Null mal irgendwas ist null: die Geschichte des Torsen im quattro

Es gibt einen Satz, den man an jedem Stammtisch hört, an dem ein quattro steht: „Der schickt die Kraft dahin, wo Grip ist.“ Der Satz ist nicht ganz falsch. Aber er verschweigt die Bedingung, unter der das funktioniert – und die ist der eigentlich interessante Teil.

Der Weg dorthin fängt nicht bei Audi an, sondern bei einem Militärfahrzeug auf einem gefrorenen See.

Ein Iltis auf Eis

Winter 1976 auf 1977, Wintererprobung in Skandinavien. Jörg Bensinger leitet bei Audi den Fahrwerkversuch. Im Konvoi läuft ein VW Iltis mit, das Geländefahrzeug, das Audi für die Bundeswehr baut: 75 PS, hoch, schmal, laut, nichts, worüber man in Ingolstadt nachdenken müsste.

Auf Schnee und Eis fährt dieser Iltis den Audi 80 mit 127 PS in Grund und Boden. Nicht knapp, sondern deutlich. Bensinger zieht daraus den Schluss, den nach ihm eine ganze Industrie ziehen wird: Nicht die Leistung entscheidet, sondern wie viele Räder sie auf den Boden bringen.

Was jetzt oft erzählt wird, stimmt so nicht: Der quattro sei aus dem Iltis entstanden. Der Iltis hatte gar keinen permanenten Allradantrieb. Er fuhr hinten, vorn war zuschaltbar, und ein Mitteldifferential besaß er nicht. Er lieferte den Anstoß und ein paar Bauteile. Das Prinzip, das den quattro ausmacht, musste erst noch erfunden werden.

Im Februar 1977 beginnt das Projekt, zwölf Ingenieure unter Walter Treser. Ferdinand Piëch, seit 1975 Entwicklungsvorstand, hält die Hand darüber. Im Januar 1978 fährt der Vorstand von Volkswagen auf der Turracher Höhe selbst, im Mai 1978 fällt die Freigabe, am 3. März 1980 steht der Wagen in Genf.

263 Millimeter

Das Problem war nicht die Idee. Allradantrieb gab es seit Jahrzehnten. Das Problem war das Gewicht. Wer 1977 alle vier Räder antreiben wollte, brauchte ein Verteilergetriebe und eine Nebenwelle, die daneben herlief – schwer, sperrig, laut. In einem Geländewagen stört das niemanden. In einer Limousine, die 200 fahren soll, ist es das Ende der Sache.

Franz Tengler, Abteilungsleiter in der Getriebekonstruktion, hatte die Idee, die das auflöste: eine 263 Millimeter lange, hohl gebohrte Sekundärwelle im Getriebe. Aus dieser einen Welle geht die Kraft in zwei Richtungen. Hinten treibt sie das Gehäuse des Mitteldifferentials an, das die Hälfte über die Kardanwelle nach hinten schickt. Die andere Hälfte läuft durch die Bohrung dieser Welle wieder nach vorn zum Vorderachsdifferential, das im selben Gehäuse sitzt wie das Getriebe.

Kein Verteilergetriebe. Keine Nebenwelle. Ein Bauteil, das kaum mehr Platz braucht als das Getriebe ohnehin schon einnimmt.

Das ist der eigentliche Trick am quattro, und es ist der Grund, warum ein Ur-quattro von 1980 fährt wie ein Coupé und nicht wie ein Unimog. Alles, was danach kam – Torsen, Kronenrad, Sportdifferential –, sitzt in dem Bauraum, den diese Bohrung freigemacht hat.

Zwei Hebel zwischen den Sitzen

Was der Ur-quattro nicht hatte, war Intelligenz. Sein Mitteldifferential war ein ganz normales, offenes Kegelraddifferential. Es teilte die Kraft brav zur Hälfte auf beide Achsen – und wenn eine Achse durchdrehte, ging alles dorthin, wo nichts passierte. Das ist die Natur eines offenen Differentials.

Die Lösung war handbetrieben. Zwei Bowdenzughebel zwischen den Sitzen: einer sperrte das Mitteldifferential, einer das hintere. Ab 1981 ersetzte Audi die Hebel durch einen pneumatischen Drehschalter am Armaturenbrett.

Wer damit gefahren ist, kennt die Rechnung, die man dabei im Kopf machen musste. Sperre rein, wenn es glatt wird. Sperre raus, bevor es wieder griffig wird – denn mit gesperrtem Mitteldifferential sind beide Achsen starr gekoppelt, und weil sie in der Kurve unterschiedlich weit laufen, verspannt sich der ganze Antriebsstrang. Es schiebt über die Vorderachse, es hoppelt, die Reifen radieren.

