Aus dem Inhalt:

• Bauteile des Diffs

• Wofür man Diffs braucht

• Wenn Zahnräder zu Kugeln werden

• Interessante Effekte

• Hightech Materialien

• SOS !

• Troubleshooting

Das Kugeldifferential
 

Bevor wir uns auf Kugeljagd machen, müssen wir einige Grundbegriffe klären, die im Artikel immer wieder auftauchen werden.

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• Gerade oder Kurve?
  Solange ein Modell schnurstracks geradeaus fährt, kann die Leistung des Antriebsmotors über ein paar Zahnräder auf eine Welle übertragen werden, welche beide Vorder- oder Hinterräder gemeinsam antreibt. Das Konzept ist einfach, leicht und zweckmäßig.
  Problematisch wird die Sache allerdings, wenn das Fahren eine runde Sache werden soll: schon bei der kleinsten Kurve müssen alle vier Räder des Modells unterschiedliche Wege zurücklegen, die kurvenäußeren Räder legen dabei mehr Weg zurück als die Kurveninneren, da ihr Kurvenradius um die Spurbreite des Modells größer ist.
  Für unser einfaches Antriebsmodell bedeutet das, dass zwei gleich schnell drehende fix verbundene Räder in derselben Zeit unterschiedliche Weglängen zurücklegen müssen. Das geht natürlich nur, wenn das kurveninnere Rad durch die Gewichtsverlagerung in der Kurve an Grip verliert und Schlupf bekommt. Gleichzeitig versucht dieses „zu schnell“ drehende Rad an der Hinterachse der Kurvenfahrt entgegenzuwirken – was ihm in aller Regel auch ganz gut gelingt.
  Obwohl bei entsprechenden Gripverhältnissen eine starre Verbindung der Vorder- oder aber auch Hinterräder durchaus Sinn machen kann, ist es in den allermeisten Fällen besser, wenn jedes der angetriebenen Räder die „passende“ Drehzahl für jede Kurve mitbringt.
   
• ... eine Frage der Kraftverteilung!
  In unseren RC-Modellen übernehmen zumeist recht simpel gebaute Differentiale die Funktion der Drehzahlanpassung beider Räder. Das Grundprinzip ist einfach: jenes Rad, welches mehr Kraft zum Drehen benötigt, bekommt weniger davon.
  In der zuvor geschilderten Kurvenfahrt muss das kurveninnere Rad Kraft aufwenden um die Haftreibung mit dem Boden zu überwinden um durchdrehen zu können. Das Differential „bemerkt“ dies, verringert die Drehzahl des betroffenen Rades und erhöht dabei gleichzeitig die Drehzahl des kurvenäußeren Rades.
  Beim Kegelrad- Differential, dem einfachsten Differential im RC-Modellsport, lässt sich dieser Vorgang sehr gut nachvollziehen: Die gemeinsame Achse zweier Kegelräder – den Satellitenrädern - ist starr mit dem Differentialgehäuse und somit dem Antrieb verbunden. In diese Satellitenräder greifen wiederum zwei weitere Kegelräder von denen jedes ein Rad antreibt. Diese sind drehbar im Gehäuse gelagert, sie können sich somit zwar unabhängig vom Gehäuse, aber nicht unabhängig voneinander drehen, denn durch die starre Verbindungsachse der Satellitenräder zum Differentialgehäuse müssen sich die Drehzahlunterschiede der beiden Räder ausgleichen. Sehr gut zu beobachten ist dies am stehenden Modell: Dreht man ein Rad an, so bewegt sich das gegenüberliegende in die entgegen gesetzte Richtung, da das Differential nicht angetrieben wird.

Der prinzipielle Aufbau ist rasch erklärt und wird durch die Schnittgrafik (Bauteile des Diffs) illustriert:
Auf das Antriebszahnrad wirkt die Motorkraft – es dreht sich und dabei bewegen sich die drehbar gelagerten Kugeln im Zahnrad mit – sie ersetzen die Satellitenräder im Kegelraddifferential.
Die Kugeln laufen dabei auf den Druckscheiben welche mit den Differentialausgängen verbunden sind und den Kegelrädern im Kegeldiff entsprechen.
In diesem Zustand kann das Kugeldiff noch nicht funktionieren: während die Kegelräder formschlüssig ineinander greifen, würden die Kugeln nur rutschen und kein Drehmoment vom Antrieb auf die Differentialausgänge übertragen können.
Das Kugeldifferential arbeitet daher kraftschlüssig: Durch eine Spannschraube mit Diffmutter (manchmal auch mit einem Gewinde in einem der Differentialausgänge) und einer Feder oder Federscheiben werden beide Differentialausgänge zusammengedrückt, sodass die Kugeln nicht mehr auf den Druckscheiben rutschen können und eine Kraftübertragung möglich ist.

