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| *= Bilder (auch nachbearbeitete ) mit freundlicher Genehmigung der GKN. |
Das Parallelachsendifferenzial (wegen der Schrägverzahnung im englischen auch Helical Gear LSD genannt) Hersteller GKN / TFS) ist im Aufbau den Sperrdifferenzialen von JTEKT (Modell Torsen B), Quaife und GKN (PowrTrak, Bild unten) recht ähnlich. Obwohl die Mechanik ein wenig undurchsichtig scheint, ist das Prinzip recht einfach, wenn man sich die Grundidee vor Augen hält:
Eine Sperre ist ein offenes Differenzial, dessen Wirkungsgrad verschlechtert wurde, um die Ausgleichsbewegung zu bremsen
Die Basis für das Helical LSD ist das Stirnraddifferenzial
Die prinzipbedingte Reibung der Schraubenverzahnung (engl. helical gear) erzeugt gegenüber einer Geradverzahnung zusätzliche Kräfte (wegen des Schrägungswinkels der Verzahnung) die sich am Gehäuse abstützen und an den Kontaktstellen erhöhte Reibung verursachen.
In der Beschreibung soll davon ausgegangen werden, dass diese Sperre in einem Fahrzeug mit Heckantrieb eingebaut ist.
Bild 2:
Das Differenzial wird bei (A) angetrieben, dort befindet sich beispielsweise ein Tellerrad, welches über eine Kardanwelle mit dem Getriebe verbunden ist.
Die Räder werden über (L) und (R) angetrieben, dies sind die beiden Ausgänge des Differenzials.
Der Kraftfluss geht vom Gehäuse zunächst auf die Planetenräder (D) und (E) und von dort auf die Seitenräder (C) und (F).
Die Planetenräder (D) und (E) sind immer paarweise zusammengebaut - dies ist in diesem Bild nicht zu sehen, das vor (D) liegende Zahnrad viel dem Schnitt zum Opfer und das hinter (E) liegende Planetenrad ist nicht zu sehen.
Wenn sich (D) dreht, überträgt es somit die Bewegung immer auf sein benachbartes Planetenrad (E).
Wenn beide Räder gleich schnell auf der Fahrbahn abrollen, dann läuft das Sperrdifferenzial als Block um, d.h. es bewegt sich im inneren des Differenzials nichts. Die Verzahnungen (C), (D), (E) und (F) kämmen nicht miteinander, es gibt also keine Reibung und 100% der Leistung wird an die Räder übertragen.
Wenn sich die Räder (L) und (R) unterschiedlich schnell bewegen, führt dies dazu, dass sich auch die Seitenräder (C) und (F) unterschiedlich schnell drehen. Da (C) mit (D), (D) mit (E) und (E) mit (F) kämmt, sind die Räder (L) und (R) über Verzahnungen verbunden, können sich also nicht unabhängig voneinander drehen.
Bild 3 zeigt, wo die Schrägverzahnungen zu mehr Reibung führen:
Zunächst muss das gesamte Drehmoment vom Gehäuse auf die Planetenräder übertragen werden. Da die Planetenräder (D) und (E) nicht auf Achsen gelagert werden, drückt das Gehäuse über die Zahnköpfe tangential auf die Planetenräder. Dadurch entsteht auf der kleinen Fläche der Zahnköpfe ein großer Druck, der die Ausgleichsbewegung hemmt.
Durch die Schräge in der Verzahnung entstehen Kräfte in (L) bzw. (R) Richtung. Dadurch werden alle vier Zahnräder bei (1) und (3) gegen das Gehäuse gedrückt und erzeugen bei Bewegung zusätzliche Reibung.
Durch die Schräge in der Verzahnung entstehen Kräfte nach außen. Dadurch werden alle vier Zahnräder mit den Köpfen der Zähne radial in die Taschen des Gehäuses (2) gedrückt und erzeugen bei Bewegung zusätzliche Reibung.
Beim Abwälzen der Räder entsteht Gleitreibung an den Stellen (4) und bei (5) zwischen den verbundenen Rädern (D) und (E).
