So funktioniert Allradantrieb

Hummer arbeiten mit Allradantrieb. Siehe Bilder von Offroading.

Es gibt fast so viele verschiedene Arten von Allradsystemen wie Fahrzeuge mit Allradantrieb. Es scheint, dass jeder Hersteller verschiedene Schemata hat, um alle Räder mit Strom zu versorgen. Die Sprache, die von den verschiedenen Autoherstellern verwendet wird, kann manchmal etwas verwirrend sein. Bevor wir also erklären, wie sie funktionieren, klären wir einige Begriffe:

• Allradantrieb - Normalerweise, wenn Autohersteller sagen, dass ein Auto hat Allradantrieb, sie beziehen sich auf a Teilzeit System. Aus Gründen, die wir später in diesem Artikel untersuchen werden, sind diese Systeme nur für den Einsatz unter Bedingungen mit geringer Traktion gedacht, z. B. im Gelände oder auf Schnee oder Eis.
• Allradantrieb - Diese Systeme werden manchmal genannt Vollzeit-Allradantrieb. Allradantriebssysteme funktionieren auf allen Arten von Oberflächen, sowohl auf der Straße als auch im Gelände, und die meisten von ihnen können nicht ausgeschaltet werden.

Teilzeit- und Vollzeit-Allradsysteme können nach denselben Kriterien bewertet werden. Das beste System sendet genau das richtige Drehmoment an jedes Rad. Dies ist das maximale Drehmoment, das nicht zum Durchrutschen des Reifens führt.

In diesem Artikel erklären wir die Grundlagen des Allradantriebs, beginnend mit Hintergrundinformationen zur Traktion, und betrachten die Komponenten, aus denen ein Allradantrieb besteht. Dann werfen wir einen Blick auf einige verschiedene Systeme, darunter das des Hummer, das von AM General für GM hergestellt wurde.

Wir müssen etwas darüber wissen Drehmoment, Traktion und Radschlupf bevor wir die verschiedenen Allradsysteme verstehen können, die in Autos zu finden sind.

Das Drehmoment ist die Drehkraft, die der Motor erzeugt. Das Drehmoment des Motors bewegt Ihr Auto. Die verschiedenen Gänge im Getriebe und im Differential multiplizieren das Drehmoment und teilen es auf die Räder auf. Im ersten Gang kann mehr Drehmoment auf die Räder übertragen werden als im fünften Gang, da der erste Gang ein größeres Übersetzungsverhältnis aufweist, mit dem das Drehmoment multipliziert werden kann.

Das Balkendiagramm unten zeigt das Drehmoment, das der Motor erzeugt. Die Markierung in der Grafik gibt das Drehmoment an, das einen Radschlupf verursacht. Das Auto, das einen guten Start macht, überschreitet dieses Drehmoment nie, damit die Reifen nicht verrutschen. Das Auto, das einen schlechten Start macht, überschreitet dieses Drehmoment, sodass die Reifen rutschen. Sobald sie zu rutschen beginnen, fällt das Drehmoment auf fast Null ab.

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Das Interessante am Drehmoment ist, dass in Situationen mit geringer Traktion die maximale Drehmomentmenge, die erzeugt werden kann, durch die Traktionsmenge und nicht durch den Motor bestimmt wird. Selbst wenn Sie einen NASCAR-Motor in Ihrem Auto haben und die Reifen nicht am Boden haften bleiben, gibt es einfach keine Möglichkeit, diese Leistung zu nutzen.

Für diesen Artikel werden wir definieren Traktion als maximale Kraft, die der Reifen auf den Boden ausüben kann (oder die der Boden auf den Reifen ausüben kann - sie sind dasselbe). Dies sind die Faktoren, die die Traktion beeinflussen:

Das Gewicht auf dem Reifen -- Je mehr Gewicht ein Reifen hat, desto mehr Traktion hat er. Das Gewicht kann sich verschieben, wenn ein Auto fährt. Wenn beispielsweise ein Auto eine Kurve fährt, verlagert sich das Gewicht auf die Außenräder. Beim Beschleunigen verlagert sich das Gewicht auf die Hinterräder. (Weitere Informationen finden Sie unter Funktionsweise von Bremsen.)

