Stockmar, J; Lanzer, H.; Christian, H.: Traktoren – Wegbereiter des modernen Allradantriebs?

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Traktoren - Wegbereiter des modernen Allradantriebs ? Historie und Ausblick Prof. Jürgen Stockmar, Heribert Lanzer, Horst Christian MAGNA STEYR Powertrain AG & Co. KG, Graz www.magnasteyr.com

Nie zuvor in der nun 125-jährigen Geschichte des Automobils fuhren so viele Personenwagen mit Allradantrieb über die Straßen aller Industrienationen wie heute. Dieser Trend ist in Mitteleuropa und den USA besonders in den letzten Jahren sehr ausgeprägt zu beobachten, obwohl die Strassen immer besser ausgebaut werden und der Winterdienst immer schneller und zuverlässiger funktioniert. In der Landwirtschaft dagegen hat sich der Traktor mit Allradantrieb gerade in Deutschland bereits seit vielen Jahren durchgesetzt und weist in der leistungsstarken Klasse über 100 PS einen Marktanteil von fast 100 Prozent auf. Diese zeitliche Voreilung in der Markt-Penetration des Allradantriebes bei landwirtschaftlichen Fahrzeugen drängt natürlich die Frage auf: sind Traktoren der Wegbereiter des modernen Allradantriebs?

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Die frühe Geschichte des Allradantriebs

Das Ziehen schwerer Lasten auf unbefestigten Wegen und des Pflügen zählen ganz ohne Zweifel zu den anstrengendsten Arbeiten in der Landwirtschaft, die über Zehntausende von Jahren zunächst Menschen, später Tiere verrichten mussten. Als James Watt 1765 die leistungsfähige NiederdruckDampfmaschine entwickelte, war sie die erste steuerbare Kraftmaschine in der Geschichte der Menschheit, die in der Zukunft viele Arbeitsaufgaben lösen sollte. Es wäre zu erwarten gewesen, dass zumindest die Großgrundbesitzer in der Dampfmaschine eine Möglichkeit gesehen hätten, Feldarbeiten zukünftig schneller und ertragreicher durchzuführen. Wenn man allerdings die ersten Traktorungetüme des beginnenden Maschinenzeitalters in der Landwirtschaft sieht, kann man die Zurückhaltung verstehen: bis zu 25 Tonnen brachten die ersten Dampftraktoren (Bild 1) auf die Waage und sie waren damit eher zur Bodenverdichtung als zur Bodenkultivierung geeignet.

Bild 1:

CASE-Dampftraktor aus dem Jahr 1907 1

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Und wie schon bei der Einrichtung der ersten Eisenbahnstrecke in England sahen auch die beiden englischen Erfinder Timothy Burstall und John Hill eine erste sinnvolle Anwendung der Dampfmaschine in einem Automobil für den wohl profitableren Personentransport. 1825 wurde den beiden Ingenieuren ein Patent für eine dampfgetriebene Transportmaschine erteilt, das für die Entwicklungsgeschichte der Allradantriebe einen Paukenschlag bedeutete: Burstall und Hill statteten ihr Fahrzeug nämlich zusätzlich zu dem permanenten Hinterradantrieb mit einem zuschaltbaren Vorderradantrieb aus (Bild 2). Ihrer Zeit weit voraus, trieben sie die zuschaltbare Vorderachse über eine lange Kardanwelle an, während andere Konstrukteure noch Jahrzehnte auf Riemen, Ketten und sogar Seilantrieb vertrauten. 1827 rollte das erste Fahrzeug der Welt mit mechanischem Antrieb auf alle vier Räder über Englands Straßen. Von „fahren“ im heutigen Sinne konnte dabei allerdings noch keine Rede sein, denn das fast 8 Tonnen schwere, hohe Gefährt erreichte gerade einmal bescheidene Fußgängergeschwindigkeit.

Bild 2:

