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

Der Kern ist ein Schulbeispiel aus der Getriebelehre. Eine Schnecke kann ein Schneckenrad antreiben. Umgekehrt geht es schlecht: Wenn das Schneckenrad die Schnecke zurückdrehen soll, sperrt der flache Steigungswinkel die Bewegung durch Reibung. Gleasman hat genau diese Einseitigkeit ausgenutzt – Steigungswinkel um 27 und um 63 Grad, gekreuzte Achsen.

Und jetzt der Teil, der das Ding so elegant macht: Weil die Zähne schräg ineinandergreifen, entstehen unter Last Axialkräfte. Die drücken die Räder gegen das Gehäuse und gegen Anlaufscheiben. Es entsteht Reibung – und diese Reibung wächst mit dem anliegenden Drehmoment.

Das heißt: Der Torsen ist bei Teillast weich und beim Beschleunigen bissig. Er regelt sich selbst, ohne Sensor, ohne Steuergerät, ohne Kupplungspakete, ohne Öl mit Zusätzen. Nur Zahnräder, die tun, was Zahnräder in dieser Geometrie eben tun.

Und er löst genau die Aufgabe von 1983. Denn er sperrt nur unter Last. Gehst du vom Gas oder trittst du auf die Bremse, verschwindet das Antriebsmoment und damit die Axialkraft – der Torsen gibt frei. Man muss ihn nicht abschalten, damit das ABS arbeiten kann. Er schaltet sich selber ab.

Nebenbei: Wenn dir jemand erklärt, das seien gar keine Schneckenräder, sondern schrägverzahnte Stirnräder mit gekreuzten Achsen – der hat auch recht. Das ist dieselbe Verzahnung, nur anders benannt. Audi schreibt „Schneckenräder“, die englischen Quellen schreiben „crossed-axis helical gears“.

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. Die Rechnung dahinter heißt Sperrwert, im Englischen Torque Bias Ratio, und sie ist erschreckend simpel:

Audis klassischer Torsen hat einen Sperrwert von 3:1. Solange die schwache Achse noch irgendetwas überträgt – Schneematsch, nasses Laub, ein Rad auf dem Randstreifen –, kann die andere das Dreifache davon bekommen, bis zu 75 Prozent des Antriebsmoments. Das funktioniert prächtig, und deshalb hat der quattro seinen Ruf.

Aber: Hebst du eine Achse an, bis die Räder frei drehen, überträgt sie null. Dreimal null ist null. Ein Torsen verhält sich in diesem Moment exakt wie ein offenes Differential. Wer schon einmal einen älteren quattro auf einer verschränkten Auffahrt oder mit einem Rad in einem Loch stehen hatte, kennt das Gefühl – vier angetriebene Räder, und der Wagen bewegt sich keinen Zentimeter.

Das ist keine Fehlkonstruktion, das ist Physik. Und Audi hat es später elegant gelöst: EDS, die elektronische Differentialsperre, bremst das durchdrehende Rad ab. Das Bremsmoment ist genau das Gegenmoment, das dem Torsen bis dahin gefehlt hat – jetzt steht auf der schwachen Seite ein Wert größer null, und das Getriebe kann ihn wieder verdreifachen. Die Elektronik ersetzt den Torsen nicht. Sie liefert ihm nach, was er zum Arbeiten braucht.

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.

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.