Sperriger Ausgleich – Die verschiedenen Differenzialsperren – Teil 1

Den meisten Autofahrern bleibt das Differenzial und seine Arbeit verborgen. Für Geländefahrer hingegen ist es ein wichtiger Bestandteil des Fahrzeugs. Art und Anzahl der eingebauten Differenziale entscheiden erheblich, welche Hindernisse das Fahrzeug bewältigen kann. Aber was ist ein Differenzial und wie funktioniert es? Was ist eine Differenzialsperre und welche Typen gibt es? Das klären wir in dieser Artikelreihe.

Dies ist der erste Teil unserer Reihe über die verschiedenen arten einer Differenzialsperre.

Die ganze Artikelserie über Differenzial-Sperren

• Sperriger Ausgleich – Das Torsen-Differenzial – Teil 2
• Sperriger Ausgleich – Kupplungsbasierte Sperrdifferenziale – Teil 3
• Sperriger Ausgleich: Elektronische Sperren und Torque Vectoring – Teil 4
• Sperriger Ausgleich – Elektronische Traktionskontrolle – Teil 5

In diesem Teil geht es um das normale offene Differenzial und die 100-Prozent-Sperre. Welche Differenzialsperren es noch gibt und wann sie zum Einsatz kommen, erfahrt ihr in den nächsten Artikeln.

Wozu dient ein Differenzial?

In einem Fahrzeug gibt es eine Kraftquelle, den Motor. Durch das Drehmoment des Motors überwindet das Fahrzeug die Widerstände, die dem ihm entgegenwirken. Es fährt los. Dieses Drehmoment muss auf mindestens zwei, bei Allradfahrzeugen auf alle Räder verteilt werden.

Das Drehmoment muss gleichmäßig an beide Räder einer Achse weitergegeben werden, da ansonsten Kräfte einseitig auf das Fahrzeug wirken. Das würde das Fahrverhalten durch ein „Mitlenken“ der Achsen negativ beeinflussen.

Das Differenzial sitzt im Gehäuse der angetriebenen Achsen. Es verteilt das eingehende Drehmoment gleichmäßig auf beide Räder der Achse. Zusätzlich reduziert es die eingehende Drehzahl und erhöht das Drehmoment.

Eine weitere Aufgabe des Differenzials ist der Drehzahlausgleich zwischen den beiden angetriebenen Rädern einer Achse. Der Ausgleich zwischen den beiden Rädern ist notwendig, da in Kurven die inneren und die äußeren Räder unterschiedlich schnell drehen. Denn die kurvenäußeren Räder müssen in der gleichen Zeit mehr Strecke überwinden als die kurveninneren Räder

Wären die Räder über eine Achse starr miteinander verbunden, würde das Fahrzeug dem Lenken einen Widerstand entgegenbringen. Während der Kurvenfahrt würden die Reifen über den Untergrund scheuern. Das Differenzial ermöglicht es den Rädern einer Achse unterschiedlich schnell zu drehen, obwohl sie mit einer gemeinsamen Kraftquelle verbunden sind.

Bei allen Fahrzeugen kommt es bei Kurvenfahrt zwischen Vorder- und Hinterachse ebenfalls zu unterschiedlichen Drehzahlen. Die hintere Achse läuft auf einem kleineren Radius als die Vorderachse. Wer bereits mit seinem Wagen einen Anhänger gezogen hat, wird diesen Effekt kennen. Der Anhänger durchläuft Kurven enger als das Zugfahrzeug. Deshalb ist bei Fahrzeugen mit permanentem Allradantrieb zusätzlich ein Differenzial zwischen Vorder- und Hinterachse notwendig.

Das offene Differenzial

Traktion an allen Rädern
Stellen wir uns ein Fahrzeug mit permanentem Allradantrieb vor, dessen vier Räder auf Asphalt stehen. Der Fahrer legt einen Gang ein und lässt die Kupplung kommen. Sobald er die Kupplung geschlossen hat, wird genau so viel Drehmoment an den angetriebenen Rädern aufgebaut, dass sich der Wagen in Bewegung setzt.

