Wie Differentiale funktionieren

Das Differential ist ein Gerät, das das Motordrehmoment auf zwei Arten aufteilt, sodass sich jeder Ausgang mit einer anderen Drehzahl drehen kann.

Das Differential ist bei allen modernen Autos und Lastwagen sowie bei vielen Allradfahrzeugen (Vollzeit-Allradfahrzeugen) zu finden. Diese Fahrzeuge mit Allradantrieb benötigen ein Differential zwischen jedem Satz von Antriebsrädern und eines zwischen den Vorder- und Hinterrädern, da die Vorderräder in einer Kurve eine andere Strecke zurücklegen als die Hinterräder.

Teilzeit-Allradsysteme haben keinen Unterschied zwischen Vorder- und Hinterrad. Stattdessen sind sie miteinander verriegelt, sodass sich die Vorder- und Hinterräder mit der gleichen Durchschnittsgeschwindigkeit drehen müssen. Aus diesem Grund ist es schwierig, diese Fahrzeuge auf Beton zu schalten, wenn der Allradantrieb aktiviert ist.

Wir werden mit der einfachsten Art von Differential beginnen, die als an bezeichnet wird Differential öffnen. Zuerst müssen wir einige Begriffe untersuchen: Das folgende Bild kennzeichnet die Komponenten eines offenen Differentials.

Wenn ein Auto gerade die Straße hinunterfährt, drehen sich beide Antriebsräder mit der gleichen Geschwindigkeit. Das Eingangsritzel dreht den Zahnkranz und den Käfig, und keines der Ritzel im Käfig dreht sich - beide Seitenräder sind effektiv am Käfig verriegelt.

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Animation mit freundlicher Genehmigung von Geebee's Vector Animations

Beachten Sie, dass das Eingangsritzel ein kleineres Zahnrad als das Hohlrad ist. Dies ist die letzte Untersetzung im Auto. Sie haben vielleicht Begriffe wie gehört Hinterachsübersetzung oder Achsübersetzung. Diese beziehen sich auf das Übersetzungsverhältnis im Differential. Wenn die Achsübersetzung 4,10 beträgt, hat der Zahnkranz 4,10-mal so viele Zähne wie das Eingangsritzel. Weitere Informationen zu Übersetzungsverhältnissen finden Sie unter Funktionsweise von Zahnrädern.

Wenn ein Auto eine Kurve macht, müssen die Räder mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten durchdrehen.

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Animation mit freundlicher Genehmigung von Geebee's Vector Animations

In der Abbildung oben sehen Sie, dass sich die Ritzel im Käfig zu drehen beginnen, wenn sich das Auto zu drehen beginnt, sodass sich die Räder mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten bewegen können. Das Innenrad dreht sich langsamer als der Käfig, während sich das Außenrad schneller dreht.

Differential öffnen - gerade (600KB)

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Differential öffnen - Drehen (1,1 MB)

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Das offene Differential gilt immer die gleiche Menge von Drehmoment zu jedem Rad. Es gibt zwei Faktoren, die bestimmen, wie viel Drehmoment auf die Räder ausgeübt werden kann: Ausrüstung und Traktion. Bei trockenen Bedingungen und bei ausreichender Traktion wird das auf die Räder ausgeübte Drehmoment durch Motor und Getriebe begrenzt. In einer Situation mit geringer Traktion, z. B. beim Fahren auf Eis, ist das Drehmoment auf den größten Betrag begrenzt, der unter diesen Bedingungen nicht zum Durchrutschen eines Rads führt. Obwohl ein Auto möglicherweise mehr Drehmoment erzeugen kann, muss genügend Traktion vorhanden sein, um dieses Drehmoment auf den Boden zu übertragen. Wenn Sie dem Auto mehr Gas geben, nachdem die Räder zu rutschen beginnen, drehen sich die Räder nur schneller.

Auf dünnem Eis

Wenn Sie jemals auf Eis gefahren sind, kennen Sie vielleicht einen Trick, der das Beschleunigen erleichtert: Wenn Sie im zweiten Gang oder sogar im dritten Gang anstatt im ersten Gang starten, steht Ihnen aufgrund des Getriebes im Getriebe weniger Drehmoment zur Verfügung zu den Rädern. Dies erleichtert das Beschleunigen ohne Durchdrehen der Räder.

Was passiert nun, wenn eines der Antriebsräder eine gute Traktion hat und das andere auf Eis liegt? Hier kommt das Problem mit offenen Differentialen ins Spiel.

Denken Sie daran, dass das offene Differential immer das gleiche Drehmoment auf beide Räder ausübt und das maximale Drehmoment auf den größten Betrag begrenzt ist, der die Räder nicht durchrutschen lässt. Es braucht nicht viel Drehmoment, um einen Reifen auf Eis rutschen zu lassen. Und wenn das Rad mit guter Traktion nur das sehr geringe Drehmoment erhält, das mit weniger Traktion auf das Rad ausgeübt werden kann, bewegt sich Ihr Auto nicht sehr viel.

