Transmissions : le différentiel

Le rôle du différentiel

Dès qu'il y a déplacement, les roues d'un véhicule ne tournent jamais à un régime identique.

Ceci n'a aucune importance lorsque l'on est en présence de roues porteuses montées indépendantes sur leur axe, et libres de leur propre régime de rotation.

Il n'en est pas de même dans le cas de deux roues motrices montées sur un même essieu.

Lors d'un virage, les distances respectives parcourues par les roues droite et gauche ne sont pas identiques : le montage de deux roues motrices fixées sur un même arbre de transmission est donc impossible.

Le différentiel permet d'adapter le régime de rotation de chaque roue, en fonction de la fréquence de rotation qui lui est imposée, tout en assurant à chaque roue la transmission d'un cou­ple identique.

Même dans le cas le plus favorable qui est le déplacement en ligne droite sur terrain plat, la fréquence de rotation des roues ne peut pas être identique.

La différence de régime entre les roues est permanente, même lorsqu'il y a déplacement en ligne droite, elle est due :

 - aux inégalités « d'adhérence »

- aux inégalités de gonflage ;

- aux inégalités d'usure des pneumatiques ;

- aux inégalités de charge sur les roues ;

- aux inégalités de profil du terrain (ce qui est toujours le cas).

Le différentiel est un train épicycloïdal sphérique

 Le différentiel est logé dans un boîtier en­traîné par la grande couronne du réducteur.

Il se compose de deux plané­taires, chacun en liaison avec un demi-arbre de roue.

La liaison entre les planétaires s'effectue au moyen de pignons satellites qui sont au minimum au nombre de deux pour une raison d'équilibre.

Ce schéma montre la transformation d’un train épicycloïdal plan en train épicycloïdal sphérique. Cette particularité propre au différentiel permet d’appliquer un couple identique sur les roues d’un même essieu qui tournent à des régimes de rotation différents.

Les axes des pignons satellites sont solidaires du boîtier et entraînés en rotation par ce dernier. Les demi-arbres de roues sont indépendants, mais liés à la rotation du boîtier par l'intermédiaire des satellites.

Les différents éléments constituant un différentiel sont logés dans un boitier. Le couple conique, qui peut être un réducteur à pignons droits, fait partie de l’ensemble. Les demi-arbres de roues sont liés par cannelures aux planétaires.

Étude cinématique (vitesse)

Fonctionnement en ligne droite

La couronne entraînée en rotation par le pi­gnon d'attaque, transmet son mouvement à l'axe des satellites. Ceux-ci, presque immobiles sur leur axe, vont entraîner les deux planétaires dans leur ré­volution. Le véhicule étant en ligne droite, les deux roues tournent sensiblement au même régime, égal à celui du boîtier.

En ligne droite, le satellite assure un régime de rotation quasiment identique à chaque roue.

Etude dynamique (couple)

Les satellites qui reçoivent le couple moteur au niveau de leur axe, ont la particularité de le répartir en deux couples rigoureusement égaux sur chaque planétaire.

Le satellite reçoit le couple du moteur au niveau de son axe. La denture étant symétrique, les bras de levier qui transmettent le couple aux planétaires sont les mêmes.

Les différents éléments qui constituent un différentiel sont simples et fiables. Les planétaires et les satellites sont, le plus souvent, constitués de pignons coniques à denture droite.

Sur les matériels, le couple transmis est important. Les constructeurs peuvent utiliser un montage avec quatre satellites disposés à 90°. Les satellites tournent lentement, souvent, leur denture n’est pas rectifiée.

Dans la mesure où les périodicités de vidange sont respectées et qu’aucun corps étranger ne pénètre dans le boitier, le différentiel ne pose aucun problème de maintenance.

Fonctionnement en virage

Étude cinématique

La roue extérieure au virage tourne plus vite que la roue intérieure. Pour arriver au même point le planétaire P2 doit effectuer un nombre de tours plus important que le planétaire P1. Ceci oblige le satellite à tourner sur lui-même.

En virage, le régime de rotation perdu par une roue est automatiquement et rigoureusement restitué à l'autre. 

On constate que grâce à ce satellite, si P1 ralen­tit de la valeur de l'angle α, P2 accélère de la même valeur angulaire α'.

Donc si P1 effectue 1 tour de moins, P2 effectuera 1 tour de plus.

Conséquences de l’étude cinématique en virage :

Dans le cas d’un virage, la roue intérieure qui ralentit restitue sa vitesse à la roue extérieure qui doit parcourir une distance plus importante. Le boîtier (porte satellites) tourne à la vitesse moyenne des deux roues.

Étude dynamique (en virage)

La force F donnée aux axes des satellites provient du couple moteur. Elle est transmise par la couronne du couple conique au boîtier du différentiel.

Cette force se répartit sur chaque planétaire par l'intermédiaire des satellites. En ce qui concerne le couple transmis, le fait que le satellite se mette à tourner sur lui­ même ne change pas la valeur des bras de le­vier L1 et L2.

Les bras de levier L1 et L2 étant rigoureusement égaux (Ø primitif du satellite),
les couples (F x L1) et (F x L2) transmis sur chaque planétaire sont absolument identiques.

Le couple moteur se répartira toujours en deux couples identiques : Cm = C1 + C2

Les roues, quelle que soit leur régime de ro­tation ou leurs conditions d'utilisation, exercent sur le sol un couple à la jante identique.

Puissances transmises

On a conclu de l'étude dynamique que : C1 est toujours égal à C2

Pour la roue droite :    P2 = C2 x ω2

Pour la roue gauche : P1 = C1 x ω1

On a conclu de l'étude cinématique que : ω1 est toujours différent d’ω2.

Pw = C m. daN x ω rad.s^-1 .
Quelles que soient les conditions de travail, les roues d’un même essieu ne transmettent jamais la même puissance.

Le régime de rotation des roues d’un même essieu étant toujours différent, elles ne transmettent jamais la même puissance.

En résumé

• Le couple moteur est réparti en deux couples égaux sur chaque roue.

• Le régime de rotation du boîtier du différentiel est la moyenne de régime de rotation des roues.

• La puissance transmise sur chaque roue n'est jamais identique.

Ce pont arrière de camion, bénéficie d’une double réduction. Le couple conique sert de réducteur et de renvoi d’angle car le moteur est disposé longitudinalement. L’ensemble est lubrifié par une huile dite extrême pression car les efforts transmis sont très importants.

Si l'on place le véhicule sur cales

En immobilisant la couronne, on constate que si l'on tourne une des roues à la main, la roue opposée tourne du même nombre de tours mais en sens inverse.

La conséquence en est la suivante : Lorsqu'on remorque un engin pour le faire démarrer, si la vitesse engagée est dans un rap­port de démultiplication trop élevé (1 ère par exemple), le couple résistant au niveau de la transmission est tel que le boîtier du différentiel ne tourne pas, ou très lentement.

Les deux roues n'ayant pas la même liaison au sol, celle qui adhère le plus sera entraînée en rotation dans le sens de la marche, tandis que son homologue tournera en sens contraire.

Ce phénomène est particulièrement dangereux lorsque l’on aborde une descente prononcée en terrain détrempé attelé à une charge lourde. Si l’on n’utilise pas le blocage du différentiel, une des roues avant (ou arrière) peut être amenée à tourner en sens inverse, rendant l’attelage incontrôlable.

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