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Fahrzeugtechnik

Differenzial

Innerhalb dieses Kurstextes thematisieren wir das Differenzial und beginnen direkt mit einem Beispiel.

 

Beispiel für die Wichtigkeit eines Differenzials

Beispiel

Hier klicken zum Ausklappen Stell dir vor, du fährst mit deinem Fahrzeug auf einem großen leeren Parkplatz eine Runde im Kreis.
Kurvenradius
Kurvenradius


Bei dieser Kurvenfahrt ist die zurückgelegte Strecke des kurveninneren Rades entsprechend des Radius kürzer als die des kurvenäußeren Rades. Würden jetzt beide Räder gleich schnell drehen, entstünde am kurveninneren Rad ein Antriebsschlupf und am kurvenäußeren Rad ein Bremsschlupf. Die Folgen wären fatal, da das Auto kurvenunwillig würde und an den Rädern ein großer Verschleiß entstünde. Zudem wäre das Moment an den Antriebswellen außerordentlich hoch. Ein Differenzial wirkt diesen Problemen entegegen. 

Aufbau und Funtionsweise eines Differenzials im Achsgetriebe

In der nächsten Abbildung siehst du die schematische Darstellung eines Differenzials und einen Achsgetriebes mit entsprechenden Bezeichnungen.

Differential
Differential

 

Das Kegelrad treibt das Tellerrad, welches direkt mit dem Differenzialgehäuse verbunden ist, an. Im Gehäuse befinden sich die Ausgleichsräder, die auf einer Welle laufen. Die Aufgabe der Ausgleichsräder ist es das Moment auf die Kegelräder zu übertragen. Diese sind mit den Antriebswellen verbunden. 

Geradeausfahrt

Fährt das Fahrzeug gerade aus, laufen beide Antriebswellen mit der gleichen Geschwindigkeit und die Ausgleichsräder bleiben auf den Wellen stehen. Differenzialgehäuse und Abtriebswellen drehen gleich schnell. 

Kurvenfahrt

Fährt das Fahrzeug in eine Kurve so dreht die Antriebswelle des kurveninneren Rad langsamer und die Ausgleichsräder drehen sich nun auf den Wellen. Infolgedessen dreht sich die Antriebswelle des kurvenäußeren Rad schneller als das Differenzialgehäuse.

Drehzahl und Moment

Für die Bestimmung der Drehzahlen können wir die nachfolgende Gleichung verwenden:

Methode

Hier klicken zum Ausklappen Drehzahl: $ \eta_{Tellerad} = \frac{\eta_{links} + \eta_{rechts}}{2} $  

 

Für die auftretenden Momente können wir diese Gleichung verwenden:

Methode

Hier klicken zum Ausklappen Moment: $ M_{Tellerad} = 2 \cdot M_{links} = 2 \cdot M_{rechts} \rightarrow \frac{M_{Tellerad}}{2} = M_{links} = M_{rechts} $

Merke

Hier klicken zum Ausklappen Bei der Gleichung des Moments wurde die auftretende Reibung im Differenzial vernachlässigt. 

 

Wie man der Gleichung für die Momente entnehmen kann, müssten die Antriebsmomente an beiden Rädern identisch sein. Dies würde jedoch zu starken Problemen bei Kurvenfahrten mit unterschiedlicher Radlast bzw. einseitig glatter Fahrbahn führen. Denn auf der betroffenen Seite würde das laufende Rad durchdrehen und das übertragene Antriebsmoment gering. 
Das Problem, welches nun auftritt ist, dass das Differenzial beide Räder mit dem gleichen Moment versorgt und das Antriebsmoment am Rad auf der griffigen Seite im gleichen Maß abnimmt.

 

Beispiel

Hier klicken zum Ausklappen Extremfall:

Bei einseitig glatter Fahrbahn würde in einer Kurvenfahrt das haftlose Rad mit doppelter Differenzialdrehzahl laufen und das haftende Rad stehen bleiben. Eine Vorwärtsfahrt wäre somit nicht mehr möglich.

 

Differenzialsperren beheben dieses Problem, indem sie die Ausgleichsräder blockieren oder Abbremsen. Realisiert wird dies über Kupplungselemente. Den gleichen Zweck erfüllt die Antriebsschlupfregelung, die einen einseitigen Bremseingriff erzeugt und das haftlose Rad abbremst. Das hat dann widerum zur Folge, dass ein höheres Antriebsmoment an diesem Rad benötigt wird. Dieses höhere Moment wird durch das Differenzial auf das andere Rad übertragen und erlaubt eine Weiterfahrt des Fahrzeugs.