1827 eingesetzter Dampfwagen mit Allradantrieb von Burstall und Hill

Natürlich gingen viele große Ideen, wenn sie keinen Durchbruch erringen konnten, im Nebel der Vergangenheit verloren. Glücklicherweise war es aber schon immer das Bestreben von Menschen mit innovativen Ideen, diese auch kommerziell nutzen zu können. Dieser Nutzung ging der Schutz des geistigen Eigentums voraus, der am besten mit gewährten Patenten verteidigt werden konnte. So belegen Patente auch die technischen Fortschritte, die häufig mühsamen Wege und auch die vielen Irrwege bis zum jeweiligen Stand der Technik. Ein Beispiel für Fortschritt und Irrweg ist das am 31. März 1857 vom Patentamt der Vereinigten Staaten von Amerika dem Erfinder John S. Hall erteilte Patent auf einen Dampfwagen mit Allradantrieb. Mister Hall hatte bei seiner Erfindung vermutlich Traktionsaufgaben für seinen Dampfwagen als Ziel gesehen. Er kombinierte für seinen vierradgetriebenen Dampfwagen einige erstaunliche moderne Elemente mit abenteuerlichen Konstruktionsprinzipien. Sein Zugfahrzeug besaß eine Knick-Lenkung wie der Dampfwagen von Burstall und Hill, aber keine Differenziale in der Vorder- und Hinterachse, so dass dieses Fahrzeug beim Befahren einer engen Kurve durch die hohen Reibungen im Antriebs2

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strang radikal heruntergebremst worden wäre. Allein diese Tatsache lässt bezweifeln, ob der Hall´sche Dampfwagen jemals vom Patent in die Realität umgesetzt worden ist. Aber das Konzept des Vierradantriebes war für landwirtschaftliche Anwendungen damit angedacht, von nachfolgenden Konstrukteuren aber erst nach fünf Jahrzehnten zur Praxistauglichkeit weiterentwickelt worden.

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Die ersten modernen Personenwagen mit Allradantrieb

1900 rüstet der damals 25-jährige Ferdinand Porsche als Cheftechniker der Hofwagen-Fabrik Jakob Lohner & Co. in Wien für den englischen Rennfahrer E. W. Hart ein Elektrofahrzeug zur Leistungsverdopplung mit vier elektrischen Radnabenmotoren mit jeweils 2,5 PS an allen vier Rädern aus. Später setzt Porsche dann das Konzept der Radnabenmotoren mit Hybridantrieb für die bekannten KanonenZugmaschinen ein. 1903 schufen Jacobus und Hendrik-Jan Spijker mit ihren Konstrukteuren J.-V. Laviolette und F.W. Brand das erste Automobil mit einem mechanischen Vierradantriebskonzept (Bild 3), wie es auch heute noch vielfach verwendet wird: der vorne längs eingebaute Sechszylindermotor trieb über ein zweistufiges Verteilergetriebe mit Zentraldifferenzial und Kardanwellen die Vorder- und Hinterachse permanent an. Der gesamte Fahrzeugentwurf dieses „Spyker Grand Prix Racer“ für den Wettbewerbseinsatz war seiner Zeit um einen Quantensprung voraus. Um so bedauerlicher ist, dass diese große Pionierleistung heute fast in Vergessenheit geraten ist.

Bild 3:

Spyker-Rennwagen mit dem ersten modernen Allradantrieb, 1903

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Der erste Traktor mit Allradantrieb

Die Ingenieure hatten die Traktionsvorteile des Allradantriebes für die effiziente Übertragung der Motorleistung auf die Straße für den Motorsport also bereits klar erkannt. Die praktische Umsetzung dieser Erkenntnis auch für die Landwirtschaft erfolgte allerdings erst 1907 durch die Gasmotoren-Fabrik Deutz. Dieses Unternehmen stellte einen ersten verwendbaren Traktor mit Allradantrieb vor (Bild 4), der von einem Verbrennungsmotor angetrieben wurde, dessen 40 PS auf vier gleichgroße Eisenräder übertragen wurden. Dieser Traktor konnte in beiden Richtungen arbeiten. Seine Mechanik war kompliziert, woraus ein hoher Preis und damit ein geringer Markterfolg resultierte.

Bild 4:

Deutz-Traktor, Baujahr 1907, mit Allradantrieb, Allradlenkung und Zweiwegetechnik

Eine interessante Weiterentwicklung des Allradantriebes entwarf der Konstrukteur F. Huber für den Lanz-Ackerbulldog (Bild 5), der 1923 auf den Markt kam. Wegen des hohen Gewichts des über der Vorderachse angeord-neten schweren Motors legte Huber die Vorderachse als Hauptantriebsachse aus. Das Credo seines Firmenpatriarchen Heinrich Lanz „Ein Traktormotor kann nicht einzylindrig genug sein“ setzte Huber in dem liegendem Einzylindermotor mit zehn Litern Hubraum getreulich um.

