E-KLASSE

Komfort | Allradantrieb 4MATIC

Allradantrieb mit Fahrstabilität, Komfort und Dynamik Mercedes-Benz setzt auch mit der neuen allradgetriebenen Version der E-Klasse, die eine vollständige Eigenentwicklung ist, Maßstäbe hinsichtlich Fahrdynamik und Komfort bei allradgetriebenen Pkw. Die neue 4MATIC-Generation ist gegenüber der Vorgängerversion leichter, sparsamer und dynamischer geworden bei gleichzeitig gesteigerter Fahrstabilität und Traktion. Zudem sind durch das baureihenübergreifende Allrad-Modul für die C-, E-, S-Klasse mit verblockten Komponenten nur geringfügige Anpassungen im Gesamtfahrzeug erforderlich.

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Mercedes-Benz E-Klasse

1 Einleitung und Zielsetzung Die neue E-Klasse 4MATIC wurde vollständig von Mercedes-Benz entwickelt. Dies ist die Grundlage für ein Höchstmaß an Gesamtfahrzeugintegration zwischen hinterrad- und allradgetriebener Variante. Zu Beginn der Entwicklung wurden folgende Anforderungen an das neue Fahrzeugkonzept gestellt: – Benchmark bezüglich Stabilität, Traktion, Dynamik – Benchmark hinsichtlich Gewicht und Verbrauch – höchster Fahrkomfort – gemeinsamer Rohbau für die hinterrad- und allradgetriebene Variante der E-Klasse – Generierung eines baureihenübergreifenden Allrad-Konzepts für die C-, E-, S-Klasse – hoher Verblockungsgrad zum hinterradgetriebenen Basisfahrzeug – Fertigung auf gleichem Montageband wie das hinterradgetriebene Basisfahrzeug.

2 Historie Der Allradantrieb hat in der E-Klasse eine lange Tradition. Bereits 1987 wurde in der Baureihe 124 der 4MATIC-Antrieb eingeführt. Diese erste Generation war als Hang-on-System ausgeführt, das sich nur bei Bedarf zuschaltete. In Abhängigkeit von Fahrzustand und Bodenbeschaffenheit bestand darüber hinaus die Möglichkeit, sowohl das Hinterachsdifferenzial als auch das Verteilergetriebe zu sperren. Diese komplexen Regelvorgänge erfolgten vollautomatisch ohne Zutun des Fahrers, woraus sich der Name 4MATIC ableitete. Mit der zweiten Generation, die 1997 in der E-Klasse BR 210 Einzug hielt, wurde ein permanenter Allradantrieb mit offenem Zentraldifferenzial realisiert. Die Funktion der Differenzialsperren wurde durch das elektronische Traktionssystem 4ETS mit intelligenten Brems­ eingriffen ersetzt. Die Momentenverteilung zwischen Vorder- und Hinterachse im Verhältnis von 35:65 war angelehnt an den Hinterradantrieb des Basisfahrzeuges. Damit setzte dieses Fahrzeug Maßstäbe hinsichtlich Fahrdynamik und Komfort bei allradgetriebenen Pkw.

Aufgrund des großen Markterfolgs der E-Klasse BR 210 wurde die dritte Generation 4MATIC mit einer Momentenverteilung von 40:60 ab 2002 auch in der C-Klasse BR 203 und S-Klasse BR 220 eingeführt. Innerhalb kurzer Zeit hat sich dabei die 4MATIC als feste Größe auch bei diesen Fahrzeugtypen etabliert. Die E-Klasse BR 211 folgte 2003 und konnte den 4MATIC-Absatz gegenüber ihrem Vorgänger nochmals steigern. Seit 2006 wird die vollständig von Mercedes-Benz entwickelte und produzierte vierte Generation 4MATIC zum Einsatz gebracht. Die Momentenverteilung liegt nun bei 45:55. Erstmals wurde ein Allradantrieb mit einem Siebengang-Automatikgetriebe auf den Markt gebracht. Den Anfang machte die S-Klasse BR 221, 2007 folgte die C-Klasse BR 204. Die Anwendung in der neuen E-Klasse BR 212 zeigt erneut die Vorteile der 4MATIC gegenüber dem Wettbewerb. Es ist das leichteste, kompakteste und verbrauchsgünstigste Allradsystem dieser Art und führend hinsichtlich Traktion und Fahrstabilität. Damit setzt auch die neue E-Klasse mit 4MATIC einen Meilenstein in der Historie der Mercedes-Benz-Allrad-Pkw.

