt die Drehmomentverteilung zwischen Vorder-Hinterachse 36:64 Prozent. Diese Drehmomentverteilung kann der Fahrer manuell variieren. Über einen Drehschalter betätigt der Pilot eine elektromagnetische Kupplung, die den Planetenradsatz entsprechend seiner Vorgabe sperrt (DCCD - Driver Controlled Centre Differential). Bei maximaler Sperrung des Planetenradsatzes beträgt die Kraftverteilung Vorder-Hinterachse 50:50 Prozent. Die Eingliederung eines Helical LSD in das Frontdifferenzial optimiert die Traktion der Vorderräder bei Kurvenfahrten

Subaru- Allrad-Systeme mit Automatikgetriebe(Bearbeiten)

1981: Automatikgetriebe mit Mehrscheibenübertragungs-4WD

Das bahnbrechende System des "multiplatetransfer-4WD" (MP-T = Mehrscheibenübertragungs-4WD) nutzt den Hydraulik-Druck des Automatikgetriebes und kombinierte die Automatik mit einem Allradantrieb, der sich während der Fahrt durch simplen Knopfdruck zuschalten ließ. Das System besteht aus einer Kupplung mit sieben Scheiben auf der Ausgangsachse, die mit der hinteren Antriebswelle verbunden ist. Bei zugeschaltetem Allradantrieb wird während der Fahrt Hydraulik-Druck aus der Getriebe-Ölpumpe automatisch in die Mehrscheibenkupplung übertragen, die einkuppelt und Drehmoment auf die hintere Antriebswelle überträgt. So gleicht MP-T Drehzahlunterschiede zwischen Vorder- und Hinterrädern aus. Beim Modus "Auto-4WD" stellt sich das Fahrzeug auf einen "intelligenten" Allrad-Modus ein, in dem der Hydraulik-Druck für die Mehrscheibenkupplung durch den Tritt auf die Bremse und das Einschalten der Scheibenwischer (sic!) aktiviert wird.

1987: Permanenter Allradantrieb

Beim Subaru XT mit Viergang-Automatikgetriebe ACT-4 (ACT = Active Control of Torque = Aktive Drehmoment Verteilung) erfolgt die Drehmomentverteilung differenziert: mechanisch zur Vorderachse durch ein Paar gleich großer Zahnräder, hydraulisch zur Hinterachse durch eine im Ölbad laufende Lamellenkupplung.

1989: ECVT-Getriebe und zuschaltbarer Allradantrieb

Beim Justy mit ECVT-Getriebe (1989) wird der Allradantrieb per Knopfdruck im Schalthebel zugeschaltet. Der Schalter betätigt hydraulisch eine Schaltwelle, die über eine Schiebemuffe den Verteilerantrieb kraftschlüssig verbindet.

1991: Permanenter Allradantrieb mit VTD

Mit dem Gran Turismo SVX (1991) führt Subaru das weiterentwickelte Automatikgetriebe mit der variablen Drehmomentverteilung VTD (Variable Torque Distribution) ein: Ein Mittendifferential bestehend aus einem Planetenradsatz und ein Hinterachsdifferential mit Viskokupplung leitet die Motorkraft im Normalfall zu 36 Prozent an die Vorderräder und 64 Prozent an die Hinterräder. Bei Kraftschlussveränderungen verteilt die Elektronik das Drehmoment neu an die Räder, die unter den jeweiligen Bedingungen die beste Traktion liefern. Die hydraulische Lamellensperre sperrt stufenlos den Planetenradsatz bei auftretenden Drehzahlunterschieden zwischen Vorder- und Hinterachse. Die Viskokupplung sorgt an der Hinterachse dafür, dass keine Kraft am durchdrehenden Rad sinnlos verpufft.

1998: Permanenter Allradantrieb mit VTD und Vehicle Dynamics Control

1998 integriert Subaru VTD und die Fahrdynamikregelung Vehicle Dynamics Control in die Topmodelle der Legacy-Baureihe. Die "Hardware" (die Konstruktion des VTD) bleib gleich, die elektronische Kontrolle wird durch die optimierte Sensorik des Steuergerätes der Vehicle Dynamics Control über die CAN-Kommunikation deutlich verbessert.

2004: Permanenter Allradantrieb mit optimierter VTD und Vehicle Dynamics Control

Beim neu entwickelten Fünfgang-Automatikgetriebe mit VTD über einen Planetenradsatz kann die Lamellensperre das Antriebsmoment für die Vorder- und Hinterachse in einem relativ großen Bereich verändern. Deshalb eignet sich das Automatikgetriebe mit VTD besonders für Fahrzeuge mit der Fahrdynamikregelung Vehicle Dynamics Control, denn dessen Steuergerät kommuniziert mit dem Getriebesteuergerät. Erkennt das Steuergerät für die Vehicle Dynamics Control ein Unter- oder Übersteuerverhalten des Fahrzeugs, sendet es entsprechende Informationen zum Getriebesteuergerät. Dieses reduziert über die Regelung der Lamellensperre das Antriebsmoment der instabilen Achse.

Über dieses System verfügen alle Legacy 3.0 ab Modelljahr 2004.

