Dem Derk sein Blog

Der zuschaltbare Allradantrieb - Funktion und Grenzen

[der_Derk]

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jimny-winter

Ein weiteres, immer wiederkehrendes Thema im Forum ist der zuschaltbare Allradantrieb. Ähnlich wie schon bei der Freilaufnabe, bietet es sich an, diesem Thema einen Blogartikel zur zentralen Zusammenfassung zu spendieren. Fangen wir am Besten gleich mit der Definition an: Beim zuschaltbaren Allradantrieb handelt es sich, im Gegensatz zum permanenten Allradantrieb und dem automatisch zuschaltendem Allrad um ein vom Fahrer manuell betätigtes System, welches als Besonderheit über kein Mitteldifferential oder eine vergleichbare Einrichtung (Lamellenkupplung, etc.) verfügt. Zu finden ist es in Geländewagen und Pickups, die weiteste Verbreitung fand das System in den 80er und 90er Jahren. Der Trend zum SUV hat es mittlerweile weitgehend vom Markt verdrängt, da hier Bedienungseingriffe seitens des Fahrers nicht mehr in dem Maße gewünscht sind.

Wie funktioniert das Ganze technisch?

Der Motor verteilt die Kraft über ein zentrales Verteilergetriebe (VTG) auf Vorder- und Hinterachse, wie bei anderen Allradsystemen auch. Im Gegensatz zum permanenten Allradantrieb findet sich jedoch im Verteilergetriebe kein Differential, sondern lediglich eine Kupplung, welche nur die beiden Betriebszustände "offen" und "geschlossen" kennt, keinen Schlupf. Somit können Vorder- und Hinterachse entweder kraftschlüssig verbunden oder komplett getrennt werden. In der gebräuchlichen Auslegung wird die Hinterachse direkt angetrieben, während die Vorderachse dazugeschaltet werden kann - die andere Möglichkeit, die Vorderachse direkt anzutreiben und die hintere bei Bedarf zuzuschalten ist nicht üblich, mit entsprechenden Umbaumaßnahmen lassen sich manche Verteilergetriebe aber dahingehend modifizieren.
Im VTG enthalten ist in beinahe allen Fällen auch das Untersetzungsgetriebe, welches bei Bedarf die straßentaugliche Übersetzung um den Faktor 1,5-2 (bis zu 4 je nach Modell, oder höher nach entsprechenden Umbauten) reduziert. Dies realisiert auf den Faktor 2 bezogen bei halbierter Raddrehzahl das doppelte Drehmoment am Rad, und macht Steigfähigkeiten von 45 Grad und (rechnerisch) mehr erst möglich. Es wird dabei auch gerne von 12 Gängen oder 10+2 gesprochen, was zwar technisch durchaus richtig ist, aber beim Fahren meistens nicht so genutzt werden kann, da nur sehr wenige Modelle über eine synchronisierte Untersetzung verfügen. Man kann also nicht während der Fahrt zwischen hoher und niedriger Übersetzung wechseln.

Wo kann ich Umschalten?

Waren in den Anfängen noch rein mechanische Schaltmöglichkeiten in Form eines zweiten Schalthebels hinter oder neben dem normalen Schalthebel vorgesehen, wurde dies über die Zeit durch elektromechanische Ausführungen verdrängt. Bei den aktuellen Modellen befindet sich irgendwo ein Drehschalter oder Tastensatz im Armaturenbrett, und die eigentliche Betätigung des VTG erfolgt über Stellmotoren. Möglich sind üblicherweise die Einstellungen 2H, 4H, 4L und N. Wie nicht schwer zu erraten ist, beziffert die erste Zahl die Anzahl der angetriebenen Räder, "H" ist die Übersetzung für hohe Geschwindigkeiten, "L" ist die Untersetzung zum langsamen aber kraftvollen Fahren im Gelände. Man sieht schon, dass 2L offensichtlich nicht vorgesehen ist, dies lässt sich aber manchmal über Umwege dennoch realisieren. Die Betriebsanleitung rät meistens davon ab, da das höchstmögliche Drehmoment dann auf eine Achse losgelassen wird. "N" ist der Leerlauf, der aber nicht immer vorhanden ist. Notwendig ist er bestenfalls bei Fahrzeugen mit Automatik, um diese ohne Schäden am Automatikgetriebe abschleppen zu können; Fahrzeuge mit manuellem Schaltgetriebe haben dadurch keine Vorteile, lediglich einen Leerlauf mehr. Aus historischer Sicht konnte man über diese Stellung externe Geräte wie z.B. hydraulische Winden antreiben, aber die Leerlaufwelle ist bei keinem mir bekannten nicht-LKW-Getriebe herausgeführt, nur manchmal ist der Gehäuseflansch noch vorhanden.

Wann sollte ich umschalten?

