Differentialgetriebe

Ein Differentialgetriebe bzw. Differenzialgetriebe, auch Ausgleichsgetriebe oder kurz Differential bzw. Differenzial genannt, ist ein spezielles Planetengetriebe mit einer Standübersetzung $i\_0\; =\; -1$. Bei einem Kraftfahrzeug, dem häufigsten Einsatzgebiet, ist es ein Getriebe zwischen den angetriebenen Rädern. Da die Räder einer Achse beim Fahren in einer Kurve unterschiedlich lange Wege zurücklegen und sich somit unterschiedlich schnell drehen, dürfen sie nicht starr miteinander verbunden werden.

Aufbau und Wirkungsweise

Ein Differentialgetriebe besteht im Prinzip aus einem drehbaren Differentialkorb, der als Antrieb dient und an dessen Innenseite mehrere, üblicherweise zwei oder vier, Kegelräder drehbar befestigt sind. Diese Ausgleichsräder kämmen gleichzeitig mit zwei gleich großen Kegelrädern, die mit den Abtriebswellen verbunden sind. Bei Kraftfahrzeugen sind die Abtriebswellen mit den angetriebenen Rädern verbunden. Der Differentialkorb wird über ein Kegelradgetriebe, ein Stirnradgetriebe oder ein Hypoidgetriebe angetrieben.

In den nebenstehenden schematischen Abbildungen ist zur Vereinfachung nur ein Ausgleichsrad dargestellt. Der Differentialkorb wird über ein Stirnrad angetrieben. Bei Geradeausfahrt drehen sich beide Abtriebswellen und der Differentialkorb gleich schnell. Das Differentialgetriebe läuft als Block um, d.h. im Inneren stehen die Zahnräder relativ zueinander still. Erst wenn eine durch Kurvenfahrt oder Reibwertsunterschiede der Fahrbahn verursachte Differenzdrehzahl an den Abtriebswellen auftritt, drehen sich die Ausgleichsräder zusätzlich um ihre eigene Achse. Die Drehzahl des Differentialkorbs liegt zwischen den Drehzahlen der Abtriebswellen. An beiden Abtriebswellen greift immer die Hälfte des Antriebsdrehmomentes an. Wird im Extremfall eine Abtriebswelle angehalten, so dreht sich die andere doppelt so schnell wie vorher und damit auch doppelt so schnell wie der Differentialkorb (siehe zweite Abbildung). Dieser Fall tritt bei Kraftfahrzeugen bei losem oder glattem (Schnee) Untergrund auf, sofern sich ein Rad der angetriebenen Achse auf rutschigem und das andere Rad der Achse auf griffigem Untergrund befindet. Weil beide Räder durch das Differentialgetriebe gleich viel Drehmoment übertragen, wird die übertragbare Antriebskraft vom Rad mit der schlechteren Bodenhaftung limitiert. Technisch lässt sich mit Sperrdifferentialen Abhilfe schaffen, die in zahlreichen Bauformen existieren.

Neben der getriebetechnischen Lösung einer Differentialsperre erlaubt auch eine Antriebsschlupfregelung durch geeignetes Bremsen einzelner Räder eine Wirkung hervorzurufen, die dem Sperrdifferential ähnlich ist.

Varianten

Achsdifferential

Wird das Differentialgetriebe an der Achse eines Kraftfahrzeugs verwendet, dann wird es als Achsdifferential bezeichnet und sorgt für den Ausgleich der Drehzahlen zwischen zwei Rädern. In diesem Falle ist die Standübersetzung stets $i\_0\; =\; -1$, d.h. wenn man den Differentialkorb 'festhält' (z.B. durch Einlegen eines Ganges bei stillstehendem Motor), die Räder anhebt und am linken Rad dreht, dann dreht sich das rechte Rad mit der gleichen Drehzahl, aber in entgegengesetzter Richtung.

Zentraldifferential/Längsdifferential

Bei Fahrzeugen, bei denen alle Räder angetrieben werden (Allradantrieb), ist ein Verteilergetriebe erforderlich, welches das Antriebsmoment auf die angetriebenen Achsen verteilt. Da sich bei Kurvenfahrt die Vorder- und Hinterachse verschieden schnell drehen, ist auch hier ein Drehzahlausgleich erforderlich; daher wird auch hier ein Differentialgetriebe eingesetzt, das als Zentral- oder Längsdifferential (wegen der längs liegenden Wellen) bezeichnet wird.

Zentraldifferentiale können wie Achsdifferentiale beschaffen sein, so dass sie ebenfalls eine Standübersetzung von $i\_0\; =\; -1$ haben, man spricht dann von einer Momentenaufteilung von 50:50 zwischen den Achsen. Je näher ein Differential in gewöhnlicher Bauart diesem Verhältnis kommt, um so weniger Reibung entsteht auch unter Differenzdrehzahl und um so geringer sind die Verluste bei der Umverteilung von Drehzahlen.

Es ist aber auch möglich, Zentraldifferentiale mit anderen Standübersetzungen zu bauen, dann kann beispielsweise die Hinterachse mehr Antriebsmoment auf die Straße bringen als die Vorderachse, was beim Beschleunigen und in Steigungen ein großer Vorteil ist. Eine mögliche Verteilung wäre z.B. 35:65, d. h. 35 % des Antriebsmomentes werden an die Vorderachse weitergeleitet und 65 % an die Hinterachse. In diesem Falle ist die Bezeichnung Differential zwar üblich, aber nicht ganz korrekt.

Zentraldifferentiale werden gelegentlich als Stufenplanetensatz (hintereinander geschaltete Planetensätze) gebaut, falls sie aus baulichen Gründen nicht über den Steg angetrieben werden können.

Beschreibung als Planetengetriebe

Da die Standübersetzung beim Differential festliegt, kann man die Drehzahlen aus den Grundgleichungen für Planetengetriebe herleiten:

$n\_l\; +\; n\_r\; =\; 2\; \backslash cdot\; n\_\{An\}$

Das bedeutet, dass in jedem Betriebszustand die Summe der Drehzahlen der Räder (Index l, r) gleich der doppelten Drehzahl des Differentialgehäuses (Index An) ist oder dass die Drehzahl des Gehäuses der arithmetische Mittelwert der Raddrehzahlen ist. Dabei sind für die Drehzahlen Vorzeichen zu wählen, wenn also ein Rad rückwärts dreht, ist es hier negativ einzusetzen.

Die Drehmomente verteilen sich im reibungsfreien Differential im Verhältnis 50:50 auf die Räder. Im normalen Differential wirkt immer ein wenig Reibung, so dass es sich wie ein schwach drehmomentfühlendes Sperrdifferential verhält.

Geschichte

Das Differential wurde spätestens ca. 100 v.Chr. in Griechenland erfunden, wo es in einem mechanischen Planetarium verwendet wurde (siehe Mechanismus von Antikythera), geriet jedoch in Vergessenheit und wurde später von Leonardo da Vinci neu erfunden. Das heute übliche Differentialgetriebe für Fahrzeuge wurde im Jahr 1827 von dem Franzosen Onésiphore Pecqueur erfunden.Encyclopedia Britannica online: differential gear

Siehe auch

• Details zu Sperrdifferentialen und Differentialsperren
• Torsen-Ausgleichsgetriebe
• Transaxle
• Kegeldifferential und Kugeldifferential

Weblinks

• www.ArsTechnica.de Sperrdifferentiale, Animationen, Beschreibungen verschiedener Differentialausführungen
• www.howstuffworks.com Animation des offenen Differentials (benötigt Flash-Plug-in)

Einzelnachweise