4MATIC: Der intelligente Allradantrieb
Stuttgart/Hochgurgl
29.11.2010
Die „Automatik“ für winterliche Straßenverhältnisse: Sicheres, berechenbares Fahrverhalten bei überzeugender Fahrdynamik
Wie bei der 4MATIC-Abstimmung auf trockener oder nasser Straße gilt auch bei winterlichen Straßenverhältnissen: Die Fahrstabilität und damit die aktive Sicherheit der 4MATIC-Modelle stehen immer im Vordergrund. Das mechanische Fundament der 4MATIC mit der Momentenverteilung von 45 zu 55 Prozent zwischen Vorder- und Hinterachse und die Lamellensperre im Zentraldifferenzial mit einer Grundsperrwirkung von 50 Newtonmetern bieten optimale Voraussetzungen.
Diese Grundkonzeption ermöglicht hohe Traktionswerte, weil einerseits die beim Beschleunigen auftretende dynamische Achslastverschiebung Richtung Hinterachse genutzt wird, um dort mehr Antriebsmoment abzusetzen. Andererseits kann die Lamellensperre das Antriebsmoment aber auch variabel zwischen Vorder- und Hinterachse verschieben, falls die Straßenverhältnisse das erfordern. So kann der Eingriff der elektronischen Regelsysteme ESP®, 4ETS oder ASR möglichst spät erfolgen, ein Großteil des Antriebsmoments wird auch auf glatten Straßen in Vortrieb umgesetzt. Alle Regeleingriffe erfolgen fast unmerklich. Trotzdem erfährt der Fahrer sofort, wenn er sich dem Grenzbereich nähert. In diesem Fall blinkt im Kombi-Instrument ein gelbes Warnsignal. Es signalisiert, die Fahrweise den Straßenverhältnissen anzupassen.
Die Auslegung als permanent arbeitende Antriebsmechanik hat entscheidende Vorteile gegenüber anderen Systemen, die zur Aktivierung des Allradantriebs erst einmal mangelnde Traktion erkennen müssen. Diese Zeitspanne nutzt die 4MATIC bereits, um Antriebsmoment über die Räder auf die Fahrbahn zu übertragen.
Allradantrieb kann Winterreifen nicht ersetzen
Wie jedes Allradsystem muss die 4MATIC den Gesetzen der Fahrphysik folgen. Die Grundregel: Ein Reifen kann nur eine bestimmte Gesamtkraft auf die Fahrbahn übertragen. Wird beispielsweise beim Beschleunigen oder Bremsen besonders viel Kraft in Längsrichtung benötigt, reduzieren sich die zur Verfügung stehenden Seitenkräfte. Beim Kurvenfahren kehrt sich dieser Zusammenhang um. Hier wird besonders viel Seitenkraft zur Spurhaltung benötigt, das Kraft-potenzial in Längsrichtung ist begrenzt. Die Kunst der Ingenieure bei der Konstruktion der Antriebsmechanik und Abstimmung der Regelsysteme besteht darin, diese Zusammenhänge so zu nutzen, dass ein bestmögliches Fahrverhalten unter allen Bedingungen gewährleistet ist. Das physikalische Haftungsvermögen zwischen Reifen und Untergrund beschreibt dabei der Reibungskoeffizient µ. Auf trockener Straße liegt dieser Wert hoch (µ = 0,9), auf Schneefahrbahn niedrig (µ = 0,3).
Trotz allem Engagement der Ingenieure bestimmt letztendlich der Fahrer, wie sicher er unterwegs ist. Er sollte seine Fahrweise immer den winterlichen Straßenverhältnissen anpassen und sein Fahrzeug entsprechend ausrüsten. Unabdingbar sind hier Winterreifen.
Problemloses Anfahren auf Eis und Schnee
Beim Anfahren unter winterlichen Bedingungen werden bestimmte Fahrbahnzustände automatisch erkannt und die Eingriffe des Allrad-Regelsystems 4ETS so beeinflusst, dass ein möglichst hohes Beschleunigungsvermögen bei minimalem Radschlupf und damit bester Fahrstabilität erreicht wird. Diese Strategie ermöglicht auch ein Anfahren unter widrigsten Bedingungen, wenn beispielsweise das Fahrzeug einseitig auf einer vereisten Steigung steht (das so genannte µ-Split) oder beide Räder der Vorder- oder Hinterachse geringen Halt finden (µ-Sprung).
Beim Anfahren auf µ-Split steht das Fahrzeug mit einer Fahrzeugseite auf Schnee oder Eis und mit der anderen auf Asphalt. Es liegen also große Reibwertunterschiede zwischen der linken und rechten Fahrzeugseite vor. Dabei limitiert bei allen Fahrzeugen mit offenen Achsdifferenzialen das Rad mit dem kleineren Reibwert die maximal übertragbare Antriebskraft. Wenn die Antriebskraft über die maximal übertragbare Kraft hinaus gesteigert wird, beginnen die auf Schnee oder Eis stehenden Räder durchzudrehen. Das Fahrzeug könnte nicht anfahren.
