Differential

Das Differential

Jedes Fahrzeug besitzt zumindest an der Achse ein Differential, auch Ausgleichsgetriebe genannt, an welcher der Antrieb erfolgt. Dieses hat im wesentlichen zwei Aufgaben:

1. Es gleicht unterschiedliche Drehzahlen aus und ermöglicht unterschiedliche Drehzahlen. Dies ist insbesondere bei Kurvenfahrten zwischen innerer und äusserer Seite und zwischen vorderer und hinterer Achse wichtig. 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 bei guter Bodenhaftung 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. Dies ist wichtig, da bei einem einseitig wirkenden Antrieb über diese Achse das Fahrzeug 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.

In der Regel werden offene Differentiale verbaut, die nicht gesperrt werden können. Der Nachteil des offenen Differentials ist, dass die Antriebsenergie immer auf das Rad gegeben wird, welches den geringsten Widerstand hat, somit also 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.

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 die Antriebskraft auf der Welle verlorengeht, 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 ermöglichen bzw. zu erlauben.

Torsen Ausgleichsgetriebe

Torsen, ein Kunstwort gebildet aus den Wörtern Torque für Drehmoment und sensitiv für das Fühlen. Dieses Ausgleichsgetriebe ermöglicht es, in einem gewissen Verhältnis (Torque Bias Ratio oder TBR) unterschiedliche Drehmomente auf die beiden Wellen zu geben. Das langsamer drehende Rad (= mehr Traktion) erhält auch mehr Drehmoment. So wird bei einem Torsen Differential mit einem TBR von 4:1 bei einer Drehzahldifferenz 4 x das Drehmoment der schnelleren Welle auf die langsamere gegeben, oder anders gesagt: bei 100% eingehendem Drehmoment, gehen 20% auf die Welle mit wenig Traktion und 80% auf die Welle mit mehr Traktion. Somit bleibt der Vortrieb auch ohne 100% Sperre erhalten und es sind weiterhin unterschiedliche Drehzahlen möglich.
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) 0 Nm auf der Welle mit Traktion.

Es gibt drei Varianten dieses Differentials (A, B und C).

Funktionsweise

Variante A

Bei diesem Typ wird die Antriebskraft auf das Gehäuse des Differentials übertragen. Das Gehäuse wird in Drehung versetzt. In dem Gehäuse sind mehrere Paare (mind. 2 pro Welle) Schneckenräder quer zu den Wellen angebracht, die mit dem Schneckengewinde der Abgangswellen verzahnt sind. Da die Schneckenräder durch den speziell gewählten Winkel der Gewinde, das Schneckengewinde nicht drehen können (somit also das Schneckengetriebe auf der Welle gegen das Schneckenzahrad gesperrt ist) wird die Drehung des Gehäuses über die Schneckenräder auf die Welle übertragen. Solange also auf beiden Wellen die gleiche Traktion und Drehzahl vorliegt, stehen die Schneckenräder selber still und nehmen die Welle mit. Die Welle dreht in der gleichen Geschwindigkeit wie das Gehäuse und das Drehmoment wird gleichmäßig verteilt.

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 Gehäsuse. 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.

Erhalt des Drehmoments

Verringert sich bei einem offenen Differential die Traktion einer Welle, so lässt das Differential zu, dass 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.

Weiterführende Links

• Allradantrieb
• Gute Animation eines Differentials in Geradeaus- und Kurvenfahrt
• Gute Animation eines Torsen Typ-A Getriebes
• Typ A Funktion erklärt vom Institut of Mechanical Engineers