Da die Rollreibung weitaus kleiner als die Haftreibung ist, können sich beide Differentialausgänge gegenläufig aber unabhängig vom Antriebszahnrad drehen, in dem die Kugeln zwischen den Druckscheiben abrollen.
Damit beide Ausgänge auch wirklich frei drehbar sind, müssen sie durch ein zusätzliches Axiallager getrennt werden, denn immerhin drückt die Feder über die Schraube beide Differentialausgänge mit bis zu 60 Kilogramm zusammen!
Damit es mit dem Abrollen noch besser klappt, wird das Kugeldifferential gefettet:
Das kleine Axiallager wird in druckfestes Fett auf Teflon- oder Grafitbasis gepackt, bei den Druckscheiben kommt ein spezielles Silikonfett zum Einsatz, welches bei ausreichenden Schmiereigenschaften die Haftreibung möglichst groß halten soll damit die Kugeln beim Beschleunigen und Bremsen nicht zu rutschen beginnen. Mit normalem Schmierfett kann das Differential nicht richtig arbeiten.

Um die Funktionsweise des Kugeldifferentials besser zu verstehen, bieten wir eine Computeranimation (ca. 800 kB, benötigt DivX-6 Codec) zum Download an. 
Diese zeigt mechanisch korrekt die verschieden Drehzahlen der Diffausgänge und beider Axiallager in einer Situation, bei der ein Diffausgang blockiert wird (z.B. wenn ein Rad den Bodenkontakt verliert und das andere Rad zu wenig Kraft zum Drehen erhält)

Das Kugeldifferential hat neben dem Differentialeffekt noch mehr zu bieten.
Beim Beschleunigen und beim Bremsen werden die Kugeln im Antriebszahnrad gegen dieses gedrückt – das hindert sie ein wenig am Abrollen und schränkt die Differentialwirkung ein, das Differential wird steifer, was das Fahrzeug stabiler macht, jedoch zu gering ist, um das Kurvenhandling zu beeinflussen. Bei Differentialzahnrädern mit runder Aussparung für die Kugeln ist der Effekt stärker als bei Zahnrädern mit quadratischen Löchern. Kyoshos LSD-(Kegelrad)Differentiale erzielen eine stärkere lastabhängige Sperrwirkung auf exakt dieselbe Weise (siehe Difftypen-Thread für eine genaue Erklärung)
Abgesehen von dieser drehmomentabhängigen Sperrwirkung lässt sich die Sperrwirkung am Kugeldifferential grundlegend über die Spannschraube einstellen.
Je fester diese angezogen ist, desto mehr Drehmoment kann das Differential übertragen. Ist die Schraube zu locker, so rutschen die Kugeln über die Scheiben was sich durch lautes Kreischen bemerkbar macht. Dabei erhitzt sich das Differential stark und wird rasch beschädigt: die Scheiben bekommen schnell Rillen, die Kugeln Flachstellen und schmelzen sich in das Zahnrad.
Ist die Schraube stark genug angezogen, damit das Differential im Fahrbetrieb kraftschlüssig bleibt, lässt sich durch weiteres Anziehen die Differentialwirkung einschränken. Ein 2WD wie auch ein 4WD Fahrzeug gewinnt damit an Vortrieb – teils auf Kosten der Kurvenwilligkeit, bei einem allradgetriebenen Fahrzeug lässt sich durch unterschiedliche Sperrwirkung das Fahrverhalten am Kurveneingang und Ausgang beeinflussen. Dennoch sollten die Differentiale immer so locker wie möglich aber niemals mit Schlupf gefahren werden.
Folgende Auswirkungen haben die verschiedenen Einstellungen:

Ein stärker gesperrtes vorderes Differential:

• Tendenz zum Untersteuern

• Stabiler beim Bremsen, jedoch weniger Griff beim Einlenken

• Mehr Vortrieb beim Herausbeschleunigen aus der Kurve

Ein weniger gesperrtes vorderes Differential:

• Tendenz zum Übersteuern

• Weniger stabil beim Bremsen, jedoch agiler beim Einlenken

• Untersteuern und weniger Vortrieb beim Herausbeschleunigen aus der Kurve

Ein stärker gesperrtes hinteres Differential:

• Das Fahrzeug untersteuert leicht am Kurveneingang, jedoch wird das Auto am Kurvenausgang agiler - Heck kann leichter ausbrechen

• Übersteuern beim Beschleunigen, (bei Traktionsverlust der Hinterachse) generell Untersteuern

• Besser auf Strecken mit viel Grip

Ein weniger gesperrtes hinteres Differential:

• Mehr Stabilität im Scheitel und am Ausgang einer Kurve

• Geringeres Untersteuern beim Beschleunigen

• Besser auf Strecken mit wenig Haftung

Trotz aller Vorteile des Kugeldifferentials muss man sich darüber im Klaren sein, dass es – genauso wie ein starker Bürstenmotor – ein Verschleißteil ist, welches regelmäßiger Pflege bedarf. Die Axiallager im Kugeldiff werden, sowohl was deren Drehzahl als auch deren Druckbelastung anbelangt, weit über jedem Limit betrieben, welches sich in einschlägigen Tabellen recherchieren lässt.
Um die Wartungsperioden und der Performance des Differentials zu erhöhen greift man dabei zu wahrlichen Hightech-Materialien: Während Chrom-Stahl Kugeln nur noch in Einsteigermodellen zu finden sind, gelten – zumindest im Antriebszahnrad – Kugeln aus Wolframcarbid („Tungsten-Carbide“) als Standard. Für ein noch weicheres Differential und längere Lebensdauer werden Kugeln aus heiß gepresstem Siliziumnitrid („Keramik“) verwendet. Obwohl dieses Material nicht ganz an die Oberflächenhärte des Wolframkarbids herankommt, sind die Kugeln aufgrund der Materialstruktur verschleißfester und können genauer gefertigt werden.

Standard- und Luxusausführung: Stahlkugeln (links) sind günstig und müssen oft getauscht werden. Wolframkarbidkugeln (mitte) gehören zur Standardausstattung von Kugeldiffs in Wettbewerbsmodellen, im Gegensatz zu Stahlkugeln sind sie kaum magnetisch, optisch sind sie jedoch fast nicht zu unterscheiden. Kugeln aus schwarzem Siliziumnitrid ("Keramik") sind zwar die teuersten, haben aber die längste Lebensdauer. Keramikkugeln haben jedoch den Nachteil, dass sie auf den Laufscheiben weniger Haftreibung aufbauen, womit das Differential vor allem im Offroad-Bereich stärker vorgespannt werden muss. Der Einsatz sollte sich daher nur auf das Drucklager beschränken.

Material Stahl Wolframkarbid Siliziumnitrid         Härte 55-65 HRC 85-95 HRC 75-80 HRC "Grade" 5-25 10-25 5-25

Die Tabelle zeigt Härte und „Grade“ in denen Kugeln aus dem jeweiligen Werkstoff zum Einsatz kommen. HRC ist ein Härteprüfverfahren nach Rockwell und kommt bei besonders harten Materialien zum Einsatz. Die Härte einer Kugel gibt darüber Auskunft, wie stark sie sich unter Druckbelastung verformt und wie verschleißfest sie ist. Je härter desto besser. „Grade“: Diese englische Bezeichnung gibt die Toleranz an, mit der die Kugelform maximal von der mathematischen Kugelform abweichen darf, ist also ein Maß für die Unebenheit der Oberfläche. Grade 25 bedeutet eine maximale Abweichung von 25 millionstel Meter, (µm) Grade 5 lässt dagegen nur Abweichungen unter 5 µm zu. Niedrigere Grade-Zahlen bedeuten daher eine bessere Kugelqualität.

Früher oder später ist es trotz bester Materialien soweit: das Differential läuft rau oder hakt gar – das RC-Car lenkt nicht mehr willig ein oder verliert unerwartet Traktion und schlittert von der Bahn – eine Differentialwartung steht bevor.
Für das Bauen und Warten gelten drei Grundregeln:

• Sorgfalt… beim Zerlegen und Zusammenbau

• Ordnung… am Schrauberplatz

• Sauberkeit… aller verwendeten Teile

Nachdem das Differential aus dem Modell ausgebaut ist, wird es sorgfältig gereinigt und die nötigen Teile für die Wartungsarbeiten hergerichtet. (Bild 1) Dazu zählen:

• Schraubendreher zum Lösen der Spannschraube

• Zange (wenn eine Feder zur Vorspannung verwendet wird)

• Küchenrolle und Bremsenreiniger zum Entfetten und Trocknen aller Teile

• kleiner Magnet, er erleichtert den Zusammenbau

• Kleine Schale oder Deckel, damit keine der Kugeln verloren gehen kann.