Der Reibungskoeffizient -- Dieser Faktor bezieht den Betrag der Reibungskraft zwischen zwei Oberflächen auf die Kraft, die die beiden Oberflächen zusammenhält. In unserem Fall bezieht sich das Ausmaß der Traktion zwischen den Reifen und der Straße auf das Gewicht, das auf jedem Reifen ruht. Der Reibungskoeffizient hängt hauptsächlich von der Art der Reifen am Fahrzeug und der Art der Oberfläche ab, auf der das Fahrzeug fährt. Beispielsweise hat ein NASCAR-Reifen einen sehr hohen Reibungskoeffizienten, wenn er auf einer trockenen Betonbahn fährt. Dies ist einer der Gründe, warum NASCAR-Rennwagen bei so hohen Geschwindigkeiten Kurven fahren können. Der Reibungskoeffizient für denselben Reifen im Schlamm wäre nahezu Null. Im Gegensatz dazu hätten riesige, knorrige Offroad-Reifen auf trockener Strecke keinen so hohen Reibungskoeffizienten, aber im Schlamm ist ihr Reibungskoeffizient extrem hoch.

Radschlupf -- Es gibt zwei Arten von Kontakten, die Reifen mit der Straße herstellen können: statisch und dynamisch.

• statischer Kontakt -- Der Reifen und die Straße (oder der Boden) rutschen nicht relativ zueinander. Der Reibungskoeffizient für statischen Kontakt ist höher als für dynamischen Kontakt, sodass statischer Kontakt eine bessere Traktion bietet.
• dynamischer Kontakt -- Der Reifen rutscht relativ zur Straße. Der Reibungskoeffizient für dynamischen Kontakt ist niedriger, sodass Sie weniger Traktion haben.

Radschlupf tritt ganz einfach auf, wenn die auf einen Reifen ausgeübte Kraft die für diesen Reifen verfügbare Traktion überschreitet. Die Kraft wird auf zwei Arten auf den Reifen ausgeübt:

• In Längsrichtung -- Die Längskraft ergibt sich aus dem Drehmoment, das der Motor oder die Bremsen auf den Reifen ausüben. Es neigt dazu, das Auto entweder zu beschleunigen oder zu verlangsamen.
• Seitlich -- Seitenkraft entsteht, wenn das Auto um eine Kurve fährt. Es braucht Kraft, um die Richtung eines Autos zu ändern - letztendlich sorgen die Reifen und der Boden für Seitenkraft.

Nehmen wir an, Sie haben ein ziemlich starkes Auto mit Hinterradantrieb und fahren auf einer nassen Straße um eine Kurve. Ihre Reifen haben viel Traktion, um die Seitenkraft aufzubringen, die erforderlich ist, um Ihr Auto auf der Straße zu halten, wenn es um die Kurve fährt. Angenommen, Sie treten mitten in der Kurve auf das Gaspedal (Tu das nicht!) - Ihr Motor überträgt viel mehr Drehmoment auf die Räder und erzeugt eine große Längskraft. Wenn Sie die Längskraft (vom Motor erzeugt) und die in der Kurve erzeugte Seitenkraft addieren und die Summe die verfügbare Traktion überschreitet, haben Sie gerade einen Radschlupf erzeugt.

Die meisten Menschen überschreiten nicht einmal annähernd die verfügbare Traktion auf trockener Fahrbahn oder sogar auf ebener, nasser Fahrbahn. Allrad- und Allradantriebssysteme sind am nützlichsten in Situationen mit geringer Traktion, z. B. im Schnee und auf rutschigen Hügeln.

Der Vorteil des Allradantriebs ist leicht zu verstehen: Wenn Sie vier statt zwei Räder fahren, können Sie die Längskraft (die Kraft, die Sie zum Fahren bringt), die die Reifen auf den Boden ausüben, verdoppeln.

Dies kann in einer Vielzahl von Situationen hilfreich sein. Zum Beispiel:

• Im Schnee -- Es braucht viel Kraft, um ein Auto durch den Schnee zu schieben. Die verfügbare Kraft ist durch die verfügbare Traktion begrenzt. Die meisten Autos mit Zweiradantrieb können sich nicht bewegen, wenn mehr als ein paar Zentimeter Schnee auf der Straße liegen, da im Schnee jeder Reifen nur eine geringe Traktion aufweist. Ein Auto mit Allradantrieb kann die Traktion aller vier Reifen nutzen.
• Offroad -- Unter Geländebedingungen befindet sich mindestens ein Reifensatz häufig in einer Situation mit geringer Traktion, z. B. beim Überqueren eines Baches oder einer Schlammpfütze. Mit Allradantrieb hat der andere Reifensatz immer noch Traktion, sodass Sie herausgezogen werden können.
• Klettern auf rutschigen Hügeln -- Diese Aufgabe erfordert viel Traktion. Ein Auto mit Allradantrieb kann die Traktion aller vier Reifen nutzen, um das Auto den Berg hinauf zu ziehen.