Diese Reibung entsteht, sobald über (A) ein Antriebsmoment übertragen wird. Je höher das Antriebsmoment, um so höher die Reibungskräfte. Das Sperrmoment entspricht also einem prozentualen Anteil des Antriebsmomentes, weshalb man diesen Sperrentyp auch als ‘Torque Sensing’ oder ‘drehmomentfühlend’ bezeichnet.
Bild 4 zeigt den Fluss der Antriebsmomente über das Gehäuse zu den Planeten und von dort auf die Seitenräder.
Wenn beide Räder gleichschnell drehen, dann läuft das Sperrdifferenzial als Block um, d.h. es gibt kein Wälzen zwischen den Zahnrädern (C)-(D)-(E)-(F).
Wenn das Fahrzeug in eine Kurve fährt, verhindert das Differenzial so lange die Ausgleichsbewegung, bis das Verhältnis der Drehmomente so groß geworden ist, das sie den Torque Bias überschreiten. Dann gibt es ein Losbrechen der Verzahnung und es entsteht Reibung und Wärme durch die Ausgleichsbewegung.
Wenn die Räder gegeneinander drehen (das Sperrdifferenzial die Ausgleichsbewegung zulässt), dann wird ein Teil des Drehmomentes auf das langsamere Rad umverteilt. Das Verhältnis zwischen den Drehmomenten erreicht dann den Wert des Torque Bias.
Bild 4 zeigt zwei Leistungsflüsse: Die gelben Pfeile zeigen den Leistungs- und Drehmomentfluss bei gleichschnellen Rädern und gleicher Drehmomentverteilung und die roten Pfeile zeigen den Fluss bei unterschiedlichen Drehzahlen unter Last (also mit Antriebsmoment.
Dabei wird ein Teil der Drehmomente über die Reibkontakte an den Rädern (D) und (E) übertragen, die sich zusätzlich auf die langsamere Seite übertragen werden.
Wenn es ein wenig undurchsichtig erscheint, kann die Funktion auch anders erklären: Wie wird aus einem Stirnraddifferenzial (Bild 5) mit gutem Wirkungsgrad ein Helical LSD mit schlechtem Wirkungsgrad und damit guter Sperrwirkung?
Das geht in folgenden Schritten:
Die Planetenräder werden nicht mehr auf eigenen Drehachsen gelagert, sondern vom Gehäuse über die Zahnköpfe angeschoben. Das gibt zusätzliche Reibung zwischen Zahnköpfen und Gehäuse = Differenzialkorb
Die Schrägverzahnung führt zu weiteren Kräften, die dazu führen, dass sich die Planetenräder seitlich aus den Taschen herausschieben und verkeilen wollen, dadurch entsteht wieder Reibung
Die Seitenräder werden ebenfalls von den Kräften der Schrägverzahnung entweder ans Gehäuse oder gegeneinander gepresst.
Je nach Auslegung der Verzahnung können die Zähne beim Zahneingriff auch aufeinander gleiten, statt nur abzuwälzen. Dies erzeugt dann weitere Reibmomente.
Drehmomentfühlendes Sperrdifferenzial (torque sensing)
Der hier gezeigte Typ von TFS liefert auslegungsabhängig einen Torque Bias zwischen 2...3; Die Einstellung erfolgt über den Winkel der Schraubenräder.
Einsatz als Zentraldifferenzial oder als Achsdifferenzial
Maximale Sperrwirkung kann drehrichtungsabhängig sein. Dazu kann man z.B. die Anlaufscheiben beschichten oder ein Axialnadellager zwischen die Seitenräder einsetzen.
Hängt ein Rad in der Luft, wird auf das andere Rad auch kein Moment übertragen.
So lange Antriebsleistung übertragen wird, sperrt das Helical LSD, unabhängig von der Drehzahldifferenz. Auch bei weiten Kurven führt das dazu, dass das Differenzial das Fahrzeug wieder auf Geradeaus-Kurs bringen will. Das Sperrdifferenzial fördert in diesem Fahrzustand ein Untersteuern.
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