• Ersatzteile

Bild 1	Bild 2	Bild 3

Viele Hersteller bieten Wartungskits für die Differentiale an, die alle wichtigen Teile enthalten. Muss man die Teile einzeln kaufen, empfiehlt es sich Druckscheiben, Drucklager, Spannschraube, Haltemutter und Feder bzw. Federscheiben zu ersetzen. Werden im Zahnrad Stahlkugeln verwendet, sollten auch diese getauscht werden, obwohl hier gleich ein Aufrüsten auf bessere Kugeln sinnvoll wäre.
Werden hochwertige Keramik oder Karbidkugeln verwendet, so müssen nur die Scheiben getauscht und die Kugeln gereinigt werden. Zeigen die Scheiben keinerlei Verschleißspuren, so muss das Differential lediglich gereinigt und neu befettet werden.

Die Ersatzteile werden in der Schale gründlich mit Bremsenreiniger entfettet und abgetrocknet (Bild 2) Die Kugeln können noch verpackt bleiben, damit sie später nicht mit den verschlissenen durcheinander geraten.
Durch Lösen der Spannschraube lässt sich das Differential in drei Teile zerlegen: den beiden Ausgängen und dem Antriebsrad (Bild 3)
Die verschlissenen Teile werden beiseite gelegt oder in ein Plastiksäckchen verpackt um Ordnung zu halten. Anschließend werden alle verbleibenden Teile gründlich mit Bremsenreiniger gewaschen und getrocknet – der Kunststoff wird durch die kurze Einwirkzeit in keinster Weise angegriffen.
Nun kann mit dem Neuaufbau begonnen werden, hier hilft die Bauanleitung des Modells weiter, da sämtliche Kugeldifferentiale zwar im Prinzip gleich aufgebaut sind, sich manche im Zusammenbau dennoch stark vom „Standard-Kugeldifferential“ unterscheiden, wie zum Beispiel Differentiale der Pro12 und Pro10 Klasse, ältere Tamiya Kugeldifferentiale etc.

Am einfachsten ist es, mit jener Diffhälfte zu beginnen, welche kein Drucklager enthält. (Bild 4) Wenn das Diff eine Feder benutzt, sollte diese vorm Einbau ein paar Mal mit der Zange komprimiert werden, damit sie ihre "Einsatzlänge" erreicht, und das Diff später nicht häufig nachjustiert werden muss.
Anschließend wird die Spannschraube mit dem Drucklager gebaut. Handelt es sich um ein offenes Drucklager ohne Käfig, so empfiehlt es sich, die Spannschraube mit dem Magneten zu fixieren und die einzelnen Kugeln mit der Spitze der Fetttube aufzunehmen und auf der gut gefetteten Drucklagerscheibe zu platzieren. (Bild 5)
Nachdem alle Kugeln platziert sind, sollte man nochmals gründlich nachfetten bevor die zweite Drucklagerscheibe aufgefädelt wird. (Bild 6)
 

Bild 4	Bild 5	Bild 6

Der schwierigste Teil ist damit geschafft, vor dem Zusammenbau müssen nur noch die Druckscheiben mit dem Differentialfett bestrichen werden – hierbei gilt, je besser die Kugeln (Stahl – Wolframkarbid – Siliziumnitrid) desto weniger Fett muss verwendet werden. (Bild 7 – hier werden Stahlkugeln verwendet)
Werden die Kugeln getauscht, so können sie ebenfalls mit der Spitze der Difffetttube aufgenommen und gezielt platziert werden.
Danach muss nur noch das Antriebsrad auf eine Diffhälfte gesteckt werden (Bild 8) und beide Hälften verschraubt werden (Bild 9)
Beim Verschrauben ist Vorsicht geboten, dass das Drucklager nicht aus dem Diffausgang gedrückt wird, am Besten ist es, schon vorher mit dem passenden Schraubendreher gegenzuhalten.
 

Bild 7	Bild 8	Bild 9

Beim Vorspannen des Differentials sollte es zwischendurch immer wieder leicht gedreht werden. Das ermöglicht den Kugeln und Scheiben sich richtig setzen können. Nachdem eine Vorspannung erreicht ist, bei der sich bei blockierten Differentialausgängen das Antriebsrad kaum mehr durchdrehen lässt, ist das Differential einsatzbereit. Lässt man es nicht ohne Last einlaufen, indem man einen Differentialausgang beispielsweise in eine Bohrmaschine einspannt und den anderen festhält, so sollte während der ersten paar Minuten stets die Vorspannung des Differentials kontrolliert werden, um ein Durchrutschen zu vermeiden.
Ein sauber gebautes Kugeldiff dankt es mit längerer Lebensdauer und besserer Performance!
 

