Das Problem ist immer das gleiche, die Lösungen unterschiedlich. Wie schafft der Wagen es vorwärts zu kommen, wenn Räder durchdrehen? Ein klarer Fall für Sperrdifferenziale. Im dritten Teil unserer Artikelserie, schauen wir uns mechanische Limited-Slip-Differenziale mit Kupplungen genauer an.
Dies ist der dritte Teil unserer Reihe über Differenzial-Sperren.
Die ganze Artikelserie über Differenzial-Sperren
- Sperriger Ausgleich – Die verschiedenen Differenzialsperren – Teil 1
- Sperriger Ausgleich – Das Torsen-Differenzial – Teil 2
- Sperriger Ausgleich: Elektronische Sperren und Torque Vectoring – Teil 4
- Sperriger Ausgleich – Elektronische Traktionskontrolle – Teil 5
Das Torsen aus unserem zweiten Teil gehört auch zu der Familie der Limited-Slip-Differenziale. Aber es unterscheidet sich von den in diesem Teil besprochenen. Denn es erzeugt seine innere Sperrwirkung durch Reibung (Friktion) von Zahnrädern. Die hier vorgestellten Sperren erzeugen ihre innere Sperrwirkung durch reibende Kupplungen.
Solche kupplungsbasierten Limited-Slip-Differenziale unterscheiden sich in:
Was ist ein Limited-Slip-Differnzial
Limited-Slip bedeutet, dass Differenziale dieses Typs (auch das Torsen) im Grunde einen schlechten Wirkungsgrad haben, der die Sperrwirkung ausmacht. Wenn ein Drehzahlausgleich erfolgen muss, lässt es gegen die Sperrwirung jedoch ein Durchrutschen zu, den Limited-Slip. Die Wirkung dieses Typs Sperrdifferenzial, ist im Grunde immer die gleiche. Durch ihren – gewollt schlechten – Wirkungsgrad im Inneren, verhindern sie zu große Drehzahlunterschiede. Das sichert im Gelände das Fortkommen und auf der Straße kommt es der Fahrsicherheit und Stabilität zu Gute.
Sperre und Allradantrieb
Kupplungsbasierte Sperren finden Verwendung als manuell- oder automatisch zuschaltbare Allradantriebe oder als Achssperren. Durch den Einsatz von Kupplungen, lässt sich während der Fahrt die Sperrwirkung und das Verhältnis der Drehmoment-Verteilung (TBR, Torque-Bias-Ratio) leicht verstellen. Je fester eine Kupplung zusammengedrückt wird, je mehr Kraft kann über sie direkt auf die Abgänge übertragen werden.
Kupplungsbasierte Sperrdifferenziale können ein oder zwei Kupplungspakete enthalten. Bei einem Kupplungspaket werden die beiden abgehenden Seiten zunehmend starr miteinander verbunden, so dass Drehzahl und Drehmoment auf beiden Seiten angeglichen werden. Diese Form findet oftmals als zuschaltbarer Allradantrieb Verwendung. Bei zwei Kupplungspaketen kann das Drehmoment ungleich verteilt werden, daher werden diese Systeme in Achsen eingesetzt.
Es gibt viele verschiedene Arten kupplungsbasierter Sperren
Die Kupplungsbasierte Sperrdifferenziale können in mechanisch und elektronisch angeregte Sperren unterteilt werden. Bei ersteren erfolgt die Aktivierung der Kupplung über ein unterschiedliches Drehmoment oder eine ungleiche Drehzahl. Die mechanische Betätigung der Kupplung erfolgt dann durch eine Umsetzung der Drehmoment- oder Drehzahldifferenz in eine Kraft, die die Kupplung zusammenpresst.
Aufbau einer Lamellenkupplung
Wie bei einer Motorradkupplung, sind bei diesen Systemen mehrere Kupplungsscheiben lamellenartig hintereinander angeordnet, so dass sie ein ganzes Paket bilden. Im Deutschen heißen sie deshalb Lamellenkupplung, im Englischen schlicht „Clutch Pack“. Die wechselweise Anordnung von Reib- und Mitnehmerscheiben ermöglicht es, trotz des kleinen Durchmessers der einzelnen Scheibe, eine insgesamt hohe Reibfläche zu erhalten. Andernfalls könnten die Kräfte nicht übertragen werden.
