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Offenes Differenzial bedeutet, dass dieses Ausgleichsgetriebe nahezu keine Sperrwirkung hat. Im Alltagsbetrieb ist es völlig unauffällig, da es praktische keinen Einfluss auf die Lenkung hat. Bemerkbar wird es erst, wenn uns Traktionsprobleme am Vorwärtskommen hindern.
Wie bereits angedeutet, ist das Differenzial ein spezielles Planetengetriebe, bei dem Sonnenrad und Hohlrad gleichgroß sind. Nehmen wir für diese Erklärung an, dass es sich bei den Differenzialen um Achsdifferenziale eines Fahrzeugs mit Standardantrieb (Motor vorne, Antrieb hinten) handelt.
Bild 1: Die übliche Bauform für Pkw ist das Kegelraddifferenzial. Dabei wird der Differenzialkorb (DK) von der Kardanwelle her angetrieben (K). Im Differenzialkorb (DK) sind die Planetenräder (P) so gelagert (L), dass sie sich frei um ihre eigene Achse (B) drehen können, aber um die Achse (A) die Bewegung des Differenzialkorbes (DK) mitmachen müssen. Dabei nehmen sie auch die Seitenräder (S) mit, die wiederum mit den Rädern des Fahrzeugs (bei R über Gelenkwellen angeschlossen) verbunden sind.
Wenn nun das Fahrzeug in einer Kurve fährt, dreht sich ein Seitenrad (S) etwas schneller als der Differenzialkorb (DK), das andere dreht sich etwas langsamer als der Differenzialkorb (DK). Die Planetenräder (P) drehen sich dadurch um ihre eigene Achse (B) übertragen aber trotzdem noch das Antriebsmoment auf die Räder.
Diese Funktion wird übrigens auf www.HowStuffWorks.com sehr gut in einer Animation (103 kB, Shockwave erforderlich) dargestellt.
Der Name ‘Kegelraddifferenzial’ kommt von der Art der Verzahnung. Im Prinzip ist jedes Zahnrad ein Kegelstumpf, auf dessen Mantelfläche sich die Verzahnung befindet. Bei Kegelrädern gibt es eine geometrische Bedingung, damit die Verzahnung einwandfrei läuft: Wenn zwei Kegel aufeinander abrollen sollen, ohne zu rutschen (der im Falle von verzahnten Kegelrädern: zu klemmen), dann müssen die Spitzen der Kegel sich in einem Punkt treffen (im Bild durch das X angedeutet).
Bild 2: Das Stirnraddifferenzial sollte man sich vor allem dann ansehen, wenn man die Funktion von Helical LSD und Torsen B verstehen möchte. Grundsätzlich muss ein Planetendifferenzial so funktionieren, dass bei festgehaltenem Differenzialkorb das Drehen des einen Seitenrades zu einem entgegengesetzten Drehen des anderen Seitenrades bei gleicher Geschwindigkeit führt. Bei Planetengetrieben wird diese Eigenschaft als Standübersetzung i0 bezeichnet, die in diesem Falle i0 = -1 ist.
Der wesentliche Unterschied zwischen Stirnrad- und Kegelraddifferenzial ist die Lage der Achse (B) der Planetenräder (P). Wenn man die Seitenräder über ein Planetenrad verbinden wollte, wäre die Standübersetzung i0 = +1, so dass die Planetenräder paarweise eingebaut werden müssen.
Sonst ist eigentlich alles gleich: Die Planetenräder sind im Differenzialkorb (DK) auf ihrer Drehachse gelagert (L) und werden vom Differenzialkorb mitgenommen und eine Ausgleichsbewegung der Räder wird über die Planetenradpaare ermöglicht.
Die Bezeichnung ‘Stirnraddifferenzial’ kommt von der Verzahnung. Im Prinzip ist das Zahnrad ein Zylinder, auf dessen Mantelfläche sich die Verzahnung befindet.
Bild 3 zeigt ein komplettes Achsgehäuse (ausgestellt im Verkehrszentrum des Deutschen Museums). Von der Antriebsseite (A) wird das Tellerrad (T) angetrieben, welches seinerseits fest mit dem Differentialkorb (D) verbunden ist. Auf beiden Seiten des Achsgehäuses werden Gleichlaufgelenke (G) eingesetzt, die das Differenzial mit den Rädern verbindet.
Bild 4 zeigt eine angetriebene Lkw-Achse (ITO 6/6008 Triebachse) aus dem Jahre 1965, ausgestellt im Museum "Achse, Rad und Wagen" der Firma BPW. Hier handelt es sich um eine Starrachse, so dass am Differenzial keine Gleichlaufgelenke angeschlossen werden.
Seit wann gibt es offene Differenziale? Hat Carl Benz das erste eingesetzt, wie es gelegentlich in der Literatur erwähnt wird? Carl Benz kam mit einem Fahrzeug 1886 auf den Markt, welches unter anderen Details auch ein Differenzial besaß. Das amerikanische Patentamt hat unter der Nummer 194980 am 11.09.1877 ein vierrädriges Fahrrad von E. Whitehead mit einem Differenzial patentiert (Bild 5)
Die früheste Erwähnung, die ich finden konnte, nennt den Pariser Onésiphore Pecqueur (1792-1852) als Erfinder, er soll es 1827 patentiert haben. Von ihm fand ich in den USA weitere Patente zur Lederriemenherstellung (das US Patentamt stellt derzeit die ältesten Patentschriften online zur Verfügung), doch leider sind die US-Patente vor 1837 verbrannt und die französischen Patente nicht auffindbar.
Bild 6: Eine andere US-Anmeldung, welche unter der Nr. 1190667 am 11.07.1916 für M. Tibbets patentiert wurde, zeigt ein geradezu minimalistisches Differenzial und hat wahrscheinlich schon von Natur aus die Eigenschaften eines Sperrdifferenzials. Die blauen Flächen zeigen, dass es nur Seitenräder hat, die direkt miteinander kämmen und vom Gehäuse angetrieben werden. Planetenräder gibt es nicht! Zusätzlich hat das Differenzial eine mechanische Vollsperre (100%).
Wenn das Fahrzeug geradeaus fährt, drehen sich die Planetenräder nicht um ihre eigene Achse und die Zahnräder wälzen nicht aufeinander ab. Der Wirkungsgrad ist in diesem Falle 100%
Die Leistung, die über ein Planetengetriebe übertragen werden kann, läßt sich in gewissen Grenzen dadurch steigern, dass weitere Planetenräder eingebaut werden. Dadurch ergibt sich eine Leistungsverzweigung. In der Regel wird das Kegelraddifferenzial mit zwei Planetenrädern bestückt, bei höherer Last werden auch drei oder vier Planetenräder eingebaut.
Wenn man von einem Differential spricht, ist üblicherweise eine Momentenverteilung von 50:50 zwischen den Abtriebsseiten gemeint. Es kann daher höchstens das doppelte Antriebsmoment dessen übertragen werden, was auf der rutschigeren Seite auf die Straße gebracht werden kann.