3 Konzeption und Allrad-Package Zunächst wurden unterschiedliche Antriebskonzepte, wie zum Beispiel Torqueon-Demand- und Torque-Vectoring-Systeme, untersucht und bewertet. Dabei bestätigten sich die Vorteile des permanenten 4MATIC-Allradantriebs mit offenem Zentraldifferenzial. Durch das Konzept des permanenten Allradantriebs mit fest definierter Momentenverteilung von 45:55 zwischen Vorder- und Hinterachse konnten vorderer und hinterer Antriebsstrang entsprechend der aufgeteilten Momente ausgelegt werden. Dies hat maßgeblich zu Erreichung der gesetzten Gewichts- und Verbrauchsziele beigetragen. Mit der frühzeitigen Einbindung der Allradantriebsvariante in die Konzeptund Package-Entwicklung des hinterradgetriebenen Basisfahrzeuges gelang es, viele positive Synergien zwischen beiden Fahrzeugvarianten zu realisieren. Gegenüber der bisherigen Generation 4MATIC ergeben sich bei der neuen allradgetriebenen E-Klasse die in Tabelle 1 beschrie-

Die Autoren Stefan Fuchß ist Leiter der Abteilung Allradfahrzeuge C-, E-, S-Klasse.

Dittmar Wieland ist Leiter der Komponenten-Entwicklung Allradantriebe.

Nico Siebert ist Leiter Projektkoordination Entwicklung C-, E-, S-Allrad.

Hermann Hitzfeld ist Projekt-Koordinator E-Klasse Allrad.

Hans-Peter Weber ist verantwortlich für Gesamtfahrzeugabstimmung E-Klasse Allrad.

Maik Trost ist verantwortlich für Gesamtfahrzeugkonstruktion E-Klasse Allrad.

Weitere Autoren: Andreas Gaupp, Rolf Schröder, Matthias Leucht

ATZextra I Januar 2009

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E - Klasse

Komfort | Allradantrieb 4MATIC

Tabelle 1: Vergleich der E-Klasse mit neuer 4MATIC zum Vorgänger Neue „4MATIC“ (BR212)

Vorgänger (BR211)

Varianten

Limousine / Kombi 7-Gang-Automat (W7X550)

Limousine / Kombi 5-Gang-Automat (W5A300)

Rohbau

Einheitsrohbau 4x2 und 4x4

Rohbauänderung im Vorbau- und Tunnelbereich

Fußraum

Keine Einschränkungen

Einschränkung Fußraum rechts zirka 80 mm

Fahrwerk

3-Lenker Vorderachse Konzept wie Heckantrieb

Doppelquerlenker-Vorderachse (Unterschiedkonzept zu Heckantrieb)

Motoren

V6-Otto V8-Otto V6-Diesel

V6-Otto V8-Otto V6-Diesel

Antrieb

Permanenter Allradantrieb Zentraldifferential integriert in “7G-TRONIC“ Momentenverteilung 45 %/55 % Grundsperrmoment 50 Nm

Permanenter Allradantrieb mit separatem Zentraldifferential am 5-Gang-Getriebe Momentenverteilung 40 %/60 % Grundsperrmoment 50 Nm

Gewicht

+ 50 kg bis + 70 kg

+ 80 kg bis + 95 kg

Verbrauch

+0,4 l/100 km (NEFZ)

+0,6 bis +0,8 l/100 km (NEFZ)

und liegen damit auf dem hohen Niveau des hinterradgetrieben Basisfahrzeuges. Bei der Entwicklung der Einzelkomponenten stand eine größtmögliche Vereinheitlichung mit den bewährten Bauteilen der heckangetriebenen E-Klasse BR 212 im Fokus. Für die Konzeption der allradspezifischen Komponenten bestand die Zielsetzung, einen baureihenübergreifenden Einsatz in der C-, E- und S-Klasse zu gewährleisten. Dadurch wurden eine effizientere Fertigung der Allradfahrzeuge mit maximaler Komponentenverblockung und entsprechenden Kosteneinsparungseffekte erreicht. Bild 1 und Bild 2 zeigen das Modulkonzept der Fahrwerk-, Rohbau- und Triebstrang-Komponenten in der neuen E-Klasse 4MATIC.

