Sperrdifferenzial

Sperrdifferenziale bzw. -tiale ersetzen normale Differentialgetriebe in einem mehrspurigen Kraftfahrzeug.

Die Terminologie der Begriffe 'Sperrdifferential' und 'Differentialsperre' ist historisch bedingt: eine 'Differentialsperre' besteht aus einem normalen Differential und einer mechanischen Sperre (z.B. Klauenkupplung), die unter schweren Bedingungen (Geländefahrt, Eis, usw.) manuell zugeschaltet wird und das Differential außer Funktion setzt und beispielsweise verblockt, so dass die vom Differential bekannte Ausgleichsfunktion nicht mehr gegeben ist. Man nennt diese Form der Sperre auch '100%' Sperre (mehr dazu später).

Das 'Sperrdifferential' wiederum läßt teilweise eine Ausgleichsbewegung zu, bremst diese Ausgleichsbewegung aber ab.

Die Differentialsperre ist so gesehen ein Spezialfall des Sperrdifferentials mit 100% Sperrwirkung und das normale (offene) Differential ist ein Spezialfall mit nahezu 0% Sperrwirkung.

Zweck eines Sperrdifferentials

Im Wesentlichen gibt es zwei Gründe eine Sperre in ein Fahrzeug einzubauen:

• In Geländefahrzeugen: Um die Traktion zu verbessern · In sportlichen Fahrzeugen: Um das Handling zu verbessern, z.B. um höhere Kurvengrenzgeschwindigkeiten zu erreichen oder um den Geradeauslauf bei höheren Geschwindigkeiten zu stabilisieren.

Als Traktionsdifferentiale kommen 100%-Sperren (also Differentialsperren) und Visco-Kupplungen in Frage. Um das Handling zu verbessern, empfehlen sich drehmomentfühlende Sperren mit geringem Sperrwert.

In der Praxis werden immer häufiger Traktionskontrollen verbaut (z.B. ASC, ASR,..._) die mit dem elektronischen Selbsterhaltungsprogramm des Fahrzeuges (ESP, DSC,..._) geliefert werden. Diese Lösungen ahmen die Funktion des Sperrdifferentials nach, haben aber eine Reihe von Nachteilen: Diese Systeme..._

• schalten sich bei höheren Geschwindigeiten ab, sind also speziell in Sportwagen im typischen Fahrbetrieb nicht einsatzbereit · bremsen Motorleistung weg, was bei schwerem Gelände oder im sportlichen Einsatz nachteilig ist
• sind von geringerer Regelgüte, als es ein Sperrdifferential.

Traktionskontrollen, die über einen Bremsen- und teilweise Motoreingriff (Leistungsdrosselung) funktionieren, sind zwar ein nutzliches Feature, können aber mit einem echten Sperrdifferential nicht mithalten.

Einbauort

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

• Zwischen den beiden Rädern einer Achse als 'Achsdifferential'
• Zwischen den Achsen als Zentraldifferential, welches hinter dem normalen Wechselgetriebe (Handschaltung, Automatik, sequentielles Getriebe,..._) in einem zusätzlichen Verteilergetriebe eingebaut ist.

Für die folgenden Erläuterungen soll hier von einem Achsdifferential ausgegangen werden.

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

• Bei drehmomentfühlenden Sperrdifferentialen (z.B. Torsen A, Torsen B, Super LSD, Helical LSD, einige Lammellensperrdifferentiale) hängt die Sperrwirkung vom übertragenen Moment ab. Wenn kein Antriebsmoment da ist (Kupplung getreten) oder ein Rad in der Luft hängt, sperrt das Differential nicht. Vorteilhaft, wenn im Fahrzeug ABS und ESP verwendet werden (aufgrund der gegenwärtig hohen Verbreitung von ABS und ESP also nahezu bei allen Straßenfahrzeugen).
• Bei drehzahlfühlenden Sperrdifferentialen (insbesondere Viskokupplungen, fliehkraftbetätigte Sperren und die Visco-Lok) hängt die Sperrwirkung von der Differenzdrehzahl der Räder ab. Je größer die Drehzahldifferenz, um so größer ist die Sperrwirkung. ABS und ESP müssen angepasst werden.
• Bei einer Festwertsperre wird die Sperre vorgespannt, so dass auch ohne Drehzahldifferenz und ohne Antriebsmoment schon eine Sperrwirkung vorliegt. Diese einfache Sperre stirbt aus.
• Bei elektronischen Sperren wird die Wirkung und der Einsatz der Sperre von einem Fahrdynamik-Regler im Fahrzeug gesteuert (derzeit nur in einigen Fahrzeugen verbreitet).

Bei mechanischen Sperren gibt es Bauformen, die diese Grundtypen kombinieren. Meist (immer?) kann man jedes mechanische Sperrdifferential als Verbindung der ersten drei Grundtypen ansehen.

Die Physik der Sperre

Ein normales Differential ohne Sperrwirkung wird auch als offenes Differential bezeichnet. Idealerweise können die beiden Räder frei drehen, die Reibungsverluste im offen Differential wären dann 0 (praktisch gesehen verhalten sich auch offene Differentiale wie drehmomentfühlende Sperren mit geringem Sperrwert). Bei einem Sperrdifferential versucht man, den Wirkungsgrad des offenen Differentials zu verschlechtern.

Dies ist einer der wenigen Fälle, wo man als Ingenieur schlechteren Wirkungsgrad für mehr Geld verkaufen kann!

Die Charaktersitik einer Sperre wird über den Sperrwert (in%) und bei drehmomentfühlenden Sperrdifferentialen auch über den 'Torque Bias Ratio' (TBR, Drehmomentverhältnis) bestimmt. Konstant ist der Sperrwert / 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 (M_R) nicht anders sein, als das Drehmoment (M_L) beim linken Rad, im Idealfall des reibungsfreien, offenen Differentials ist der Sperrwert = 0% und der TBR = 1.

Die allgemeinen Formeln lauten:

[Sperrwert, Wertebereich zwischen 0%...100%]

Formeln zur Umrechnung zwischen beiden Werten:

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

Weblink

Animierte Grafiken von Sperrdifferentialen und Hintergrundinformationen: www.ArsTechnica.de