Antriebstechnik -Mit Allrad die Kraft auf den Boden bringen

Standardtraktoren weisen heute größtenteils starre Allradantriebskonzepte auf, bei welchen die Antriebsdrehzahlen der Vorder- und Hinterachse in einem festen Verhältnis zueinanderstehen. Dieses Verhältnis wird von den Konstrukteuren so gewählt, dass die Umfangsgeschwindigkeit der Vorderräder etwa 3 bis 6 % höher liegt als diejenige der Hinterräder. Bei Geradeausfahrt auf fester Fahrbahn führt dieser sogenannte Vorlauf zu einem «Ziehen» der Hinter- durch die Vorderräder. Bei Kurvenfahrt ändert sich die Situation aber schnell: Aufgrund der größeren Spurkreise der gelenkten Vorderräder ist der Vorlauf schon ab einem geringen Lenkwinkel „aufgebraucht“, und die Hinterräder beginnen jetzt, die Vorderräder zu schieben. Einfach zu erkennen ist das in der Praxis durch „Stollenabdrücke“ auf Beton/Asphalt, das Aufschieben von Erdwällen auf dem Feld und größere Wendekreise. Um einen Anhaltspunkt dafür zu kriegen, ab welchem Lenkwinkel dies der Fall ist: Bei den heute üblichen maximalen Lenkeinschlägen von bis 55° beim kurveninneren Rad müsste die Umfangsgeschwindigkeit der Vorder- gegenüber den Hinterrädern um einen Faktor von rund 1.4 (40 %) höher liegen. Die genannten Werte gelten für eine „normale“ Gewichtsverteilung, die bei leeren Standardtraktoren in der Größenordnung von 60/40 (Hinterachse/Vorderachse) liegt. In der Praxis kann sich der Vorlauf aber ändern, z.B. wenn die Hinterreifen aufgrund von schweren Heckanbaugeräten „einfedern“ und gleichzeitig die Vorderachse entlastet wird.

Das Verspannungsproblem bei starren Allradantrieben tritt nicht oder nur in geringem Maße auf, wenn die Vorder- und Hinterräder bei Kurvenfahrten in den gleichen Spuren laufen. Das ist bei knickgelenkten Fahrzeugen mit symmetrischer Achsanordnung, wie z.B. Radlader oder schwere Zugtraktoren, der Fall. Der Allradantrieb ist hier deshalb meistens permanent ausgeführt und lässt sich gar nicht ausschalten. Gleiches gilt bei Fahrzeugen mit Achsschenkellenkung an der Vorder- und Hinterachse (Allradlenkung). Voraussetzung hierfür sind aber gleiche Lenkwinkel. Werden diese Fahrzeuge nur über die Vorderräder gelenkt, z.B. bei schneller Straßenfahrt, tritt das Verspannungsproblem auch hier auf.

Ein Drehzahlausgleich zwischen zwei mechanisch angetriebenen Achsen kann mit einem Längsdifferenzial geschaffen werden, vergleichbar mit einem Querdifferenzial, das für den Ausgleich zwischen den beiden Rädern einer Antriebsachse sorgt. Solche Längsdifferenziale kommen bei anderen Nonroad-Fahrzeugkategorien schon seit vielen Jahren zum Einsatz. Beispiele hierfür sind dreiachsige Baustellen-Dumper mit asymmetrischer Knicklenkung oder landwirtschaftliche Transporter mit Allradlenkung. Der österreichische Hersteller Reform beispielsweise setzt beim Transporter Muli TX10 auf eine Lösung mit Planetengetriebe, durch welches das Antriebsdrehmoment im Verhältnis 1 zu 2 auf die Vorder- resp. Hinterachse verteilt wird. In Extremsituation kann das Längsdifferenzial hier mittels einer formschlüssigen Einrichtung gesperrt werden. Durch die hundertprozentige Sperrwirkung ergibt sich ein starrer Allradantrieb.