Der ganz entscheidende Punkt dieser Antriebsart ist weiter oben genannt: Es gibt kein Mitteldifferential, Vorder- und Hinterachse drehen im Allradbetrieb immer mit exakt derselben Drehzahl. Das hat keinerlei Nachteile solange man nur geradeaus fährt - in Kurven jedoch legt die Vorderachse einen längeren Weg zurück als die Hinterachse, müsste somit also auch schneller drehen. Durch die feste Verbindung von vorderer und hinterer Kardanwelle im Verteilergetriebe kann sie es aber nicht. Dies hat zwei entscheidende Nachteile auf die Fahrdynamik: Das Einbremsen der Vorderachse in Kurven vergrößert den Wendekreis und lässt das Fahrzeug stark untersteuern, die Rückstellkräfte im Lenkrad sind ebenfalls sehr hoch. Weiterhin ist die Bremskraftverteilung nun auf einmal auch nicht mehr frontlastig, sondern zu gleichen Teilen auf beide Achsen verteilt - die Hinterachse neigt also zum Überbremsen. Zusammenfassend: Zuschaltbare Allradantriebe und Kurven vertragen sich nicht.
Man muss also abwägen, wann man die Traktionsvorteile wirklich benötigt und wann nicht. Dabei ist noch zu beachten: Auf festem Untergrund benötigt man sie definitiv nicht, denn dort kommen auch alle 2WD-Fahrzeuge problemlos voran. Gleichzeitig kann die Verwendung auf festem Untergrund schwere Schäden am Antrieb nach sich ziehen, wenn es nicht gelingt die durch die Drehzahlunterschiede auftretenden Verspannungen im Antriebsstrang durch Radschlupf auszugleichen. Haften die Räder zu gut, gibt irgendwann ein anderes Bauteil nach - und das kann vom Verteilergetriebe über dessen Aufhängung, den Kardangelenken, den Antriebs- und Gelenkwellen bis hin zur Freilaufnabe einiges an teuren Teilen sein. Manche Hersteller haben für solche Fälle eine Notlöseeinrichtung vorgesehen, die bei zu hoher Belastung (lautstark) überspringt, ähnlich einer verzahnten Rutschkupplung - das ist aber im Sinne einer möglichst guten Kraftübertragung und Geländetauglichkeit kontraproduktiv, da der Allradantrieb gerade in solchen Situationen halten soll.

Wenn das alles so viele Nachteile hat, was soll man dann damit?

Es ist - wie oft im Leben - eine Frage des Bedarfs und des Preises. Ein zuschaltbarer Allradantrieb ist zunächst mal billiger als ein Permanenter. Er dient aber im Gegensatz dazu nicht der Verbesserung der Fahrdynamik, sondern er hat lediglich das Durchkommen in schwierigen Situationen zum Ziel. Dafür bedarf es keines Mitteldifferentials - denn das würde sowieso als Erstes gesperrt, um nicht alle Kraft an einem freien Rad verpuffen zu lassen (auch den Umkehrschluss beachten: Ein freies Rad bei drei offenen Differentialen hat eine Schussfahrt zur Folge, wenn man mit der Motorbremse einen steilen Hang hinunter will und ein Rad dabei den Bodenkontakt verliert). Auf losem Untergrund und im Gelände ist der Zuschalt-Allrad mindestens genauso gut und brauchbar wie jeder Andere - und auf der Straße darf man ihn zwar nicht verwenden, benötigt aber auch nicht zwingend vier angetriebene Räder, was die Mehrzahl der PKW mit nur einer angetriebenen Achse beweist. Etwas schwierig wird das bei winterlichen Straßenverhältnissen, wo das Wissen um "ich habe Allrad" eine Überlegenheit über die "normalen" PKW suggeriert. Tatsächlich bezieht sich dies beim Zuschalt-Allrad aber nur auf Anfahren und Durchkommen, die Fahrdynamik ist eher schlechter - das ist den meisten Fahrern dann schlecht zu vermitteln. Die Verbrauchsreduzierung durch das Abschalten nicht erforderlicher Teile ist mehr grüne Kosmetik, tatsächlich resultiert der Verbrauchsunterschied eher aus der Anwendung - mit zugeschaltetem Allrad fährt man nicht allzu schnell (ist auch wenig sinnvoll, ohne Mitteldifferential), in 4L sollte man besser gleich nach Betriebsstunden abrechnen.

[der_Derk]

Zitat:

Soweit ich weis ist bei zuschaltbarem Allrad die Vorderachse etwas schneller wie die Hinterachse.