Bild 5:

Zeichnung des Lanz-Ackerbulldog, 1923, Hinterachsantrieb automatisch zuschaltend 4

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Erst wenn die größeren Vorderräder einen gewissen Schlupf aufwiesen, schaltete ein Klinkengesperre-Freilauf auch die Hinterräder zum Antrieb dazu. Der schon von Burstall und Hill für ihren Dampfwagen eingebaute zuschaltbare Vierradantrieb wurde durch diese einfallsreiche mechanische Lösung zum ersten bekannten automatisch zuschaltbaren Allradantrieb. Da der Lanz-Ackerbulldog (Bild 6) über eine Knick-Lenkung verfügte, umging er mit diesem Konzept elegant das Problem der ungleich großen Spur-Radien beim Befahren enger Kurven ohne Mitteldifferenzial und die daraus resultierende Verspannung.

Bild 6:

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Der schwere 10-Liter-Einzylinder des LanzAckerbulldog lastete auf der Vorderachse

Allradtraktoren gehen in Serienproduktion

Sowohl in Europa als auch in Amerika wurden sporadisch von verschie-denen Firmen Traktoren mit Allradantrieb vermarktet. Besonders erwähnt werden müssen die Traktoren von Fendt, MAN (Bild 7) und Nordtrak, die bereits kurz nach Ende des zweiten Weltkrieges angeboten wurden. Es lag wohl an den schweren Zeiten, dass alle drei Marken ihre Allradtraktoren nur in wenigen hundert Exemplaren auf die Felder bringen konnten und dann die Produktion wieder einstellen mussten. Der wirkliche Durchbruch der Allrad-Technologie blieb so, trotz vieler positiver theoretischer und praktischer Untersuchungen über ihre Vorteile im Hinblick auf die Arbeitsgeschwindigkeit, die Effizienz und auch für die Boden-belastung, zunächst aus. Erst mit der Steigerung der Motorleistungen der Traktoren wurde der Allradantrieb wieder interessant. Seit 1951 SAME mit dem Typ DA 25 die ersten AllradTraktoren in Großserie produzierte, stieg der Marktanteil der Traktoren mit Allradantrieb bis heute in einem damals nicht erwarteten Maße und bedeutete endlich den Durchbruch in Europa.

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Bild 7:

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MAN Ackerdiesel mit zuschaltbarem Vorderachsantrieb, 1948

Die Neuzeit des Allradantriebs im Pkw

Dieser hohe Allradanteil bei Traktoren mit ihren dann bereits bekannten Vor-zügen war fraglos auch ein Treiber für die weite Verbreitung der ersten Allrad-Pkw von Subaru besonders in ländlichen Gebieten gewesen. Die Nutzer kannten die Vorteile des Vierradantriebes von ihren landwirtschaftlichen Maschinen und wollten sie auch im eigenen Straßenfahrzeug einsetzen. (Noch) nicht von der angewandten Technik, aber von der Marktentwicklung hat der Traktor zum ersten Mal eine zumindest regionale Führungsrolle in der Allrad-Penetrierung des Marktes übernommen. Der Subaru Leone L (Bild 8) erschien bei uns 1974 zunächst als Kombifahrzeug und war mit einem zuschaltbaren Allradantrieb ausgerüstet. Der vor der Vorderachse platzierte Boxermotor trieb permanent nur die Vorderräder an, der Hinterradantrieb musste bei den ersten Versionen noch manuell zugeschaltet werden. Der Subaru Leone L als erstes in Großserie produziertes Fahrzeug mit Allradantrieb hatte weltweiten Erfolg und bereitete den Markt für die danach erscheinenden Fahrzeuge mit Allradantrieb von anderen Herstellern, besonders von Audi, vor.

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Bild 8:

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Das erste in Großserie produzierte Allrad-Auto: Subaru Leone, 1972

In den über zwei Jahrzehnten zwischen der Vorstellung des SAME Allrad- Traktors DA 25 und der Markteinführung des Subaru Leone L wurde 1966 der Jensen FF (Bild 9) mit einem außerordentlich fortschrittlichen Allrad-antriebs-System präsentiert. Neben einer Reihe erstmals in den Automobilbau eingeführten Techniken zeichnete sich der Jensen FF durch ein von der Firma Ferguson Developments entwickeltes Antriebssystem aus, das alle vier Räder permanent antrieb. Ein PlanetenZentraldifferenzial teilte im Normalfall der Hinterachse 63 Prozent, der Vorderachse 37 Prozent des anliegenden Drehmomentes des 325 PS starken Chrysler V8-Motors mit 6,3 Litern Hubraum zu. Der FF-Vierradantrieb arbeitete mit zwei Mehrscheiben-Differenzialbremsen (Bild 10), die, mechanisch vom Schlupf der beiden Antriebsachsen angesteuert, ein Durchdrehen einer Achse wirkungsvoll verhinderten. Die Auslegung gestattete der Vorderachse eine um 16,5 Prozent höhere Geschwindigkeit als der Hinterachse, der Hinterachse aber nur einen Schlupf von fünf Prozent. Das Antriebskonzept des Jensen FF hat viele, erst später mit Hilfe moderner Technik und der Elektronik, wieder aufgegriffene Konstruktionsprinzipien für die Auslegung eines Allradantriebes vorweg genommen. Mit dieser Entwicklung von Ferguson Developments begann die Neuzeit des Allradantriebs. Die knappe Finanzdecke von Jensen und der hohe Preis des Fahrzeuges verhinderten einen durchschlagenden Markterfolg. Nur ganze 330 Fahrzeuge verließen die Produktionsstätten in West Bromwich, danach musste Jensen Motors 1971 die Tore für immer schließen.