Dabei sind die Reibscheiben beispielsweise mit dem Gehäuse und die Mitnehmerscheiben mit der inneren Welle drehfest verbunden. Sie können sich auf der Welle, auf der sie laufen, axial, also an der Achse ausgerichtet, bewegen. Werden die Scheiben nun zusammengepresst, entsteht eine Verbindung und die Drehung und Kraft können so zwischen Gehäuse und Welle übertragen werden. Die Scheiben können entweder ohne Berührung untereinander frei und unabhängig laufen (keine Kraftübertragung), sie können schleifen (teilweise Kraftübertragung) oder sie können fest zusammengepresst werden (vollständige Kraftübertragung).
© Foto: Ortlinghaus Group
Drehmomentabhängige Limited-Slip mit Kupplung
Beim drehmomentabhängigen Limited-Slip wird die Sperrwirkung durch ein unterschiedliches Drehmoment auf beiden Seiten mechanisch angeregt. Sie finden zumeist als Achssperre Verwendung.
Durch das Ungleichgewicht des Drehmoments werden die Kupplungen betätigt, um die traktionslose Seite zu entlasten, ein Zusammenbrechen des Drehmoments auf der traktionsstarken Seite zu verhindern und dort mehr Drehmoment hinzuleiten.
Wie der Druck auf die Lamellenkupplung(en) gegeben wird, ist unterschiedlich. Das kann beispielsweise durch die Spreizwirkung der Kegelzahnräder des Differenzials oder durch Bolzen, die durch das Drehmoment gegen schräge Flächen laufen, erreicht werden. In beiden Fällen ist das Resultat eine axiale Verschiebung des Achskegelrads der traktionsstarken Seite, welches in Folge die Kupplungsscheiben auf seiner Seite zusammen drückt.
Beispielhaft beschreiben wir eine Sperre mit zwei Kupplungspaketen und einer Feder zum Vorspannen. Die Sperre basiert auf der Spreizwirkung der Kegelzahnräder des Differenzials.
Federbelastete (Pre-Load) mit festem Sperrwert
Das kupplungsbasierte Sperrdifferenzial ist im Grunde wie ein normales offenes Differenzial aufgebaut. Es wird vornehmlich in Achsen verwendet. Der Unterschied ist, dass an beiden Achsabgängen ein Kupplungspaket sitzt. Die Lamellen der beiden Kupplungspakete sind zum einen mit dem Differenzialgehäuse und zum anderen mit der Achswelle auf ihrer jeweiligen Seite drehfest verbunden.
© Foto: Eaton
Zwischen den den Kupplungpaketen sitzen Federn, die über ihre Federkraft, eine einstellbare Grundsperrwirkung bei Fahrt mit wenig Drehmoment erzeugt. So kann gezielt auf das Fahrverhalten von Fahrzeugen bei geringer Last eingewirkt werden. Die Feder hat noch eine weitere wichtige Funktion, sie verhindert das Eindringen von Öl zwischen die Reibflächen der Lamellen, was ein Aufbauen der Sperrwirkung verzögern würde. Das behebt den Nachteil kupplungsbasierter Sperren, wenn sie in Öl laufen aber keine Feder zum Vorspannen besitzen.
© Foto: Eaton
Steigt das Drehmoment im Differenzial, haben die Planeten- und Achskegelzahnräder, durch ihre schrägen Zahnflanken, das Bestreben sich auseinander zu drücken. Der Druck wirkt axial und presst das betroffene Achskegelrad gegen sein Kupplungspaket. Jetzt fangen die Scheiben an stärker zu reiben und es wird, unter Umgehung der Ausgleichszahnräder, Kraft über das Differentialgehäuse und die Kupplung auf die Achswelle übertragen. Je mehr Drehmoment anliegt, je fester werden die Scheiben zusammengepresst und je mehr Drehmoment wird transportiert.