4 Angetriebene DreilenkerVorderachse erstmals mit Luftfeder benen Unterschiede. Durch die Neuentwicklung des Allradantriebsstrangs mit seiner kompakten Bauweise konnte im Vergleich zur Vorgängerbaureihe die Rohbaukarosserie vollständig mit dem hinterradgetriebenen Basisfahrzeug vereinheitlicht werden. Der allradspezifische Rohbauumfang beschränkt sich somit auf einen angepassten Integralträger für Fahrwerk und Triebstrang. Raumgefühl und Fußraum – insbesondere auf der Beifah-

Bild 1: Modulkonzept C-, E-, S-4MATIC-Vorderachse 146

Mercedes-Benz E-Klasse

rerseite – entsprechen damit denen des Basisfahrzeugs. Der Einheitsrohbau garantiert gleichermaßen die hohen Steifigkeitswerte des hinterradgetriebenen Basisfahrzeuges, auch für die Allradvariante. Die Motor- und Getriebelager wurden annähernd identisch zum Basisfahrzeug positioniert. Hierdurch wurden der Geräusch- und Schwingungskomfort im Vergleich zum Vorgängermodell und im Vergleich zum Wettbewerb verbessert

Um dem Anspruch „Best-in-Class“ in Fahrkomfort, Fahrdynamik und Handling gerecht zu werden, wurde analog des Basisfahrzeuges eine Dreilenker-Vorderachse mit einer Lenkungslage vor Radmitte eingesetzt. Unterschiede gibt es lediglich in der spezifischen AllradVorderachskinematik sowie in der Drehstab- und Lenkgetriebelage. Analog des hinterradgetriebenen Basisfahrzeuges wurde auch bei der 4MATIC-Radführung das Kopflager aufgerichtet. Damit konnte eine Reduzierung der Vorlast auf das Komfortlager in der Zugstrebe erreicht werden, was sich positiv auf das Ansprechen der Radführung bei kleinen Un­ ebenheiten auswirkt. Die neue angetriebene Dreilenker-Vorderachse ermöglicht somit nicht nur ein präzises und sportliches Handling, sondern auch einen noch besseren Fahrkomfort. Zum Handling trägt wie beim Standardantrieb die Direktlenkung bei, die in Verbindung mit einer ECO-Lenkhelfpumpe verbaut wird. Der Fahrkomfort und die Fahrdynamik liegen auf dem Niveau des Basisfahrzeuges und damit deutlich über dem Wettbewerb. Für alle V6-Motorisierungen steht eine Luftfederung AIRMATIC als Sonderausstattung zur Verfügung ­(Serie bei V8-Ottomotor). Mit der E-Klasse kommt erstmalig ein Luftfedersystem auf Basis eines radführenden Luftfederbeins auch in Verbindung mit Allradantrieb zum Einsatz.

5 Motorenprogramm Die Markteinführung der neuen 4MATIC in der E-Klasse im September 2009 erfolgt mit drei Motorvarianten. Alle drei Motoren erfüllen die Schadstoffeinstufung Euro 5. Erstmals wird ab Modelljahr 2010 ein Vierzylinder-Dieselmotor in der Hubraumvariante 2,2 l (150 kW, 500 Nm) die 4MATIC-Modellpalette ergänzen, Tabelle 2.