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Bild 9:

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Der erste Personenwagen mit permanentem Allradantrieb und Schlupfkontrolle: Jensen FF, 1966

Bild 10: System des wegweisenden Ferguson-Allradantriebs für den Jensen FF, 1966

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Das Problem beim Kurvenfahren

Bei Ferguson Developments hatten die Allradspezialisten schon ein in der Zukunft immer wichtiger werdendes Problemfeld mit der höheren erlaubten Schlupfrate der Vorderachse angedacht: die größere Geschwindigkeit der Vorderräder beim Kurvenfahren wegen des weiteren Spurkreises der Vorderachse bei der nur noch ausschließlich verwendeten Achsschenkel-Lenkung. Gerade bei Traktoren mit den relativ kurzen Radständen und der für verschiedene Arbeiten unabdingbaren Wendigkeit mussten Lösungen für den Allradantrieb gefunden werden. Wegen der geforderten Rangierbarkeit wurden die Radeinschlagwinkel mit immer weiter verfeinerten Außenantriebsgelenken bis zu 50 Grad gesteigert. Bei diesem maximalen Einschlagwinkel drehen die Vorderräder fast 30 Prozent schneller

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als die Hinterräder. Bei starren Allradantrieben treten bei dieser Drehzahldifferenz unerlaubt hohe Blindmomente mit den unakzeptablen Folgen reduzierter Zugleistung und erhöhtem Verschleiß auf. Die einfachste Lösung dieses Problems stellt die manuelle oder automatische Abschaltung des Vorderradantriebs beim Befahren enger Kurvenradien dar. Natürlich nimmt dieses Konzept wegen der dann fehlenden Zugkraft der Vorderachse in Kurven dem Allradantrieb einen Teil seiner Berechtigung. Erst 1986 beginnt der japanische Traktorhersteller Kubota, sein System des „Double Speed Turn“ (Bild 11), mit dem eine zweistufige Anpassung der Vorderachsgeschwindigkeit beim Kurvenfahren erreicht wird, schrittweise in alle seine Allradtraktoren einzuführen. Bei Geradeausfahrt und bei kleineren Lenkwinkeln wird die Vorderachse über eine geschlossene Klauenkupplung mit einer bestimmten Übersetzung angetrieben. Bei größeren Lenkwinkeln über 40 Grad wird die Klauenkupplung geöffnet und eine Lamellenkupplung geschlossen, die nunmehr die Vorderräder über eine höhere Übersetzung schneller antreibt. Kubota hat dieses System eines Overdrives zur Vorderachse inzwischen verbessert und nennt es jetzt Bi-speed Lenkung. Der Wechsel der Übersetzung zur Vorderachse geschieht nunmehr vollautomatisch und wird von Sensoren für die Einschlagwinkel der Vorderräder, der Fahrgeschwindigkeit und der Motordrehzahl über einen Bordrechner gesteuert.

Bild 11: Schaltbarer „Double-Speed Turn“-Vorderradantrieb von Kubota, 1986 Nachteilig bei der Lösung von Kubota ist natürlich, dass die exakte Drehzahl- Anpassung der Vorderachs-Geschwindigkeit beim Kurvenfahren nur in zwei Auslegungspunkten vorgenommen wird. In den anderen Bereichen werden zwar reduzierte, aber doch signifikante Blindmomente erzeugt. Diesen Nachteil umgeht eine Lösung, die an einem Fendt-Traktor Farmer 312 LSA bereits vor über zehn Jahren vom Lehrstuhl für Landmaschinen der TU München unter Prof. Renius entwickelt wurde (Bild 12). Bei diesem Konzept wird die Vorderachse über ein hydrostatisches Überlagerungsgetriebe angetrieben, das die richtige Drehzahl der Vorderräder für alle Kurvenradien und Schlupfbedingungen optimal einstellen kann. Der erhebliche Konstruktions-Aufwand verhinderte eine weite Verbreitung dieser Konzeption.