Es gibt auch Situationen, in denen der Allradantrieb keinen Vorteil gegenüber dem Zweiradantrieb bietet. Vor allem Allradsysteme helfen Ihnen nicht, auf rutschigen Oberflächen anzuhalten. Alles hängt von den Bremsen und dem Antiblockiersystem (ABS) ab..

Schauen wir uns nun die Teile an, aus denen ein Allradsystem besteht.

Die häufigste Art von Differential - das offene Differential

Die Hauptteile eines Allradsystems sind die beiden Differentiale (vorne und hinten) und das Verteilergetriebe. Darüber hinaus verfügen Teilzeitsysteme über Verriegelungsknoten, und beide Systemtypen verfügen möglicherweise über eine fortschrittliche Elektronik, mit deren Hilfe sie die verfügbare Traktion noch besser nutzen können.

Differentiale Ein Auto hat zwei Differentiale, eines zwischen den beiden Vorderrädern und eines zwischen den beiden Hinterrädern. Sie übertragen das Drehmoment von der Antriebswelle oder dem Getriebe auf die Antriebsräder. Sie ermöglichen es auch, dass sich das linke und das rechte Rad mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten drehen, wenn Sie eine Kurve fahren.

Wenn Sie eine Kurve fahren, folgen die Innenräder einem anderen Weg als die Außenräder, und die Vorderräder folgen einem anderen Weg als die Hinterräder, sodass jedes der Räder mit einer anderen Geschwindigkeit dreht. Die Differentiale ermöglichen den Geschwindigkeitsunterschied zwischen Innen- und Außenrad. (Beim Allradantrieb wird der Geschwindigkeitsunterschied zwischen Vorder- und Hinterrad vom Verteilergetriebe übernommen - wir werden dies als nächstes besprechen.)

Es gibt verschiedene Arten von Differentialen, die in PKW und LKW verwendet werden. Die Art der verwendeten Differentiale kann einen erheblichen Einfluss darauf haben, wie gut das Fahrzeug die verfügbare Traktion nutzt. Weitere Informationen finden Sie unter Funktionsweise von Differentialen.

Ein typisches Teilzeit-Verteilergetriebe mit Allradantrieb: Die Untersetzung des Planetengetriebes kann aktiviert werden, um das Untersetzungsgetriebe bereitzustellen.

Verteilergetriebe

Dies ist das Gerät, das die Leistung zwischen Vorder- und Hinterachse eines Autos mit Allradantrieb aufteilt.

Zurück zu unserem Beispiel für Kurvenfahrten: Während die Differentiale den Geschwindigkeitsunterschied zwischen Innen- und Außenrad bewältigen, enthält das Verteilergetriebe eines Allradantriebssystems eine Vorrichtung, die einen Geschwindigkeitsunterschied zwischen Vorder- und Hinterrad ermöglicht. Dies kann eine viskose Kupplung, ein Mittendifferential oder eine andere Art von Zahnradsatz sein. Mit diesen Geräten kann ein Allradantrieb auf jeder Oberfläche ordnungsgemäß funktionieren.

Das Verteilergetriebe Bei einem Teilzeit-Allradantrieb blockiert die Antriebswelle der Vorderachse die Antriebswelle der Hinterachse, sodass die Räder gezwungen sind, mit der gleichen Geschwindigkeit zu drehen. Dies erfordert, dass die Reifen rutschen, wenn das Auto um eine Kurve fährt. Teilzeitsysteme wie dieses sollten nur in Situationen mit geringer Traktion eingesetzt werden, in denen die Reifen relativ leicht rutschen können. Auf trockenem Beton können die Reifen nicht leicht durchrutschen. Daher sollte der Allradantrieb ausgeschaltet werden, um ruckartige Kurven und zusätzlichen Verschleiß der Reifen und des Antriebsstrangs zu vermeiden.

Einige Verteilergetriebe, üblicherweise solche in Teilzeitsystemen, enthalten auch einen zusätzlichen Satz von Gängen, die dem Fahrzeug eine geben niedrige Reichweite. Dieses zusätzliche Übersetzungsverhältnis verleiht dem Fahrzeug ein zusätzliches Drehmoment und eine super langsame Ausgangsgeschwindigkeit. Im ersten Gang im niedrigen Bereich hat das Fahrzeug möglicherweise eine Höchstgeschwindigkeit von etwa 8 km / h, aber an den Rädern wird ein unglaubliches Drehmoment erzeugt. Dadurch können die Fahrer langsam und sanft über sehr steile Hügel kriechen.