Beim Kugeldiffbau kann es - trotz "Montage nach Bauanleitung" - leider immer wieder mal vorkommen, dass das Diff nicht so will, wie es soll. Hier ein paar Anregungen und Lösungen zu Problemen, die mir beim Kugeldiffbauen untergekommen sind.
Keinesfalls sind dies Maßnahmen, die im Wartungsfall (verschlissenes Diff) angewendet werden können!

1. Das Diff muss sehr stark angezogen werden, damit es nicht mehr durchrutscht und die Differentialwirkung ist kaum mehr vorhanden
a) Das Diff muss noch einlaufen, alle Teile müssen sich erst setzen.
b) Falsche Befettung gewählt: NUR eigenes Kugeldifffett verwenden, bei Stahlkugeln sehr viel, bei Wolframkarbidkugeln etwas weniger, bei Siliziumnitridkugeln fast nichts. Auch bei den Difffetten gibt es teilweise starke Qualitätsunterschiede, ich verwende am liebsten Asso-Fett, leicht zu bekommen und recht gut.
c) Diffteile sind nicht sauber - sie werden teilweise gefettet um vor Korrosion zu schützen. Vor der Befettung mit Difffett Kugeln und Scheiben reinigen
d) Wenn die Scheiben auf die Diffausgänge geklebt werden, so sollte nur sehr wenig Kleber gleichmäßig(!) verteilt werden, da die Diffscheiben sonst nicht plan aufsitzen

2. Das Diff läuft zwar weich, ist jedoch an einer bestimmten Stelle immer etwas schwergängiger
Das passiert häufig, wenn die Scheiben nicht plan auf den Ausgängen sitzen und somit nicht parallel zueinander stehen - die Diffspannung nimmt dann je nach Position beider Ausgänge zueinander zu oder ab. Der Effekt verschwindet in den meisten Fällen nach längerer Einlaufphase

3. Das Diff läuft weich, es ist jedoch ein regelmäßiges Hakeln beim Drehen spürbar
a) Dies kommt meistens dann vor, wenn das Diff zum Befetten demontiert wurde und die Scheiben leicht verrutscht sind, sodass die Kugeln nur noch teilweise in ihrer ursprünglichen Rille laufen. Abhilfe: Diff lockern und wieder langsam zusammenschrauben und dabei regelmäßig an den Ausgängen drehen. Falls keine Besserung, Diffscheiben wenden oder erneuern.
b) In seltenen Fällen kann das Hakeln auch durch eine oder mehrere beschädigte Kugeln hervorgerufen werden.

4. Das Diff lockert sich im Betrieb
a) Je nach Bauart, schrauben manche Spannschrauben in Metall ohne einen Nyloneinsatz zum Klemmen. In diesem Fall muss Schraubensicherung verwendet werden - Achtung, nur niedrigfeste Schraubensicherung verwenden! Bei Verwendung von mittel- oder hochfester Schraubensicherung lässt sich das Diff u.U. nicht mehr Zerlegen, bzw. brechen die kleineren M2 Diffschrauben (HPI, Academy etc. ...) beim Versuch, diese zu lockern.
b) Wird bei der Wartung ein verschlissenes Drucklager nicht ersetzt, so kann dieses durch hohe Reibung zum Lockern der Schraube führen.

5. Drucklagerscheiben biegen sich und brechen
Dies ist ein Problem der größeren 8x3mm Scheiben. Diese sind für manche Anwendungen einfach zu dünn geraten. Abhilfe: Entweder die Scheiben durch je eine weitere stützen, oder ein Drucklager verwenden, welches dickere Scheiben mit Laufrillen verwendet. (erhältlich in spezialisierten Geschäften, bzw. gibt es nun auch von Team Losi für ihren XXX-NT Adam Drake 2 wieder ein "HD thrust bearing" )
Das zur Zeit vermutlich beste Drucklager stammt von Corally und verwendet Keramik-Kugeln auf dicken präzisionsgeschliffenen Scheiben. (Nr. 79164, etwa 14 Euro im Fachhandel)

Weitere Probleme mit dem Diff?
Mail an mich, Liste wird ergänzt!