Off Road

Ein anderes Mal können offene Differentiale Sie in Schwierigkeiten bringen, wenn Sie im Gelände fahren. Wenn Sie einen LKW mit Allradantrieb oder einen SUV mit offenem Differential vorne und hinten haben, können Sie stecken bleiben. Denken Sie jetzt daran - wie auf der vorherigen Seite erwähnt, übt das offene Differential immer das gleiche Drehmoment auf beide Räder aus. Wenn einer der Vorderreifen und einer der Hinterreifen vom Boden abfällt, drehen sie sich nur hilflos in der Luft und Sie können sich überhaupt nicht bewegen.

Die Lösung für diese Probleme ist die Sperrdifferential (LSD), manchmal auch genannt Positraktion. Sperrdifferentiale verwenden verschiedene Mechanismen, um eine normale Differenzialwirkung beim Abbiegen zu ermöglichen. Wenn ein Rad durchrutscht, kann mehr Drehmoment auf das rutschfeste Rad übertragen werden.

In den nächsten Abschnitten werden einige der verschiedenen Arten von Sperrdifferentialen beschrieben, darunter das Kupplungs-LSD, die Viskosekupplung, das Sperrdifferential und das Torsen-Differential.

Das Sperrdifferential vom Kupplungstyp fügt dem offenen Differential ein Federpaket und einen Satz Kupplungen hinzu. Mit freundlicher Genehmigung der Division Torque Control Products der Eaton Automotive Group

Das Kupplungs-LSD ist wahrscheinlich die gebräuchlichste Version des Sperrdifferentials

Diese Art von LSD hat alle die gleichen Komponenten wie ein offenes Differential, fügt jedoch a hinzu Federpack und eine Reihe von Kupplungen. Einige davon haben eine Kegelkupplung, die genau wie die Synchronisierer in einem Schaltgetriebe ist.

Das Federpaket drückt die Seitenräder gegen die Kupplungen, die am Käfig befestigt sind. Beide Seitenräder drehen sich mit dem Käfig, wenn sich beide Räder mit der gleichen Geschwindigkeit bewegen und die Kupplungen nicht wirklich benötigt werden. Das einzige Mal, wenn die Kupplungen einspringen, ist, wenn etwas passiert, das ein Rad schneller dreht als das andere, wie in eine Wendung. Die Kupplungen bekämpfen dieses Verhalten und möchten, dass beide Räder die gleiche Geschwindigkeit erreichen. Wenn ein Rad schneller durchdrehen möchte als das andere, muss es zuerst die Kupplung übersteuern. Die Steifigkeit der Federn in Kombination mit der Reibung der Kupplung bestimmt, wie viel Drehmoment erforderlich ist, um sie zu überwältigen.

Zurück zu der Situation, in der sich ein Antriebsrad auf dem Eis befindet und das andere eine gute Traktion aufweist: Mit diesem Sperrdifferential kann das andere Rad nicht viel Drehmoment auf den Boden übertragen, obwohl das Rad auf dem Eis nicht viel Drehmoment auf den Boden übertragen kann Holen Sie sich immer noch das Drehmoment, das es braucht, um sich zu bewegen. Das Drehmoment, das dem Rad auf dem Eis zugeführt wird, entspricht dem Drehmoment, das zum Übersteuern der Kupplungen erforderlich ist. Das Ergebnis ist, dass Sie sich vorwärts bewegen können, obwohl Sie immer noch nicht die volle Leistung Ihres Autos haben.

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Das viskose Kupplung wird oft in Allradfahrzeugen gefunden. Es wird üblicherweise verwendet, um die Hinterräder mit den Vorderrädern zu verbinden, so dass das Drehmoment auf den anderen Satz übertragen wird, wenn ein Radsatz zu rutschen beginnt.

Die viskose Kupplung hat zwei Sätze von Platten in einem abgedichteten Gehäuse, das mit einer dicken Flüssigkeit gefüllt ist, wie unten gezeigt. Ein Satz Platten ist mit jeder Abtriebswelle verbunden. Unter normalen Bedingungen drehen sich beide Plattensätze und die viskose Flüssigkeit mit der gleichen Geschwindigkeit. Wenn ein Radsatz versucht, schneller zu drehen, möglicherweise weil er rutscht, dreht sich der diesen Rädern entsprechende Plattensatz schneller als der andere. Die viskose Flüssigkeit, die zwischen den Platten steckt, versucht, die schnelleren Scheiben einzuholen, und zieht die langsameren Scheiben mit sich. Dies überträgt mehr Drehmoment auf die sich langsamer bewegenden Räder - die Räder, die nicht durchrutschen.