Hubs verriegeln

Jedes Rad in einem Auto ist mit einer Nabe verschraubt. Teilzeit-Allrad-Lkw haben in der Regel Verriegelungsnaben an den Vorderrädern. Wenn der Allradantrieb nicht aktiviert ist, werden die Vorderräder über die Sperrnaben vom vorderen Differential, den Halbwellen (den Wellen, die das Differential mit der Nabe verbinden) und der Antriebswelle getrennt. Dadurch können das Differential, die Halbwellen und die Antriebswelle nicht mehr durchdrehen, wenn sich das Fahrzeug im Zweiradantrieb befindet. Dies spart Verschleiß an diesen Teilen und verbessert den Kraftstoffverbrauch.

Manuelle Verriegelungsnaben waren früher weit verbreitet. Um den Allradantrieb einzuschalten, musste der Fahrer tatsächlich aus dem LKW aussteigen und einen Knopf an den Vorderrädern drehen, bis die Naben blockierten. Neuere Systeme verfügen über automatische Verriegelungsnaben, die einrasten, wenn der Fahrer auf Allradantrieb umschaltet. Diese Art von System kann normalerweise aktiviert werden, während sich das Fahrzeug bewegt.

Ob manuell oder automatisch, diese Systeme verwenden im Allgemeinen einen Gleitring, der die vorderen Halbwellen an der Nabe verriegelt.

Fortgeschrittene Elektronik

Bei vielen modernen Allrad- und Allradfahrzeugen spielt fortschrittliche Elektronik eine Schlüsselrolle. Einige Autos verwenden das ABS-System, um die Bremsen selektiv auf Räder zu betätigen, die ins Schleudern geraten - dies wird genannt Bremstraktionskontrolle.

Andere verfügen über ausgeklügelte, elektronisch gesteuerte Kupplungen, mit denen die Drehmomentübertragung zwischen den Rädern besser gesteuert werden kann. Wir werden uns später in diesem Artikel ein solches fortschrittliches System ansehen.

Lassen Sie uns zunächst sehen, wie das grundlegendste Teilzeit-Allradsystem funktioniert.

Diagramm des Basissystems

Die Art von Teilzeitsystem, die normalerweise bei Pickups mit Allradantrieb und älteren SUVs zu finden ist, funktioniert folgendermaßen: Das Fahrzeug ist normalerweise mit Hinterradantrieb ausgestattet. Das Getriebe wird direkt an ein Verteilergetriebe angeschlossen. Von dort dreht eine Antriebswelle die Vorderachse und eine andere die Hinterachse.

Wenn der Allradantrieb aktiviert ist, blockiert das Verteilergetriebe die vordere Antriebswelle mit der hinteren Antriebswelle, sodass jede Achse die Hälfte des vom Motor kommenden Drehmoments erhält. Gleichzeitig verriegeln sich die vorderen Naben.

Die Vorder- und Hinterachse haben jeweils ein offenes Differential. Obwohl dieses System eine viel bessere Traktion bietet als ein Fahrzeug mit Zweiradantrieb, weist es zwei Hauptnachteile auf. Wir haben bereits eines davon besprochen: Es kann wegen des verschlossenen Verteilergetriebes nicht auf der Straße verwendet werden.

Das zweite Problem ergibt sich aus der Art der verwendeten Differentiale: Ein offenes Differential teilt das Drehmoment gleichmäßig auf jedes der beiden Räder auf, mit denen es verbunden ist (weitere Informationen finden Sie unter Funktionsweise von Differentialen). Wenn eines dieser beiden Räder vom Boden abhebt oder sich auf einer sehr rutschigen Oberfläche befindet, fällt das auf dieses Rad ausgeübte Drehmoment auf Null. Da das Drehmoment gleichmäßig verteilt ist, erhält das andere Rad ebenfalls kein Drehmoment. Selbst wenn das andere Rad viel Traktion hat, wird kein Drehmoment auf es übertragen. Die folgende Animation zeigt, wie ein solches System unter verschiedenen Bedingungen reagiert.

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Animation eines Basissystems mit verschiedenen Geländekombinationen. Dieses Fahrzeug bleibt stecken, wenn zwei seiner Räder auf dem Eis stehen.

Zuvor haben wir gesagt, dass das beste Allradsystem genau das richtige Drehmoment an jedes Rad sendet, wobei das richtige Drehmoment das maximale Drehmoment ist, das nicht zum Durchrutschen des Reifens führt. Dieses System bewertet dieses Kriterium ziemlich schlecht. Es sendet an beide Räder das Drehmoment, das den Reifen mit dem nicht verursacht am wenigsten Traktion zu rutschen.

