Differential
Das Differential
Jedes Fahrzeug besitzt zumindest an der Achse die angetrieben ist, ein Differential, auch Ausgleichsgetriebe genannt. Dieses hat im wesentlichen zwei Aufgaben:
1. Es gleicht unterschiedliche Drehzahlen aus.
Dies ist insbesondere bei Kurvenfahrten zwischen innerem und äusserem Rad und zwischen vorderer und hinterer Achse wichtig (letzteres bei permanentem Allradantrieb). Das äussere Rad dreht schneller, da es eine längere Strecke in der gleichen Zeit wie das innere Rad zurücklegen muss. Ohne Differential, würden beide Räder gezwungen werden gleich schnell zu laufen, was zum Radieren der Räder und schlechtem Kurvenverhalten führen würde. Bei Allradfahrzeugen kommt zusätzlich noch ein Mitteldifferential hinzu, welches die Drehzahldifferenz zwischen Vorder- und Hinterachse ausgleicht, denn auch hier kann es zu Unterschieden kommen. Die hintere Achse läuft in einer Kurvenfahrt einen engeren Kreis und ist somit langsamer.
Das Differential nimmt diese Differenzen auf und arbeitet diese ab.
2. Es verteilt die Antriebskraft (Drehmoment) gleichmässig auf beide Seiten eines Fahrzeugs.
Dies ist bei Achsdifferentialen wichtig, da bei einem einseitig wirkenden Antrieb, das Fahrzeug über diese Achse mitgelenkt werden würde. Damit dies nicht geschieht und eine gleichmäßiger Geradeauslauf ermöglicht wird, verteilt das Differential das eingehende Drehmoment im gleichen Verhältnis 50:50 auf seine beiden Abgangswellen. Bei Mitteldifferentialen wird hingegen manchmal absichtlich eine ungleiche Kraftverteilung auf die Achsen gewählt. In diesem Fall wirkt sich das nicht auf den Geradeauslauf aus.
In der Regel werden offene Differentiale verbaut. Der Nachteil des offenen Differentials ist, dass die Antriebsenergie immer auf das Rad gegeben wird, welches den geringsten Widerstand hat, dem Rad also, welches die geringere Traktion aufweist. Ist ausreichend bzw. gleichmäßige Traktion auf beiden Rädern (im folgenden Abgangswellen) vorhanden, funktioniert alles wie es soll. Verliert aber ein Rad die Traktion, wie es im Gelände vorkommen kann, geht die gesamte Antriebsenergie auf dieses eine Rad. Das Fahrzeug bleibt stehen. Beim Mitteldifferential titt dieser Effekt zwischen der Kraftverteilung auf die jeweiligen Achsen auf. Um das zu verhindern gibt es Differentialsperren, die im einfachsten Fall beide Abgangswellen einfach starr miteinander verbinden.
Offenes Differential
Funktionsweise
Das offene Differential ist dazu ausgelegt das Drehmoment gleichmässig, also am besten im Verhältnis 50:50 auf die abgehenden Wellen zu übertragen (sei dies jetzt zu den Rädern rechts und links oder zu den Achsen vorne und hinten). Es ist fast nicht möglich mehr Drehmoment auf eine der beiden Abgangswellen zu bekommen als auf die andere. Jede Differenz wird von den Ausgleichsrädern aufgenommen. Für den Zweck des Drehzahlausgleichs bei gleicher Traktion auf beiden Seiten, ist dies auch vollkommen in Ordnung. Die Folge dessen ist aber, dass bei u8nterschiedlicher Traktion die Antriebskraft auf der Welle verloren geht, welche die bessere Traktion hat. Hängt eine Seite frei in der Luft, gehen 50% auf diese Seite, die anderen 50% gehen an die Ausgleichsräder. Um dies zu verhindern, gibt es manuelle oder automatisch zugeschaltete mechanische Sperren, die beide Wellen starr zusammenschalten. Der Nachteil des Sperrens ist der Wegfall einer der beiden wichtigen Funktionen des Differentials: unterschiedliche Drehzahlen zu erlauben.