1983 kam der Punkt, an dem das nicht mehr ging. Audi führte ABS ein. Und ein ABS kann nicht arbeiten, wenn die Räder starr miteinander verbunden sind – es muss ja gerade einzelne Räder unterschiedlich schnell laufen lassen. Wer die Sperre einlegte, schaltete das ABS ab.

Damit war klar: Die Handsperre musste weg. Nicht weil sie schlecht war, sondern weil sie einer anderen Technik im Weg stand. Gesucht war etwas, das dasselbe tut, aber selbst entscheidet – und das sich beim Bremsen von allein wieder löst.

Ein Patent von 1955

Das Bauteil, das Audi brauchte, lag zu diesem Zeitpunkt schon dreißig Jahre in einer amerikanischen Schublade.

Am 21. Februar 1955 reichte Vernon Gleasman ein Patent ein, US 2.859.641, erteilt im November 1958. Gleasman war kein Konzern, er meldete als Privatperson an. Sein Differential arbeitete mit Schneckenrädern statt mit Kegelrädern, und daraus ergab sich eine Eigenschaft, die kein normales Differential hat: Es merkt, wenn eine Seite weniger Widerstand leistet, und schiebt die Kraft von allein auf die andere.

Vermarktet wurde es Anfang der achtziger Jahre von der Gleason Corporation in Rochester, New York. Der Name ist eine Abkürzung aus Torque und Sensing – drehmomentfühlend. Und der erste große Kunde war nicht Audi, sondern das amerikanische Militär: der Humvee.

Nur damit das für später gerade steht, denn im Netz steht es oft anders: Audi hat den Torsen nicht erfunden. Audi hat ihn erkannt, ausgelegt und in ein Serienauto gebracht, in dem er Sinn ergab. Das ist etwas anderes und immer noch bemerkenswert genug. Die Rechte am Namen liegen heute übrigens in Japan, seit 1990 – über mehrere Stationen bei JTEKT, einem Unternehmen der Toyota-Gruppe.

Schnecke und Schneckenrad

Um zu verstehen, was ein Torsen tut, muss man zuerst verstehen, was ein normales Differential tut – und warum das ein Problem ist.

Warum ein offenes Differential immer den Faulen bedient

Ein Ausgleichsgetriebe hat eine Aufgabe: Es lässt zwei Abtriebe unterschiedlich schnell drehen, damit das Auto um die Kurve kommt. Es hat aber eine Nebenwirkung, die niemand bestellt hat. Das Moment teilt sich immer zu gleichen Teilen auf beide Seiten auf – unabhängig davon, was die Seiten damit anfangen können.

Daraus folgt etwas Unangenehmes. Wenn eine Seite auf Eis steht und nur noch fünf Newtonmeter aufnehmen kann, bevor sie durchdreht, dann bekommt die andere Seite ebenfalls fünf. Nicht mehr. Der Motor darf brüllen, so laut er will: Die griffige Seite sieht nie mehr, als die rutschende Seite gerade noch hält. Ein offenes Differential richtet sich immer nach der schwächsten Seite.

Genau deshalb hatte der Ur-quattro seine Handsperre. Sperren heißt: Ausgleich abschalten, beide Seiten starr koppeln, fertig. Grob, wirksam – und mit den Nachteilen aus dem vorigen Kapitel.

Was Gleasman anders gemacht hat

Gleasmans Idee war, das Ausgleichsgetriebe nicht abzuschalten, sondern bewusst schwergängig zu machen – und zwar nur dann, wenn Kraft anliegt.

Im Kegelraddifferential stehen die Ausgleichsräder quer zur Antriebsachse und rollen frei ab. Im Torsen sitzen stattdessen Räder mit schräger Verzahnung, deren Achsen gegenüber den Abtriebswellen gekreuzt stehen. Die deutschen Unterlagen nennen sie Schneckenräder, die englischen crossed-axis helical gears. Das ist dieselbe Verzahnung, nur anders benannt – falls dich jemand deswegen korrigieren will.

Zwei Eigenschaften dieser Geometrie machen das ganze Getriebe aus.

Erstens ist sie einseitig. Eine Schnecke kann ein Schneckenrad antreiben. Umgekehrt sperrt der flache Steigungswinkel die Bewegung durch Reibung. Gleasman hat mit rund 27 und rund 63 Grad genau diese Asymmetrie ausgenutzt: Die eine Richtung geht leicht, die andere schwer.

