Sperrdifferential

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Ein Sperrdifferential ist ein besonderes Differentialgetriebe in einem mehrspurigen Kraftfahrzeug. Es soll verhindern, dass ein Rad mit schlechterer Bodenhaftung durchdreht und das andere – und somit das Fahrzeug insgesamt – kein Antriebsmoment mehr erhält.

Gängige Begriffe[Bearbeiten]

Das Sperrdifferential ist ein spezielles Differentialgetriebe, also ein Planetengetriebe.

  • Ein offenes Differential hat keine Sperreinrichtung. Typische Differentiale haben jedoch kontruktionsbedingt eine gewisse innere Reibung und wirken daher wie ein schwach drehmomentfühlendes Sperrdifferential.
  • Die Differentialsperre ist ein offenes Sperrdifferential, welches geschaltet werden kann (z.B. über eine Klauenkupplung). Das offene Differential (Sperrwert 0 %) wird dann überbrückt und es hat keine Ausgleichswirkung mehr. Der Sperrwert entspricht in diesem Zustand 100 %.
  • Als Längssperre, Zentraldifferential, Mittendifferential oder Längsdifferential wird ein Sperrdifferential in der Kardanwelle eines Allradfahrzeuges bezeichnet. Es wirkt auf die Verteilung der Antriebsmomente zwischen zwei Achsen.
  • Die Quersperre ist ein Sperrdifferential welches zwischen den Rädern einer Achse wirkt.
  • Selbstsperrdifferentiale sind Sperrdifferentiale, die selbsttätig ihre Sperrwirkung entfalten. Bis auf die Differentialsperre sind heute alle Bauarten Selbtssperrdifferentiale.
  • Der Begriff Differentialbremse wird in der Schweiz auch als Sperrdifferential verstanden. Diese Verwendung ist aber missverständlich, denn ebenso wird sowohl eine spezielle Form der Bandbremse, als auch bei frühen Kraftfahrzeugen eine Bremse bezeichnet, die auf das Differentialgehäuse wirkt (statt je einer Bremse an jedem Rad).

Zweck eines Sperrdifferentials[Bearbeiten]

Es gibt eine Reihe von Situationen, in denen ein Sperrdifferential vorteilhaft ist:

  • Anfahren unter schwierigen Bedingungen, Geländefahrt: Das Sperrdifferential leitet das Antriebsmoment von einem durchrutschenden Rad auf das Rad mit der besseren Bodenhaftung um und verbessert so die Traktion.
  • Geradeauslauf: Eine gesperrte Achse läuft besser geradeaus als eine ungesperrte. Daher reduziert sich die Wirkung beispielsweise von Seitenwind oder der Bernoulli-Effekt beim schnellen Vorbeifahren an Lastkraftwagen.
  • Handhabung bei schnell gefahrenen Kurven: Bei hoher Querbeschleunigung wird das kurveninnere Rad entlastet und das kurvenäußere Rad belastet. Dadurch schlupft das innere Rad stärker, bis es ebenso schnell dreht, wie das kurvenäußere Rad. Das Sperrdifferential verhindert nun, dass das kurveninnere Rad durchdrehen kann und damit den Leistungsfluss auf die Straße unterbricht. Im Bereich der Kurvengrenzgeschwindigkeit untersteuert das Fahrzeug weniger, weil die ungleichmäßige Kraftverteilung an den Rädern (das äußere Rad überträgt nun mehr Moment) ein Giermoment um die Fahrzeughochachse erzeugt, welches ein Eindrehen (Übersteuern) begünstigt. Ist die Sperrwirkung auch im Schiebebetrieb vorhanden, so kehren sich die Kraftflüsse um, das entstehende Giermoment bewirkt ein verstärktes Untersteuern und damit ein Stabilisieren des Fahrzeuges. Diese Charakteristik wird gezielt im Rennsport genutzt.

Als Traktionshilfen kommen vor allem 100-%-Sperren (also Differentialsperren) und mit Einschränkungen auch Visco-Kupplungen in Frage. Um die Handhabung zu verbessern, empfehlen sich drehmomentfühlende Sperren mit geringem Sperrwert.

Abgrenzung zur Antriebsschlupfregelung[Bearbeiten]

Sperrdifferentiale sind nicht mit Antriebsschlupfregelungen zu verwechseln, die ihrerseits als "Traction Control", "Traktionskontrolle" oder unter herstellerspezifischen Bezeichnungen wie ASC oder ASR bekannt sind.

Die Antriebsschlupfregelung ist inzwischen als reine Softwarefunktion des Elektronischen Stabilitätsprogrammes (ESP) in fast jedem Fahrzeug vorhanden. Das ESP ahmt dabei teilweise den Effekt des Sperrdifferentials nach. Da jedoch das ESP nur bremsen kann, wird je nach Anwendungsfall bis zu 50 % (einachsiger Antrieb) der Motorleistung weggebremst. Damit bietet das ESP zwar eine kostengünstige Hilfe in Notfällen, aber es erreicht bei weitem nicht die Performance von Sperrdifferentialen, und ist insbesondere für schweres Gelände und im sportlichen Einsatz ungeeignet.

