La transmission

3 - Le différentiel

3.1 - Marche en ligne droite

3.2 - Rotation autour du point P

Si on soulève les roues motrices et que l'on fait tourner une roue dans un sens, l'autre tournera dans le sens opposé en conséquence de l'inversion du mouvement provoquée par les satellites. Ceci correspondrait à une rotation autour du point P situé en son milieu (Figure 2).

3.3 - Rotation autour du point Q

Si on bloque une roue, le porte-satellites et les satellites tournent en transmettant tout le couple du moteur à l'autre demi-essieu qui tourne ainsi à une vitesse double. La roue concernée tournera à une vitesse deux fois supérieure à ce qu’elle serait en ligne droite (Figure 3).

Sous sa forme la plus répandue, le différentiel se compose 1- De deux pignons coniques, appelés planétaires, reliés aux extrémités des demi-arbres, généralement par des cannelures; 2- De deux autres pignons coniques, appelés satellites, montés sur un porte-satellites et engrenant avec les planétaires; et 3- D’une cage supportant le porte-satellites et solidaire de la couronne du couple conique.

Cas typique de la voiture à moteur avant/propulsion arrière.

Différentiel pour moteurs transversaux

3.4 - Principe de fonctionnement

Le couple C du moteur fait tourner le porte-satellites autour de l'axe des planétaires, lesquels, soumis chacun à un couple C/2, transmettent le mouvement aux roues, Dans ce cas, qui correspond à une trajectoire rectiligne, les satellites ne tournent pas autour de leur axe mais ont seulement pour fonction de constituer une liaison rigide entre les planétaires. Si maintenant avec la boîte de vitesses au point mort et après avoir soulevé les roues motrices on en fait tourner une, on remarque que l'autre tourne en sens inverse : l'action compensatrice du différentiel augmente la vitesse d’une roue tout en réduisant celle de l’autre.

Les forces Qg et Qd exercées par les planétaires sur le satellite peuvent être interprétées comme des poids appliqués aux extrémités d'une corde passant sur une poulie. Si R est la résistance de frottement qui s'oppose au mouvement de la poulie et que Qd > Qg la poulie ne tournera que si Qd - Qg > R. La poulie demeure immobile tant que la différence des forces appliquées aux extrémités de la corde ne dépasse pas la résistance de frottement. De la même manière, le satellite ne tournera pas, et par conséquent les vitesses angulaires des deux roues motrices seront égales, si la différence entre les forces motrices est plus petite que la force de frottement interne du différentiel. Quand la différence entre les forces appliquées dépasse la résistance de frottement, on constate que la poulie tourne alors de telle sorte que le poids le plus lourd s'abaisse et le plus léger s'élève avec une vitesse V. Si la poulie tourne avec une vitesse v inférieure à V, il en résulte que les vitesses absolues des extrémités de la corde sont respectivement :

• Vg plus grande que celle de la poulie dans le cas de l'extrémité qui monte (poids appliqué plus faible) ;
• Vd plus petite que celle de la poulie dans le cas de l'extrémité qui descend (poids appliqué plus fort).

4 - Le différentiel autobloquant

Le différentiel autobloquant est un mécanisme qui limite la fonction primaire du différentiel en empêchant les deux roues motrices d'un véhicule de tourner à des vitesses très différentes l'une de l'autre. Le différentiel normal répartit d'une façon presque égale entre les deux roues motrices, le couple développé par le moteur et cela en ligne droite, pour ainsi permettre aux roues de tourner à des vitesses différentes en virage.

Vers la fin des années vingt, la nécessité d'utiliser un dispositif susceptible de limiter d'une façon automatique le patinage d'une roue motrice à la suite d'une panne d'adhérence, s'était déjà fait sentir sur les véhicules militaires et sur les voitures de sport. Cette exigence a été satisfaite par l'apparition du différentiel autobloquant. Pour comprendre le fonctionnement de cet appareil, considérons un différentiel normal. Le couple moteur M est divisé en deux couples Md et Mg appliqués sur les arbres de roue, et d'un couple Mf de frottement interne du différentiel, qui peut être considéré comme négligeable. Toutefois, ce dernier couple est celui qui permet aux deux roues motrices de tourner à des vitesses différentes.

En ligne droite, les deux roues tournent à la même vitesse et il n'y a pas, de ce fait, de rotation des satellites ; donc Mf est nul, et le couple moteur se distribue en parties égales sur les deux roues (Md = Mg).

En courbe, les satellites tournent, car les deux arbres tournent à des vitesses différentes, et le couple Mf entre en jeu et s'oppose aux différences de vitesse entre les deux roues. Le couple agissant sur la roue extérieure est donc plus faible et devient : Md = 0,5 (M - Mf) alors que celui qui agit sur la roue intérieure devient  Mg = 0,5 (M + Mf). La différence entre les couples appliqués aux roues est toujours égale à Mf.

Dans le différentiel classique, le couple Mf (dû au frottement entre satellites, planétaires et carter) est, comme nous l'avons constaté, très faible. Ainsi, si une roue rencontre une zone d'adhérence à peu près nulle (une plaque de verglas par exemple), l'autre roue reçoit un couple beaucoup plus faible (pratiquement nul), égal à Mg, insuffisant pour faire avancer le véhicule. Dans la même situation, pour les différentiels autobloquants par contre, le couple appliqué à la roue devient plus grand. En effet, le frottement intérieur est augmenté artificiellement en fonction de certaines conditions de marche, ou bien lorsque la vitesse de rotation d'une roue s'accélère soudainement. On évalue l'efficacité du mécanisme en fonction du pourcentage de couple que les deux arbres de roue se transmettent mutuellement par frottement.

Cette valeur s (%) est donnée par la formule : [(Md – Mg) / M] x 100. Plus s est élevé, plus le système est efficace. Notons à ce sujet, que sur les voitures de tourisme normales, la valeur de s est comprise entre des limites peu élevées pour éviter qu'une connexion trop rigide entre les deux roues ne crée des problèmes de guidage, surtout dans les virages. Pour les voitures de course par contre, s peut atteindre jusqu'à 80 %. Dans ce cas, en toute circonstance, les deux roues sont en mesure de transmettre au sol le couple moteur le plus élevé possible. L'emploi du différentiel autobloquant est également avantageux à l'accélération pour des véhicules puissants. En effet, lorsque l'une des roues, sous la poussée du moteur, perd une partie de son adhérence au sol, il en résulte un patinage de cette roue qui nuit à l'accélération. Le différentiel autobloquant  limite le patinage et permet de mieux exploiter la puissance du moteur et d’obtenir ainsi de meilleures accélérations.

La ligne a représente le cas d'un différentiel sans frottement interne (Mg= Md), le couple M est toujours égal à M . En réalité, il existe toujours de légers frottements et le résultat est la ligne b. Les différentiels autobloquants peuvent avoir une répartition du couple correspondant aux lignes c et d. Suivant les modèles ils permettent, de toute façon, de transmettre à la roue d'adhérence supérieure un couple nettement plus élevé. La ligne droite e représente le cas d'un essieu simple (sans différentiel) dans lequel le couple transmis à une roue est indépendant de l’adhérence au sol de l’autre roue.

Un des différentiels autobloquant le plus connu est le ZF Lock o matic. Il comprend :

• Le boîtier solidaire de la couronne;

• Les planétaires emboîtés sur les arbres de roues;

• Les satellites tournant fou sur les croisillons fixes;

• Un porte-satellites divisé en deux moitiés avec sièges des croisillons des satellites;

• Deux embrayages qui agissent entre le carter et les planétaires.