Sperrdifferential

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 und bei diesem Vorgang des Abbremsens entsteht durch die Reibung vor allem bei Geländeeinsatz große Mengen an Hitze. Dieses wird (vor allem in der Schweiz) auch als „Differentialbremse“ bezeichnet, was angesichts der Lamellenkupplungen die für die Bremswirkung sorgen eher der technischen Richtigkeit entspricht.

Die Differentialsperre ist so gesehen ein Spezialfall des Sperrdifferentials mit 100% Sperrwirkung und das normale (offene) Differential ist ein Spezialfall mit 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 die Kurvenstabilität bei höheren Geschwindigkeiten zu erhöhen.

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 (Antriebs-)Schlupfregelungen, fälschlicherweise aufgrund falscher Übersetzung aus dem Englischen (Traction Control) auch „Traktionskontrollen“ genannt, verbaut (z.B. ASC, ASR, ...) die mit dem elektronischen Fahrstabilitätssprogramm des Fahrzeuges (ESP, DSC, ...) geliefert werden. Diese Lösungen ahmen teilweise den Effekt des Sperrdifferentials nach, haben aber eine Reihe von Nachteilen:
Diese Systeme

• arbeiten nach dem Prinzip der Leistungsvernichtung, das heißt bremsen Motorleistung weg, was bei schwerem Gelände oder im sportlichen Einsatz nachteilig ist;
• sind von geringerer Regelgüte, als es ein Sperrdifferential ist.

Traktionskontrollen, die über einen Bremsen- und teilweise Motoreingriff (Leistungsdrosselung) funktionieren, sind zwar eine nützliche Vorrichtung, erreichen aber nicht die Leistungen eines echten Sperrdifferentials.

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.

Bauarten

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

• Bei drehmomentfühlenden Sperrdifferentialen (wie z.B. Torsen A, Torsen B, Torsen C, Super LSD, Helical LSD, Sensitorque wie auch einige Lamellensperrdifferentiale) hängt die Sperrwirkung vom übertragenen Moment ab, diese liegt z.B. bei Sensitorque zwischen 0 und 92%. Wenn kein Antriebsmoment da ist (Kupplung
• Bei einer Festwertsperre wird die Sperre vorgespannt, so dass 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 beaufsichtigten Sperren wird die Wirkung und der Einsatz der Sperre von einem Fahrdynamik-Regler im Fahrzeug gesteuert. Derzeit ist die Verbreitung noch gering (z.B. Porsche Cayenne / VW Touareg, Ferrari F430), aber in der Zukunft werden hier die größten Marktpotentiale vermutet.

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:

$S={\frac {|M_{L}-M_{R}|}{(M_{L}+M_{R})}}$ [Sperrwert, Wertebereich zwischen 0%...100%]

$TBR={\frac {max(M_{L},M_{R})}{min(M_{L},M_{R})}}$ [Torque Bias Ratio, Wertebereich zwischen 1...$\infty$]

Formeln zur Umrechnung zwischen beiden Werten:

$S={\frac {(TBR-1)}{(TBR+1)}}$
$TBR={\frac {(1+S)}{(1-S)}}$

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

Weblinks

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