In der Kombination von Antriebsschlupfregelungen profitieren beide Systeme voneinander, allerdings erfordert das ESP bei einem stabilisierenden Eingriff die Verwendung von drehmomentfühlenden Sperrdifferentialen.

Nachteile einfacher (mechanischer) Sperrdifferentiale[Bearbeiten]

Einfache Sperrdifferentiale reagieren auf unterschiedliche Drehzahlen und Drehmomente ohne Rücksicht auf die Ursachen. In manchen Situationen ergeben sich deshalb Nachteile:

  • Viele Bauarten (insbesondere Varianten mit Reibscheiben) unterliegen mechanischem Verschleiß, sodass die Sperrwirkung mit zunehmender Laufleistung des Fahrzeugs abnimmt.
  • Bei einigen Bauarten ist eine Trennkupplung oder Freilauf erforderlich, um es mit einem Antiblockiersystem (ABS) oder ESP kompatibel zu machen, weil ansonsten die Rückwirkung zwischen einzelnen Rädern die Regelung erschwert oder unmöglich macht.
  • Sperren reagieren empfindlich auf Bereifung mit unterschiedlichem Abrollumfang (zum Beispiel durch unterschiedlichen Luftdruck, verschiedene Profiltiefe), weil sie zu Differenzdrehzahlen führen und erhöhten Verschleiß zur Folge haben. So ist die Fahrgeschwindigkeit und Fahrstrecke mit Noträdern eingeschränkt.
  • Bei Kurvenfahrt unterhalb des Grenzbereiches (Alltagsbetrieb) können sie zu einem verstärkten Untersteuern führen, weil den hier der erforderliche Drehzahlausgleich bei Kurvenfahrt behindert wird.

Elektronisch gesteuerte Sperrdifferentiale können angepasst reagieren und diese Nachteile vermeiden.

Bei offenen Achsdifferentialen übertragen beide Räder gleich viel Drehmoment, dadurch entsteht kein Giermoment um die Hochachse des Fahrzeugs. Bei Sperrdifferentialen kann es auch zu einer asymmetrischen Aufteilung der Achsantriebskraft kommen. Es entsteht ein Giermoment, das der Fahrer gegebenenfalls mit Gegenlenken kompensieren muss. Dadurch ergeben sich weitere Effekte:

  • Bei einem Vorderachssperrdifferential kann der Zugkraftunterschied für den Fahrer am Lenkrad spürbar werden. Aus Komfortgründen wird deshalb an der Vorderachse meist nur ein geringer Sperrwert gewählt.
  • Bei Fahrzeugen mit Hinterachssperrdifferential kann einseitige Glätte zu einem Giermoment führen. Ohne Gegenlenken bewirkt das Giermoment ein Eindrehen des Fahrzeuges hin zur glatteren Fahrbahnseite.

Einbauort[Bearbeiten]

Dabei gibt es − wie beim normalen Differential − zwei Anwendungsbereiche für ein Sperrdifferential:

  • Zwischen den beiden Rädern einer Achse als Quersperre;
  • Zwischen den Achsen als Längssperre, welches hinter dem normalen Wechselgetriebe (Handschaltung, Automatik, sequentielles Getriebe, …) in einem zusätzlichen Verteilergetriebe eingebaut ist.

Mechanik der Sperre[Bearbeiten]

Bauarten[Bearbeiten]

Von der mechanischen Seite lassen sich Sperrdifferentiale in mehrere Typen untergliedern:

  • Bei drehmomentfühlenden Sperrdifferentialen (wie etwa Torsen A / B / C, GKN Super LSD, Helical LSD, Sensitorque wie auch einige Lamellensperrdifferentiale und schrägverzahnte Klauenkupplungen) hängt die Sperrwirkung vom übertragenen Moment ab. Im Prinzip wird auf die Seite mit dem geringeren Schlupf immer das x-fache Moment der anderen Seite übertragen. Das Verhältnis x wird dann als TBR (siehe unten) bezeichnet.
  • Bei drehzahlfühlenden Sperrdifferentialen (insbesondere Viskokupplungen, fliehkraftbetätigte Sperren und herstellerspezifische Bauprinzipien wie GKN ViscoLok oder Fuji AYC) hängt die Sperrwirkung von der Differenzdrehzahl der Räder ab. Je größer die Drehzahldifferenz ist, umso größer ist die Sperrwirkung. ABS und ESP müssen angepasst werden, häufig ist eine zusätzliche Trennkupplung oder ein Freilauf nötig. Außerhalb der Differentialgetriebe gibt es Systeme wie das Powertrax LockRight oder No-Spin-Differentiale, die eine unabhängige 100-prozentige Leistungsübertragung an das langsamere Rad bewirken und eine eigene Geräuschkulisse entfalten.
  • Bei einer Festwertsperre wird die Sperre vorgespannt, sodass auch ohne Drehzahldifferenz und ohne Antriebsmoment schon eine Sperrwirkung vorliegt. Diese einfache Form der Sperre wird fast nur noch in Kombination mit anderen Sperrentypen verwendet und dort häufig durch Vorspannung mit einer Feder realisiert.
  • Bei elektronisch gesteuerten Sperrdifferentialen wird die Wirkung und der Einsatz der Sperre von einem Fahrdynamik-Regler im Fahrzeug gesteuert. Derzeit ist die Verbreitung noch gering (zum Beispiel Porsche Cayenne / VW Touareg, Toyota Land Cruiser, Land Rover Discovery, Ferrari F430), aber in der Zukunft werden hier die größten Marktpotentiale vermutet.