Zweitens erzeugt sie Axialkraft. Schräge Zähne schieben sich unter Last nicht nur in Umfangsrichtung gegeneinander, sondern auch längs der Welle. Diese Axialkraft drückt die Räder gegen das Gehäuse und gegen Anlaufscheiben. Es entsteht Reibung – und zwar umso mehr, je mehr Drehmoment anliegt.

Das ist der eigentliche Kniff. Der Torsen braucht keinen Sensor, der misst, wie viel Kraft gerade fließt, und keine Regelung, die daraus eine Sperrwirkung berechnet. Die Sperrwirkung ist ein Nebenprodukt der Kraft selbst. Bei Teillast ist das Getriebe weich und lässt die Achsen frei ausgleichen. Bei Vollgas macht es zu. Ganz von allein, mit nichts als Zahnrädern.

Drei Bauformen

Vom Torsen gibt es drei Grundtypen. Sie unterscheiden sich darin, wie die Räder zueinander stehen.

Null mal irgendwas

Damit sind wir bei dem Satz vom Anfang. „Der schickt die Kraft dahin, wo Grip ist.“

Ein Torsen tut das nicht direkt. Er vervielfacht, was auf der schwächeren Seite ohnehin schon anliegt. Wie stark, beschreibt eine einzige Zahl: der Sperrwert, englisch Torque Bias Ratio. Er ist definiert als das Verhältnis zwischen dem Moment auf der stärker und dem auf der schwächer belasteten Seite. Übliche Auslegungen liegen zwischen 2,5:1 und 6:1; Audis klassisches Mitteldifferential hat 3:1.

Der Sperrwert ist ein Verhältnis, kein Betrag. Er sagt nicht „bis zu 180 Newtonmeter dürfen nach hinten“. Er sagt: „hinten darf dreimal so viel anliegen wie vorn“. Was daraus in Newtonmetern wird, hängt davon ab, was vorn überhaupt noch ankommt.

Der linke Fall ist der Alltag. Der mittlere ist das, wofür man einen quattro kauft: Die Vorderachse rutscht auf Schneematsch und überträgt nur noch einen Bruchteil – und trotzdem geht die volle Kraft auf die Straße, weil die Hinterachse das Dreifache übernehmen darf. Das funktioniert prächtig, und daher hat der quattro seinen Ruf.

Der rechte Fall ist der, über den niemand spricht. Sobald eine Achse gar nichts mehr überträgt, bricht die ganze Rechnung zusammen. Dreimal null ist null. Der Torsen kann nichts vervielfachen, was nicht da ist – er verhält sich in diesem Moment exakt wie ein offenes Differential, und das Auto steht.

Wer das einmal erlebt hat, vergisst es nicht: vier angetriebene Räder, ein Rad frei in der Luft auf einer verschränkten Auffahrt, und der Wagen bewegt sich keinen Zentimeter. Das ist kein Defekt. Das ist die Konstruktion.

Wie Audi das gelöst hat, ohne den Torsen anzufassen

Die Lösung kam von einer ganz anderen Seite: EDS, die elektronische Differentialsperre. Sie erkennt über die ABS-Sensoren, dass ein Rad durchdreht, und bremst genau dieses Rad ab.

Auf den ersten Blick klingt das nach einer Notlösung. Tatsächlich ist es die elegantere Variante. Denn das Bremsmoment am durchdrehenden Rad ist genau das Gegenmoment, das dem Torsen bis dahin gefehlt hat. Aus null wird ein Wert größer null – und jetzt hat das Getriebe wieder etwas, das es verdreifachen kann. Die Elektronik ersetzt den Torsen nicht. Sie liefert ihm die Zutat nach, ohne die er nicht arbeiten kann.

Und noch eine Klarstellung für den nächsten Stammtisch: Ein Torsen ist keine Sperre. Er ist ein Differential, das unter Last ungleich verteilt. Wer „100 Prozent auf die Achse mit Grip“ hört, hört einen Werbespruch. Mehr als 75 Prozent gab die klassische Auslegung nicht her – und auch das nur, solange die andere Achse noch etwas beiträgt.

Herbst 1986

Eingeführt hat Audi den Torsen nicht dort, wo alle es vermuten. Nicht im Ur-quattro, nicht im Sport quattro, nicht im Rallyeauto. Sondern im Audi 80 quattro der Baureihe B3, im Herbst 1986 – dem bürgerlichsten Auto im Programm. Der Ur-quattro bekam ihn erst mit dem Modelljahr 1987 nachgereicht, der Typ 44 folgte.

