Bei einem Kraftfahrzeug, dem häufigsten Einsatzgebiet, ist ein Differential (oder auch Ausgleichsgetriebe) ein Getriebe zwischen den angetriebenen Rädern. Da die Räder einer Achse beim Fahren in einer Kurve unterschiedlich lange Wege zurücklegen, dürfen sie nicht starr miteinander verbunden werden
Bild vom Cayenne Diffenrential
Geschichte und Einführung
Das Differential wurde spätestens ca. 82 v.Chr. erfunden, wo es in einem mechanischen Planetarium verwendet wurde (siehe Mechanismus von Antikythera), geriet jedoch in Vergessenheit und wurde später von Leonardo da Vinci neu erfunden. Es besteht aus einem großen Tellerrad, einem Triebling und Kegelrädern. Der Triebling sitzt am Ende der Welle vom Getriebe, die meist eine Kardanwelle ist. Am Tellerrad ist die Glocke mit zwei oder drei Kegelrädern befestigt.
Bei Geradeausfahrt wird so die Drehung gleichmäßig auf beide Räder aufgeteilt. Wird ein Rad angehalten, so dreht sich das andere doppelt so schnell. Genauso wirkt es umgekehrt: Dreht ein Rad durch, so bleibt das andere stehen. Dies tritt bei losem oder glattem (Schnee) Untergrund auf. Abhilfe verschafft die sog. Differentialsperre, die entweder manuell zuschaltbar ist oder auch automatisch wirkt. Bei den automatischen Sperren gibt es solche, die zu 100% sperren (d.h. beide Räder drehen gleich schnell) oder nur z.B. 70% (d.h. ein Rad erhält 70% des Drehmoments, das andere 30%). Eine Sonderbauform ist das Withworthdifferential, das automatisch eine 30% zu 70% Drehzahl-Drehmomentenaufteilung ermöglicht.
Neben der getriebetechnischen Lösung einer Differentialsperre erlaubt auch eine Antischlupfregelung durch geeignetes Bremsen einzelner Räder, die Wirkung des Differentials vorübergehend außer Kraft zu setzen.
Besonders bei manuellen Sperren muss man darauf achten, dass man im gesperrten Zustand nur geradeaus fahren darf. Ein Lenkeinschlag kann entweder bei rutschigem Untergrund unwirksam bleiben oder bei wieder trockenen Untergrund kann es aufgrund der sich aufbauenden mechanischen Spannungen zu stark erhöhtem Verschleiß des Differentials und der Reifen kommen.
Bei Fahrzeugen, bei denen alle Räder angetrieben sind (Allradantrieb), ist dieser Ausgleich auch zwischen Vorder- und Hinterachse notwendig. In diesem Fall spricht man von einem Längs- oder Zentraldifferential.
Allgemeine Beschreibung
Ein Differentialgetriebe ist ein spezielles Planetengetriebe (auch als Drei-Wellen-Getriebe bekannt). Solche Planetengetriebe werden über ihre Standübersetzung i0 charakterisiert. Die Standübersetzung wird ermittelt, indem man den Planetenträger (im Falle des Achsdifferentials ist das der Differentialkorb = Gehäuse) festhält.
Achsdifferential
Wird das Differential als Achsdifferential verwendet, dann sorgt es für den Ausgleich zwischen zwei Rädern. In diesem Falle ist die Standübersetzung stets i0 = 1, d.h. wenn man den Differentialkorb (=Gehäuse des Differentials) festhält (z.B. Gang einlegen) und am linken Rad dreht, dann dreht sich das rechte Rad mit der gleichen Drehzahl, aber in entgegengesetzter Richtung.
Zentraldifferential/Längsdifferential
Verteilergetriebe, in der Funktion als Zentraldifferential werden bei mehr als einer angetriebenen Achse benötigt, um die Leistung des Motors zwischen den Achsen aufzuteilen. Zentraldifferentiale können wie Achsdifferentiale beschaffen sein, so dass sie ebenfalls eine Standübersetzung von i0 = 1 haben, man spricht dann von einer Momentenaufteilung von 50:50 zwischen den Achsen.
