Achsübersetzungen und Achsantrieb erklärt: Einfachübersetzung, Radnabenübersetzung und Portalachse

Das Datenblatt einer Sattelzugmaschine führt für die Hinterachse zwei Zeilen: einen Typ und eine Zahl. Der Typ ist ein Code oder eine kurze Bezeichnung – Einfachübersetzung, Radnabenübersetzung, Portal. Die Zahl ist eine nackte Dezimalzahl ohne Einheit: 2,31, oder 3,70, oder 5,41. Zusammen legen sie fest, wie schnell der Motor bei Autobahngeschwindigkeit dreht, wie viel Drehmoment am Berg an den Reifen ankommt, und für welche der beiden Aufgaben das Fahrzeug beschafft wurde. Keines von beidem lässt sich nachträglich verstellen. Und anders als die meisten Begriffe des Antriebsstrangs sind beide im EU-Recht definiert, weil eine europäische Verordnung die Bauteile erst benennen musste, bevor sie deren Verluste simulieren konnte.

Die Verordnung, die die Bauteile benennt

Regulation (EU) 2017/2400 bestimmt die CO2-Emissionen und den Kraftstoffverbrauch schwerer Nutzfahrzeuge durch Simulation statt durch Fahrversuche. Article 2(1) wendet sie, vorbehaltlich des zweiten Unterabsatzes von Article 4, auf mittelschwere Lkw, schwere Lkw und schwere Busse an; jener zweite Unterabsatz erklärt Articles 5 to 23 – den Block, der bis zu den Achsvorschriften von Annex VII reicht – für nicht anwendbar auf schwere Lkw der Fahrzeuggruppen 6, 7, 8, 13, 14, 15, 17, 18 und 19, auf mittelschwere Lkw der Gruppen 51, 52, 55 und 56, sowie auf jedes Fahrzeug mit angetriebener Vorderachse in den Gruppen 11, 12 und 16. Article 2(3) schließt Geländefahrzeuge, Fahrzeuge für besondere Zwecke und geländegängige Fahrzeuge für besondere Zwecke aus, wie sie in Annex I, Part A, points 2.1 to 2.3, von Regulation (EU) 2018/858 definiert sind. Article 9(1) legt die Pflicht dem Fahrzeughersteller auf: Er hat für jedes neue Fahrzeug – mit Ausnahme neuer Fahrzeuge, die Fahrzeugtechnologien nach Appendix 1 to Annex III verwenden –, das in der Union verkauft, zugelassen oder in Betrieb genommen werden soll, die CO2-Emissionen und den Kraftstoffverbrauch mit der jeweils neuesten verfügbaren Version des Simulationswerkzeugs zu bestimmen; bei schweren Bussen hat der Fahrzeughersteller oder Zwischenhersteller die in Annex I, point (2), festgelegte Methode anzuwenden. Für die ausgenommenen Technologien werden nur die in Table 5 of Annex III festgelegten Eingabeparameter bestimmt, nicht die CO2-Emissionen und der Kraftstoffverbrauch.

Eine Simulation braucht für jedes Bauteil im Antriebsstrang einen Verlustwert, weshalb die Verordnung die Bauteile zunächst beschreiben musste. Annex VII, mit der Überschrift „Verifying axle data”, tut dies für angetriebene Achsen. Dessen paragraph 2 stellt einleitend fest, dass die nachfolgenden Begriffsbestimmungen für die Zwecke dieses Anhangs gelten – sie sind das Vokabular eines Zertifizierungsverfahrens, keine allgemeine rechtliche Definition einer Achse. Innerhalb dieses Rahmens sind sie die einzige Stelle im EU-Recht, an der diese fünf Begriffe festgelegt werden.

Was die Zahl zählt

Die Übersetzung ist ein Multiplikator zwischen Welle und Rad, und die Verordnung verwendet sie auch als solchen. Annex VII berechnet den Wirkungsgrad jedes gemessenen Rasterpunkts aus Ausgangsdrehmoment, Eingangsdrehmoment und i_axle, der Achsübersetzung; Appendix 3 desselben Anhangs berechnet das Grundschleppmoment auf der Radseite als T_d0 = T₀ + T₁ × i_gear. Das Drehmoment wird auf dem Weg nach außen mit der Übersetzung multipliziert; die Wellendrehzahl wird durch sie geteilt. Das ist alles, was die Dezimalzahl bedeutet.

