Die Lamellensperre im Detail

Nach Studium der Sperrenvarianten kommen wir also zu dem Schluss, dass eine Lamellensperre für motorsportlichen Einsatz die flexibelste und interessanteste Option ist. Aber Lamellensperre ist nicht gleich Lamellensperre... auf das Setup kommt es an! Viele Parameter stehen zur Verfügung aber nur wenn man im Detail weiss, welche Stellschraube was bewirkt kann man ein perfektes Lamellen-Sperrdifferenzial bauen (lassen) und damit die maximale Performance aus seinem Wagen kitzeln bzw. bewusst Einfluss auf das Handling des Fahrzeugs nehmen.

 

Wie arbeitet eine Lamellensperre und was bewirkt das an den Antriebsrädern?

Eine Lamellensperre kann grundsätzlich nur zwei Zustände annehmen:
voll gesperrt (gleiche Drehzahl aber unterschiedl. Drehmoment der Räder) oder
differenzierend (unterschiedl. Drehzahl und nicht weiter ansteigende Drehmomentdifferenz)!

Da eine Lamellensperre die notwendigen Reibungsarten (Haft- und Gleitreibung) ähnlich einer Kupplung erzeugt, rufen wir uns der Anschaulichkeit halber die Funktionsweise eine Kupplung ins Gedächtnis: Sofern das Kupplungspedal nicht betätigt wird, stellt die Reibscheibe eine feste Verbindung in Form von Haftreibung zum Schwungrad her. Durch Betätigung des Kupplungspedals kann nun der Druck der Reibscheibe auf das Schwungrad reduziert werden bis die beiden Scheiben unterschiedlich schnell drehen und damit in die Gleitreibung übergegangen sind. Nun ist das Getriebe vom Motor entkoppelt.

Genauso verhält es sich im Prinzip bei der Lamellensperre. Auch hier herrscht generell (zumindest wenn eine Vorspannung wirkt) eine feste Verbindung der Innen- und Aussenlamellen und damit eine feste Verbindung beider Antriebsräder. Je höher das zusätzlich zur Vorspannung vom Antriebsstrang (durch Gas geben oder aber Motorbremse) eingebrachte Drehmoment ist, desto kräftiger werden die Druckringe über ihre Rampen an den Differenzialachsen axial nach aussen gepresst. Dadurch wird der Druck auf das Lamellenpaket lastabhängig verändert.
Mehr Last: mehr Druck.
Weniger Last: weniger Druck.

Wie kann aber nun eine Lamellensperre in den differenzierenden Modus gebracht werden? Also wann "macht die Sperre auf", um einen Drehzahlausgleich der Abtriebsräder zuzulassen?
Dies geschieht genau dann, wenn die Drehmoment-Differenz der beiden Antriebsräder einen definierten Wert überschreitet. Dieser definierte Wert ist der sogenannte "Sperrgrad" oder auch "Torque Biasing Ratio" (TBR).

 

Arbeitsweise eines offenen Differenzials (blau), eines 25% (grün) und eines 75% Lamellen-Sperrdifferenzials (rot).

 

Je höher also der Sperrgrad, desto länger "bleibt die Sperre zu", bleibt also im voll gesperrten Modus und lässt darin keinen Drehzahlausgleich zu. Im Bild oben entspricht jeweils der farbig schraffierte Bereich dem voll gesperrten Modus.
Darüber hinaus kann vom Fahrer per Gaspedal sehr spezifisch Einfluss auf das Verhalten der Sperre genommen werden. Je mehr Gas (oder Motorbremse) er zulässt, desto kräftiger lässt er die Sperre sperren. Wenn er per leichtem Gaseinsatz kein Drehmoment einführt (also mit leichtem Schleppgas die Kräfte aus Gas und Motorbremse kompensiert), erreicht er den minimalen Sperrgrad in Höhe der Vorspannung bzw. bei vorspannungslosem Setup sogar ein komplett offenes Differenzial ohne Sperrwirkung.

Der jeweils in einer bestimmten Fahrsituation aktuelle Sperrgrad ist also einerseits vom gewählten Setup der Sperre abhängig, andererseits auch von der vom Fahrer gewählten Gasstellung.