6 Der leistungsstarke Antriebsstrang Der neue 4MATIC wird ausschließlich mit dem Mercedes-Benz-Automatikgetriebe 7G-TRONIC kombiniert, Bild 3. Das Fahrzeugkonzept der neuen E-Klasse mit 4MATIC stellt hohe Anforderungen an Bauraum, Effizienz und Komfort der Antriebskomponenten. Dies erforderte ein vollständig neu entwickeltes Antriebsstrang-Konzept, das im Vergleich zum Vorgänger den Vorteil einer sehr kompakten Bauweise mit starker Reduktion des seitlichen Bauraums im Bereich des Verteilergetriebes bietet. Dadurch konnte ein Einheitsrohbau mit dem hinterradgetriebenen Basisfahrzeug realisiert und die Einschränkungen im Beifahrerfußraum vermieden werden. Durch Entfallen eines Zahnrades im Verteilergetriebe und die Integration des hinteren Kreuzgelenkes in das Abtriebszahnrad

Bild 2: Modularkonzept C-, E-, S-4MATIC-Vorderachse, Motor, Triebstrang

Tabelle 2: Technische Daten 4MATIC-Motorisierung Motor

M272

M273

OM642

Hubraum (cm³)

3498

5461

2978

V6

V8

V6

Zylinderzahl/-anordnung Leistung (kW bei 1/min) Drehmoment (Nm bei 1/min)

200/6000

280/6000

170/3600

350/2400-5000

530/2800-4800

540/1600-2400

des Verteilergetriebes wurde ein sehr kompakter Seitenabtrieb zur Vorderachse geschaffen, Bild 4.

Ein weiterer Packagevorteil konnte durch Neugestaltung des Vorderachsdifferenzials mit zum Kurbelgehäuse gedrehten Tellerrad umgesetzt werden, Bild 5. Das Tellerrad des Vorderachsdifferenzials wurde in Richtung Motor gedreht, wodurch die vorderen Motorlager bezüglich Noise Vibration Harshness (NVH) optimal positioniert werden konnten. Dies war der konzeptseitige Grundstein für die kompakte und leichte Bauform mit deutlich optimiertem Wirkungsgrad und verbessertem Geräusch- und Schwingungsverhalten.

7 Optimierter Wirkungsgrad

Bild 3: Vorderachse mit Luftfeder

Das in das Automatikgetriebe integrierte Verteilergetriebe arbeitet im Vergleich zum Vorgänger mit einer reduzierten Anzahl von Zahneingriffen, reduzierten rotierenden Massen und weniger Radialwellendichtungen. In Verbindung mit einem optimierten Lagerungs- und Schmierungskonzept leistet dies einen Hauptbeitrag zur Verbrauchs­ ATZextra I Januar 2009

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8 Gewicht, Fahrleistung und Verbrauch Der Mehrverbrauch der neuen 4MATIC konnte gegenüber dem Vorgänger um bis zu 50 % reduziert werden und zeigt ver­ glichen mit dem hinterradgetriebenen Basisfahrzeug bei gleichen Fahrleistungen einen Mehrverbrauch im Neuen Europäischen Fahrzyklus (NEFZ) von +0,4 l/ 100 km. Gegenüber den Wettbewerbern im Allradsegment wurde damit der „Bestof-Bench“-Anspruch erreicht, Tabelle 3. Der Schlüssel für die Zielerreichung liegt in der konsequenten Ausnutzung des Leichtbaupotenzials eines permanenten Allradantriebs einerseits und der zielgerichteten Entwicklung der 4x4Triebstrangkomponenten in Fuel-Economy-Ausführung andererseits. Hinsichtlich des Allrad-Gewichts setzt sich die neue EKlasse BR 212 4MATIC ebenfalls an die Spitze im Wettbewerb. Bei den Motorisierungen mit Ottomotor liegt das allradspezifische Mehrgewicht zum hinterradgetriebenen Basisfahrzeug bei +70 kg (V6Otto­motor 3,5 l) und +50 kg (V8-Ottomotor 5,5 l). Beim leistungs- und insbeson­ dere drehmomentstarken V6-Dieselmotor (3,0 l) beträgt das allradspezifische Mehrgewicht +70 kg. An dieser Stelle sollte nicht unerwähnt bleiben, dass das permanente Allradsystem im Vergleich zu so genannten Torqueon-Demand-Systemen bezüglich Gewicht und Verbrauch immer große Vorteile besitzt. Bei derartigen Torque-on-DemandAllradsystemen ergibt sich ein höherer Verbrauch durch zusätzlich erforderliche Komponenten und durch ständigen Energiebedarf der Aktuatoren zur Momentenregelung. Ebenso erhöht sich das Gesamtgewicht dadurch, dass die Antriebskomponenten an Vorder- und Hinterachse jeweils auf das gesamte Antriebsmoment ausgelegt werden müssen. Erhöhtes Mehrgewicht erfordert bei gleichzeitig wettbewerbsfähigen Fahrleistungen in der Regel kürzere, das heißt größere Achsübersetzungen, wodurch weitere Verbrauchsnachteile resultieren.