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Bild 12: Prinzip des stufenlos regelbaren Vorderradantriebs des Fendt-Traktors Farmer 312 LSA, 1994 In Personenwagen kann einsatzbedingt keine der vorgestellten Lösungen eine Anwendung finden. Pkw mit Allradantrieb fahren zu einem großen Prozentsatz auf Straßen mit hohen Reibwerten, bei denen die Verspannungen beim Kurvenfahren durch eine nur zweistufige Anpassung der VorderachsGeschwindigkeit nicht toleriert werden kann. Den notwendigen Drehzahlausgleich zwischen Vorderund Hinterachse nimmt bei hochwertigeren Fahrzeugen deshalb ein Zentraldifferenzial vor. Bei Fahrzeugen ohne Zentraldifferenzial sind Visco-Kupplungen oder die weit verbreitete Haldex-Kupplung für den Drehzahlausgleich zwischen Vorder- und Hinterachse zuständig. Für Geländefahrzeuge lassen sich die Zentraldifferenziale entweder manuell sperren oder sie werden automatisch mit Differenzialbremsen verschiedener Bauart wie Visco-Bremsen oder Lamellenpaketen gesperrt. Zentraldifferenziale wären auch für Traktoren eine Lösung für die Aufrechterhaltung des vollen Vortriebs zu der Vorderachse beim engen Kurvenfahren. In die bereits bestehenden Getriebegehäuse und das generelle Layout der Allrad-Traktoren sind sie allerdings kaum zu integrieren (Bild 13). Darüber hinaus stellen die beim starken Zug auftretenden Vorderachsentlastungen beim offenen Zentraldifferenzial eine unakzeptable Reduktion der Gesamttraktion dar. Eine Differentialsperre ist deshalb beim Traktor unerlässlich.

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Bild 13: Mechanik des Steyr-Traktors 8075 mit zuschaltbarem Vorderachsantrieb Interessant wäre für Traktoren auch eine variabel gesteuerte Leistungsverzweigung zwischen der Hinter- und der Vorderachse, wie sie Honda für den neuen Geländewagen Pilot als VTM-4 ( Variable Torque Management 4 WD ) eingeführt hat. Eine aufwändige Elektronik regelt je nach Achsbelastung und Fahrsituation den Leistungsanteil für die beiden Achsen über Lamellenkupplungen auf einen Bestwert ein. Natürlich bestehen gravierende Unterschiede zwischen den Einsatzprofilen von Personenwagen oder SUVs und Traktoren. Die schwerste von Traktoren durchzuführende Arbeit ist das Pflügen, bei dem normalerweise eine möglichst gerade Furche gezogen werden soll. Für diesen Haupteinsatzzweck des allradgetriebenen Traktors bedeutete ein Zentraldifferenzial einen kostentreibenden Overkill. Dennoch zeigen die aufwändigen Lösungen von Kubota und Fendt, dass auch im Traktorbau ein Bedarf an der präzisen Anpassung der Vorderachsdrehzahl beim Kurvenfahren besteht. Die TraktorKonstrukteure werden auf Dauer gar nicht umhin kommen, sich viel intensiver als bisher mit einem Zentraldifferential zu beschäftigen. Eine nachträglich in bereits bestehende Gehäuse integrierbare Lösung des AchsdrehzahldifferenzProblems zeigt ZF in einem bereits 1992 gewährten Patent: in den Hinterachsantrieb wird eine Rutschkupplung eingebaut, die beim Kurvenfahren die Hinterachsdrehzahl sensorgesteuert reduziert. Eine Anwendung dieser Einbaulösung ist derzeit nicht bekannt.

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Schalten ohne Zugkraftunterbrechung

Traktoren und Personenwagen haben sich nicht nur auf dem Gebiet des Allradantriebes, sondern auch auf dem Feld der Drehmomentübertragung ohne Zugkraftunterbrechung über Jahrzehnte einen Wettlauf geliefert. Da das Getriebe ein unabdingbarer Teil des Antriebsstranges ist, soll dieser SeitenAspekt hier ebenfalls beleuchtet werden. In dem noch nach 1900 tobenden Systemkampf zwischen Dampfmaschine, Elektromotor und Verbrennungsmotor hat letzterer das Feld als Antriebsmaschine für mobile Einheiten zu einem großen Prozentsatz übernommen. Trotz der vielen unbestreitbaren Vorteile des Verbrennungsmotors sind 11