Die heute bei Standardtraktoren üblichen starren Allradantriebe scheinen damit auf den ersten Blick etwas „altbacken“ zu sein. Es gibt aber einige Gründe, die für dieses Konzept sprechen:

• Durch Anbaugeräte variieren die Achslasten bei Standardtraktoren stark. Schwere Heckanbaugeräte können schnell zu einer Gewichtsverteilung von 20/80, Einsätze mit Frontlader zu einer von 80/20 (VA/HA) führen. Beim Vorhandensein eines Längsdifferenzials würden die Räder an der Achse mit geringerer Belastung schnell zum Durchdrehen neigen, weshalb dieses oft gesperrt werden müsste. Der Nutzen dieses teuren Bauteils wäre somit gering.
• Auf dem Feld ermöglicht der starre Allradantrieb hohe Zugkräfte und gute Fahrwerkswirkungsgrade.
• Verspannungen im Antriebsstrang werden auf nachgiebigem Boden ohnehin durch den immer vorhandenen Radschlupf ausgeglichen (ohne Schlupf keine Zugkraft).
• Schwere Zugarbeiten erfolgen zudem meistens bei geringen Lenkeinschlägen.

Nichtsdestotrotz wäre ein permanenter, verspannungsfreier Allradantrieb auch bei Standardtraktoren eine gute Sache. Geregelte Allradantriebe, bei welchen sich das richtige Drehzahlverhältnis zwischen Vorder- und Hinterachse in Abhängigkeit von Lenkwinkel und Radlasten stufenlos und automatisch einstellen lässt, beschäftigen die Traktorentwickler deshalb schon seit Jahrzehnten. Besonders intensiv geforscht wurde hieran an der Technischen Universität München um die Jahrtausendwende. Eine marktverfügbare Lösung ließ dann aber noch einige Jahre auf sich warten.

Mit der Großtraktoren-Baureihe 1000 Vario stellte Fendt im Jahre 2015 das VarioDrive-Konzept vor. Mittlerweile sind auch die aktuellen 900er, die 700er Gen7 und die ganz neuen 600er damit unterwegs. Das VarioDrive-Konzept baut auf dem bekannten Vario-Getriebe auf, mit den hydrostatischen Komponenten in der leistungsverzweigten Getriebestruktur wird hier aber auch ein Teil des Allradantriebes dargestellt.

Die Hydrostatik besteht aus einer Pumpe und zwei Motoren in effizienter Schrägachsen-Bauweise. Im Gegensatz zu den größeren Vario-Getrieben ML220 / ML260 (verbaut in der kürzlich ausgelaufenen 800er- resp. der „alten“ 900er-Baureihe) übertragen die beiden Hydromotoren ihre Leistung nicht auf eine gemeinsame Summierungswelle, sondern auf separate Antriebswellen für die Vorder- und Hinterachse. Die von der Pumpe geförderte Ölmenge wird weiterhin über ein einfaches T-Stück auf die beiden Hydromotoren verteilt. Weil diese beim VarioDrive-Konzept separat auf je eine Achse wirken, ergibt sich jetzt eine Längsdifferenzialwirkung. Der Hydromotor für die Vorderachse erhält bei Kurvenfahrt einfach mehr Öl, woraus eine automatische Anpassung der Antriebsdrehzahl resultiert. Die Vorderräder werden damit nicht mehr geschoben, wie das beim klassischen starren Allradantrieb der Fall ist, sie ziehen den Traktorvorderwagen stattdessen in die Kurve. Dieser sogenannte „Pull-in-Turn-Effekt“ ermöglicht engere Wendekreise und verhindert das Aufschieben von Erdwällen am Vorgewende.

An der Vorderachsantriebswelle gibt es weiterhin eine Lamellenkupplung. Dieser kommt aber nicht die Funktion einer Allradkupplung zu, sondern die einer Längsdifferenzialsperre. Bei Überschreitung einer gewissen Schlupfdifferenz zwischen Vorder- und Hinterachse wird die Kupplung automatisch mit Öldruck beaufschlagt. Das geschieht aber nicht „schwarz-weiss“, sondern proportional. Durch das kontrollierte „Schlupfen“ der ausreichend gekühlten Kupplung lässt sich die Drehmomentverteilung zwischen den Achsen steuern. Bei komplett geschlossener „Längsdifferenzialsperre“ weisen Fendt Traktoren mit VarioDrive vergleichbare Eigenschaften auf wie solche mit klassischem Vario-Getriebe und starrem Allradantrieb.