Ein Rad ohne Traktion
Jetzt fährt der Fahrer in das Gelände und die Achsen verschränken sich. Dann passiert es und ein Rad hängt wenige Zentimeter frei in der Luft. An diesem Rad kann fast kein Drehmoment aufgebaut werden, da es keinen Widerstand gibt, der es bremst. Denn der Widerstand an der Kontaktstelle von Reifen und Untergrund lässt das Drehmoment überhaupt erst entstehen.

Sind nun im gesamten Fahrzeug alle Differenziale ungesperrt, ist dieses Drehmoment von fast Null das maximale Drehmoment für alle Räder. In der Folge bleibt das Fahrzeug trotz Allradantrieb stehen und nur das Rad in der Luft dreht sich. Dabei muss noch nicht einmal ein Rad in der Luft sein. Es reicht, dass ein Rad nicht genug Anpressdruck auf dem Untergrund hat, beispielsweise in einer Verschränkung. Steht es auf rutschigem Untergrund, wie beispielsweise Schlamm oder Sand, kann möglicherweise auch kein ausreichendes Drehmoment aufgebaut werden.

Unterschiedliche Drehzahlen sind möglich, aber kein unterschiedliches Drehmoment
Damit das Auto sich bewegt, bedarf es sowohl eines Drehmoments, welches die Widerstände überwindet, als auch einer Drehung. Das offene Differenzial erlaubt zwar unterschiedliche Drehzahlen an beiden Rädern, aber es sind keine unterschiedlichen Drehmomente möglich.

Das Drehmoment wird beim offenen Differenzial immer im Verhältnis 1:1 auf beide Räder verteilt. Dieses Verhältnis wird TBR (Torque Bias Ratio) genannt. Bei einem permanent-allradgetriebenen Fahrzeug mit offenen Differenzialen, verteilt sich demnach das Gesamtdrehmoment zu jeweils 25% auf jedes Rad. Das maximale Drehmoment, welches an alle Räder gegeben werden kann, ist das des Rades mit der geringsten Bodenhaftung.

Im Gelände geht schnell die Bodenhaftung eines oder mehrerer Räder verloren. Mit offenen Differenzialen bleibt der Wagen dann mangels Drehmomenterhalts stehen. Das ist die große Schwäche dieses Ausgleichgetriebes (Differenzial).

Die Lösung: Eine Differenzialsperre
Um diese Schwäche des offenen Differenzials zu beheben, gibt es Differenzialtypen mit einer Sperrwirkung. Durch die Sperre wird im Falle eines Traktionsverlustes an mindestens einem Rad, ein ausreichendes Drehmoment an den anderen Rädern erhalten. Das Fahrzeug kann weiterfahren.

Die Sperrwirkung wird auf unterschiedliche Arten erzeugt und kann unterschiedlich hoch sein. Die einfachste und wirkungsvollste Differenzialsperre ist das Sperrdifferenzial, die 100-Prozent-Sperre.

Die 100-Prozent-Differenzialsperre

Das Sperrdifferenzial gehört zur Grundausstattung der meisten Geländewagen. Im Vergleich zu anderen Differenzialen mit Sperrwirkung sind diese einfach aufgebaut und daher vergleichsweise kostengünstig. Im Mercedes G finden sich gleich drei dieser Sperren. In jeder Achse und im Mitteldifferenzial zwischen den Achsen. Der Land Rover Defender und der Lada Niva haben nur eine Mittel-Differenzialsperre vom Werk aus eingebaut. Der Defender kann bis zu einem gewissen Grad die fehlenden Achssperren durch seine sehr hohe Verschränkung ausgleichen.

Geländefahrzeuge, deren mechanischer Allradantrieb manuell zugeschaltet werden muss, haben kein Mitteldifferenzial. Dazu zählen neben dem Jeep Wrangler und viele Toyota Land Cruiser und auch viele kleinere, günstigere Geländewagen, wie beispielsweise die Suzukis. Den Wrangler gibt es wahlweise auch mit Vorderachssperre direkt ab Werk. Auch die alten Land Rover Serien haben bis auf die allererste Generation zuschaltbaren Allradantrieb.