Technik im Detail(Bearbeiten)

Aufbau und Funktion der Lamellensperre (Automatikgetriebe mit VTD)(Bearbeiten)

Das Ausgangsdrehmoment vom Getriebe zum Planetenradsatz wird auf das Primärsonnenrad übertragen, das seinerseits die Planetenräder antreibt. Diese befinden sich in kraftschlüssiger Verbindung mit dem Planetenradträger, der mit dem Abtriebszahnrad zur Vorderachse verbunden ist. Die hinteren Planetenräder treiben über das Sekundärsonnenrad die Abtriebswelle zur Hinterachse an. Die Verteilung der Antriebskraft zur Vorder- und Hinterachse erfolgt im Endabtrieb. Die Lamellensperre sperrt bei auftretenden Drehzahlunterschieden zwischen Vorder- und Hinterachse den Planetenradsatz. Die normale Drehmomentverteilung (36:64 Prozent) kann durch die Lamellensperre stufenlos geändert werden. Dabei richtet sich der Sperrgrad nach der Höhe der Drehzahldifferenzen und kann bei sehr hohen Drehzahlunterschieden 100 Prozent betragen. Bei voll gesperrten Planetenradsatz entfallen 60 Prozent des Antriebsdrehmoments auf die Vorderachse und 40 Prozent auf die Hinterachse.

Aufbau und Funktion der Lamellenkupplung (Automatikgetriebe ACT-4)(Bearbeiten)

Die in einem Ölbad laufende Lamellenkupplung besteht aus abwechselnd angeordneten Außen- und Innenlamellen. Die Außenlamellen (Stahllamellen) sind kraftschlüssig mit dem Planetenradträger verbunden. Die Innenlamellen (Reiblamellen) sitzen auf dem Lamellenträger der kraftschlüssig mit der Abtriebswelle der Hinterachse verbunden ist. Der im Endabtriebsgehäuse untergebrachte Kolben wird hydraulisch betätigt. Der am Kolben anliegende Öldruck wird über ein kennfeldgesteuertes Lastmagnetventil beeinflusst, das getaktete Signale vom Getriebesteuergerät erhält. Die wichtigsten Eingangssignale für das Automatiksteuergerät zur Regelung der Sperre sind die Drehzahlsignale der Geschwindigkeitssensoren 1 und 2 und die Eingangsinformationen vom Steuergerät der Fahrdynamikregelung. Dadurch erkennt die Elektronik die Last des Fahrzeuges und eventuell auftretende Drehzahldifferenzen zwischen den beiden Achsen. Auf der Basis dieser Informationen berechnet das Steuergerät für jeden Fahrzustand den optimalen Öldruck am Kolben der Lamellenkupplung (Allradkupplung): Je höher der Druck ist, der auf das Lamellenpaket wirkt, desto größer ist der Anpressdruck des Kolbens, desto größer ist die Antriebskraftverteilung zur Hinterachse.

Aufbau und Funktion der Viskosperre (Schaltgetriebe mit Mittendifferential)(Bearbeiten)

Innerhalb eines nach außen abgedichteten Gehäuses mit Nabe sind Innen- und Außenlamellen abwechselnd mit der Nabe und dem Gehäuse verdrehfest verbunden. Die Scheibenpakete laufen dabei in Silikonöl, Innen- und Außenlamellen berühren sich bei Drehung nicht. Die Außenlamelle dreht sich mit einer bestimmten Geschwindigkeit. Die Innenlamelle steht still. Durch die Bewegung der Außenlamelle wird die berührende Flüssigkeit mit der gleichen Geschwindigkeit bewegt.

Entsteht zwischen dem Gehäuse (Außenlamellen = Verbindung zur Vorderachse) und Nabe (Innenlamellen = Verbindung zur Hinterachse) eine Drehzahldifferenz, z. B. weil ein Rad oder eine Achse Schlupf aufweist, so bewirkt diese Strömungsdifferenz eine "Scherkraft", welche als Widerstand auf die rotierende Außenlamelle wirkt. Durch die Scherwirkung wird Drehmoment zwischen den Lamellen übertragen. Bezogen auf die Innenlamelle wirkt die "Scherkraft" als Antriebskraft. Vergleichbar ist dies mit einem Löffel, den man durch ein Honigglas zieht. Zieht man den Löffel sehr langsam durch den Honig, bleibt das Glas auf dem Tisch stehen. Zieht man den Löffel schnell, wird das Glas mitgezogen.

Bei anhaltenden Drehzahldifferenzen erwärmt sich das Silikonöl und dehnt sich im Gehäuse entsprechend aus. Im Gegensatz zu den meisten Flüssigkeiten verdickt sich das Silikonöl bei steigender Temperatur. Der Druck in dem geschlossenen Gehäuse nimmt zu, und ab einem bestimmten Punkt werden Außen- und Innenlamellen zusammengepresst. Das Mittendifferential wird voll gesperrt und eine starre Verbindung zwischen Vorder- und Hinterachse hergestellt. Die 100-prozentige Sperrung des Differentials wird auch als "Hump-Effekt" (Buckel-Effekt) bezeichnet. Verringert sich nach dem "Hump-Effekt" wieder die Drehzahldifferenz, verringern sich auch die Temperatur und damit der Druck im Gehäuse: Die Viskosperre kehrt wieder zum normalen Betriebszustand zurück.

