L’Instant Méca #12 : Les différentiels

Etienne Deketele-Kestens31 mars 2020

Période de confinement oblige, nous sommes tous en quête de savoir et de connaissances, notamment en mécanique. Et, comme nous avons le temps, nous n’avons plus aucune excuse pour ne pas s’attarder aux détails, aussi compliqués qu’ils soient. Aujourd’hui, nous allons nous attaquer aux différentiels. Un élément pas si complexe que ça, qui servira aussi bien aux tout-terrains qu’aux voitures de compétition, en passant par la voiture de tous les jours (modifiée ou non) !

Un différentiel, pour quoi faire ?

On n’y pense même pas aujourd’hui quand on démarre sa Clio, mais la prise de virage d’un véhicule motorisé pourrait s’avérer très compliquée (voire impossible) sans l’ajout d’une pièce mécanique au design très peu aguicheur. La création de cet engin qu’est le différentiel remonte peut-être à l’antiquité, mais c’est en 1827 qu’il fut adapté à l’automobile, et monté en série quelques décennies plus tard. Sans ce petit boîtier qui se place en sortie de boite de vitesses, nous serions condamnés à rouler toujours tout droit… Un pur ennui. En effet, le fait de braquer les roues d’un côté et d’accélérer ferait patiner la roue intérieure, ce qui nous ferait finalement avancer tout droit. Bonjour la pratique. Il existe cependant quelques cas isolés de véhicules sans différentiel. Soit les voitures sont très anciennes, soit elles sont vouées à une utilisation particulière. Un kart, par exemple, n’a pas de différentiel. Son châssis et son empattement court permettent cependant de prendre des virages en glissant, par exemple. Enfin, le problème pourrait se répéter à cause des irrégularités de la route, ou encore suite à une différence bénigne et normale de la circonférence des pneus.

Dès lors, l’ajout d’un différentiel sur une transmission est obligatoire et évident. Sa première fonction est de compenser les différentes vitesses de rotation des roues motrices. Si on prend un cas pratique, lors d’un virage à gauche, la roue intérieure (la gauche, donc) parcourra une moins longue distance que la roue extérieure (la droite). Du coup, pour ne pas que notre voiture se découpe, il faudra que la roue intérieure tourne moins vite que la roue gauche. Cela ne poserait aucun problème si aucun rapport n’était enclenché dans la boite de vitesse. Mais, comme c’est généralement le cas, le différentiel est plus qu’utile si on ne veut pas que le véhicule sautille à basse vitesse, ou aller droit dans le fossé et, par ailleurs, sous-virer ou user nos pneus de manière irrégulière et très rapide. Ensuite, le second rôle du différentiel est de répartir le couple de moteur de manière égale (ou presque) sur les deux roues motrices et directrices. La roue qui tournera moins vite en virage recevra la même force du moteur que la roue tournant plus vite. Donc, si la roue droite est en perte d’adhérence, elle recevra plus de couple que la roue gauche pour garder le plus de stabilité possible.

A la base, le différentiel est une invention purement mécanique et géniale. Cependant, il avoue ses faiblesses dans toute autre situation qu’une roue bien sèche et lisse. En effet, si, comme vu juste avant, une roue patine dans de la boue ou de la neige, l’autre roue qui a de l’adhérence ne pourra en aucun cas sortir le véhicule de ce faux-pas. Il existe donc des solutions magiques pour éviter ce genre de problème, qui peut arriver en tout-terrain mais aussi en C4 Picasso ou en 488 GTB. Soyez patient, c’est plus bas…

Ce qu’il se passe dans un différentiel classique

Prenons une vue très schématique de la chose. Théoriquement, le moteur “fabrique” la puissance et l’envoie à la boîte de vitesse pour la transmettre aux roues via des arbres, appelés cardans. Sur une architecture de type “propulsion”, un arbre de transmission entre dans le différentiel et fait tourner une couronne. La couronne fait tourner un carter (ou cloche) et la puissance est transmise aux roues. Si une roue tourne plus vite que l’autre, les satellites entrent seulement en rotation et compensent donc les différences de rotation en laissant la roue plus rapide tourner à son rythme. Dans un autre cas, plus une des deux roues patine, plus le couple du moteur lui sera transmis. On comprend très rapidement ce qu’il se passe dans un différentiel une fois que l’on soulève les roues motrices du sol en laissant un rapport engagé (moteur arrêté). Si on fait tourner une roue à la main, l’autre roue tournera elle aussi, mais dans le sens inverse.

Comme nous l’avons déjà expliqué, un différentiel classique va donc transmettre plus de puissance à une roue qui est en manque d’adhérence. C’est un fait assez inutile et fâcheux puisque dès qu’une roue tourne dans le vide, l’autre ne pourra pas sortir le véhicule. Il existe donc trois systèmes pour bloquer les différentiels, ou pour limiter le glissement de ceux-ci. La technologie et l’électronique peuvent intervenir dans ce procédé. Le blocage de différentiel est un système purement mécanique (même s’il peut être commandé via un bouton) qui, comme son nom l’indique, bloquera le différentiel pour répartir 50% du couple moteur à chaque roue, dans n’importe quelle situation. On trouvera aussi des différentiels à glissement limité (transmissions intégrales permanentes) ou des différentiels autobloquants, qui serviront plutôt à un usage routier que tout-terrain.