Sobald nun bei Kurvenfahrt die Drehmomentdifferenz der beiden Antriebsräder größer ist als der aktuelle Sperrgrad, macht die Sperre "auf" und die Lamellen gehen von der Haft- in die Gleitreibung über. Ab diesem Moment findet nun Drehzahlausgleich statt, d.h. ab jetzt können die beiden Antriebsräder unterschiedlich schnell drehen, was bei Kurvenfahrt auch erwünscht und notwendig ist! Ab jetzt kann aber auch die Drehmoment-Differenz zwischen beiden Rädern nicht mehr steigen, eine Differenz bleibt im Vergleich zu einem offenen Differenzial aber erhalten, da die Lamellen ja auch wenn sie sich gegeneinander bewegen immer noch aneinander reiben.

Der Nachteil bei fehlendem Drehzahlausgleich, also während die Sperre voll gesperrt ist, ist zwangsläufiges Untersteuern! Je höher also der Sperrgrad und/oder die Vorspannung, desto größer ist die Untersteuer-Tendenz des Fahrzeuges. Insofern ist ein hoher Sperrgrad nicht automatisch besser als ein niedriger! Genauso wie ein Fahrwerk nicht je härter desto besser ist!

Allerdings bedeutet ein niedriger Sperrgrad, dass entsprechend weniger Drehmoment-Differenz aufgebaut werden kann und damit Traktionspotential verschenkt wird.

Allgemein gilt, je höher der Grip bzw. die Traktion eines Fahrzeugs, desto höher kann auch der Sperrgrad gewählt werden. Ein Rennwagen mit Slicks kann mehr Sperrgrad vertragen als ein Strassenwagen mit Normalbereifung.

 

Welches Sperrensetup für welchen Zweck?

Beim Sperrensetup kommt es ganz auf den Einsatzzweck an. Eine Sperre für Slalomeinsatz braucht ein völlig anderes Setup als eine Sperre für die Nordschleife. Auch ein Drift-Setup und eine Sperre für den Berg haben natürlich ihre Eigenheiten, die berücktsichtigt werden sollten. Und ein Heckmotor-Elfer braucht ein völlig anderes Setup als ein BMW.

Und oftmals fährt man mit ein und demselben Wagen mehrere motorsportliche Disziplinen und vielleicht sogar noch im normalen Strassenverkehr... hier gilt es dann als Kompromiss ein möglichst harmonisches Allround-Setup zu finden.

Ich will hier nachfolgend nur kurz und sehr verallgemeinert ein paar grundlegende Ratschläge bezügl. des Setups geben, da sich ein konkreter Vorschlag immer erst unterbreiten lässt, wenn viele verschiedene Faktoren bekannt sind und individuell besprochen wurden.

Die folgenden Ratschläge sind also mit Vorsicht zu geniessen und haben keineswegs Allgemeingültigkeit oder Verbindlichkeit!

Sofern man seine Sperre in Richtung Rundstrecke optimieren will, wäre das Ziel ein mittlerer bis hoher Sperrgrad und möglichst geringe Untersteuer-Neigung. Da dies aber wiedersprüchliche Ziele sind, kann man die Untersteuer-Tendenz, die ein hoher Sperrgrad mitbringt z.b. durch eine übersteuernde Fahrwerk- und Stabilisator-Abstimmung ausgleichen! Auf Vorspannung kann ganz verzichtet werden, was die nicht gewünschte Untersteuerneigung im Scheitel eliminiert. Nachteil bei ganz vorspannungslosen Setups in Verbindung mit hohen Sperrgraden ist die recht anspruchsvolle Fahrbarkeit. Das Auto reagiert heftig auf Lastwechsel am Gaspedal. Ein guter Kompromiss ist hier, auf die Vorspannung nicht ganz zu verzichten, aber sehr niedrige Werte (bis ca. 50Nm) zu fahren.

Für den Berg gilt ähnliches wie für das Rundstreckensetup, wobei im Falle von relevanten Fahrbahnunebenheiten oder Verschränkungen in Haarnadelkurven die Vorspannung etwas erhöht werden sollte.