Beim Anfahren und Beschleunigen wird auch beim VarioDrive die Pumpe von null in Richtung 45° ausgeschwenkt und danach die Hydromotoren von ihren Ausgangspositionen in Richtung null zurückgeschwenkt. Der Hydromotor für die Vorderachse erreicht den Nullpunkt bereits bei einer Fahrgeschwindigkeit von rund 25 km/h und wird in diesem Moment aus Effizienzgründen über eine separate Lamellenkupplung automatisch abgekuppelt. Hieraus resultiert gleichzeitig eine größere Geschwindigkeitsspreizung für die Hinterachse, was einen zweiten mechanischen Fahrbereich überflüssig macht. Damit entfällt sowohl die Vorwahl der Straße/Feld-Gruppe als auch das Ein- und Ausschalten des Allradantriebes, die Fahrer brauchen sich hierum nicht mehr zu kümmern. Mit VarioDrive hat Fendt ein Allradantriebskonzept eingeführt, das bei Fahrgeschwindigkeiten bis 25 km/h die Vorteile des starren Antriebes (vor allem hohe Zugkräfte) mit denjenigen von modernen Lösungen aus anderen Fahrzeugbranchen vereint (z.B. permanenter Allradantrieb, keine Verspannungen).

Neue Möglichkeiten für erweiterte Allradantriebskonzepte bei Traktoren ergeben sich mit der Elektrifizierung/Hybridisierung. In welche Richtung diese gehen könnten, zeigen verschiedene Konzeptstudien. So stellte ZF bereits vor einigen Jahren ein „aktives“ Längsdifferenzial mit Planetengetriebe und E-Motor vor, bei welchem die Antriebsdrehzahl der Vorderachse stufenlos angepasst werden kann.

CNH präsentierte zur Agritechnica 2023 mit dem „Steyr Hybrid CVT“ ein modulares Hybridkonzept für mittlere und große Standardtraktoren. Der vorgestellte Prototyp basiert auf einem Serienmodell der 6- Zylinder-Einstiegsklasse (Baureihe „Impuls“, Leistung 132 kW / 180 PS, Radstand < 2,8 Meter), der Dieselmotor leistet hier aber 191 kW / 260 PS. Vom Original übernommen wird das bekannte hydrostatisch-mechanische Stufenlosgetriebe. Komplett neu ist hingegen das Vorderachsmodul mit gefederter Einzelradaufhängung und zwei integrierten E-Maschinen. Der Generator wird vom Dieselmotor angetrieben und gibt die erzeugte elektrische Leistung (bis 75 kW) über die Leistungselektronik an den E-Motor weiter, der an die Vorderachse angeflanscht ist. Dies ermöglicht einen variablen, aktiv gesteuerten Vorlauf der Vorderachse, was CNH mit „E-Steering“ bezeichnet. In Kombination mit einem elektrostatischen Energiespeicher (SuperCaps) ergeben sich aber noch weitere Funktionen, die bei Traktoren neu sind. Hierzu zählen die elektrische Boost-Funktion zum schnellen Beschleunigen beim Transport (E-Boost) und der Ausgleich von Lastspitzen (E-Torque-Filling).

• Bisher kamen bei Standardtraktoren starre Allradantriebskonzepte mit fixem Vorlauf zur Anwendung
• Fendt bietet mit VarioDrive seit einigen Jahren als einziger Hersteller einen geregelten Allradantrieb an
• Die Elektrifizierung/Hybridisierung eröffnet neue Möglichkeiten und könnte dazu führen, dass schon bald weitere Konzepte auf den Markt kommen