Diese Situation erkennt das 4ETS sofort und verhindert durchdrehende Räder durch gezielten Druckaufbau in den Radbremsen. Da sich nun das Rad mit dem höheren Reibwert an der Bremskraft des Rades mit dem kleineren Reibwert abstützt, setzt sich das Fahrzeug mit 4MATIC in Bewegung. Nach dem Anfahrvorgang wird das Radverhalten genau beobachtet und der Bremsdruck so geregelt, dass sich nach Möglichkeit kein Drehzahlunterschied zwischen den einzelnen Rädern ergibt. Der 4ETS-Bremseingriff simuliert sozusagen auf der Seite mit Eis oder Schnee einen höheren Reibwert, der im Idealfall dem Reibwert auf der Asphaltseite entspricht. So wird eine optimale Quersperrwirkung an den Achsdifferenzialen erzeugt und die maximal mögliche Beschleunigung auf µ-Split erreicht.
Das Anfahren auf „µ-Sprung“, bei dem das Fahrzeug mit einer kompletten Achse auf Eis oder Schnee und mit der anderen Achse auf Asphalt steht, wird durch die großen Reibwertunterschiede zwischen Vorder- und Hinterachse erschwert. Bei Fahrzeugen mit offenem Längsdifferenzial bestimmt die Achse mit dem kleineren Reibwert die absetzbare Antriebskraft. Hier wirkt zwar die Lamellensperre mit ihrer Grundsperrwirkung von 50 Newtonmeter ausgleichend, kann jedoch diese extremen Reibwertunterschiede nicht kompensieren. Auch unter diesen Bedingungen beginnen die beiden Räder der Achse mit dem kleineren Reibwert durchzudrehen, wenn die Antriebskraft die auf diesem Reibwert maximal absetzbare Antriebskraft übersteigt. Abhilfe schafft hier das 4ETS, indem es die durchdrehenden Räder sofort erkennt und abbremst. Dadurch kann sich die Achse mit dem höheren Reibwert an der gebremsten Achse mit dem kleineren Reibwert abstützen – das 4MATIC-Fahrzeug setzt sich in Bewegung.
Sicheres Fahrverhalten auf winterlichen Straßen
Auf kurvigen Schnee- und Eisfahrbahnen wird die Stabilität des Fahrzeugs
maßgeblich durch die Motormomentenregelung in der Antriebs-Schlupfregelung 4ETS sichergestellt. In Abhängigkeit der laufend aus der ESP®-Sensorik ermittelten Längs- und Querdynamik des Fahrzeugs werden die 4ETS-Regelschwellen der Fahrsituation angepasst. Um ein Ausbrechen des Fahrzeugs zu verhindern, muss die Längskraft bei Kurvenfahrt mittels der Motormomentenregelung so geregelt werden, dass immer eine ausreichende Querkraftreserve zur Verfügung steht. Um diesem physikalischen Zusammenhang gerecht zu werden, wird bei Kurvenfahrt auf Niedrigreibwert die Stabilität des Fahrzeugs hauptsächlich durch Eingriffe des ESP® und der Antriebs-Schlupfregelung ASR so geregelt, dass immer eine ausreichende Querkraftreserve zur Verfügung steht. Es wird zunächst nur so viel Motormoment an die kurvenäußeren Räder übertragen, damit die Reifen ausreichend Querkräfte aufbauen können. Kann durch diese Regelung keine Fahrstabilität hergestellt werden, folgen stabilisierende Bremseneingriffe des ESP®.
Im Gegensatz zu den Regelmechanismen bei Kurvenfahrt kann beim Beschleunigen auf gerader Strecke deutlich mehr Längskraft abgesetzt werden, da die Reifen kaum Querkräfte übertragen müssen. Dabei ist es wichtig, dass die Reifen im optimalen Bereich der µ-Schlupfkurve arbeiten können. Um dies zu erreichen, werden in dieser Fahrsituation die Regelschwellen für die Motormomentenregelung angehoben. Bei niedrigen Reibwerten auf Schnee- oder Eisfahrbahnen wirkt hier die Lamellensperre im Verteilergetriebe, die den Antriebsstrang in Längsrichtung mit 50 Newtonmetern sperrt. Diese Sperrwirkung erhöht deutlich das Traktionsvermögen, ohne die Regelsysteme negativ zu beeinflussen. Durch die Achsübersetzungen können damit 150 Newtonmeter an den Rädern abgesetzt werden.
Unter bestimmten winterlichen Bedingungen kann es erforderlich werden, die Regelsysteme mit dem „ESP® OFF“-Schalter zu deaktivieren. Das ist der Fall, wenn hohe Schlupfwerte an den Rädern nötig sind – etwa beim Freiwühlen aus Tiefschnee mit oder ohne Schneeketten. Beim Bremsen steht dem Fahrer auch im ESP-OFF die volle Unterstützung der Regelsysteme zur Verfügung. Zurück auf normal verschneiter Fahrbahn, sollte der Fahrer die Regelsysteme wieder aktivieren.
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