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zwei Nachteile bei ihm systemimmanent: er kann nicht aus dem Stillstand ohne eine gesonderte Startvorrichtung anfahren und seine Drehmomentkurve über der Drehzahl entspricht nicht der idealen Zugkrafthyperbel. Ein Starter, eine Anfahrkupplung und zusätzliche Übersetzungen eines Kennungswandlers zur Anpassung der Motordrehzahl an die Fahrgeschwindigkeit sind deshalb notwendige Komponenten, um den Verbrennungsmotor effizient einsetzen zu können. Die auftretende ZugkraftUnterbrechung beim Schalten eines her-kömmlichen mechanischen Getriebes von einem Gang auf den anderen stört und erschwert, besonders bei schweren Arbeiten wie dem Pflügen, den kontinuierlichen Arbeitsprozess. Schon 1954 stellte International Harvester in den USA mit dem „Torque Amplifier“ das erste zweistufige Lastschaltgetriebe vor. Ford folgte 1958 mit dem „Select-O-Speed“Getriebe, das zehn unter Last schaltbare Vorwärtsgänge zur Verfügung stellte. Und 1963 folgte John Deere mit dem „Power Shift“-Getriebe, bei dem acht Vorwärtsgänge lastschaltbar waren. Alle drei Lösungen wurden nach fast 20-jähriger Produktionszeit erstaunlicherweise wieder eingestellt und verschwanden vom Markt. Amerikanische Landwirte müssen also wieder schalten, wenn auch nur mit einem Finger. 1995 stellt Kubota in Japan ein Achtfach-Lastschaltgetriebe mit Bi-Speed Turn-Einrichtung vor, das 1999 weltweit exportiert wird. Im selben Jahr folgen mehrere europäische Hersteller ebenfalls diesem Trend und präsentieren ihre eigenen lastschaltbaren Getriebe. Die Vorteile, Arbeiten ohne Zugkraftunterbrechung bei genau angepasster Drehzahl durchführen zu können, waren aber zusätzlich evident und führten zur Konstruktion von stufenlos arbeitenden Getrieben in Deutschland und Österreich bei Fendt, ZF und Steyr-Daimler-Puch (Bild 14). Bei allen drei Getrieben handelt es sich um hydrostatische Überlagerungsgetriebe. Die Grundlasten werden von mehrstufigen mechanischen Übersetzungen übertragen, die Drehzahlanpassung und der Übergang zwischen den einzelnen Gangstufen wird mit dem hydrostatischen Antrieb und entsprechend geschalteten Lamellenkupplungen und Bremsbändern vorgenommen. Die Verkaufserfolge der großen Traktoren mit stufenlosen Getrieben (Bild 15) lassen erwarten, dass sich diese Konzepte in Zukunft verstärkt durchsetzen werden.

Bild 14: Die stufenlos arbeitende hydrostatische Getriebeeinheit der Steyr / ZF S-Matic

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Bild 15: Integration der S-Matic in den Traktor-Antrieb Beim großen Pkw war die Frage der Zugkraftunterbrechung beim Schalten schon vor Jahrzehnten mit der Entwicklung der automatischem Getriebe in den USA gelöst. Mit ihren Millionen Stückzahlen zeigen sie, dass dieses Konzept besonders den Komfortanforderungen entsprechen konnte. Für europäische Verhältnisse waren die mit dem automatischen Getrieben und Drehmomentwandlern verbundenen Wirkungsgradeinbußen und die damit einhergehenden höheren Kraftstoffverbrauch für Klein- und Mittelklassewagen nicht akzeptabel. 1966 überraschte dann die kleine holländische Firma DAF mit der Vorstellung des Kleinwagens Daffodil (Bild 16), der mit einem stufenlos arbeitenden Riementrieb ausgestattet war. Diese Variomatic arbeitete mit zwei Kegelscheiben-Paaren, über die ein Textilverstärkter Gummiriemen lief. Je nach Position der Kegelscheiben konnte die Übersetzung stufenlos variiert werden. Dieses Prinzip der stufenlos Drehzahlanpassung wurde im Werkzeugmaschinenbau schon lange als PIV-Getriebe eingesetzt und feierte im Daffodil seine Premiere im Automobilbau.

Bild 16: Daffodil, 1966 13

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Zur Übertragung höherer Motorleistungen war der Gummiriementrieb natürlich nicht geeignet. Die Weiterentwicklung konzentrierte sich dann auf eine metallische Schubgliederkette, die heute bei allen CVT-Getrieben zur Standardkomponente geworden ist. Basierend auf der Entwicklung des Porsche Doppelkupplungsgetriebes gingen bei Volkswagen für den Turan und bei Audi für den TT und den A3 kürzlich lastschaltbare Doppelkupplungsgetriebe in Serie. Diese Konstruktionen erscheinen im Pkw erst mit Jahren Verzögerung, als Lastschaltgetriebe im Traktor bereits den Stand der Technik darstellen. Ihre Vorteile sind hier wie da die Kombination hoher Wirkungsgrade mit Schaltungen ohne Zugkraftunterbrechung. Beim Traktor wird dadurch primär die Arbeitsgeschwindigkeit stabilisiert, beim Pkw erhöhen sich der Schaltkomfort und die Geschwindigkeit beim Schaltvorgang.