Appendix 2 zeigt, wie eng sie festgelegt ist. Das Achs-Informationsdokument verlangt vom Hersteller, die Achslinie als SR, HR, SP, SRT oder HRT anzugeben, dann die Achsübersetzung, dann den Tellerraddurchmesser, den vertikalen Versatz zwischen Ritzel und Tellerrad, die Zähnezahl des Ritzels und die Zähnezahl des Tellerrads. Die Übersetzung wird zusammen mit den Zähnezahlen angegeben, die sie erzeugen, nicht als Kennwert, und die zugehörige Zeichnung verbleibt bei der Genehmigungsbehörde.

Volvo veröffentlicht die praktische Konsequenz. Die RSS1370A, eine Hypoid-Solo-Achse mit Einfachübersetzung, ausgelegt für 13 Tonnen Achslast und 70 Tonnen Zuggesamtgewicht, wird auf dem Datenblatt mit 2,06, 2,17, 2,31, 2,47, 2,64, 2,85 und 3,08:1 geführt. Zwischen der 2,31 und der 2,85 liegt bei gleicher Raddrehzahl ein Unterschied von 23 Prozent in der Gelenkwellendrehzahl – dieser Prozentsatz ist unsere eigene Rechnung aus den beiden veröffentlichten Übersetzungen, keine Volvo-Angabe. Was das Datenblatt nicht angibt, ist ein Motor: Es beschreibt die Achse als ausgelegt für ein Drehmoment der elektrischen Antriebseinheit von 3550 Nm, die Spezifikationszeile nennt ein maximales Drehmoment der elektrischen Antriebseinheit von 3500 Nm, und nirgendwo darauf erscheint ein Motordrehmoment. Die Übersetzung ist ein Wert von der Welle zum Rad, und weiter, als das Dokument es zulässt, lässt sie sich nicht lesen.

Wo die Untersetzung stattfindet, und was das nicht klärt

Stellt man zwei Volvo-Achsen mit derselben Achslast und demselben Zuggesamtgewicht nebeneinander, zeigt sich die Wirkung einer zweiten Untersetzungsstufe an der Hardware. Die Einfachübersetzungsachse RSS1370A läuft mit 2,06 bis 3,08:1 bei einem Tellerrad von 485 mm. Die RSH1370F, eine Soloachse mit Radnabenübersetzung, ausgelegt für dieselben 13 Tonnen Achslast und 70 Tonnen Zuggesamtgewicht, trägt ein Tellerrad von 295 mm und wird je Modell mit Übersetzungen geführt: 3,46, 3,61, 3,76, 4,12 und 4,55:1 bei FE, FH und FM; 5,41:1 bei FH und FM; sowie 4,67, 5,46, 6,18 und 7,21:1 nur bei der FE. Auf diesen beiden Datenblättern liegt die niedrigste Übersetzung der Radnabenachse über der höchsten der Einfachübersetzungsachse. Gemeinsam sind allerdings nur die Gewichte: Das Datenblatt der RSH1370F gibt ein maximales Motordrehmoment von 3550 Nm an, während das der RSS1370A die Achse gegen eine elektrische Antriebseinheit auslegt. Volvos eigene Erklärung zum Mittelgetriebe lautet, dass der größte Teil der Untersetzung in den Radnabengetrieben stattfindet und nur ein kleiner Teil im Mittelgetriebe, was einen geringen Durchmesserunterschied zwischen Ritzel und Tellerrad sowie ein wartungsfreundliches Mittelgetriebe mit niedrigen Antriebsverlusten ergibt. Die 485 mm und die 295 mm als sichtbare Folge davon zu lesen, ist unsere eigene Einordnung; Volvo druckt die beiden Durchmesser auf getrennten Datenblättern und zieht selbst keinen Vergleich zwischen ihnen.