Bei einem zuschaltbaren Allradantrieb, werden Vorder- und Hinterachse starr miteinander verbunden, was einem gesperrten Mitteldifferenzial entspricht. Daher darf der Allradantrieb bei diesen Fahrzeugen auch nur im Gelände und auf Untergrund mit schlechter Traktion benutzt werden. Ein Fahren mit aktiviertem Sperrdifferenzial auf Untergrund mit guter Haftung führt zu Schäden.

Einsatzgebiet, Vorteile und Nachteile
Das Sperrdifferenzial ist erste Wahl für ernsthaftes Offroadfahren. Wer sich durch extrem schwieriges Gelände arbeiten will oder muss, kommt an diesem Sperrentyp in mindestens einer Achse und dem Mitteldifferential nicht vorbei.

Im Alltag auf der Straße ist das Sperrdifferenzial, im Gegensatz zu anderen Sperrentypen vollkommen nutzlos, da sie dort nicht verwendet werden darf. Vorteile dieser Sperre sind der simple Aufbau (beispielsweise eine einfache Klauenkupplung) sowie die Verschleißfreiheit. Ist die Sperre aktiviert, wirkt sie sofort und dauerhaft.

Nachteilig hingegen sind der nicht vorhandene Alltagsnutzen und die Gefahr, das Differenzial zu zerstören, wenn der Fahrer die Sperre auf Asphalt nicht ausschaltet. Da die Sperre elektromagnetisch oder mit Luftdruck betrieben ist, ist ein weiterer Nachteil, dass ein Zugang für die Leitungen in das Differenzialgehäuse gelegt werden muss. Im harten Geländeeinsatz können diese Leitungen beschädigt werden.

Die Luftdrucksperre benötigt einen Kompressor, aber dieser gehört oftmals sowieso zur festen Ausrüstung. Wer ein Sperrdifferenzial nachrüstet, sollte prüfen, ob das ABS ausgeschaltet werden kann, während die Sperre eingeschaltet ist. Es kann ansonsten durch die eingeschaltete Sperre gestört werden.

Bei einseitigem Traktionsverlust neigt das Fahrzeug zum Einlenken zu der traktionslosen Seite, was ein Gegensteuern erfordert.

Die Wirkung des Sperrdifferenzials
Sehen wir uns die Fahrsituationen des Beispielfahrzeugs unter Verwendung von 100-Prozent-Sperren an, während das eine Rad noch in in der Luft schwebt. Zuerst lassen wir die Sperre zwischen den Achsen zum Einsatz kommen, das bedeutet Vorderachse und Hinterachse werden starr zusammengeschaltet.

Wie wir wissen verteilt das gesperrte Mitteldifferential gemäß der TBR von 1:1 das Drehmoment jeweils zu 50 Prozent auf die Vorder- und Hinterachse. An der Hinterachse trifft das Drehoment auf den Traktionswiderstand der beiden Räder mit guter Haftung und kann wirken. An der Vorderachse bleibt die Kraft nur bis zum offenen Achsdifferenzial erhalten. Das eingehende Drehmoment der Vorderachse bricht am Rad ohne Traktion zusammen. Aber in diesem Fall bleibt das Fahrzeug nicht stehen, denn das Drehmoment an der Hinterachse wirkt.

Ist in der vom Traktionsverlust betroffenen Achse eine Differenzialsperre wirksam, wirken sogar drei Räder am Vortrieb mit.

Wenn gleichzeitig jeweils ein Rad an einer Achse die Traktion verliert, nützt auch eine Mittel-Differenzialsperre nichts mehr. Das Drehmoment bricht zusammen, da von beiden Achsen ausgehend kein Widerstand auf das Mitteldifferenzial wirkt. Hier wird klar, dass zusätzlich eine Sperre in mindestens einer Achse notwendig ist.

Je weniger Räder noch Traktion haben, desto weniger Drehmoment kann an den Untergrund abgegeben werden. Ist das für die Fahrt notwendige Drehmoment höher, als das was die verbleibenden Räder mit Traktion noch an den Untergrund abgegeben werden kann, drehen auch diese Räder durch.

Im zweiten Bild bleibt beispielsweise nur das rechte Vorderrad zur Übertragung des Drehmoments übrig. Überschreitet dort das notwendige Drehmoment den Wert, der noch Haftung ermöglicht, dreht auch dieses Rad durch. Das kann beispielsweise auf einer schrägen Piste geschehen, bei der die Haftung durch die Schräglage reduziert ist.