Bild 4: Aufbau 7G-TRONIC 4MATIC

DOI: 10.1365/s35778-009-0269-4

Bild 5: Vorderachsgetriebe FE-VAG175

9 Gesamtfahrzeugabstimmung optimierung. Zusätzlich konnte durch die Kombination mit optimal auf das Gesamtkonzept dimensionierten Achsgetrieben in Fuel-Economy-Ausführung 148

Mercedes-Benz E-Klasse

die Verlustleistung und damit der allradspezifische Kraftstoffverbrauch gegenüber dem Vorgänger deutlich gesenkt werden.

Während sich das Fahrverhalten der neuen E-Klasse BR 212 4MATIC auf Hochreibwert bezüglich Komfort, Agilität

Tabelle 3: Vergleich 4x4-Gewicht und 4x4-Verbrauch neue 4MATIC mit Wettbewerb 4x4 Mehrgewicht [kg]

4x4 Mehrverbrauch NEFZ [l/100km]

Wettbewerber A

110

1,3

Wettbewerber B

115

0,6

Mercedes-Benz E 350 4MATIC

70

0,4

und Langstreckentauglichkeit nicht vom hinterradgetriebenen Basisfahrzeug unterscheidet, war das klare Ziel der Entwicklung, dem Kunden durch den Allradantrieb auch bei widrigen Straßenverhältnissen eine exzellente Traktion und maximale Souveränität zu bieten. Die 4ETS-Antriebsregelung mit intelligenten Bremseingriffen übernimmt bei der E-Klasse 4MATIC die Funktion der Dif-

ferenzialsperren (Längs- und Querrichtung) und der Fahrdynamikregelung. Durch den permanenten Allradantrieb mit bereits an allen vier Rädern vorhandenem Antriebsmoment und einer feinfühligen Eingriffsregelung lässt sich hiermit besonders bei Straßenverhältnissen mit niedrigem oder veränderlichem Reibwert (Nässe, Schnee, Eis, etc.) eine exzellente und unmittelbar verfügbare Längstrak­ tion darstellen. Die serienmäßig verbaute

Zweischeiben-Lamellenkupplung (50 Nm Sperrmoment) im Verteilergetriebe unterstützt das Anfahren und Beschleunigen auf vereisten Untergründen, da durch ihre mechanische Sperrwirkung die sonst übliche Polierneigung (Reduzierung des Reibwerts bedingt durch hohen Schlupf einzelner Räder) unterbunden wird. Die Vernetzung der Funktionalitäten von 4ETS, Antriebsschlupfregelung (ASR) und der Querdynamik-Regelung im Elektronischen Stabilitätsprogramm bewirkt für den Kunden spürbar verbesserte Handlingeigenschaften bei bestmöglicher Stabilität ohne Einbußen bei Queragilität und Spurtreue, Bild 6. Das Ergebnis der intensiven Abstimmungsarbeit erlebt der Kunde beim Fahren der neuen E-Klasse 4MATIC durch hohen Fahrkomfort und präzises Handling, verbunden mit allen Vorzügen eines allradgetriebenen Fahrzeuges. n

Bild 6: Stabilität, Traktion

Jochen Hermann Leiter Entwicklung Fahrwerk

„Die E-Klasse hat sich immer durch ein präzises und komfortables Fahrwerk ausgezeichnet. Bei der neuen E-Klasse haben wir es in allen Disziplinen noch einmal steigern können. In anderen Worten: Die Begeisterung aus unserer Mannschaft konnten wir auf die Straße bringen.“ ATZextra I Januar 2009

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