>Elektronische Traktionskontrollen ersetzen übrigens eine Sperre, da diese mittels Bremseingriff auf dem schneller drehenden Rad (traktionsärmeres Rad) einen Widerstand erzeugen, so als hätte dieses Rad Traktion. Dadurch erhält das andere Rad wieder mehr Drehmoment.
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Beide Abgangswellen haben gleiche Traktion. Das Ausgleichsrad steht. -
Eine Seite hat weniger oder keine Traktion mehr (rechts), das Ausgleichsrad nimmt die Differenz auf.
Torsen Ausgleichsgetriebe
Geht jedoch auf einer Welle die Traktion vollständig verloren, kann das Torsen keine Sperrwirkung erzeugen und es verhält sich wie ein offenes Differential ohne Sperre. Sämtliche Antriebskraft auf der Welle mit Traktion geht verloren. Bei einem 4:1 TBR bleiben 4 x 0 Nm (4 mal die Antriebskraft der Welle ohne Traktion) gleich 0 Nm auf der Welle mit Traktion.
Es gibt drei Varianten dieses Differentials (A, B und C).
Funktionsweise
Variante A
Drehzahlausgleich
Wenn nun auf den Wellen unterschiedliche Drehzahlen auftreten (z.B. bei Kurvenfahrt), dreht die eine Welle um Faktor X schneller als das Gehäuse und die andere um den gleichen Faktor X langsamer als das Gehäuse. Durch diese Differenz der Umdrehungszahlen zwischen Welle und Gehäuse, versetzen die Wellen über ihr Schneckengetriebe ihre Schneckenräder in Drehung (denn das Schneckengetriebe kann die Schneckenräder drehen). Über die normal 1:1 verzahnten Kopfzahnräder der Schneckenräder, wird diese Differenz aufgenommen und es wird mehr Drehmoment auf die innere langsamere Welle gegeben.
Wird das Differential in der Achse eingesetzt, ermöglicht es mit mehr Kraft durch eine Kurve zu fahren. Wird aber durch die Gewichtsverlagerung auf das äussere Rad das innere entlastet während es gleichzeitig durch das Torsen mehr Drehmoment bekommt, verliert es auch schneller die Traktion und beschleunigt auf die Geschwindigkeit des äusseren Rads, ein leichtes Duchdrehen ist die Folge. Passiert dies und bleibt die Traktionsdifferenz noch im TBR Verhältnis, sperrt das Torsen und es wird wieder mehr Drehmoment auf das äussere Rad gegeben, was dem Durchdrehen des inneren Rads entgegenwirkt. Es entsteht eine Ausgleichswirkung.
Erhalt des Drehmoments
Verringert sich bei einem offenen Differential die Traktion einer Welle, so lässt es das Differential zu, dass sich diese Welle immer schneller in Relation zu der anderen Welle dreht. Bei dem Torsen Getriebe verhält sich dies anders. Wenn einen Welle Traktion verliert und schneller werden will, würde es seine Schneckenräder in Drehung versetzen. Da diese aber über die ihre Stirnzahnräder fest mit den Schneckenrädern der anderen Welle verbunden sind, welche mehr Traktion hat und somit nicht schneller drehen will, wird ein schnelleres Drehen unterbunden und das Drehmoment auf beiden Wellen bleibt erhalten.
Variante B
Variante C
Weiterführende Links
- Allradantrieb
- Animation eines offenen Differentials in Geradeaus- und Kurvenfahrt
- Animation eines Torsen Typ-A Getriebes
- Animation eines Torsen Typ-B Getriebes
- Animation eines Torsen Typ-C Getriebes
- Typ A Funktion erklärt vom Institut of Mechanical Engineers
- Wirkung der Mitteldifferentialsperre (zwischen 03:17 und 03:40) Zuerst Rückwärts ohne, dann mit Sperre