Es ist aber auch möglich, dass Zentraldifferentiale andere Standübersetzungen haben, dann kann die Hinterachse mehr Antriebsmoment auf die Straße bringen, als die Vorderachse - beim Beschleunigen und in Steigungen ein großer Vorteil. Eine mögliche Verteilung wäre z.B. 35:65, d.h. wenn die Vorderachse 35% des Antriebsmomentes bekommt, dann kann die Hinterachse bis zu 65% übertragen.
Zentraldifferentiale werden gelegentlich als Stufenplanetensatz gebaut, falls sie aus baulichen Gründen nicht über den Steg angetrieben werden können.
Die Visco-Kupplung wird im Antriebstrang von Kraftfahrzeugen eingesetzt. Im Prinzip überträgt sie in ihrem Inneren eine Drehbewegung über eine kreisförmige Scheibe (Lamelle) an der Eingangsseite an ein Fluid, welches wiederum eine weitere Lamelle an der Ausgangsseite antreibt. Durch diese Bauform überträgt die Visco-Kupplung ein Drehmoment und ermöglicht einen Drehzahlausgleich. Je größer die Geschwindigkeitsdifferenz zwischen Eingangs- und Ausgangslamelle ist, um so größer wird das Drehmoment, welches die Visco-Kupplung übertragen kann.
Anwendungen im Fahrzeugbau
Für Fahrzeuganwendungen sind zwei Konzepte üblich:
1. Bei einem kupplungsgesteuerten Allradantrieb wird eine Achse permanent vom Motor angetrieben. Die zweite Achse wird bei Bedarf aber ohne Zentraldifferential angetrieben. Damit ein Drehzahlausgleich zwischen den Achsen möglich wird, trennt man die Antriebswelle zu einer Achse auf und verbindet sie über eine Visco-Kupplung. Beispiel: Porsche 996 (911) Allrad (Visco-Kupplung bindet Vorderachse an), Golf 2 Syncro (Visco-Kupplung bindet Hinterachse an)
2. Die Visco-Kupplung wird mit einem Differential (Differentialgetriebe) (als Achs- oder Zentraldifferential) oder Planetengetriebe (als Zentraldifferential) kombiniert. Dort bremst sie die Ausgleichsbewegung zwischen den Abtriebswellen oder (häufiger) zwischen Differentialkorb / Planetenträger einerseits und einer Abtriebswelle andererseits.
Zu 1: Sobald die permanent angetriebene Achse zu viel Leistung bekommt, vergrößert sich der Schlupf an deren Rädern. Die Achse dreht dadurch schneller, als es der Fahrzeuggeschwindigkeit entspricht und sie dreht auch schneller, als die andere Achse. Dadurch entsteht eine Differenzdrehzahl zwischen den Achsen, die auch zu einer Differenzdrehzahl in der Visco-Kupplung führt. Je höher diese Differenzdrehzahl ist, um so stärker wird die zweite Achse über die Visco-Kupplung angetrieben. Steht die erste, direkt angetriebene Achse auf Eis und dreht durch, so wird die gesamte Leistung über die Visco-Kupplung an die zweite Achse übertragen.
Zu 2: Die Visco-Kupplung bremst die Drehzahldifferenzen, die an einem Differential auftreten. Wenn die Drehzahldifferenz an einer Achse zu groß wird (z.B. ein Rad auf Eis), dann bremst die Visco-Kupplung diese Ausgleichsbewegung und verteilt Antriebsmoment auf das langsamere Rad. Bei Zentraldifferentialen wird die Drehzahldifferenz zwischen den Achsen reduziert, wenn z.B. eine Achse auf Eis steht oder in der Luft hängt.