Die Auslegung: 50:50 im Normalfall, bis zu 75 Prozent auf eine Achse, wenn es sein muss. Gewicht rund fünf Kilogramm. Das hintere Differential blieb weiterhin von Hand sperrbar, elektropneumatisch per Knopfdruck, für die wirklich hoffnungslosen Anfahrsituationen – und es löste sich oberhalb von etwa 25 km/h automatisch wieder, damit das ABS seine Arbeit machen konnte.

Zu den Werksrennwagen, weil die Frage garantiert kommt: Der Sport quattro von 1984 ist mit Handsperre dokumentiert, der S1 E2 kam Ende 1985 – beide also vor Audis Torsen-Zeit. Womit die Trans-Am- und IMSA-Autos von 1988 und 1989 genau gefahren sind, hat Audi nie veröffentlicht. Wer behauptet, die Gruppe-B-Autos hätten Torsen gehabt, weiß mehr als das Werksarchiv.

Was danach kam

Zwanzig Jahre lang blieb es beim 50:50. Dann verabschiedete sich Audi von der Symmetrie.

2005, im RS 4 der Baureihe B7, kam ein selbstsperrendes Mitteldifferential mit Planetenverzahnung und einer Grundverteilung von 40:60 – mehr Kraft nach hinten, weil sich ein Auto so hecklastiger und williger anfühlt. Bis zu 60 Prozent können nach vorn wandern, bis zu 80 nach hinten. In der Tunerszene heißt das Ding „Torsen Typ 3“; Audi selbst nennt es in keiner Unterlage so. Wer genau sein will, sagt „selbstsperrendes Mitteldifferential“.

2010, im RS 5, folgte das Kronenraddifferential – eine Audi-Eigenentwicklung, kein Gleasman-Getriebe mehr. Zwei Kronenräder für die beiden Abtriebe, dazwischen quer stehende Ritzel; bei Drehzahldifferenz entsteht Axialkraft, die Lamellenpakete zusammenpresst. Wieder 40:60 als Grundverteilung, jetzt bis 70 Prozent nach vorn und bis 85 nach hinten. Und 4,8 Kilogramm – etwa zwei Kilo leichter als der Vorgänger.

Der wichtigere Unterschied steckt aber nicht im Gewicht: Ein Lamellenpaket lässt sich weiter zusammendrücken, als es ein fester Sperrwert erlaubt. Das Ding erbt die Null-mal-null-Grenze nicht in derselben Härte.

Was kein Torsen ist

Hier räumen wir gleich mit auf, weil es die häufigste Verwechslung überhaupt ist. Alles, was quer eingebaut ist – A3, S3, TT, Q3, dazu sämtliche 4motion-Modelle von VW –, fährt mit einer Haldex-Kupplung. Das ist ein elektronisch geregeltes Lamellenpaket, das im Normalfall fast alles nach vorn schickt und bei Schlupf hinten zumacht. Kein Torsen, keine Schneckenräder, überhaupt kein Mitteldifferential. Eine völlig andere Technik mit demselben Markennamen auf dem Kotflügel.

Dazu kam 2016 quattro ultra, wieder für Längsmotoren: zwei Kupplungen, die den vorderen Antriebsstrang komplett abkoppeln, wenn er nicht gebraucht wird. Die Elektronik rechnet alle zehn Millisekunden mit, Audi nennt rund 0,3 Liter Ersparnis auf hundert Kilometer.

Und noch ein Gerät, das gern mit dem Torsen in einen Topf geworfen wird: das Sportdifferential an der Hinterachse, seit Ende 2008 im S4 der Baureihe B8. Der Unterschied ist grundsätzlich. Ein Torsen ist passiv – er reagiert auf einen Momentenunterschied, der bereits existiert, und kann Kraft immer nur von der schlechteren Seite wegnehmen. Das Sportdifferential ist aktiv: Es treibt das kurvenäußere Rad über eine Kupplung gezielt schneller an als das innere, aus Lenkwinkel, Gierrate und Querbeschleunigung berechnet, und zwar auch dann, wenn überhaupt nichts rutscht. Der Torsen kämpft gegen Durchdrehen, das Sportdifferential gegen Untersteuern.