Das wäre over- oder underdrive, ist aber m.W. serienmäßig bei keinem Fahrzeug so umgesetzt, allenfalls wird es bei Trialfahrzeugen nachgerüstet um engere Kurvenradien zu ermöglichen (durch unterschiedliche Achsübersetzungen vorne/hinten). Ist auch als Standardauslegung nicht sinnvoll, denn dann passt das Drehzahlverhältnis lediglich bei einem bestimmten Kurvenwinkel, verspannt aber bei normaler Geradeausfahrt - und das ist ein größeres Problem, denn:

Verspannungen in Kurvenfahrt können noch relativ einfach mittels durchrutschender Räder ausgeglichen werden, da es immer mindestens ein entlastetes Rad gibt, das bevorzugt Schlupf abbauen kann. Bei Geradeausfahrt hingegen findet sich kein bevorzugtes Rad mit schlechter Traktion, insofern bauen sich stärkere Verspannungen auf und rufen höhere Belastungen hervor. Dafür ist nicht mal eine unterschiedliche Übersetzung vorne/hinten erforderlich, unterschiedlich abgefahrene Reifen können genügen. Und das ist ein weiterer Grund, warum der Hersteller bei jeder sich bietenden Gelegenheit darauf hinweist, den Allrad nicht auf fester Straße zu verwenden...

Also - wenn Du ein Beispiel findest, bei dem die Achsübersetzung serienmäßig unterschiedlich ist - nehme ich gerne mit auf. Ist mir aber noch nie begegnet.

Gruß
Derk

[Florian320]

Ich muss mal eine doofe Frage stellen: ich habe einen Nissan Patrol 4500 GRX, BJ 1999. Der fährt wie hier beschrieben mit Hinterradantrieb und lässt sich bei Bedarf auf 4WD umschalten.
Zusätzlich gibt es noch eine Differentialsperre.
Jetzt meine blöde Frage: wenn ich auf 4WD schalte, spüre ich dass der Wendekreis erhöht ist und die Räder (auf Sand) in der Kurve scharren. Wofür ist denn dann noch die Differentialsperre? Ist 4WD quasi die Verbindung vorn/hinten und mit der Differentialsperre kommt dazu noch links/rechts dazu dass wirklich alle vier Räder immer gleich schnell laufen?

[andyrx]

So ist es ....wenn du auf 4WD schaltest ist vorne wie hinten 50/50 verteilt und das merkst in Kurven ....der will dann nur noch geradeaus .....die,Diffsperre hinten noch dazu und er mag Kurven noch weniger.

Deshalb den Allrad und die Sperre nur bei Untergrund mit Schlupf bei bedarf aktivieren ....ist beides nicht für die Straße gemacht .

[der_Derk]

Zitat:

Jetzt meine blöde Frage: wenn ich auf 4WD schalte, spüre ich dass der Wendekreis erhöht ist und die Räder (auf Sand) in der Kurve scharren. Wofür ist denn dann noch die Differentialsperre?

Die Differentialsperre (im Falle des Patrol in der Hinterachse) macht es noch schlimmer .
Steht im Text oben auch schon: Bei Kurvenfahrt legt jedes einzelne Rad am Fahrzeug eine unterschiedliche Wegstrecke zurück. Die Differenz zwischen Vorder- und Hinterachse wird durch das Mitteldifferential ausgeglichen, oder im Falle dessen Abwesenheit - nicht, der Antriebsstrang verspannt. Die Differenz zwischen linken und rechtem Rad einer Achse wird durch das Achsdifferential ausgeglichen, oder im Falle einer aktiven Sperre - nicht, der Antriebsstrang verspannt.

Dein Patrol hat allerdings - zumindest ab Werk - keine Vorderachssperre. Die Reihenfolge der Sperren-Zuschaltung ist aber sowieso am Sinnvollsten Mitte - Hinten - Vorne (und bei manchen Fahrzeugen elektronisch so vorgegeben), und es ist relativ selten, dass man nach den ersten Beiden die Vordere auch noch braucht. Mit offenen Achssperren aber gesperrtem Mitteldiff kann es immer noch vorkommen, dass an jeder Achse ein Rad durchdreht, und der Vortrieb kommt zum Erliegen. Mit gesperrter Hinterachse treibt mindestens ein Rad immer an, vorausgesetzt alle haben Bodenkontakt - und mit gesperrter Vorderachse wäre es dann zusätzlich egal, was hinten passiert. Der Wendekreis wird aber mit jeder weiteren Sperre größer. Man muss daher abwägen, wann sie sinnvoll sind.

[Florian320]

Vielen Dank für die Antworten!
Ich hatte meine Frage etwas ungünstig gestellt, ich bin mir schon der grundsätzlichen Funktion der Sperren bewusst.
Ich wusste halt nur nicht, welche Sperre ich mit dem Diif lock-Schalter aktiviere, da ich kein Handbuch für das Auto habe.
Aber das habt ihr mir ja super erklärt, vielen Dank!

Ich fahre das Auto in Südafrika mit entsprechenden Untergründen. Selbst dort muss ich 4WD nur sehr selten nutzen, mit guten Reifen kommt das Auto auch so durch ziemlich viel durch.

Noch mal danke für Eure Antworten!

[andyrx]

Die richtigen Reifen machen mitunter mehr aus als der Allrad

[Florian320]

Oh ja, das stimmt. Ich habe die Weichei-Variante: KO-2. Aber was ein Bekannter mit seinem Patrol, fetten M/Ts und niedrigem Luftdruck im Mozambiquanischen Sand macht, ist schon krass.