Weitet man den Blick über diese beiden Datenblätter hinaus, hält das Muster nicht mehr, denn Volvos eigene Modellseiten widersprechen ihnen. Bei einem Baufahrzeug-Fahrgestell stehen die beiden Familien nebeneinander in einer Tabelle: Die Spezifikation des Volvo FMX sortiert seine Hinterachsen in eine Gruppe mit Einfachübersetzung und eine Gruppe mit Radnabenübersetzung, mit zugelassenen Zuggesamtgewichten von 44 Tonnen bei der RSS1344C/E bis 150 Tonnen bei der RTH3815. Die Tabelle der Hinterachsübersetzungen dieser Seite gibt für die RSS1370A/B 2,47, 2,64, 2,85, 3,08, 3,40, 3,67 und 4,11:1 an – an keinem Ende deckungsgleich mit den 2,06 bis 3,08:1 des Datenblatts, und ihr höchster Wert liegt über dem niedrigsten der RSH1370F von 3,46. Auch die Drehmomentspalte widerspricht sich: Sie nennt 3800 Nm für beide Achsen, gegenüber den 3550 Nm des RSH1370F-Datenblatts. Dieselbe Tabelle führt die Einfachübersetzungsachse RSS1344C/E mit bis zu 5,29:1 und die Tandemachse mit Einfachübersetzung RTS2310A mit bis zu 4,63:1 – beide oberhalb jeder Radnabenübersetzung, die der FMX bei der RSH1365 bietet. Wo die Untersetzung stattfindet, legt nicht fest, wo die Übersetzung landet; die veröffentlichten Bereiche überschneiden sich, und Volvo hat seine beiden Dokumente nicht in Einklang gebracht. Diese Seite druckt beide, statt sich für eines zu entscheiden.

Auch die Verordnung ordnet die Linien nach Übersetzung, allerdings nicht, um sie zu beschreiben. Table 2 of Annex VII legt unter point 6.4 die Schleppmoment-Toleranz in Nm fest, um die eine Stichprobe bei der Übereinstimmung der Produktion von ihrer genehmigten Achse abweichen darf, und staffelt diese Toleranz nach Übersetzung, mit einer je Achslinie festgelegten Grenze: i ≤ 3 oder > 3 für SR und SRT, ≤ 6 oder > 6 für SP, ≤ 7 oder > 7 für HR und HRT. Die Grenze ist eine Stufe in einer Toleranztabelle und nicht der Rand des Übersetzungsbereichs einer Linie, und sie liegt bei den Radnabenlinien höher als bei den Einfachübersetzungslinien. Paragraph 3 of the Annex fügt die fertigungstechnische Konsequenz hinzu: Unterschiedliche Achsübersetzungen von Radnaben-, Radnaben-Tandem- und einfachen Portalachsen – HR, HRT und SP – dürfen gemessen werden, indem nur die Radnabenuntersetzung ausgetauscht wird.

Die Portalachse gibt es wegen der Bodenfreiheit oder eines niedrigen Bodens

Paragraph 2(2) ist die Definition, die es zu zitieren gilt, und sie ist insofern ungewöhnlich, als sie einen mechanischen Aufbau an ein Fahrzeugkonzept knüpft. Eine einfache Portalachse bedeutet eine Achse, die typischerweise einen vertikalen Versatz zwischen der Drehachse des Tellerrads und der Drehachse des Rads aufweist, „bedingt durch die Anforderung einer höheren Bodenfreiheit oder eines abgesenkten Bodens, um ein Niederflurkonzept für Innenstadtbusse zu ermöglichen”. Eine Änderung fügte die Bauweise hinzu: typischerweise ist die erste Stufe ein Kegelradsatz, die zweite ein Stirnradsatz – oder schrägverzahnter Radsatz – mit vertikalem Versatz nahe den Rädern.

