17. März 2011

Drehzahlausgleich heute und morgen

Dass bei Kurvenfahrten das kurveninnere Rad den kürzeren Weg zurücklegt als das kurvenäussere, liegt auf der Hand. Dass Wegunterschiede auch zwischen Vorder- und Hinterachse auftreten und dies sogar beim Befahren von «schlechten» Strassen, zeigt die Wichtigkeit des Differenzials. Dank diesem Getriebe werden Differenzdrehzahlen ausgeglichen, ohne dass das Fahrzeug ins Schleudern gerät und ohne dass der Antriebsstrang übermässig belastet wird.

Drehzahlausgleich heute und morgen

Das Ausbrechen des Hecks kann bei Sportfahrzeugen verschiedene Gründe haben. Ein zu hoher Sperrwert des Differenzials kann einer davon sein.

VON ANDREAS LERCH

Wenn in der Werkstatt vom «Diff» gesprochen wird, sind meistens zwei Getriebe gemeint: das Achsantriebsgetriebe und das Differenzialgetriebe. Das Achsantriebsgetriebe hat bei quereingebauten Motoren neben der Drehmomentverstärkung die Aufgabe, die Kraftabgabe achs­parallel zu verschieben, bei längseingebauten Motoren muss die Kraft um 90° umgelenkt werden. Dies wird in den meisten Fällen mit Kegelrädern gemacht, welche entweder zentrisch (palloid) oder aus­serhalb der Mittelachse (hypoid) ineinander greifen.

Differenzial

Konventionelle Differenziale werden als Kegelraddifferenziale gebaut. Diese Differenzialgetriebe ermöglichen die ungleichen Drehzahlen bei Kurvenfahrt und leiten das zugeführte Drehmoment immer zu genau 50% zu den einzelnen Antriebsrädern. Dreht ein Rad durch Verminderung des Haftwertes zwischen Reifen und Strasse durch, kann es nur noch wenig Drehmoment übertragen, so erhält auch das andere Rad nur noch das kleine Drehmoment. Mit dem Drehmomentüberschuss dreht der Motor hoch und der Fahrer geht notgedrungen vom Gas. Da die Kegelradkonstruktion im Prinzip eine spezielle Anwendung eines Planetengetriebes ist, kann die Differenzialwirkung auch mit einem einfachen Planetenradsatz hergestellt werden. Durch die asymmetrische Drehmomentverteilung wird diese Konstruktion hauptsächlich bei Zentraldifferenzialen zwischen Vorder- und Hinterachse eingesetzt. Ohne zusätzliche Auf­wendungen haben diese Differenziale keine Sperrwirkung und das Auto bleibt stehen, wenn ein Antriebsrad auf Glatteis steht.

Sperrdifferenziale

Um diesem Übel beizukommen, werden Sperrdifferenziale ein­ge­setzt. Konventionell zu den Kegelraddifferenzialen gibt es die Sperrdifferenziale mit mechanisch über Druckringe betätigten Lamellenkupplungen. Auch mit elektrohydraulisch betätigten Lamellen­bremsen oder durch Viscokupplungen können Differenziale gesperrt werden.
Das Torsendifferenzial ist so konstruiert, dass ein bestimmter Sperrwert bereits «eingebaut» ist, und die seit kurzem bei Audi eingesetzten Kronenraddifferenziale bringen die axialen Spreizkräfte mit der Verzahnung auf, wobei es reicht, seitliche Lamellenkupplungen einzubauen (vgl. AUTO&Technik 9/2010).
Nockendifferenzial
mit Sperrwirkung
Bei Subaru und Suzuki kann ebenfalls eine interessante selbstsperrende Differenzialkonstruktion gefunden werden. Das Nockendifferenzial (von den Herstellern Suretracoder Aptrac genannt) besteht aus den Antriebsrädern für die Achswellen. Diese Antriebsräder besitzen, je nach Anwendung, 6 bis 19 Zähne oder Nocken (Position 1 und 4 in Bild 2). Dazwischen befindet sich ein Ring mit Gleitsteinen (2) welche die Drehkraft des Gehäuses auf die Nockenräder weiterleiten. Mit Tellerfedern werden die Gleitsteine zwischen den Nockenrädern eingeklemmt. Die Gleitsteine werden in englischer Sprache «Cam followers» (= Nockenfolger) genannt. Sie folgen den Nocken und treiben diese mit dem Drehmoment an, welches vom Antriebskegelrad über das Tellerrad auf das Differenzialgehäuse geleitet wird (Bild 3).
Wie beim konventionellen Kegelraddifferenzial drehen bei Geradeausfahrt des Autos beide Nockenräder mit gleicher Drehzahl und die Gleitsteine übertragen lediglich die Kraft vom Gehäuse auf die Nockenräder.

