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BMW M3 und BMW M4 Inside (Teil 7): Das Aktive M Differenzial
Interview mit M Ingenieur Bernd Jacob.
1.8.2014

M Ingenieur Berd Jacob.

Herr Jacob, Sie sind für die Sperrensysteme von M Automobilen verantwortlich. Wir möchten heute mit Ihnen über das Aktive M Differenzial des BMW M3 und BMW M4 reden. Einleitend die Frage: Warum benötigt ein Auto überhaupt ein Differenzial?

Bernd Jacob: Ein Auto benötigt ein Differenzial zum Ausgleich unterschiedlicher Drehzahlen der Räder, z. B. bei Durchfahrt einer Kurve. Aufgrund der Fahrzeugbreite legt das kurvenäußere Rad einen längeren Weg zurück als das kurveninnere. Das bedeutet, dass sich das kurvenäußere Rad schneller drehen muss als das kurveninnere. Um dies zu ermöglichen, kommt ein Differenzial an den Rädern der Antriebsachse zum Einsatz – beim BMW M3 und BMW M4 also zwischen den beiden Hinterrädern.

>>> Flash Animation starten: KLICK.  Zeigt Funktionsweise eines Differenzials.

Das Antriebsmoment des Motors wird über das Getriebe und die Gelenkwelle an das Hinterachsgetriebe geleitet. Das im Hinterachsgetriebe verbaute Differenzial verteilt das Antriebsmoment gleichmäßig auf die beiden Hinterräder und gleicht Drehzahlunterschiede aus.

Was nicht immer ein Vorteil ist?

Richtig. Diese gleichmäßige Verteilung hat ein großes Handicap: Wenn man bei sportlicher Fahrweise aus einer Kurve herausbeschleunigt, ist das kurveninnere Rad entlastet und kann deshalb weniger Antriebsmoment auf die Straße übertragen. Das kurvenäußere Rad könnte aufgrund der höheren Radlast deutlich mehr Moment auf die Straße bringen, wird aber von einem normalen, offenen Differenzial nur das Moment des kurveninneren Rads zugeteilt bekommen.  

Der gleiche Fall tritt ein, wenn sich die beiden Räder auf Untergründen verschiedenen Reibwerts befinden – im Extremfall das eine auf Eis und das andere auf griffigem Asphalt. 

Da kommt dann das Sperrdifferenzial ins Spiel?

Ja. Ist das Differenzial mit einer Differenzialsperre ausgestattet, wird in den beschriebenen Situationen der in diesem Fall kontraproduktive Drehzahlausgleich zwischen den beiden Rädern unterbunden. Dies kann bei einer geregelten Differenzialsperre in unterschiedlichem Maße geschehen. Im Extremfall drehen die beiden Räder gleich schnell – in diesem Fall redet man von 100 % Sperrwirkung. 

Mit einem Sperrdifferenzial kann also ein erhöhtes Antriebsmoment auf die Straße gebracht werden. Wird der Fahrer den Einsatz der Differenzialsperre bemerken? Fühlt sich das Auto dann anders an?

Durchaus. Zum einen steigt in den eben beschrieben Fällen das übertragbare Gesamtmoment an: Man kann deutlich schneller anfahren bzw. aus der Kurve herausbeschleunigen als ohne Differenzialsperre. 

Aus den unterschiedlichen Antriebsmomenten rechts und links resultiert ein Giermoment. Wird am rechten hinteren Rad das Fahrzeug stärker angetrieben als am linken, tendiert das Fahrzeug dazu, eine Linkskurve zu fahren. Das führt zunächst dazu, dass das Fahrzeug beim Durchfahrenen einer Kurve unter Zug dieser williger folgt. Gibt der Fahrer noch mehr Gas, kommt es bei abgeschalteten Regelsystemen ab einem gewissen Punkt zu einem Anstieg des Schlupfes an beiden Rädern der Hinterachse, auch Leistungsübersteuern genannt. Der Übergang in diesen Bereich wird durch die Ansteuerung der Sperre maßgeblich beeinflusst. 

Wir haben bei der Entwicklung und Abstimmung der Aktiven M Differenzialsperre größten Wert darauf gelegt, dass die Sperrwirkung gut spürbar, weich und nachvollziehbar einsetzt. Der Fahrer bekommt so eine gute Rückmeldung über das Haftpotential der Hinterachse und kann das Gaspedal optimal dosieren. 