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Lenken mit Brems- und Motorkraft

Seit Automobile erstmals für den Motorsport eingesetzt wurden, nutzen die mutigeren Fahrer die zusätzliche Lenkwirkung durch Leistungseinsatz. Leider sehen wir diese beherzten Powerslides (Bild 17) nur noch auf Rallye-Sonderprüfungen.

Bild 17: Subaru Impreza in vollem Drift mit hohem Leistungseinsatz an den Hinterrädern Natürlich sind Traktoren nicht die richtigen Geräte, um mit einem Powerslide die Fahrtrichtung zu wechseln. Aber immerhin wurden zunächst mit Einzelradbremsen, sogenannten Lenkbremsen, für die rechten und linken Hinterräder Lenkwirkungen durch verschieden große Längskräfte erzielt. Bereits 1994 drehte Kubota (wieder einmal) dieses Prinzip um und ließ sich für die Hinterachse eines allradgetriebenen Traktors über zwei Kupplungen die separate Drehmomentsteuerung des rechten und linken Hinterrades patentieren. Damit hat Kubota für den Traktoreinsatz voraus gedacht, was erst einige Jahre später, ebenfalls aus Japan, als Torque Vectoring für allradgetriebene Geländefahrzeuge und Personenwagen eingeführt wurde. Beim Kubota Patent muss der Fahrer noch mit 2 Pedalen die Drehmoment-Variationen der beiden Hinterräder vornehmen. Beim Mitsubishi Lancer EVO übernimmt diese Aufgabe eine komplizierte, elektronisch gesteuerte Mechanik im Hinterachsdifferential. Mitsubishi nennt diese Möglichkeit der ungleichmäßigen Drehmomentverteilung auf die beiden Hinterräder 14

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AYC für Active Yaw Control, also aktive Gierwinkel-Beeinflussung. Ziel dieser komplexen Vorrichtung ist die Stabilisierung des Fahrzeugs im Grenzbereich, für den der Lancer Evo als Basis für ein reines Wettbewerbsfahrzeug konsequent ausgelegt war. Einfacher als Mitsubishi hat Honda für den Acura (Bild 18) die Verteilung ungleichgroßer Antriebskräfte auf die beiden Hinterräder mit zwei getrennt steuerbaren Lamellenkupplungen gelöst. Zumindest in der beschriebenen Basisausführung war der Traktor bei der Einführung des Torque Vectoring den Personenwagen und SUVs um einige Jahre voraus.

Bild 18: Die Torque Vectoring-Hinterachseinheit des Honda Accord

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Elektronik übernimmt die Kontrolle

Seit der Einführung des Transistorradios und der Transistorzündung im Kraftfahrzeug übernimmt die Elektronik immer mehr Funktionen. Aus Gründen der Wartungsmöglichkeiten und der Zuverlässigkeit hielten elektronische Bauelemente relativ spät ihren Einzug in die Traktortechnik. Mit der Anwendung der variablen Antriebsgeschwindigkeit für die Vorderräder und der stufenlosen Getriebe war auch die Einführung komplexer elektronischer Regelungen im Traktor unumgänglich. Denn nur sie sind in der Lage, die für die exakte Steuerung der jeweiligen Übersetzung im Getriebe herangezogenen Eingangsgrößen mit der notwendigen Geschwindigkeit und Präzision auszuwerten, die für eine sinnvolle Anwendung der Antriebe unabdingbar ist. Damit steht das elektronische Getriebe-Management (Bild 19) im modernen Traktor dem Antriebsstrang-Management eines Oberklasse-Geländewagens um nichts nach.