Es gibt einige Möglichkeiten, ein solches System zu verbessern. Das Ersetzen des offenen Differentials durch ein Sperrdifferential ist eines der häufigsten - dies stellt sicher, dass beide Hinterräder unabhängig davon ein gewisses Drehmoment aufbringen können. Eine weitere Option ist ein Sperrdifferential, das die Hinterräder zusammenhält, um sicherzustellen, dass jeder auf das gesamte in die Achse einwirkende Drehmoment zugreifen kann, auch wenn sich ein Rad über dem Boden befindet. Dies verbessert die Leistung im Gelände.

Im nächsten Abschnitt werfen wir einen Blick auf das ultimative Allradsystem: das auf dem Hummer.

Das Militärfahrzeug AM General Hummer kombiniert fortschrittliche mechanische Technologie mit hochentwickelter Elektronik, um das wohl beste Allradsystem auf dem Markt zu schaffen.

Der Hummer verfügt über ein Vollzeitsystem mit zusätzlichen Funktionen, die für eine verbesserte Offroad-Leistung eingesetzt werden können. In diesem System ist wie in unserem Basissystem das Getriebe an das Verteilergetriebe angeschlossen. Vom Verteilergetriebe aus verbindet sich eine Antriebswelle mit der Vorderachse und eine mit der Hinterachse. Das Verteilergetriebe des Hummer blockiert jedoch nicht automatisch die Vorder- und Hinterachse. Stattdessen enthält es einen Satz offener Differentialgetriebe, die vom Fahrer gesperrt werden können. Im offenen Modus (nicht verriegelt) können sich die Vorder- und Hinterachse mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten bewegen, sodass das Fahrzeug problemlos auf trockenen Straßen fahren kann. Wenn das Differential gesperrt ist, haben die Vorder- und Hinterachse jeweils Zugriff auf das Motordrehmoment. Wenn sich die Vorderräder in Treibsand befinden, erhalten die Hinterräder das gesamte Drehmoment, das sie verarbeiten können.

Diagramm des Hummer-Systems, ein cooles Merkmal des Hummer sind die Zahnradnaben, die an jedem Rad verwendet werden. Diese heben den gesamten Antriebsstrang an und geben dem Hummer 40,64 cm Bodenfreiheit, mehr als doppelt so viel wie die meisten Allradantriebe.

Die vorderen und hinteren Differentiale sind beide Torsen^® Differentiale. Diese Differentiale haben einen einzigartigen Zahnradsatz: Sobald ein Drehmomentabfall auf ein Rad festgestellt wird (der auftritt, wenn ein Reifen durchrutscht), überträgt der Zahnradsatz das Drehmoment auf das andere Rad. Torsen-Differentiale können das Zwei- bis Vierfache des Drehmoments von einem Rad auf das andere übertragen. Dies ist eine große Verbesserung gegenüber offenen Differentialen. Wenn jedoch ein Rad vom Boden abhebt, erhält das andere Rad immer noch kein Drehmoment.

Um dieses Problem zu lösen, ist der Hummer mit einem ausgestattet Traktionskontrollsystem für Bremsen. Wenn ein Reifen zu rutschen beginnt, betätigt die Bremstraktion die Bremsen an diesem Rad. Dies erreicht zwei Dinge:

• Es verhindert, dass der Reifen durchrutscht, sodass er seine verfügbare Traktion maximal nutzen kann.
• Dadurch kann das andere Rad mehr Drehmoment aufbringen.

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Das Hummer-System trifft auf verschiedene Geländekombinationen: Damit der Hummer stecken bleibt, müssen alle vier Räder die Traktion verlieren.

Das Bremsentraktionskontrollsystem übt ein erhebliches Drehmoment auf das Rad aus, das durchrutschen möchte, sodass das Torsen-Differential das zwei- bis vierfache des erhöhten Drehmoments auf das andere Rad ausüben kann.

Lassen Sie uns den Hummer auf die Probe stellen.

Das System des Hummer ist in der Lage, ein hohes Drehmoment auf die Reifen mit Traktion zu übertragen, auch wenn dies bedeutet, dass alles auf einen einzigen Reifen übertragen wird. Damit kommt der Hummer unserer Definition eines idealen Allradsystems ziemlich nahe: eines, das jedem Reifen das maximale Drehmoment liefert, das er bewältigen kann.

Weitere Informationen zum Allradantrieb und verwandten Themen finden Sie unter den Links auf der nächsten Seite.

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