Zwei Dinge folgen daraus. Der Versatz ist der Zweck der Achse und nicht eine Nebenwirkung von ihr – die Verordnung nennt eine höhere Bodenfreiheit oder einen abgesenkten Boden als die Anforderung, die den Aufbau hervorbringt, und Letzteres ist es, was einen niederflurigen Stadtbus über seiner angetriebenen Achse überhaupt erst möglich macht. Und die Verordnung behandelt Portalachsen durchgängig als Sonderfall. Appendix 2 enthält eine Zeile, die nur für Portalachsen verwendet wird: den Winkel zwischen Ritzelachse und Tellerradachse in Grad. Appendix 4 führt zwei nur für Portalachsen geltende Familienkriterien – Ritzelwinkel zur Horizontalen innerhalb von ± 5°, Winkel zwischen Ritzel- und Tellerradachse innerhalb von ± 3,5° – und befreit einfache Portalachsen von dem Kriterium der Achsgehäusegeometrie, das für jede andere Linie gilt.

Solaris gibt die Antriebsachse des Urbino 12 electric mit modularem Antrieb als Portalachse mit Stabilisator an, angetrieben von einem zentralen 240-kW-Elektromotor, bei einem Bus mit 19.500 kg zulässigem Gesamtgewicht – je nach Land und Bereifung bis zu 20.000 kg. Das ist die Bauweise, die es einem batterieelektrischen Stadtbus erlaubt, seinen niedrigen Boden über der angetriebenen Achse hinweg beizubehalten.

Ein Tandem sind zwei Bauteile, nicht eines

Die letzten beiden Definitionen beschreiben einen Durchtrieb. Eine SRT ist eine Achse mit Einfachübersetzung, die zusätzlich Drehmoment von ihrem Eingangsflansch über einen Ausgangsflansch an eine weitere Achse überträgt; eine HRT ist eine Achse mit Radnabenübersetzung mit derselben Fähigkeit. Dieser Durchtrieb ist es, was einen 6×4 von einem 6×2 unterscheidet, und die Achskonfigurationsnotation hält nur fest, dass zwei Achsen angetrieben sind, nie, wie das Drehmoment zur zweiten gelangt.

Die Verordnung rechnet mit dem Paar, nicht mit der Einzelachse. Appendix 3 legt fest, dass Tandemachsen mit einem kombinierten Wirkungsgrad berechnet werden, für eine Achse mit Durchtrieb, SRT oder HRT, zuzüglich der zugehörigen Einzelachse, SR oder HR. Volvos RTH3312 zeigt die Hardware: zwei Einheiten mit spiralverzahntem Kegelrad und Radnabenübersetzung, ein Verteilergetriebe vom zylindrischen Stirnradtyp in der vorderen Hinterachse mit einer Übersetzung von 1:1, drei Differentialsperren, Übersetzungen von 3,61 bis 7,21:1, eine maximale Bogielast von 33.000 kg und ein maximales Zuggesamtgewicht von 120.000 kg. Das Verteilergetriebe untersetzt überhaupt nicht; die Zahl auf dem Datenblatt ist weiterhin die Radnabenübersetzung. Zuggesamtgewichte dieser Größenordnung sind eine Antriebsstrang-Einstufung des Herstellers und nicht etwas, das ein Mitgliedstaat allein aufgrund der Zulassungsbescheinigung erlauben wird.

Was das Gesetz annimmt, wenn niemand die Achse misst

Eine Achsfamilie kann durch Messung zertifiziert werden, oder der Hersteller kann die Standardwerte in Appendix 3 to Annex VII übernehmen. Diese Werte sind ein allgemeiner Wirkungsgrad für die lastabhängigen Verluste zuzüglich eines allgemeinen Grundschleppmoments, und sie sind je Achslinie festgelegt.