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Bild 19: Elektronische Steuerung der S-Matic In beiden Anwendungsfällen werden vom Fahrzeug die Fahrgeschwindigkeit, der Schlupf der Hinterräder im Vergleich zu den Vorderrädern, der Lenkwinkel und zukünftig sicher auch der Gierwinkel zur exakten Steuerung der Komponenten im Antriebsstrang herangezogen. Unterschiede bestehen allerdings in der Auswertung dieser Signale. Für den Traktor sind eine möglichst gleichbleibende Arbeitsgeschwindigkeit, geringer Schlupf der Antriebsräder und Annäherung an den KraftstoffverbrauchsBestpunkt die wichtigsten Regelaufgaben. Für die schnellen Personenwagen und Geländefahrzeuge, die heute auch Geschwindigkeiten deutlich über 200 km/h erreichen, gilt dagegen die Stabilisierung des Fahrverhaltens in kritischen Fahrzuständen durch die Algorithmen der Fahrdynamikregelung als eine primäre Aufgabe. Die Regelelektronik hat zur Erfüllung dieser Aufgaben eine Reihe von Einflussmöglichkeiten, zum Beispiel durch Sperrenbetätigung oder Abbremsen eines Rades.

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Analyse und Ausblick

Für den Motorenbau in Personenwagen konnte über Jahrzehnte die Zukunft leicht vorausgesagt werden: man musste dazu nur die Entwicklung im Schiffsmaschinenbau genau analysieren und konnte extrapolieren, wann zum Beispiel vier Ventile pro Zylinder, Turboaufladung, verstellbare Nockenwellen oder Pumpedüse-Elemente auf der Straße ihren Einzug halten werden. Denn die Suche nach höchsten Wirkungsgraden, nach jedem Gramm/ PSh, ist beim Schiffsdiesel nicht mit der gleichzeitigen Forderung nach Beherrschung hochdynamischer Lastwechselvorgänge erschwert und damit verzögert. Die parallele Ableitung zukünftiger Konzepte in Personenwagen aus dem aktuellen Stand im Traktorenbau ist auf dem Allradantriebs-Sektor so nicht möglich. Die Analyse der Technologien und die chronologische Abfolge ihrer Einführung in die Traktoren lässt keinen generellen Schluss auf die Technikentwicklung im Geländewagen und im Pkw zu (Bild 20). Der Traktor konnte deshalb keine signifikante Vorreiterrolle bei der Entwicklung moderner Allradantriebs-Systeme für Personenwagen spielen, weil die beiden Einsatzprofile und Zielsetzungen zu unterschiedlich sind. Allerdings konnte 16

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der Traktor mit Allradantrieb in landwirtschaftlichen Gebieten ganz ohne Frage eine Vorreiterrolle bei der Marktdurchdringung übernehmen. Denn fast 100 Prozent Allradanteil bei den leistungsstarken Traktoren über 100 PS und über 70 Prozent bei den kleineren Arbeitsmaschinen in Deutschland sind gute Argumente, auch bei Personenwagen- oder beim Geländewagenkauf auf die Vorteile des Allradantriebs zu setzen.

Bild 20: Chronologische Abfolge der Technologie-Entwicklung bei Allradantrieben Auffallend ist beim Traktor, dass Innovations-Sprünge in der Allradantriebstechnik früher im Zwanzigjahres-Rhythmus stattgefunden haben, die jetzt erwartungsgemäß schneller abfolgen. Viele wichtige Entwicklungen im Traktor und im Personenwagen sind mit verschiedenen Ansätzen zu ähnlichen Zeiten vorgedacht und eingeführt worden. Auffällig sind dabei die teilweise verschiedenen Konstruktionslösungen, die nicht auf gleichen bewährten Komponenten wie zum Beispiel dem Zentraldifferenzial oder der Zahnkette beruhen, sondern ganz spezifische Konstruktionen darstellen. Die Entwicklungsgeschichte der Allrad-Technik im Traktor und im Personenwagen sowie dem Geländewagen belegt, dass die Entwicklungsabteilungen für beide Produktlinien noch zu wenig miteinander vernetzt sind. Eine engere Zusammenführung von Marketingfachleuten und Ingenieuren könnte sowohl im Traktorbau als auch in der Personenwagen-Entwicklung Synergien zwischen beiden Disziplinen generieren, die schneller und effizienter zu neuen Lösungen durch gegenseitige Befruchtung und Gedankenaustausch führen.

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Quellen Der vorliegende Beitrag wurde auf der VDI-Tagung "Antriebssysteme für Off-Road-Einsätze" gehalten. weitere Beiträge sind dem VDI-Bericht Nr. 1793, 2003 "Antriebssysteme für Off-Road-Einsätze", VDI Verlag GmbH, Düsseldorf zu entnehmen.

Autor Prof. Jürgen Stockmar, Heribert Lanzer, Horst Christian MAGNA STEYR Powertrain AG & Co. KG, Liebenauer Hauptstrasse 317, 8041 Graz, Austria Tel.: Fax:

+43 316 404-0 +43 316 401-322

Internet: www.magnasteyr.com

(Korrektur Abschnitt 6 am 10.06.09)

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