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Was ist eine „Differentialsperre“ und wie funktioniert sie?

Es gibt mehrere Arten. Und so funktioniert die Differentialsperre.

09.08.2015 Online Redaktion

Das Tolle an Differentialen ist, dass sie Drehzahlunterschieden an den Antriebsrädern (man denke an enge Parkhausauffahrten) nonchalant gegenüber stehen. Es gibt aber Situationen, in denen Lässigkeit fehl am Platz ist, die sozusagen eine harte Hand verlangen. Wenn es nämlich darum geht, sich aus einem Schneehaufen zu graben oder das Auto mit einer gesunden Dosis Drosselklappenwinkel querzustellen, dann sind exzessive Raddrehzahlunterschiede eher hinderlich, man braucht also eine Differentialsperre.

Bauarten und Funktion der Differentialsperre

Differentiale können auf viele verschiedene Arten gesperrt werden, es geht aber immer darum, Drehmoment vom schneller drehenden Abtrieb auf den langsameren umzuleiten, also die schnellere Seite zugunsten der langsameren zu bremsen. Die Prozentwerte, die oft in Zusammenhang mit der Sperrwirkung genannt werden (ein mögliches Beispiel: 40% auf Zug und 80% im Schubbetrieb), beziehen sich auf die erreichbare Drehmomentdifferenz zwischen den Abtrieben bezogen auf das am Differential anliegende Gesamtdrehmoment. Alternativ wird das zwischen den Abtrieben erreichbare Drehmomentverhältnis angegeben, genannt TBR nach dem englischen torque bias ratio.

Vollsperren

Die einfachste Möglichkeit, ein Sperrdifferential darzustellen, ist der Einbau einer Klauenkupplung, die die beiden Abtriebe (oder einen der Abtriebe und den Käfig) formschlüssig miteinander verbindet. Eine solche Kupplung führt zu einer Sperrwirkung von 100% (das TBR ist unendlich groß) und muss im Bedarfsfall manuell aktiviert werden. Diese Vorrichtungen sind nur auf rutschigem Untergrund verwendbar und werden heutzutage fast ausschließlich in ernsthaften Geländewagen à la Mercedes G-Klasse angeboten.

Festwertsperren

In Festwertsperren wird, zum Beispiel durch federbelastete Reibflächen, ein konstantes Koppelmoment zwischen den Abtrieben erzeugt. Die Stärke dieser Kopplung ist unabhängig von Antriebsmoment oder Differenzdrehzahl. Festwertsperren werden meist als unterstützende Zusatzelemente verwendet.

Drehzahlabhängige Sperren

Drehzahlfühlende Differenzialsperren regieren auf den Drehzahlunterschied der Abtriebe. Das kann entweder durch eine dem normalen Kegelradmechanismus parallelgeschaltete Viskokupplung oder eine Hydraulikpumpe, die abhängig von der Differenzdrehzahl Druck erzeugt und damit ein das Differential sperrendes Lamellenpaket beaufschlagt, erreicht werden. Letzteres geschieht in den Hinterachsen der aktuellen M-Modelle von BMW.

Nicht nur die absolute Größe des Kopplungsmoments ändert sich mit der Differenzdrehzahl, sondern auch der in Prozent angegebene Sperrwert und das TBR (beide können durchaus hohe Werte erreichen). Drehzahlfühlende Sperren sind konstruktionsbedingt etwas träger als drehmomentabhängige.

Drehmomentabhängige Sperren

Man kann hier grundsätzlich zwischen Lamellensperren und Schraub- oder Schneckenradgetrieben unterscheiden.