Beim Slalom braucht man im Gegensatz zur Rundstrecke beim Anbremsen kein stabiles Heck sondern will ganz im Gegenteil eher ein agiles, mitlenkendes Heck am Kurveneingang, braucht dann aber viel Traktion am Kurvenausgang. Dies kann über ein Setup realisiert werden, welches einen mittlerern bis hohen Sperrgrad auf Zug hat, auf Schub beim Anbremsen aber kaum oder gar keine Sperrwirkung entfaltet. Bei der Vorspannung gilt es einen Kompromiss zu finden aus wenig Vorspannung für neutrales Handling am Scheitelpunkt aber ausreichend Vortrieb wenn bei den engen Kehren das kurveninnere Rad stark entlastet ist oder sogar die Bodenhaftung verliert.

Zum Driften, speziell auf stark wechselnden Untergründen (nasse Betonplatten, Weiterdriften wenn ein Rad im Gras ist, Eis & Schnee...), nimmt man ebenfalls einen mittleren bis hohen Sperrgrad analog der Rennstrecken-Sperre, jedoch sollte die Vorspannung erhalten bleiben bzw. sogar im Vergleich zur Rundstrecke etwas erhöht werden.

Als sportliche Allround-Sperre würde ich einen niedrigen bis mittleren Sperrgrad mit niedriger bis mittlerer Vorspannung empfehlen. Dieses Setup ist ein guter Kompromiss für jeden Einsatzzweck, hat keine gravierenden Nachteile, jedoch auch nicht das letzte Quentchen Performance für einen bestimmten Einsatzbereich im Vergleich zu den spezielleren Setups oben.

 

Setup einer Lamellensperre

Wie verändere ich nun das Setup einer Lamellensperre? Welche Stellschrauben stehen zur Verfügung und wie beeinflussen diese das Ansprechverhalten?

Alle folgenden Bilder zeigen das Innenleben eines ZF Lamellen-Sperrdifferenzials, wie es u.a. bei BMW, Porsche, Opel, Alfa, Ford, Volvo, Ferrari usw.zum Einsatz kam. Aber auch alle anderen Lamellen-Sperrdifferenziale sind nach einem identischen oder mindestens sehr ähnlichen Prinzip aufgebaut und lassen sich in derselben Art und Weise modifizieren!

Schauen wir uns zunächst den Aufbau bzw. die Bestückung innerhalb des Sperrkörpers an. Der interne Aufbau ist i.d.R. symmetrisch ausgeführt, v.a. in der Werksbestückung. In diesem Beispiel haben wir oben und unten je zwei Lamellenpakete (ein Paket besteht immer aus Innen- und Aussenlamelle). In der Mitte befinden sich die beiden Druckringe, dazwischen in den Rampen liegen die Differenzialachsen mit den vier Ausgleichsrädern, die auf den Achskegelrädern laufen. An den jeweiligen Enden, also jeweils nach der letzten Aussenlamelle könnten noch Tellerfedern aufliegen, sofern Vorspannung gefahren wird.

Sperrkörperbestückung mit 6 Lamellenpaaren (3 oben, 3 unten) und 45°/45° 2-way Rampen

Der Sperrgrad und die Vorspannung resultieren aus folgenden Größen:
1. Anzahl und Beschaffenheit der aktiven Reibflächen der Lamellen
2. Rampenwinkel der Druckring- Einschnitte
3. Anzahl und Stärke bzw. Wölbung der verwendeten Tellerfedern

 

Lamellen - Material und Schichtung

Je höher der Reibwert zwischen Innen- und Aussenlamelle, desto höher ist der Sperrgrad. Dies ist in erster Linie abhängig von den verwendeten Materialen bzw. deren Beschichtung.
Gängige Reibpaarungen sind:
- Stahl auf Stahl (niedriger Reibwert, je nach Oberflächenbehandlung sehr unterschiedl. Eigenschaften hinsichtlich Performance und Stick/Slip-Effekt)
- Molybdän auf Stahl (gute Allroundeigenschaften, große Performance-Reserven auch beim motorsportlichem Einsatz, kaum Geräuschentwicklung wenn qualitativ hochwertige Lamellen verwendet werden)
- Sinter auf Stahl (gute Allroundeigenschaften, Neigung zu Schleifgeräuschen und Stick/Slip-Effekt in Verbindung mit bestimmten Ölen)
- Organischer Reibbelag auf Stahl (mäßiger Reibwert, hoher Verschleiss)
- Carbon auf Stahl (mäßiger Reibwert, sehr leise, im Motorsporteinsatz nicht geeignet)

molybdän-bedampfte Innenlamelle links, Messing-Bronze basierte Streusinter-Innenlamelle rechts