Aktives M Differenzial an der Hinterachse des BMW M3 und BMW M4.

Der Einsatz eines Sperrdifferenzials bedeutet jedoch Mehrgewicht?

Ja, etwa 10 kg im Vergleich zu einem konventionellen, offenen Differenzial – aber an der richtigen Stelle: hinten und unten, d.h. der Schwerpunkt wird positiv beeinflusst und die Traktion optimiert.

M Automobile haben schon seit vielen Generationen Sperrdifferenziale. Der BMW M3 und BMW M4 sind mit einem Aktiven M Differenzial ausgestattet. Was ist das „Aktive“ daran?

Aktives M Differenzial mit Verstellmotor (rechts) im Schnitt.
Aktiv bedeutet, dass wir über zahlreiche, im Fahrzeug verbaute Sensoren die Fahrsituation erkennen, den optimalen Sperrgrad daraus ermitteln und aktiv über einen Elektromotor einstellen. Die wichtigsten Eingangsgrößen sind das Antriebsmoment, die einzelnen Raddrehzahlen, die Querbeschleunigung und die Fahrgeschwindigkeit. Dazu kommen Lenkwinkel, Gierrate und noch einige mehr

Was heißt „optimal“? 

Optimal heißt die für den Fahrer beste Kombination aus Fahrzeugbeherrschbarkeit und Traktion. Sowohl der Profi als auch der weniger geübte Fahrer soll – natürlich im Rahmen seiner persönlichen Möglichkeiten – möglichst schnell über eine Rennstrecke fahren können und dabei das Fahrzeug gut im Griff haben. Dazu kommt, dass sich die Anforderungen an eine Sperre bei widrigen Umweltbedingungen wie Eis und Schnee von denen auf trockener Rennstrecke unterscheiden. Die aktive Regelbarkeit des Systems ermöglicht es, diesen Zielkonflikt aufzulösen.

Passive Systeme können das nicht so gut?

Passive Systeme reagieren hauptsächlich auf eine Eingangsgröße. Je nach Bauart ist dies entweder die Differenzdrehzahl der Hinterräder oder das Antriebsmoment. Beim Aktiven M Differenzial fließen jedoch, wie eben angesprochen, deutlich mehr Eingangsgrößen in die Berechnung des Sperrmoments  ein. Es besteht also die Möglichkeit, viel spezifischer auf eine bestimmte Fahrsituation zu reagieren. Zusätzlich kann mit einem aktiven System nicht nur reagiert, sondern proaktiv agiert werden: Beim Aktiven M Differenzial arbeiten wir viel mit sogenannten Vorsteueranteilen. Das heißt, wir reagieren nicht auf ein Ereignis, sondern stellen ein Sperrmoment, bevor das Ereignis eintritt. Dadurch steigt die Transparenz des Fahrzeugverhaltens und somit die Beherrschbarkeit. 

Leichte Beherrschbarkeit auch beim Drift.

Die Kunst besteht also umso mehr in der geeigneten Abstimmung?

Ja. 

Die Abstimmung des Aktiven M Differenzials geschieht Hand in Hand mit der des Fahrwerks und der Regelsysteme wie z. B. DSC. Das Ganze ist ein iterativer Prozess. Die jeweils verantwortlichen Ingenieure gehen gemeinsam auf Erprobung. Mit der Weiterentwicklung der einzelnen Systeme wird auch deren Zusammenspiel optimiert. Wir testen dafür auf vielen Strecken unter unterschiedlichen Bedingungen z. B. im Winter in Nordschweden und im Sommer am Nürburgring.

In welchen Fahrsituationen wirkt sich die Sperre am stärksten auf die Fahrdynamik aus?

In besonderem Maße ist die Sperre in schnell durchfahrenen oder engen Kurven spürbar. Wenn beispielsweise aus der Kehre einer Passstraße herausbeschleunigt wird, lassen sich sehr starke Unterschiede erfahren.

Kraftvolles Herausbeschleunigen aus Kurven.

Mit dem Aktiven M Differenzial ist der Fahrer im neuen BMW M3 und BMW M4 nicht nur schneller unterwegs, sondern hat dabei auch noch mehr Freude am Fahren.

Vielen Dank für das Gespräch, Herr Jacob.

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