Technik
In einer Visco-Kupplung können je nach Auslegung bis zu 150 bar Innendruck entstehen. Neben dem Drehzahlausgleich wirkt die Visco-Kupplung auch als Schwingungsdämpfer im Antriebstrang
Die Grafik zeigt eine Visco-Kupplung, die Leistung und Drehmoment über die Antriebsseite (1) zum Differential (D) einer Achse weiterleitet. Die Visco-Kupplung selbst besteht aus einem Gehäuse (2), dessen Innenseite gleichzeitig als Träger für die Außenlamellen (3) dient. Zwischen den Außenlamellen (3) und den Innenlamellen (4) befindet sich ein Fluid (5). Die Innenlamellen (4) selbst werden von einem Innenlamellenträger (6) gehalten, der gleichzeitig Antriebswelle ist. Das Gehäuse wird über eine Dichtung (7) gegen das Auslaufen des Fluids (5) und das Eindringen von Staub geschützt.
Für Visco-Kupplungen wird als Fluid (5) häufig Silikonöl verwendet, da es sich durch eine hohe Viskosität auszeichnet und im Vergleich zu Öl die Viskosität eine geringere Temperaturabhängigkeit zeigt.
Die Charakteristik der Drehmoment- und Leistungsübertragung hängt von der Anzahl der Lamellen (3+4, meist aus Stahl), deren Innen- und Außendurchmesser und der Viskosität des Fluids (5) ab. Das Fluid (5) wird bei unterschiedlichen Drehzahlen von An- und Abtriebslamellen geschert und Überträgt dadurch Moment. Sowohl Außenlamellen (3) als auch Innenlamellen (4) können sich axial bewegen und werden beispielsweise durch Federringe so eingestellt, dass sie sich ohne Drehzahldifferenz nicht berühren. Ein mechanischer Kontakt der Lamellen sollte daher höchstens ausnahmsweise und nur dann entstehen, wenn der Hump-Effekt konstruktiv vorgesehen wurde.
Hump-Effekt
In der Regel sind die Lamellen geschlitzt und die Visco-Kupplung enthält einen gewissen Anteil an Restluft. Bei der Bewegung wird diese Luft in den Schlitzen der Lamellen verteilt. Durch Erwärmung kann es nun dazu kommen, dass sich das Silikonöl ausdehnt und die Luft erst komprimiert und dann aufnimmt. Wenn die Luft vollständig im Silikonöl gelöst wurde und ein Teil der Lamellen (Außen- oder Innenlamellen) ein Flügelprofil hat, werden sie nun unter Differenzdrehzahl gegen die anderen Lamellen gedrückt. Dadurch entsteht ein mechanischer Reibkontakt, der das übertragbare Drehmoment stark ansteigen lässt und gleichzeitig die Reibleistung im Fluid verringert.
Die Kupplung bietet dadurch bei starker Belastung gleichzeitig höhere Drehmomentkapazität und einen Selbstschutz gegen Überhitzung.
Torsen-Ausgleichsgetriebe sind Ausgleichsgetriebe mit selbstsperrender Wirkung, die zur Gruppe der Sperrdifferentiale gehören. Heute werden sie vor allem als Zentraldifferential in Allradfahrzeugen eingesetzt, insbesondere den Audi quattro-Modellen.
Der Name "Torsen" leitet sich ab von den englischen Worten für "Drehmoment": Torque, und "empfindlich": sensitive. Dieses Kunstwort beschreibt die drehmomentfühlende Eigenschaft dieser Sperrdifferentiale.
Die prinzipielle Erfindung geht bereits auf das Jahr 1918 zurück. Entwickler dieser Bauart für PKW jedoch und auch Namensgeber war Audi. Das Torsen-System kam in der ersten Hälfte der 1980er Jahre mit einer Modellpflege des Audi Quattro auf den Markt.