Le différentiel autobloquant et à glissement limité

Chez PDLV, on adore les petites sportives qui enchaînent parfaitement les virages. Et il faut savoir que le châssis seul ne fait pas tout le travail. A la sortie du virage, si la motricité n’est pas parfaite, ce n’est pas la même chose. Dès lors, les constructeurs ont commencé à insérer des différentiels autobloquants ou à glissement limité dans leurs véhicules sortant un peu trop de chevaux pour encore être des tractions. Le but de ces différentiels est bien simple : transmettre le plus de chevaux à la route sans patinage dans toutes les circonstances (accélération, succession de virages, mauvais temps, …). Ça vous évitera donc de pouvoir essayer de faire un burn et de vous planter lamentablement. L’ESP pourrait gérer cela, mais un différentiel à glissement limité le fera mieux. C’est souvent aussi grâce à lui qu’on peut désactiver l’ESP et ne pas se prendre un mur à chaque accélération. Pratique quand on n’est pas un super-pilote (comme moi) et qu’on aime juste bourriner l’accélérateur (comme moi).

*Peugeot 308 GTi, sportive traction avant équipée d’un différentiel à glissement limité Torsen.*

Deux sportives que nous avons essayé nous ont particulièrement plu pour ce qui est de leur tenue de route. Il s’agit de la Peugeot 308 GTi et de la Ford Fiesta ST 2018. Outre leur châssis, ces deux sportives sont équipées de différentiels à glissement limité (Torsen sur la 308 GTi, Quaife sur la Fiesta ST). De son côté, l’Américaine offre une fonction Launch Control, qui est performante grâce au différentiel à glissement limité. La française, elle, préfère insérer une cartographie spécifique pour que chaque démarrage soit, en quelques sortes, un Launch Control. Certaines sportives (comme la 208 GTi phase 1, par exemple) n’ont pas la même efficacité que nos deux préférées en grip. Un décrochage se fait subir lors de la prise de virage, ce qui oblige le pilote à ralentir pour ne pas partir en travers et en tête-à-queue.

Le fonctionnement d’un différentiel à glissement limité est en fait simple et purement mécanique, à l’instar du différentiel classique. Si on prend l’exemple du Torsen comme dans la vidéo ci-dessous, on ajoute des engrenages par-dessus les pignons principaux sur les bouts des arbres de roues. Si les deux roues tournent à la même vitesse, aucun des pignons secondaires ne se met en mouvement. Cependant, dès que la vitesse d’une roue est légèrement supérieure à une autre, les pignons secondaires, qui sont reliés, vont se mettre en mouvement. Et, mécaniquement, l’autre roue sera actionnée pour “récupérer” la vitesse de la roue en manque d’adhérence, et le couple partira donc aussi sur la roue qui adhère. La différence entre un glissement limité et un autoblocage est donc aussi ici expliquée. En effet, il n’est nullement possible de bloquer à 100% la distribution du couple à une roue sur un Torsen, par exemple.

Des différentiels performants pour les transmissions intégrales ?

Chez Audi, toutes les sportives sont badgées “Quattro”. Pourtant, la sportivité étant l’ennemi du poids, le fait d’ajouter la masse d’une transmission aux 4 roues et non pas à 2 est un peu stupide. Sauf que la technologie va pouvoir aider la prise de virage et supprimer la tendance au roulis que toutes les Audi ont. Appelé “Torque Vectoring” (ou contrôle vectoriel du couple), le principe sera d’utiliser le différentiel de l’essieu arrière pour pouvoir aider le véhicule à passer une courbe avec le moins de tangage possible. Grâce aux capteurs de vitesse des roues ainsi qu’à l’angle de braquage du volant, le véhicule saura à quelle roue arrière donner plus ou moins de couple pour obtenir un grip et une stabilité maximale. Evidemment, ce système ne vaincra jamais le poids de ces véhicules (qui peuvent aussi être des RS Q8, des Porsche Cayenne, etc.). Cependant, Ford en a fait la démonstration sur sa Focus RS 2016 et ça marche vraiment bien !

Remplacer un différentiel à glissement limité par l’électronique embarquée ?

Non, mais oui en même temps. Pour un usage quotidien, nous n’avons pas besoin de ce genre de différentiel. A partir du moment où l’on n’attaque pas chaque virage que l’on voit, la gestion de l’ESP va pouvoir freiner la roue qui voudrait commencer à patiner. Si on freine une roue, le couple sera donc reversé à la roue qui est la plus “libre”, et ce sera celle qui aura le plus d’adhérence. Ceci dit, si on se permet de malmener un peu trop souvent sa voiture, les plaquettes de frein risquent vraiment d’y passer plus rapidement que prévu… Et l’efficacité ne sera pas toujours au rendez-vous.

Cependant, le différentiel à glissement limité a plusieurs inconvénients. Le premier et le majeur est le prix. Le prix d’un différentiel peut avoisiner le millier d’euros, et augmenter en fonction de la puissance et de la marque du véhicule. En plus de tout cela, il y a plus de pièces mécaniques à actionner dans un tel type de différentiel, ce qui entraînera une hausse de la consommation de carburant. Enfin, il est impossible d’y insérer de la technologie. Purement rudimentaire, un différentiel à glissement limité ne permet aucune modulation, ce qui pourrait être utile pour changer le type de terrain sur lequel on évolue, par exemple. Cela ne peut être possible qu’avec des différentiels autobloquants, que nous réviserons en entier en parlant de leur secteur plus tard : les transmissions intégrales.