Fährt Audi heute noch mechanisch? Ja. Im aktuellen RS 6 steht in der eigenen Unterlage ausdrücklich „ein rein mechanisches Mitteldifferential“, selbstsperrend, 40:60, bis 70 vorn und 85 hinten. Vier Architekturen laufen bei Audi parallel: mechanisch in den S- und RS-Modellen, quattro ultra bei den sparsamen Längsmotoren, Haldex quer, und im e-tron gar keine mechanische Verbindung mehr zwischen den Achsen. Abgelöst hat den mechanischen Mittelbau bis heute nichts.

Vom Iltis bis zum Kronenrad

1. 1955Vernon Gleasman reicht am 21. Februar das Patent auf das Schneckenrad-Differential ein. Erteilt 1958.
2. 1977Nach dem Wintertest in Skandinavien startet im Februar das Projekt: zwölf Ingenieure unter Walter Treser.
3. 1980Am 3. März steht der quattro in Genf – mit hohl gebohrter Sekundärwelle und zwei Handsperren.
4. 1981Die Bowdenzughebel weichen einem pneumatischen Drehschalter.
5. 1983Audi führt ABS ein. Mit eingelegter Sperre funktioniert es nicht – die Handsperre wird zum Problem.
6. 1986Im Herbst kommt der Torsen ins Programm, zuerst im Audi 80 der Baureihe B3. 50:50, bis 75 Prozent, rund fünf Kilo.
7. 1987Der Ur-quattro bekommt ihn zum Modelljahr nachgereicht.
8. 2005Im RS 4 B7 kommt das asymmetrische Mitteldifferential: 40:60 als Grundverteilung.
9. 2008Ende des Jahres debütiert im S4 B8 das Sportdifferential an der Hinterachse – aktiv statt passiv.
10. 2010Der RS 5 bekommt das Kronenraddifferential: 4,8 Kilo, 40:60, bis 70 vorn und 85 hinten.

Weiterlesen

Über die Abteilung, die diese Autos gezeichnet hat: die Geschichte des Audi-Designs. Und über den Fünfzylinder, der in fast allen frühen quattro steckt: der Audi 90.

Quellen

1. Audi Technology Portal: Kegelrad-Mittendifferenzial – Die 263 mm lange hohl gebohrte Sekundaerwelle, Kraftfluss in zwei Richtungen, Wegfall von Verteilergetriebe und Nebenwelle, ABS-Problematik der Handsperre.
2. Audi Technology Portal: Torsen-Differenzial – Einfuehrung Herbst 1986 im Audi 80 quattro, 50:50, bis 75 Prozent, rund fuenf Kilogramm, Sperrwirkung nur unter Last.
3. Audi Technology Portal: Selbstsperrendes Mitteldifferenzial – Einfuehrung 2005 im RS 4, Planetenverzahnung, 40:60, bis 60 Prozent vorn und 80 hinten.
4. Audi Technology Portal: Kronenraddifferenzial – Aufbau, 4,8 Kilogramm, 40:60, bis 70 Prozent vorn und 85 hinten.
5. Audi Technology Portal: Sportdifferenzial – Ueberlagerungsgetriebe je Seite, elektrohydraulische Lamellenkupplungen, aktive Momentenverteilung.
6. Audi MediaCenter: 40 Jahre quattro, die technischen Meilensteine – Zeitleiste von 1977 bis heute, quattro ultra, Sportdifferenzial ab 2008.
7. Patent US 2.859.641, Vernon E. Gleasman – Eingereicht 21. Februar 1955, erteilt 11. November 1958. Schneckenraeder als Ausgleichsraeder, Steigungswinkel rund 27 und 63 Grad.
8. Torsen: About us – Vermarktung durch Gleason Power Systems, erster Grosskunde HMMWV, Eigentuemerkette bis JTEKT.
9. Torsen: How it works – Wirkprinzip, Axialkraefte, Abhaengigkeit des Sperrmoments vom Eingangsmoment.
10. rallye-magazin: 30 Jahre quattro – Franz Tengler und die Idee der hohl gebohrten Sekundaerwelle, Projektstart Februar 1977, Turracher Hoehe.
11. Wikipedia: VW Iltis – Hinterradantrieb mit zuschaltbarem Vorderradantrieb, kein Mitteldifferenzial.
12. Wikipedia: Audi quattro – Torsen ab Modelljahr 1987 im Ur-quattro, Umstellung der Sperrenbetaetigung 1981.
13. Audi: RS 6 Avant performance, Antrieb – Rein mechanisches Mitteldifferenzial, 40:60, bis 70 Prozent vorn und 85 hinten.