Die Lamellensperre ist DIE klassische Differentialsperre für sportliche Anwendungen. Sie wird schon seit vielen Jahrzehnten eingesetzt und stellt oft ein wichtiges Stellglied für die Fahrwerksabstimmung dar. In einem derart ausgestatteten Differential ist der Käfig geteilt, die Trennebene verläuft genau durch die Achse der Planetenräder. Ausnehmungen in den Käfighälften nehmen die Achse auf, allerdings sind diese Ausnehmungen nicht genau halbrund, sondern laufen in Richtung der Trennebene als Rampen aus. Unter Last wird besagte Achse gegen die Rampen gedrückt und drückt damit ihrerseits die Käfighälften auseinander. Infolgedessen werden die dahinter angeordneten Lamellenpakete aktiviert. Diese Lamellenpakete stellen den Kraftschluss zwischen dem Käfig und den Abtrieben dar, sie sind also die eigentlichen Sperrelemente. Die Rampenwinkel bestimmen den Sperrwert solcher Differentiale. Dieser Wert kann für Zug und Schub unterschiedlich sein, er bleibt aber jeweils konstant. Obwohl Lamellensperren sehr häufig sind, gibt es durchaus technische Variationen dieses Sperrprinzipes. So werden die Lamellenpakete manchmal durch kegelförmige Reibflächen ersetzt oder macht man sich anstatt der oben beschriebenen Rampen direkt die Verzahnungskraft zunutze. Zwei im Eingriff stehende Zahnräder drücken sich unter Last nämlich voneinander weg, ein Effekt der sich für Differentialsperren geradezu anbietet. Das Kronenraddifferential in einigen jüngeren RS-Modellen von Audi ist ein Beispiel für das Aktiviertwerden von Lamellenpaketen durch besagte Verzahnungskraft.

Schraub- oder Schneckenraddifferentiale, besser bekannt als Torsen-Differentiale (TORque SENsing, also drehmomentfühlend) sind ebenfalls weit verbreitet, die Sperrwirkung kommt hier durch eine gewisse Selbsthemmung ihrer stark schrägverzahnten Eingeweide zustande. Torsen-Differentiale sind verschleißfester und wirken harmonischer als Lamellensperren, allerdings schalten sie sich nur in einer Richtung ein und lassen sie sich nicht ohne weiteres mit Festwertsperrelementen ausrüsten. Letzteres führt dazu, dass die Sperrwirkung komplett zusammenbricht, sobald ein Rad den Fahrbahnkontakt verliert, also ein gewisses Mindestgegenmoment für die Selbsthemmung fehlt.

Torsen-Differentiale empfehlen sich ob ihrer Eigenschaften als Vorderachsdifferential leistungsstarker Fronttriebler, aber auch zahlreiche Hecktriebler – darunter der famose Toyota GT86 – vertrauen darauf. Außerdem verwendet Audi diese Bauart seit 1986 als Mitteldifferential in verschieden quattro-Modellen.

Elektronische Differentialsperren

Die einfachsten – und gleichzeitig die am weitest verbreiteten – elektronischen Differentialsperren sind technisch gesehen wenig mehr als eine Software-Plug-in für ABS oder ESP. Das offene Kegelraddifferential bleibt komplett unberührt. Detektiert das Steuergerät ein durchdrehendes Rad, so wird diesem Chaos einfach mit der normalen Radbremse Einhalt geboten. Durch diesen Eingriff ergibt sich für das Differential ein größerer Widerstand an dem vormals wild drehenden Rad, was bedeutet, dass nun an beiden Rädern eine entsprechend größere Kraft übertragen werden kann. So gelingt es dieser simplen Sperre, dem Rad mit den besseren Haftungsverhältnissen mehr Drehmoment zuzuteilen, allerdings zum Preis der Leistung, die auf der gebremsten Seite in Form von Bremsenwärme verpufft. Das ist zwar nicht ideal und weniger elegant als die Arbeitsweise einer mechanischen Sperre, aber man muss fairerweise sagen, dass fortgeschrittene Regelstrategien einiges aus diesem Prinzip herausholen.

Aufwendigere elektronische Sperren verfügen über die üblichen Lamellenkupplungen innerhalb des Differentials, verlassen sich aber nicht auf deren passive Aktivierung durch mechanische Systeme. Stattdessen steuern sie alles über elektrische Stellglieder, die ihre Befehle von allwissenden Steuergeräten bekommen. Die Vorteile liegen auf der Hand: Wann und wie stark gesperrt wird ist komplett frei wählbar, trotzdem gibt es keine ineffizienten Eingriffe der Radbremse. Dieser Art von Differential wird zu Recht eine große Zukunft vorausgesagt.

 

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