Aus dieser Tabelle lohnen sich zwei Lesarten. Die erste ist der Preis dafür, keine der fünf benannten Linien zu sein: Eine Achse, die zu keiner davon passt, wird mit einem Wirkungsgrad von 0,90 und einem Grundschleppmoment von 150 + 50 × i Nm angenommen, gegenüber 0,98 und 70 + 20 × i Nm bei einer einfachen Achse mit Einfachübersetzung. Keines der beiden Zahlenpaare ist selbst ein Schleppmoment – es sind die Koeffizienten T₀ und T₁, und das Schleppmoment ist das, was die Formel daraus liefert. Die zweite Lesart folgt daraus: Der Schleppwert wächst mit der Übersetzung, sonst nichts in der Tabelle tut das. Wendet man die eigene Formel der Verordnung auf die obigen Übersetzungen an, erhält eine Achse mit Einfachübersetzung bei 2,31 ein Grundschleppmoment von 116,2 Nm und eine Achse mit Radnabenübersetzung bei 5,41 erhält 178,2 Nm – unsere eigene Rechnung aus Table 1 und den veröffentlichten Übersetzungen, keine in der Verordnung gedruckten Zahlen. Es lohnt sich, genau zu sein, was dieser Vergleich tatsächlich verschiebt, denn er verschiebt zwei Dinge zugleich. Die Wirkungsgradspalte ist an die Achslinie gebunden und nicht an die Übersetzung: Jede SR-Achse wird mit 0,98 bewertet, welche Zahl sie auch trägt, und der Abfall auf 0,97, 0,96 oder 0,95 kommt daher, eine HR, eine SRT oder SP, oder eine HRT zu sein. Nur T_d0 reagiert auf i_gear. Eine zahlenmäßig höhere Übersetzung wird also allein beim Schleppmoment bestraft; die zweite Bestrafung im Beispiel gehört zum Wechsel der Linie, nicht zum Wechsel der Zahl.

Ein eigener Appendix legt fest, welche Achse einer Familie geprüft wird. Nach Appendix 4 ist die Stammachse diejenige mit der höchsten Achsübersetzung; teilen sich mehr als zwei Achsen diese Übersetzung, muss der Hersteller eine Analyse vorlegen, die die ungünstigste Achse identifiziert.

Wo die Zahl auf dem Papier auftaucht

Annex IV legt die Dokumente fest, die die Simulation erzeugt. In der Aufzeichnungsdatei des Herstellers ist point 1.7.4 der Achstyp – das Muster nennt „single reduction axle” als eigenes Beispiel – und point 1.7.5 die Achsübersetzung. In der Kundeninformationsdatei, dem kurzen Dokument, das den Käufer erreicht, wird der gesamte Antriebsstrang auf eine Handvoll Einträge reduziert: Getriebewerte gemessen oder standardisiert, Getriebetyp, Anzahl der Gänge, Retarder ja oder nein, und an point 1.2.8 die Achsübersetzung. Von allem im Antriebsstrang ist die Übersetzung eine der wenigen Angaben, die die Unterlagen einem Käufer garantiert mitteilen.

Es ist eine Zahl, die man im Zusammenhang mit dem Getriebe liest, nicht für sich allein. Annex IV führt den Zusammenhang dort aus, wo ein integrierter elektrischer Antriebsstrang beschrieben wird: Die niedrigste Gesamtübersetzung ist der höchste Gang mal der Achsübersetzung, sofern überhaupt eine Achsübersetzung zutrifft. Ein direkt übersetzter höchster Gang und ein übersetzt ins Schnelle laufender höchster Gang kommen daher bei unterschiedlichen Achszahlen auf dieselbe Fahrgeschwindigkeit – der Kompromiss, der bei den automatisierten Schaltgetrieben beschrieben wird. Volvos RSS1344C macht den Punkt zur Verfügbarkeit statt zur Theorie deutlich: 3,70:1 wird sowohl beim FM als auch beim FH angeboten, 4,11 und 4,63:1 nur beim FM, und 5,29:1 nur beim FM in 4×2. Dieses Datenblatt ist, wie das der RSS1370A, um ein Drehmoment der elektrischen Antriebseinheit herum geschrieben – 2600 Nm – und nennt keinen Motor. Eine Übersetzung, die zur Strecke passt, ist nicht immer eine Übersetzung, die die Modellliste führt.

Spezifizieren Sie sie ausgehend von der Aufgabe, nicht von der Liste. Legen Sie die beladene Steigung fest, an der das Fahrzeug wieder anfahren können muss, und die Geschwindigkeit, mit der es die meiste Zeit unterwegs sein wird, wählen Sie die Achslinie, die beides erreicht, und dann die Übersetzung innerhalb dieser Linie. Die Leistungs- und Drehmomentangaben im Prospekt sagen Ihnen nicht, welches der beiden Fahrzeuge Sie kaufen; die beiden Zeilen unter „Hinterachse” schon.