Aufbau und Funktionsweise des offenen Differenzials

Das offene Differenzial wird in Fahrzeugen am häufigsten verwendet. Die Eingangswelle des Differenzials ist mit der angetriebenen Kardanwelle, die vom Getriebe kommt, verbunden. Am anderen Ende der Eingangswelle sitzt ein Kegelzahnrad. Das Kegelzahnrad treibt ein größeres Tellerzahnrad an.

An dieser Stelle wird zum einen die Richtung der Kraft um 90 Grad gedreht und zum anderen die Drehzahl herabgesetzt. Zusätzlich wird das im Differenzial eingehende Drehmoment erhöht. Ist die Eingangswelle tiefer als der Mittelpunkt des Tellerrads, handelt es sich um ein Hypoidgetriebe. Hypoidgetriebe laufen ruhiger und sind belastbarer.

Zwei senkrecht zu der Achse des Tellerrades stehende, drehbare Kegelzahnräder (Planetenräder) sind fest mit dem Tellerrad verbunden. Diese rotieren mit dem Tellerrad und nehmen dabei die zwei mit ihnen verzahnten Achskegelräder mit. Diese Achskegelräder sind mit den Radachsen und somit mit den Rädern verbunden. Fährt das Auto auf gerader Strecke, stehen die Planetenräder auf ihrer eigenen Achse still, rotieren aber mit dem Tellerrad im Kreis. Dabei drehen sie die mit ihnen verzahnten Achskegelräder, die ihrerseits die Achsen mitnehmen und drehen. Im folgenden Video ist diese Bewegung zu sehen:

Der Drehzahlausgleich
Bei Kurvenfahrt wird das innere Rad zu einem langsameren und das äußere zu einem schnelleren Lauf gezwungen. In diesem Fall beginnen die Planetenräder um ihre eigene Achse zu drehen, während sie weiterhin mit dem Tellerrad rotieren. Durch die Drehung um ihre eigene Achse gleichen die Planetenräder die Drehzahldifferenz aus.

Wie das genau aussieht könnt ihr in diesem ganz hervorragenden Erklärvideo sehen.

Mechanische Funktion des Sperrdifferenzials
Die mechanische 100-Prozent-Differentialsperre funktioniert ausgeschaltet wie das offene Differenzial. Wird die Differenzialsperre aktiviert, verbindet sie beide Abgänge starr miteinander. Sie wird automatisch (Auto-Locker) oder manuell betätigt. Dies geschieht durch einen Hebel, per Schalter elektromagnetisch oder pneumatisch. Dabei verbindet beispielsweise eine Klauenkupplung eines der Achskegelräder fest mit dem Differentialgehäuse und dem Tellerrad. Das gesperrte Achskegelrad verriegelt durch seine Verzahnung auch die Planetenräder und das zweite Achskegelrad. Jetzt ist kein Drehzahlausgleich zwischen den Rädern mehr möglich. Das Auto-Locker Differenzial funktioniert anders als die manuellen Sperrdifferenziale. Es ist bei Geradeausfahrt gesperrt und öffnet sich durch die Fliehkraft gesteuert in Kurven, um einen Drehzahlausgleich zu ermöglichen. Ursprünglich war es für Beschleunigungsrennen gedacht, bei denen Autos aus dem Stand auf einer gerade Strecke beschleunigen. Es hat sich aber seinen Weg in den Offroadbereich gebahnt. Leider kann bei dieser Differenzialsperre nicht manuell gesteuert werden, wann es auf oder zu geht.

In den nächsten Teilen gehen wir auf die unterschiedlichen Typen von Differenzialen mit Sperrwirkung ein, wie sie die Schwäche des offenen Differenzials überwinden und was die bevorzugten Einsatzgebiete der jeweiligen Typen sind.

Zum zweiten Teil: Das Torsen-Differenzial

Wie eine Differenzialsperre entsteht

Dieses Video zeigt den Entstehungprozess einer ARB Air Locker Differenzialsperre.

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© Fotos und Videos: Animationen Fotolia.de / Fotos Andreas Woithon