Funktion bei Kurvenfahrt

Dreht das rechte Rad in einer Kurve jedoch etwas schneller als das linke, so können die Gleitsteine axial ausweichen und die Differenzdrehzahl zulassen (Bild 4). Die Gleitsteine sind im Gehäuse axial verschiebbar gelagert und reiben mit ihren Flanken an den Nockenwänden der Nockenräder. Dreht das rechte Rad ein bisschen schneller, so kann im Bild 4 die axiale Bewegung der Gleitsteine bei zunehmender Positionsverschiebung der Nockenräder beobachtet werden. Die waagrechte rote Linie stellt die Ausgangslage dar. Das rechte Nockenrad verschiebt sich dann mehr und mehr nach oben, während das linke an der gleichen Position stehen bleibt.
Bei der Kurvenfahrt bleiben natürlich beide Räder nicht stehen, aber die Zeichnungen sind genau so gewählt, dass das linke Nockenrad immer genau nach einer Umdrehung wieder gezeichnet wird. In dieser Zeit hat das rechte (kurvenäussere) Rad eben etwas mehr als eine Umdrehung hinter sich gebracht. Durch diese Relativbewegung zwischen den beiden Nockenrädern bewegen sich nun die Gleitsteine.
Mit zunehmendem Nockenwinkel wird die Normalkraft der Gleitsteinflanken auf die Nocken grösser und damit auch die Sperrwirkung. Ebenfalls die Reibung zwischen Nockenrad und Gleitstein beeinflusst die Sperrwirkung des Differenzials.

Leichtbaudifferenzial

Die technisch aktive Schaeffler Gruppe Automotive aus Deutschland hat kürzlich ein «neues» Leichtbaudifferenzial vorgestellt. Das neue Differenzial wurde bewusst nicht Stirnraddifferenzial genannt. Bei Schaeffler ist man vor allem auf die Baugrösse, die Verzahnungsart und die geringe Masse (ca. -15%) des Differenzials stolz. Es ist bei diesem Getriebetyp sogar gelungen, eine gewisse selbstsperrende Wirkung einzubauen.
Über das grosse Stirnrad fliesst das Drehmoment zu und wird vom Gehäuse auf die Planenten- oder Ausgleichsradachsen geleitet. Von den Ausgleichsradpaaren geht das Drehmoment auf zwei Sonnenräder oder Achswellenräder.

Funktion

Das ganze Differenzial dreht bei Geradeausfahrt als Einheit um die zentrale Achse. Das antreibende Stirnrad (Pos. 1 in Bild 6) ist auf dem Differenzialgehäuse aufgebracht. In diesem Gehäuse stecken auch die Achsen der Planeten- oder Ausgleichsräder. Diese kämmen einerseits miteinander (die dunkle Fläche 4 weist auf die Überdeckung der Ausgleichsräder hin) und andererseits je mit einem Sonnenrad. Die Sonnenräder sind gleichzeitig die Achswellenräder und treiben über die Gelenkwellen direkt die Räder an. Dreht bei Kurvenfahrt das kurvenäussere Rad schneller, so bewegt sich auch das entsprechende Sonnenrad (z.B. 6 in Bild 6) schneller und treibt damit das Ausgleichsrad 3 entsprechend an. Da dieses jedoch im Gehäuse festgehalten wird, dreht es jetzt um seine eigene Achse, welche im Gehäuse steckt. Es kämmt aber gleichzeitig mit dem Ausgleichsrad 2. Wenn das Ausgleichsrad 3 im Uhrzeigersinn dreht, wird das Ausgleichsrad 2 im Gegenuhrzeigersinn drehen und so das Sonnenrad 5 abbremsen. Durch diese Kinematik gelingt genau der gleiche Effekt, der vom Kegelraddifferenzial her bekannt ist. Die Summe der Drehzahlen beider Achswellenräder geteilt durch 2 ergibt die Drehzahl des Differenzialgehäuses.

Sperrwirkung

Durch die Schrägverzahnung zwischen den Sonnenrädern und den Planetenrädern ergeben sich Axialkräfte, welche die Sonnenräder in Richtung Gehäuse treiben. Werden zwischen diese Zahnräder und das Gehäuse Kupplungsbeläge eingefügt, reiben die Sonnenräder bei grossen Antriebskräften und sperren das Getriebe durch die Verbindung (mechanische Reibung) der Sonnenräder mit dem Differenzialgehäuse. Die Sperrwirkung kann über den Winkel der Schrägverzahnung der Stirnräder beeinflusst werden.