Je mehr von diesen Lamellenpaketen nun auf beiden Seiten geschichtet werden, desto höher der Gesamt-Reibwert und desto höher der Sperrwert. Sofern der Sperrwert zu hoch ist, können einzelne Lamellenpakete auch "deaktiviert" werden, indem die Schichtung von A-I-A-I auf A-I-I-A geändert wird. In diesem Beispiel ist durch die Umschichtung effektiv nur noch ein Lamellenpaket/Reibflächenpaar aktiv und nicht mehr zwei!

normale Lamellenschichtung vom Druckring nach aussen: Innenl. - Außenl. - Innenl. - Außenl.

Die Außenlamellen sind i.d.R. in verschiedenen Materialstärken verfügbar, um damit das Einbauspiel auf 0.1mm genau auszugleichen. Für diesen Sperrentyp sind Außenlamellen in 0.1mm Abstufungen von 1.3 bis 2.1mm erhältlich.

 

Rampenwinkel der Druckringe

Die Rampen in den Druckringen sind in Verbindung mit den darin liegenden Differenzialachsen dafür verantwortlich, dass abhängig vom Eingangs-Drehmoment vom Antriebsstrang (Gas/Motorbremse) die beiden Druckringe jeweils axial nach aussen gepresst werden. Dadurch wird der Druck auf das Lamellenpaket erhöht und es kann mehr Drehmomentdifferenz verkraften ohne "aufzumachen". Je flacher nun der Rampenwinkel gewählt ist, desto stärker werden die Druckringe bei gleichem Eingangsdrehmoment nach aussen gepresst und desto höher ist demzufolge der Sperrgrad.

Wenn die Druckringe mit einem gleichmäßigen Spreizwinkel je Seite versehen sind, spricht man von einer "2-way" Sperre, die also sowohl auf Zug ("power"... Gas geben) als auch auf Schub ("coast"... Rollen/Bremsen) dieselbe Sperrwirkung hat! Sind die beiden Rampen asymetrisch, handelt es sich um eine 1.X-way Sperre (wobei X/10 den niedrigeren Sperrgrad im Verhältnis zum höheren Sperrgrad angibt), die entsprechend je Belastungsart unterschied. stark sperrt. Ein Porsche 911 hat z.b. in der Regel bedingt durch die spezielle Gewichtsverteilung eine Sperre, die auf Schub deutlich höher sperrt. Eine 1-way Sperre ist eine Ausführung, bei der ein Rampenwinkel eine senkrechte (90°) Spreizung hat und in diese Richtung keine Sperrwirkung entfaltet. Diese Variante kommt z.B. bei frontgetriebenen Fahrzeugen zum Einsatz.

Moderne Sperrensetups werden häufig mit etwas flacheren Rampen auf der Schubseite ausgeliefert. Sie sperren also etwas weniger auf Gas und etwas mehr auf der Bremse. Grund hierfür ist, dass unter Gaseinsatz erheblich mehr Drehmoment in den Sperrkörper eingeleitet wird als dies das Schleppmoment bei einem rollenden/bremsenden Fahrzeug macht. Um das auszugleichen und trotzdem einen gleichmäßigen Sperrgrad zu realisieren, wird eben die Schubseite per flacherem Rampenwinkel "aggressiver" gemacht.
Vor allem einige japanische Hersteller verkaufen auch oder ausschliesslich 1.5-way Sperren mit deutlich reduziertem Sperrwert im Schubbetrieb auch für heckgetriebene Fahrzeuge. Vor der Bestellung also darauf achten, ob das für den bevorzugten Einsatzzweck überhaupt sinnvoll ist!

Nachfolgend vier Druckring-Setups. Die ersten beiden asymmetrischen Varianten können jeweils auch um 180° gedreht (auf dem Kopf stehend) eingebaut werden, dann kehrt sich der jeweilige Sperrgrad für Zug und Schub um.

sehr steiler Rampenwinkel von 75° (wenig Sperrgrad) links, deutlich flacherer Winkel (45°, mehr Sperrgrad) rechts. 1.3-way Setup.

65° Rampen links, 55° rechts. 1.6-way Setup.