Helical LSD(Bearbeiten)

Grundmerkmal des Helical LSD ist die Schraubenverzahnung (engl. helical), deren prinzipbedingte Reibung und deren zusätzliche Kräfte (wegen des Flankenwinkels der Verzahnung) zu Gegenkräften am Gehäuse führen und an den Kontaktstellen zusätzliche Reibung verursachen. Das Helical LSD gehört zur Kategorie der drehmomentfühlenden, so genannten Torsen-Differenziale (Torsen = TORque SENsing).

Die Sperrwirkung wird durch die Drehzahldifferenz hervorgerufen und die Sperre versucht, die Drehzahldifferenz klein zu halten. Die Sperrwirkung tritt erst ein, wenn eine Drehzahldifferenz auftritt. Beim Anfahren auf unterschiedlich griffiger Fahrbahn muss erst einmal ein Rad durchdrehen, bevor die Sperre das Antriebsmoment auf das Rad mit guter Bodenhaftung umverteilt. Beim Einfahren einer Kurve unter Last (mit Antriebsmoment, Fuß auf dem Gas) erlaubt die Sperre zunächst eine Ausgleichsbewegung der Räder, mit steigender Drehzahldifferenz wird allerdings Moment auf das kurveninnere Rad umverteilt. Die Reibwirkung entsteht durch Reibung am bzw. im Gehäuse, durch Reiblamellen oder durch Reibung in gleitenden Gewinden. Sie beruht auf den Gesetzen der Coulombschen Reibung, d.h. die Sperrwirkung ist unabhängig von der Drehzahldifferenz. So lange Antriebsleistung übertragen wird, sperrt das Helical LSD. Auch bei weiten Kurven führt das dazu, dass das Differenzial das Fahrzeug wieder auf Geradeaus-Kurs bringen will. Das Sperrdifferenzial fördert in diesem Fahrzustand ein Untersteuern.

µ-Estimator(Bearbeiten)

Ein entscheidendes Element für die Ausschöpfung des Potentials des elektronisch gesteuerten Allradantriebs ist der "µ-Estimator", der den Schlupf auf der Basis definierter Parameter berechnet. Entwicklungsziele sind die Optimierung der Fahrstabilität auf glatten Straßen (Sperrung des Mittendifferentials) und des Handlings auf trockenen Straßen (optimale Drehmomentverteilung). Dies wird erreicht durch eine kooperative Kontrolle von Vehicle Dynamics Control und Giermoment-Feedback.

Das Konzept des "µ-Estimator" benötigt keine zusätzlichen oder exklusiven Sensoren und ist ebenso robust wie empfindlich. Dabei stand das Gesetz zur Parameter-Identifikation der Theorie der adaptiven Steuerung im Fokus der Entwicklungsarbeit. Durch die Anwendung der Theorie der adaptiven Steuerung lassen sich die Reifencharakteristika abschätzen, die dem Einfluss des µ unterliegen. Zur Optimierung des Ansprechverhaltens der µ-Estimation werden außerdem die Änderungen berücksichtigt, die sich aus der Querbeschleunigung des Fahrzeugs ergeben. Die Änderungen werden wirksam, wenn das Eingangssignal für die Parameter-Identifikation nicht ausreicht, denn gemäß der Theorie der adaptiven Steuerung müssen die Identifikationssignale nachhaltiger Art sein. Die Reifencharakteristika werden auf der Basis der Parameter-Identifikationslogik angepasst, das angenommene µ wird aus den kalkulierten Reifenwerten berechnet, die grundlegende Drehmomentverteilung erfolgt auf der Basis des angenommenen µ.

Auf Straßen mit geschlossener Schneedecke funktioniert die Bewertung unseres Kontrollsystems anders. Der momentane Stabilitätsfaktor "K" dient als Index für das Lenkverhalten. "K" errechnet sich aus Lenkwinkel, Giermoment und Fahrzeuggeschwindigkeit. Bei Übersteuern ist der momentane Stabilitätsfaktor negativ, bei Untersteuern positiv. Bei offenem Mittendifferential ist die Häufigkeit von neutralem bzw. übersteuerndem Lenkverhalten relativ hoch, bei gesperrtem Mittendifferential die Häufigkeit von ausgeprägtem Untersteuern relativ hoch.

Deshalb hat Subaru eine Distorsion des momentanen Stabilitätsfaktors eingeführt. Bei häufigem Übersteuern ist die Distorsion negativ oder relativ gering. Beim aktuellen VTD-System wird die Kontrollierbarkeit des einzelnen Rades durch die Optimierung der Drehmomentverteilung innerhalb der Vehicle Dynamics Control verbessert. Damit wird die Drehmomentverteilung µ-abhängig optimiert, und das Giermoment-Feedback sorgt für exzellentes Handling und Stabilität.

Quelle: http://www.subaru-presse.de/symmetrical-awd.html


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