Fahrverhalten auf Asphalt
Bei Geradeausfahrt auf Asphalt mit guter Traktion wirkt sich die durch die Feder erzeugte Sperrwirkung, egal wie hoch sie ist, in keinster Weise aus. Alle Teile, also das Gehäuse, die Mitnehmer- und Reibscheiben und die Achskegelräder, drehen gleich schnell. Einzig die Ausgleichszahräder stehen um ihre eigene Achse still (siehe dazu Teil 1, Aufbau und Funktionsweise des offenen Differenzials).
Wie bereits bekannt, muss bei Kurvenfahrt und guter Traktion die Drehzahl zwischen kurveninnerem und kurvenäußerem Rad ausgeglichen werden. Die Feder ist so dimensioniert, dass ihr Druck bei normaler Kurvenfahrt nicht ausreicht, die beiden Räder über die Kupplungspakete gesperrt zu halten. Die Traktion der Räder ist stärker als der Widerstand der vorgespannten Kupplungen. Die Lamellen rutschen durch und der Drehzahlausgleich findet statt.
Kommt ein Rad auf rutschigen Untergrund und fängt an durchzudrehen, greift der Mechanismus und reduziert die Kraft auf das Rad. Das Fahrzeug fährt stabil weiter.
Funktion im Gelände
Dreht das linke Rad wegen schlechter Traktion durch, steht das Fahrzeug, da Drehung und Drehmoment am traktionslosen Rad verpuffen. Aber die Drehmomentdifferenz zwischen links und rechts ist vorhanden. Nun spreizt sich das Achskegelrad auf der rechten Seite etwas ab und drückt seine Kupplung zusammen. Gleichzeitig wird durch diese Verschiebung die linke Kupplung entlastet. Rechts baut sich mehr Drehmoment auf und über das Differentialgehäuse und die Kupplung wird es auf das traktionsstarke Rad übertragen. Das Fahrzeug kann weiterfahren.
Drehzahlabhängige Limited-Slip mit Kupplung
Die Sperrwirkung dieser Differenzialtypen hängt von dem Drehzahlunterschied zwischen den beiden Seiten der Kupplung ab. Die meisten heutigen Vertreter dieser Sperren basieren auf einer, durch eine mechanische Hydraulikpumpe (Gerotor) betätigte Lamellenkupplung. Nach wie vor wird auch noch die Friktion einer Flüssigkeit genutzt. Dieses Prinzip ist als Viskosekupplung bekannt.
Für ABS- und ESP-Assistenzsysteme müssen bei Viskosekupplungen Vorkehrungen getroffen werden, da sie deren Wirkung beeinflussen. Diese Systeme benötigen unabhängig laufende Räder, was durch den nicht-steuerbaren Friktionseffekt nicht gewährleistet werden kann. Häufig wird dies durch Freilaufsysteme (Freilaufnabe) an den Rädern bewerkstelligt.
Da Assistenzsysteme weiter zunehmen, wird diese Art der Kupplung immer seltener. Die Hersteller setzen lieber auf elektronisch ansteuerbare Kupplungen, bei denen die Assistenzsysteme den Zustand der Sperre berücksichtigen.
Die Viskosekupplung wurde häufig als automatisch zuschaltender Allradantrieb zwischen Vorder- und Hinterachse eingesetzt. Bekannte Fahrzeuge mit Viskosekupplung sind der VW Bus T3 Syncro (zugeschaltete Vorderachse) und T4 Syncro (zugeschaltete Hinterachse). Beim T4 war bereits die Hinterachse durch einen Freilauf entkoppelt, so dass das ABS einwandfrei funktionieren kann.
Kupplung mit Gerotor-Hydraulikpumpe
Bei der Zahnring-Hydraulikpumpe (Gerotor-Pumpe) ist das äußere Zahnrad mit einer Seite und das innere mit der anderen Seite des Differenzials verbunden. Solange beide Seiten gleich schnell drehen, kommt es daher zu keiner Pumpwirkung. Drehen die Seiten unterschiedlich schnell, entsteht durch die Verzahnung eine Pumpwirkung und Flüssigkeit wird auf einen Kolben gegeben, der die Kupplungslamellen zusammendrückt. Die Sperrwirkung steigt und beide Seiten werden zunehmend gezwungen mit gleichem Drehmoment und gleicher Drehzahl zu drehen. Die traktionslose Seite wird abgebremst, die traktionstarke beschleunigt.