Mechanische Sperren lassen sich stets als eine Kombination der ersten drei Grundtypen verstehen.

Zu diesen Kombinationen gehört auch das ASD von Mercedes. Es handelt sich hierbei um ein drehmomentfühlendes Lamellen-Sperrdifferential, das zusätzlich über eine elektronische Steuerung vollständig kraftschlüssig gesperrt werden kann. Dadurch bietet es Wirkungsgradvorteile gegenüber dem Bremseneingriff einer Antriebsschlupfregelung, das heißt weniger Antriebsleistung geht verloren. Über die ABS-Drehzahlsensoren registriert ASD einen Schlupf (Drehzahlunterschied) an der angetriebenen Hinterachse und beaufschlagt das integrierte Lamellen-Sperrdifferential (Grundsperrwert etwa 30 %) im Hinterachsmittelstück hydraulisch mit Druck. ASD sperrt in diesem Moment zu 100 % und macht aus dem Sperrdifferential eine kraftschlüssige Differentialsperre. Eine gelbe Kontrollleuchte in Form eines Warndreiecks im Tachometer zeigt die Aktivität des Systems an. Beim Bremsen wird die volle Sperrwirkung sofort aufgehoben. Das System arbeitet bei Geschwindigkeiten bis zu circa 30 km/h und fand Verwendung in den 4-, 5-, und 6-Zylindermodellen der Baureihen W 126, W 140, W 129, W 124, W 201, sowie bei den allradgetriebenen 4MATIC Modellen des W 124.

Eine Sonderform sind Differentiale mit nicht konstanter Übersetzung, die beispielsweise in Baumaschinen zum Einsatz kommen. Durch die periodisch schwankende Übersetzung des Ausgleichsgetriebes werden an den Rädern unterschiedliche Drehmomente erzeugt.

Sperrwert und Charakteristik[Bearbeiten]

Beim offenen Differential können die beiden Räder frei drehen, wenn keinerlei Reibungsverluste auftreten. In der Praxis verhalten sich aber auch offene Differentiale wie drehmomentfühlende Sperren mit geringem Sperrwert. Bei einem Sperrdifferential versucht man, den Wirkungsgrad des offenen Differentials konstruktiv zu verschlechtern.

Die Charakteristik einer Sperre wird über den Sperrwert (in %) und bei drehmomentfühlenden Sperrdifferentialen auch über das Drehmomentverhältnis ('Torque Bias Ratio', TBR) bestimmt. Konstant ist der Sperrwert bzw. das TBR nur bei reinen drehmomentfühlenden Differentialen. Dazu betrachtet man die Drehmomente, die auf das linke und das rechte Rad übertragen werden. Beim offenen Differential kann das Drehmoment rechts (MR) nicht anders sein als das Drehmoment (ML) beim linken Rad, im Idealfall des reibungsfreien, offenen Differentials ist der Sperrwert = 0 % und der TBR = 1. Bei drehmomentfühlenden Ausgleichsgetrieben mit symmetrischer (50:50) Drehmomentaufteilung ist das TBR gleich dem Kehrwert des Standgetriebe-Wirkungsgrades. Beispielsweise weist ein Ausgleichsgetriebe mit einem Wirkungsgrad von 50 % ein TBR von 2,0 auf.

Die allgemeinen Formeln für symmetrische Differentiale lauten:

S = \frac {|M_L-M_R|}{(M_L+M_R)} [Sperrwert, Wertebereich zwischen 0\,\%\ldots 100\,\%]
TBR = \frac{\text{max}(M_L, M_R)}{\text{min}(M_L, M_R)} [Torque Bias Ratio, Wertebereich zwischen 1\ldots\infin]

Formeln zur Umrechnung zwischen beiden Werten:

S = \frac{TBR - 1}{TBR + 1}, \qquad TBR = \frac{1 + S}{1 - S}

Sperrwert bzw. TBR sind nur bei rein drehmomentfühlenden Sperren und bei reinen Festwertsperren konstant.

Weblinks[Bearbeiten]

  • www.ArsTechnica.de: animierte Grafiken von Sperrdifferentialen und Hintergrundinformationen