Drehmomentverteilung

Durch den Grössenunterschied der beiden Sonnenräder müsste sich eigentlich auch eine asymmetrische Drehmomentverteilung ergeben. Die Zahnflankenkräfte zwischen den beiden Planetenrädern (1 und 2 in Bild 7) müssen gleich sein, da die Planetenräder sonst gegeneinander drehen würden. Durch eine spezielle Verzahnung dieser Stirnräder ist es jedoch gelungen, die (kraft-)wirksamen Durchmesser zwischen den Planetenrädern und zwischen den einzelnen Planetenrädern und ihren Sonnenrädern unterschiedlich zu halten. Da in den Zahnradpaarungen Kräfte auf Radien wirken, kann über das Hebelgesetz bestimmt werden, dass ein gleiches Übersetzungsverhältnis erreicht wird, wenn der kleinere Radius des Planetenrades auf den kleineren Radius des Sonnenrades und dementsprechend der grössere Radius des Planetenrades auf den grösseren Radius des Sonnenrades wirkt. So kann im Bild 7 festgestellt werden, dass zwischen dem Planetenrad 1 und dem Sonnenrad 1, welche die grösseren Radien aufweisen, die kleinere Zahnkraft übertragen wird als bei den kleineren wirksamen Radien von Planetenrad 2 und Sonnenrad 2. Im Endeffekt sind die Drehmomente an den beiden Sonnenrädern aber wieder gleich und die Räder werden gleichmässig angetrieben.
Maschinenbautechnisch ist die vorliegende Lösung nicht ganz optimal und es gab im Vorfeld Bedenken, ob das Differenzial fertigungstechnisch überhaupt realisierbar wäre, ob es wirklich funktionieren würde und ob die Geräusche dann auch in einem vernünftigen Bereich lägen.
Die Ingenieure der Schaeffler Gruppe Automotive nahmen die Herausforderung an und konnten beweisen, dass alles funktioniert und dass das Leichtbaudifferenzial gegenüber einem Kegelraddifferenzial sogar noch um 10 dB leiser ist.

Elektronische Differenziale

Vor Jahren wurde schon versucht, mit Visco-Kupplungen die mechanischen Differenziale zu ersetzen. Die Visco-Kupplungen hatten bezüglich der Sperrwirkung gute Eigenschaften, waren aber mit den ABS-Systemen schlecht kompatibel. Unter dem Begriff «Torque Vectoring» stellten Honda und Mitsubishi (in der Zwischenzeit auch andere Hersteller vgl. «AUTO&Technik» 03/2007), spezielle Hinterachsgetriebe vor, welche tatsächlich die Kraft für das eine Rad mittels einer zusätzlichen Übersetzungsstufe noch erhöhen konnten. Nissan geht beim neuen Juke diesen Schritt nicht ganz so weit, steuert aber die Drehmomente zu den Rädern über zwei elektromagnetisch betätigte Lamellenkupplungen. Die Lamellenkupplungen enthalten gegen 10 Kupplungsscheiben, was klar macht, dass das Motordrehmoment bereits im Getriebe und dann auch noch im Achsantrieb verstärkt werden kann und dann die Hälfte davon über die Kupplungen auf jede Seite geleitet werden muss.
Betrachtet man das Bild 8, fällt natürlich zuerst der freie Raum in der Mitte des Getriebes auf, da wo sich eigentlich das Differenzial befindet. Die beiden gelben Achsstummel leiten das Drehmoment zu den Aussenlamellen der Kupplungen, welche elektromag­netisch über eine Steuerkupplung und einen mechanischen Kugelrampenmechanismus kraftschlüssig werden. So ist es klar, dass theoretisch die linke Kupplung geschlossen und die rechte vollständig gelöst werden könnte. Dies würde dazu führen, dass das gesamte Drehmoment, welches der Hinterachse zufliesst, auf die linke Seite geleitet wird. Das rechte Rad könnte einfach der Geschwindigkeit entsprechend weiterdrehen. Wir sprechen von einem Sperrwert von 100%.
Fahrsituationen
Im Bild 9 sind die von Nissan gewählten Strategien aufgeführt. Unter 1 ist die normale Innerortsfahrt dargestellt. Das Auto fährt mit konstanter Geschwindigkeit auf gerader Strecke. Da steuert Nissan einen reinen Vorderradantrieb. Wird das Fahrzeug beschleunigt, wird ein bestimmter Drehmoment­anteil der Hinterachse zugeführt und zu gleichen Teilen an die Räder weitergeleitet. Nur bei Kurvenfahrt erhält das kurvenäussere Rad einen grösseren Anteil des Drehmomentes. Dies passiert nicht nur als Fahrdynamikhilfe, sondern um der Aufgabe als Differenzial genügen zu können. In diesem Fahrzustand muss ja eine Kupplung etwas gelöst sein, damit die Räder auch die ungleichen Wege zurücklegen können.
Um die Fahrzustände genau zu analysieren, müssen die Signale der Raddrehzahlsensoren, des Lenkwinkel-, Beschleunigungs- und des Gierwinkelsensors schnell verarbeitet und die Kupplungen im Differenzialgetriebe angesteuert werden. Der elektronische und elektrische Aufwand sind beträchtlich gestiegen, um den mechanischen Aufwand des Differenzials aufzuheben.

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