Im Jeep Grand Cherokee WJ mit QuadraDrive-System sind gleich drei dieser Gerotor-Sperren (Vari-Lok) eingebaut. Zwischen Vorder- und Hinterachse (automatischer Allradantrieb) und in jeder Achse (automatische Achssperre), aber alle funktionieren rein hydraulisch.
Sind in der Sperre elektronisch gesteuerte Ventile vorhanden, die den Druck der Hydraulik regeln, kann die Sperre gezielt-ein und ausgeschaltet werden. Es kann das Drehmoment dann ungleich verteilen und nahezu eine 100-prozent Sperrwirkung erreichen. Dieses Prinzip findet beispielsweise im automatisch zuschaltenden Allradantrieb von Mercedes-Benz 4MATIC Anwendung.
Viskosekupplung
Das Prinzip ist sehr einfach. Das Gehäuse der Kupplung ist innen mit geschlitzen Lamellenscheiben versehen und es ist mit einem Silikonöl und etwas Luft gefüllt. Es ist beispielsweise mit der Antriebsseite verbunden. Zwischen den Lamellen des Gehäuses laufen Lamellen, die mit der Abtriebsseite verbunden sind. Die Lamellen berühren sich nicht.
Solange es keine Drehzahldifferenz gibt, laufen alle Lamellen in gleicher Geschwindigkeit in und mit der Flüssigkeit. Sobald eine Drehzahldifferenz auftritt, entsteht durch das Fluid und die geschlitzten Lamellen eine Scherung, die eine Friktion zwischen den Lamellen bewirkt. Die schneller drehende Seite gibt so ein Teil des Drehmoments über das Fluid auf die langsamer drehende Seite ab. Das Fluid „zieht“ quasi die langsamere Seite mit.
Die Lamellen können sich auch in axialer Richtung bewegen, berühren sich aber normalerweise nicht.
Hump-Effekt
Beim Hump-Effekt erwärmt sich das, durch die unterschiedliche Drehzahl scherende Fluid und dehnt sich aus, bis es die gesamte Restluft im Gehäuse aufgenommen hat. Durch diese Ausdehnung werden die Lamellen gegen einen Federdruck zusammengepresst, eine kraftschlüssige Verbindung entsteht.
Ist der Hump-Effekt konstruktiv vorgesehen, kann diese axiale Verschiebung genutzt werden, um eine starre Verbindung zwischen beiden Seiten zu erzeugen. In dem Fall muss muss eine Lamellenseite mit einem Flügelprofil versehen sein.
Da dieser Effekt von der Fahrsituation abhängt, kann der Fahrer ihn nicht beeinflussen.
Fahrverhalten der Visko-Sperre
Wechseln wir für unser Praxisbeispiel das Fahrzeug. Wir steigen in einen Bulli T3 Syncro. Vorder- und Hinterachse sind mit einer Visko-Kupplung verbunden. Auf normaler Fahrbahn wird nur die Hinterachse angetrieben. Solange die Räder der Vorderachse mit gleicher Drehzahl wie die Hinterräder drehen, gibt es in der Viskokupplung keine Scherwirkung und Erwärmung. Zwischen beiden Seiten wird keine Kraft übertragen.
Der Drehzahlunterschied zwischen Vorder- und Hinterachse bei Kurvenfahrt wirkt sich bei einer intakten Visko-Kupplung nicht aus. Ein Problem ist aber die zunehmende Verhärtung. Diese führt zu Verspannungen im Antriebsstrang, denn der nötige Drehzahlausgleich wird zunehmend durch das verhärtende Fluid verhindert. Das Auto wird schleichend zu einem mit permanent gesperrter Achse oder zu einem Permanent-Allrad-Fahrzeug, je nach dem wo die Visko-Kupplung eingesetzt wird.
Steht bei unserem Bulli nun die Hinterachse auf rutschigem Untergrund, drehen ein Rad oder beide Räder durch. Die Vorderachse steht still. In der Viskokupplung dreht nun das eine Lamellenpaket, das andere steht. Durch die Differenz entsteht nun über das Fluid eine Friktion, die zunehmend Kraft auf die Vorderachse gibt. Tritt der Hump-Effekt ein, sogar eine starre Verbindung. Das Auto fährt aus dem Hindernis, die Drehzahlen an den Achsen sind wieder gleich, die Friktion nimmt ab und die Vorderachse läuft wieder ohne Antrieb mit.
