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Differentialgetriebe

Glossar

Bezug zum Kraftfahrzeug

Drehzahl- und Drehmomentausgleich
Getriebe
Antriebsstrang, Angetriebene Achse

 

Allgemeine Beschreibung

Ein Differentialgetriebe ist in jedem Kraftfahrzeug verbaut. Es ist dafür verantwortlich, Drehzahl- und Drehmomentunterschiede der angetriebenen Achse bei Kurvenfahrt auszugleichen. Der Ausgleich wird so vorgenommen, dass das Drehmoment des Antriebsstranges auf die beiden voneinander getrennten Antriebswellen verteilt wird. Somit wird das mittlere Drehmoment des Motors nicht verändert. Bei Kurvenfahrt muss sich das äußere Rad schneller drehen als das Innere. Dieser Ausgleich wird ebenfalls vollzogen. Im Extremfall steht das innere Rad; hier kann kein Drehmoment übertragen werden. Dem äußeren Rad wird dann das gesamte zur Verfügung stehende Drehmoment zugeteilt.

Je nach Antriebsart ist das Differentialgetriebe bei Fahrzeugen unterschiedlich positioniert. Ist die Einbaulage des Getriebes positionsnah zur angetriebenen Achse, ist das Differentialgetriebe in der Regel im Schaltgetriebe oder im vollautomatischen Getriebe integriert. Im anderen Fall befindet sich das Differentialgetriebe in einem separaten Gehäuse.

Eine Sonderform des Differentialgetriebes sind sogenannte Sperrdifferentiale. Sie werden in erster Linie bei Fahrzeugen eingesetzt, die unter besonderen Bedingungen bedient werden sollen:

  • Geländefahrzeuge
  • Sportwagen

Sperrdifferentiale haben gewisse Vorteile gegenüber Differentialen ohne Sperre. Folgende Vorteile ergeben sich aus einem Sperdifferential:

  • Geradeauslauf

    Der Geradeauslauf eines Fahrzeugs verbessert sich, wodurch der Einfluss von z.B. Seitenwind verringert wird.
  • Geländefahrt

    Dreht ein Rad durch, wird das Drehmoment des Motors auf das Rad mit Haftung umgeleitet.
  • Anfahren in Kurven

    Wird in einer Kurve mit hohem Motordrehmoment angefahren, neigt das kurveninnere Rad zum Durchdrehen. Auch hier wird das zur Verfügung stehende Drehmoment an das kurvenäußere Rad umgeleitet.
  • Motorsport

    Bei Kurvenfahrten mit hoher Geschwindigkeit, wird das kurvenäußere Rad dynamisch stärker belastet, als es bei langsamer Fahrt der Fall wäre. Somit neigt das kurveninnere Rad eher zum Durchdrehen. Hier wird ebenfalls mehr Drehmoment an das kurvenäußere Rad geleitet. Da die Drehmomentverteilung für den Kurvenradius prinzipiell ungleichmäßig ist, verändert sich die Gesamtneigung des Fahrzeugs zum Überstuern, weil ein sogenanntes Giermoment um die Fahrzeughochachse aufgebaut wird. Im Schubbetrieb wird das Fahrzeug durch die Umkehr der Kräfte stabilisiert.

 

In der Vergangenheit hatten Fahrzeuge mit Heckantrieb den schlechten Ruf, bei schwierigen Wetterverhältnissen eher problematisch zu fahren zu sein. Tatsächlich begünstigt das höhere Gewicht auf der Vorderachse bei Fahrzeugen mit Frontantrieb z.B. bei Matsch und Schnee das Vorankommen, da hier mehr Haftreibung an der angetriebenen Achse aufgebaut werden kann. Heutige Fahrwerkstechnik und elektronische Fahrassistenten haben beide Antriebskonzepte jedoch nah zueinander gebracht.

 

Funktionsbeschreibung

Das Schaubild zeigt ein separates Differentialgetriebe, das beispielsweise in der Mitte einer Hinterachse eines Fahrzeugs mit Frontmotor verbaut ist. Das Drehmoment des Motors wird in einem solchen Fall über die Kardanwelle an das Differentialgetriebe übertragen. Die Kardanwelle ist hier rot gekennzeichnet. Das Gehäuse ist fest mit der Achse verbunden und gegen Verdrehen und Verschieben fixiert.

Innerhalb des Gehäuses befindet sich der Korb, hier cyan gekennzeichnet, der seinerseits vier Kegelräder, die ineinander kämmen, trägt. Jeweils zwei Kegelräder stehen sich gegenüber. Die lila gekennzeichneten Kegelräder bilden den Abschluss der beiden Antriebswellen. Die beiden orange gekennzeichneten Kegelräder sind Bestandteil des Korbs. Alle Kegelräder sind gleich, so dass sich eine Übersetzung von i=-1 ergibt. Dreht man beispielsweise bei ausgeschalteten Motor und eingelegter Fahrstufe bei freien Rädern an einem der beiden, so dreht sich das andere mit exakt der selben Geschwindigkeit in die entgegengesetzte Richtung.

Da der Korb ebenfalls innerhalb des Gehäuses drehbar ist, kann er von dem gelb gekennzeichneten Kegelrad, das den Abschluss der Kardanwelle bildet, radial zu den Antriebswellen gedreht werden. Das Verhalten des Korbs im Gehäuse ist in diesem Fall davon abhängig, wie viel Drehmoment jedes der beiden Räder übertragen kann.

 

  • Geradeausfahrt

    • Gleiche Haftreibung

      Ist die Haftreibung an beiden Rädern gleich groß, wird das Drehmoment gleich verteilt. Auch die Drehzahl hat von links zu rechts keinen Unterschied, da beide Räder den gleichen Weg zurücklegen müssen. Die orangenen Kegelräder stehen still und übertragen lediglich die auf das Kegelrad des Korbs wirkende Kraft gleichmäßig auf beide Antriebswellen.
    • Ungleiche Haftreibung

      Ist die Haftreibung an den Rädern verschieden groß, wird mehr Drehmoment an das Rad geleitet, das weniger Haftreibung hat. Im Extremfall wird das Rad mit weniger Haftreibung durchdrehen und das andere stehen bleiben. Die Drehzahl am durchdrehenden Rad ist dann doppel so groß wie die des Korbes.
  • Kurvenfahrt

    • Gleiche Haftreibung

      Ist hier die Haftreibung gleich groß, wird das Drehmoment ebenfalls gleich verteilt. Allerdings wird nun der Drehzahlunterschied zwischen den beiden Rädern ausgeglichen. Das kurveninnere Rad dreht sich langsamer als das Äußere.
    • Ungleiche Haftreibung

      Bei Kurvenfahrt und ungleicher Haftreibung besteht dasselbe Problem wie bei Geradeausfahrt. Allerdings wird bei nicht vollständigem Verlust der Haftreibung die Drehzahl naturgemäß ausgeglichen.
 
 
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