Symmetrische Rampen mit jeweils 45° (mittlerer Sperrgrad auf Zug und Schub). 2-way Setup.

Symmetrische Rampen mit jeweils 30° (hoher Sperrgrad auf Zug und Schub). 2-way Setup.

 

Tellerfedern (Einstellen der Vorspannung)

Um das Lamellenpaket auf einen gewünschten Grundsperrwert vorzuspannen, können unterschiedlich dicke bzw. unterschiedlich stark gewölbte Tellerfedern zum Einsatz kommen. Für den hier dargestellten Sperrentyp gibt es fünf verschiedene Varianten, die einzeln oder paarweise verbaut werden können. So lässt sich die Vorspannung sehr genau auf den gewünschten Wert anpassen!
Oft liest man, dass eine Sperre "getunt" wird, indem dickere Aussenlamellen eingesetzt werden. Das Ergebnis ist in der Tat eine Erhöhung der Vorspannung (was aber generell nicht unbedingt vorteilhaft sein muss), die allerdings auf eine fragwürdige Art und Weise erreicht wird, nämlich durch Unterschreitung des vom Hersteller empfohlenen Einbauspiels. Das ist also etwa so, als wenn man ein Fahrzeug tieferlegt, indem man die Federn abflext.
Wenn man also die Vorspannung ändern will, wird das NICHT über dickere oder dünnerer Aussenlamellen gemacht sondern über die Verwendung von anderen, für die gewünschte Vorspannung vorgesehenen Tellerfedern.

Fünf verschiedene Tellerfedern für die ZF006 Sperre.
Von links nach rechts, jeweils in mm Stärke/Wölbung:
- 2.0 / 1.5
- 2.5 / 1.0
- 2.5 / 1.5
- 2,5 / 2.25
- 3.5 / 1.6

Eine vorgespannte Lamellensperre hat bereits im Stand bzw. im lastfreien Zustand einen definierten Sperrwert. Dieser Festsperrwert bleibt auch unter Last erhalten und muss entsprechend über den gesamten Drehmomentverlauf hinzuaddiert werden.

25% Sperrdifferenzial mit 100Nm Vorspannnung. Innere helle Linien skizzieren das Verhalten der Sperre ohne Vorspannung.

 

Aussagekraft von Sperrgraden

Der tatsächliche Sperrgrad einer Lamellensperre ist also von sehr vielen sich gegenseitig beeinflussenden Faktoren abhängig. Es ist somit kaum möglich, genaue Werte für den tatsächlichen Sperrgrad anzugeben, ohne das man ein einzelnes, konkretes Sperrensetup aufwendig auf einem speziellen Prüfstand misst. Und je nach Verschleiss, Einbauspiel, verwendetem Öl, Zustand des Öls usw. verändert die Sperre ihren Sperrgrad signifikant. Oftmals werden von Herstellern daher keine Sperrgrade angegeben und selbst wenn, sind diese nur schwer mit denen von anderen Herstellern vergleichbar. Das macht es leider nicht einfacher, das richtige Sperrensetup schnell und einfach zu finden. Aber wenn man beim Kauf bzw. der Konfiguration der Sperre die genauen Parameter wie Lamellenzahl, Lamellenbeschichtung, Rampenwinkel, Losbrechmoment usw. bekommt, kann man im Falle einer nachträglichen Modifikation der Sperre in eine bestimmte Richtung diese Werte als Basis verwenden und das Setup entsprechend korrigieren und feinjustieren. Ob eine Sperre nun effektiv 40, 50 oder 60% hat ist im Prinzip völlig irrelevant! Wichtig ist, dass sie so wie sie ist mit dem Fahrzeug, Einsatzzweck und v.a. dem Fahrer "harmoniert".

Der beste Weg zur optimalen Sperre ist die Konsultation eines erfahrenen Sperrenbauers der dann individuell beraten kann und ein gut passendes Setup individuell zum Einsatzzweck und den Wünschen des Fahrers entsprechend konfiguriert. Eine Sperre bzw. einen Dienstleister vornehmlich nach dem Preis zu wählen oder auf Plattformen wie ebay zu suchen ist mit Sicherheit nicht der richtige Weg für ein stimmiges Gesamtpaket. Speziell hier gilt: "Wer billig kauft, kauft zweimal!"