Wenn ein Auto dreht, ist der Geschwindigkeitsunterschied zwischen den Rädern nicht so groß wie wenn ein Rad durchrutscht. Je schneller sich die Platten relativ zueinander drehen, desto mehr Drehmoment überträgt die viskose Kupplung. Die Kupplung stört die Windungen nicht, da das während einer Kurve übertragene Drehmoment so gering ist. Dies zeigt jedoch auch einen Nachteil der viskosen Kupplung: Es erfolgt keine Drehmomentübertragung, bis ein Rad tatsächlich zu rutschen beginnt.

Ein einfaches Experiment mit einem Ei erklärt das Verhalten der viskosen Kopplung. Wenn Sie ein Ei auf den Küchentisch legen, sind sowohl die Schale als auch das Eigelb stationär. Wenn Sie das Ei plötzlich drehen, bewegt sich die Schale für eine Sekunde schneller als das Eigelb, aber das Eigelb holt schnell auf. Um zu beweisen, dass sich das Eigelb dreht, stoppen Sie das Ei, sobald es sich dreht, und lassen Sie es dann los - das Ei beginnt sich wieder zu drehen (es sei denn, es ist hart gekocht). In diesem Experiment haben wir die Reibung zwischen der Schale und dem Eigelb verwendet, um Kraft auf das Eigelb auszuüben und es zu beschleunigen. Als wir die Schale stoppten, übte diese Reibung - zwischen dem sich noch bewegenden Eigelb und der Schale - eine Kraft auf die Schale aus, wodurch sie schneller wurde. Bei einer viskosen Kupplung wird die Kraft zwischen der Flüssigkeit und den Plattensätzen auf die gleiche Weise wie zwischen dem Eigelb und der Schale aufgebracht.

Mit freundlicher Genehmigung der Division Torque Control Products der Eaton Automotive Group

Das Sperrdifferential ist nützlich für ernsthafte Geländefahrzeuge. Diese Art von Differential hat die gleichen Teile wie ein offenes Differential, fügt jedoch einen elektrischen, pneumatischen oder hydraulischen Mechanismus hinzu, um die beiden Ausgangsritzel miteinander zu verriegeln.

Dieser Mechanismus wird normalerweise manuell per Schalter aktiviert, und wenn er aktiviert ist, drehen sich beide Räder mit der gleichen Geschwindigkeit. Wenn ein Rad vom Boden abhebt, weiß das andere Rad nichts davon. Beide Räder drehen sich mit der gleichen Geschwindigkeit weiter, als hätte sich nichts geändert.

Das Torsen Differential* ist ein rein mechanisches Gerät; Es hat keine Elektronik, Kupplungen oder viskose Flüssigkeiten.

-Die Torsen (aus Torque Sen.sing) arbeitet als offenes Differential, wenn das Drehmoment, das zu jedem Rad geht, gleich ist. Sobald ein Rad die Traktion verliert, führt der Drehmomentunterschied dazu, dass die Zahnräder im Torsen-Differential zusammenbinden. Die Auslegung der Zahnräder im Differential bestimmt die Drehmomentvorspannungsverhältnis. Wenn beispielsweise ein bestimmtes Torsen-Differential mit einem Vorspannungsverhältnis von 5: 1 ausgelegt ist, kann es bis zu fünfmal mehr Drehmoment auf das Rad mit guter Traktion ausüben.

Diese Geräte werden häufig in Hochleistungsfahrzeugen mit Allradantrieb eingesetzt. Wie die viskose Kupplung werden sie häufig zur Kraftübertragung zwischen Vorder- und Hinterrad eingesetzt. In dieser Anwendung ist der Torsen der viskosen Kupplung überlegen, da er das Drehmoment auf die stabilen Räder überträgt, bevor das eigentliche Durchrutschen auftritt.

Wenn jedoch ein Radsatz die Traktion vollständig verliert, kann das Torsen-Differential dem anderen Radsatz kein Drehmoment zuführen. Das Vorspannungsverhältnis bestimmt, wie viel Drehmoment übertragen werden kann, und fünf mal Null ist Null.

* *TORSEN ist eine eingetragene Marke von Zexel Torsen, Inc..

Hummer!

Das HMMWV oder Hummer verwendet Torsen®-Differentiale an Vorder- und Hinterachse. Die Bedienungsanleitung für den Hummer schlägt eine neuartige Lösung für das Problem vor, dass ein Rad vom Boden abhebt: Bremsen. Durch Betätigen der Bremsen wird ein Drehmoment auf das in der Luft befindliche Rad ausgeübt, und dann kann das Fünffache dieses Drehmoments mit guter Traktion auf das Rad übertragen werden.

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