Den gleichen Effekt kann die Visko-Kupplung als Achssperre erzeugen. Solange beide Räder gleich schnell sind, arbeitet das um die Visko-Kupplung gebaute Differenzial normal. Entsteht eine Differenz, entsteht durch die Friktion des Fluids eine zunehmende Sperrwirkung.
Fazit:
Der normale Offroader und Reisende wird sich beim Nachrüsten nur für eine der mechanisch-gesteuerten, kupplungsbasierten Achssperren entscheiden können. Die elektronisch gesteuerten Sperren gehören in aller Regel zu einem Gesamtpaket ab Werk, wie es in den meisten modernen SUVs eingebaut ist. Auch beim Allrad entscheidet der Fahrtzeugtyp über die Art des Antriebs.
Es fehlt jedoch der entscheidende Grund, sich gegen ein Torsen-Limited-Slip und für ein kupplungsbasierte Sperrdifferenzial zu entscheiden. Einzig die Möglichkeit ein 100-Prozent-Sperrwirkung erreichen zu können, wäre solch ein Grund. Wenn es um häufigen und ernsten Offroad-Betrieb geht, kann ich dann aber auch gleich die konstruktiv einfachere und sicherere 100-Prozent-Sperre nehmen.
Es sollte nicht vergessen werden, dass die hier aufgeführte Sperren, mit Außnahme der Visko-Kupplung, ihren Ursprung im Geschwindigkeits-Motorsport mit PS-starken Muscle-Cars haben und nicht im Offroad-Bereich. Das Ziel ist dort eine Beschleuningung ohne durchdrehende Räder zu ermöglichen (Limited-Slip) und dennoch Kurvenfahrten zu erlauben.
Kupplungsbasierte Limited Slip-Kupplungen sind mit Verschleiß behaftet. Sie werden während der Fahrt geschaltet und das Durchrutschen ist prinzip-bedingt, aber die Hersteller versprechen seit einigen Jahren, dass die in den Kupplungen eingesetzten Materialien die Lebensdauer eines Fahrzeugs bei weitem überleben. Allerdings können beispielsweise längere Fahrten mit einem kleineren Notrad für eine Kupplungs-Limited-Slip erheblichen Verschleiß bedeuten.
Auch die Anzahl der Teile und die Komplexität ist höher. Federn, Kupplungsscheiben und bei hydraulischen Systemen gibt es noch Pumpen und Hochdruckdichtungen, die undicht werden können. Die Anzahl Teile auf die es ankommt und die verschleißen oder beschädigt werden können, ist bei diesen Sperren höher.
Zu den Vorteilen der kupplungsbasierte Sperrdifferenziale zählen:
- Kann bis zu 100-Prozent Sperrwirkung erreichen
- In gewissen Grenzen kann eine Anpassung erfolgen
- Das Drehmoments wird sanfter übertragen, schonender für den Antriebsstrang
Die Nachteile sind:
- Es ist erst ein Durchdrehen nötig, bis die Wirkung einsetzt
- Komplexerer Aufbau, viele Teile
- Empfindlicher unter rauhen Einsatzbedingungen
- Grundsätzlich verschleißbehaftet
Somit empfehlen sich nachrüstbare Limited-Slip-Differenziale für den gelegentlichen Offroad-Fahrer und Reisenden. Aber soll es eine Limited-Slip-Sperre werden, sollte man sich nach wie vor für ein Torsen als Achssperre entscheiden, da es der robusteste Vertreter der Limited-Slip-Sperren ist.
Und für den häufigen und harten Offroad-Einsatz, bleibt es dabei. Ein Fahrzeug mit manuell zuschaltbaren oder permanentem mechanischen Allradantrieb und 100-Prozent Achssperre(n) ist dort immer die erste Wahl.
Zum zweiten Teil: Sperriger Ausgleich – Das Torsen-Differenzial – Teil 2
Zum vierten Teil: Sperriger Ausgleich: Elektronische Sperren und Torque Vectoring – Teil 4
Titelbild: © Eaton