Technik
Wie alle Sperrdifferentiale ist das Torsen-Differential im Prinzip ein offenes Differential, dessen Fähigkeit zum Drehzahlausgleich zwischen den Abtriebswellen durch geeignete Maßnahmen verschlechtert wird.
Im Markt sind heute vor allem die ersten beiden Torsen-Typen vertreten:
* Beim Typ A sind die Ausgleichsräder (Planetenräder) als Schneckenräder ausgebildet, die mit den Seitenrädern (Abtrieb) kämmen und deren Achsen senkrecht zueinander stehen. Die Gleitbewegung in der Verzahnung und die einfache Lagerung verursachen dadurch hohe Reibungsverluste, welche die gewünschte Sperrwirkung erzeugen, falls auf der Abtriebsseite eine Drehzahldifferenz auftritt.
* Beim Typ B sind die Achsen aller Räder parallel und die Verzahnung wird als Schrägverzahnung (Schraubenverzahnung) ausgeführt, daher gelegentlich auch die Bezeichnung 'Parallelachsendifferential'. Auch hier entstehen in der Verzahnung Kräfte, wobei die gewollte Reibung vor allem zwischen Gehäuse und den Stirnflächen der Zahnräder entsteht.
* Der Typ C ist als Planetengetriebe aufgebaut und lässt sich mit einem offenen Differential zu einer kompakten Einheit kombinieren.
Der Typ A erreicht weitaus höhere Sperrwerte als der Typ B. Wie allen drehmomentfühlenden Differentialen haben sie den Nachteil, dass bei einem angehobenen Rad kein Vortrieb mehr erzeugt werden kann. Dennoch ist ihre ESP-Kompatibilität und ihr Einfluss auf die Fahrdynamik im sportlichen Bereich vorteilhaft.
Einfluss auf die Fahrdynamik
Torsen Differentiale sperren abhängig vom übertragenen Drehmoment. Man kann bei Torsen-Differentialen (wie bei allen drehmomentfühlenden Sperrdifferentialen) mehrere Betriebsmodi unterscheiden:
* Im Zugbetrieb wird das Fahrzeug vom Motor angetrieben. Überträgt eine Achse weniger Antriebskräfte, liegt also Traktionsverlust vor, wird durch das Torsen-Differential automatisch mehr Antriebskraft auf die Achse mit mehr Traktion übertragen. Ist eine Achse oder ein Rad angehoben, erfolgt kein Antrieb. Ausnahme, das Hinterachsdifferential ist gesperrt. Bei ausgebauter Kardanwelle gilt selbiges wie oben beschrieben.
* Im Schubebetrieb wird der Motor geschleppt, also vom Fahrzeug angetrieben. Geht man vom Gas oder hat ausgekuppelt, kehren sich die Kraftflüsse im Torsen-Differential um. Es wirkt dann wie ein offenes (ungesperrtes) Differential, und die Achsen sind entkoppelt. Damit ist der Eingriff des ABS und ESP ungestört möglich.
* Bei Kurvenfahrt verteilt das Torsen-Differential immer mehr Antriebskräfte auf die langsamer drehende Achse, was zumeist die Hinterachse ist. Sollte die Hinterachse Traktion verlieren, sorgt das Torsen automatisch für mehr Kraft auf der Vorderachse.
Anwendung
Bei den ersten Audi-Quattro-Allradwagen waren zunächst manuell sperrbare Differentiale des konventionellen Bautyps eingebaut, die dann im Zuge der Modellpflege in den frühen 1980er Jahren durch Torsen-Einheiten ersetzt wurden. Bei späteren Audi- und VW-Allrad-Fahrzeugenab der 1990er Jahre, die auf der Golf-Plattform basierten, wurden Visco- und Haldex-Kupplungen eingebaut.
Bis heute werden Torsen-Differentiale vor allem bei den Audi-Fahrzeugen mit längseingebauten Motoren als wichtiges Merkmal und Imageträger verbaut. Eine weitere Anwendung ist beispielsweise der GM Hummer.
