Différentiel Škoda.

Un différentiel est un système mécanique qui a pour fonction de distribuer une vitesse de rotation par répartition de l'effort cinématique, de façon adaptative, immédiate et automatique, aux besoins d'un ensemble mécanique.

Par exemple, il est très utile sur un véhicule automobile où il permet aux roues motrices de tourner à des vitesses différentes lors du passage d'une courbe : les roues situées à l'extérieur du virage tournent plus vite que celles situées à l'intérieur.

Éclaté d'un différentiel monté sur l'axe arrière d'une automobile

Fonctionnement

Sous sa forme la plus fréquente le différentiel est composé d'un pignon conique (solidaire de l'arbre moteur) entraînant perpendiculairement une couronne dentée conique supportant une cage de pignons satellites, ceux-ci entraînant deux pignons planétaires solidaires des arbres entraînés.

Fonctionnement du différentiel mécanique

Les deux roues supportant la mème charge le pignon central reste immobile et les deux roues tournent à la mème vitesse.

La roue de gauche étant bloquée seule la roue de droite est entrainée par le pignon central.

Sur ces deux images la motricité en provenance du moteur est représentée par la grande flèche rouge et s'exerce sur l'ensemble bleu qui entraine les deux arbres rouge et jaune à la même vitesse :

Sur l'image de gauche, les deux arbres de sortie (à gauche/rouge et à droite/jaune) tournent à la même vitesse. L'effort de rotation est donc réparti équitablement et le pignon intermédiaire vert (appelé satellite) ne tourne pas.

Sur l'image de droite, l'arbre rouge est ralenti. Le pignon intermédiaire vert est alors entraîné et transfère une rotation supplémentaire à l'arbre jaune qui tourne alors à une vitesse supérieure.

Le système fonctionne de manière adaptative : lorsqu'on freine « légèrement » un des deux arbres (pincement, frottement…) la vitesse de rotation de cet arbre se trouve ralentie et la vitesse de l'autre augmente d'autant. Cependant si l’adhérence d'une roue devient nulle (verglas par exemple) la traction est annihilée alors que la vitesse de cette roue libre est très élevée. On pallie ce problème grâce à un « différentiel autobloquant ».

Histoire

Le différentiel mécanique fut inventé en 1827 par le mécanicien français Onésiphore Pecqueur (1792-1852). Il fut employé dès 1860 sur les premiers véhicules routiers à vapeur.

Cas d'utilisation

Un différentiel (Porsche Cayenne)

Le cas d'utilisation le plus répandu est l'entraînement d'un véhicule. Dans un virage, la roue située à l'intérieur (du côté où l'on tourne), ayant une distance plus faible à parcourir, tourne moins vite que la roue située à l'extérieur. Grâce au différentiel, la motricité est maintenue tout en autorisant la différence de vitesse entre les roues. Il assure ainsi une meilleure tenue de route (sans différentiel, un véhicule tend à aller tout droit) et permet de limiter l'usure des pneumatiques. D'autre part, un différentiel central doit être utilisé dans les véhicules à transmission intégrale permanente de manière à répartir le couple entre les essieux, qui peuvent eux aussi avoir des vitesses légèrement différentes, de la même manière qu'il le répartit dans sa position habituelle entre les roues.

Inconvénient

Ce procédé présente le désavantage de transférer le mème couple, c'est-à-dire l'effort en rotation, dans le même sens sur les deux cotés. Dans la plupart des cas d'utilisation, il serait plutôt souhaitable d'appliquer un couple supérieur sur l'arbre opposant la plus grande résistance, c'est à dire la roue ayant la meilleure adhérence. Dans un différentiel classique lorsque une roue est posée sur du verglas elle a tendance à tourner dans le vide, supprimant tout effort de traction.

Véhicules sans différentiel

Il a aussi existé des véhicules sans différentiel : la Voisin Laboratoire de 1923, l'Isetta de 1953 ou les cyclecars des années 1920. Le problème était généralement résolu par une voie arrière réduite. Parfois la fonction même du différentiel pouvait être remplacée par un autre artifice mécanique, comme pour les DAF et leur système à variomatic, où le glissement des courroies de transmissions autorisait la différence de vitesses entre les roues.

Le karting est un autre exemple de véhicule à quatre roues sans différentiel ; dans ce cas, le châssis doit être assez souple pour permettre à la roue arrière intérieure au virage de se soulever, de façon que le kart puisse tourner (voir l'article réglages du karting). Les essieux sont étroits (140 cm), le défaut induit en virage est moins important que sur les automobiles ordinaires.

Une autre solution est de ne motoriser qu'une roue. Toutefois, le véhicule risque de dévier un peu, et cette solution n'est quasiment utilisée que pour les jouets tel que le tracteur à pédales pour enfants par exemple.

Certains constructeurs ont aussi utilisé des moyeux à roue libre, telles que ceux des vélos. La roue la plus rapide tournant librement pour "rattraper" la roue entrainée. Toutefois, bien que des constructeurs tels que Panhard vantaient le fait que cela évitait les effets - présentés comme néfastes - du frein moteur, ce système serait probablement considéré comme dangereux aujourd'hui.

Différentiel à glissement limité

Mécanique

La faiblesse du différentiel ordinaire réside dans le fait que si une roue du train moteur n’adhère pas (par exemple roue sur la neige, dans la boue), l’ensemble de la transmission du couple se fait sur cette roue, et le véhicule n'avance plus correctement, voire plus du tout. Pour résoudre ce problème, certains différentiels sont conçus pour se limiter à partir d'un certain seuil de glissement (par exemple détectant un écart de couple entre les deux demi arbres fixés aux planétaires), ce sont les différentiels à glissement limité (DGL en français ou LSD pour limited-slip differential en anglais).

Les véhicules tout-terrain utilisent souvent ces dispositifs car ils sont prévus pour aller dans des terrains très meubles (boue, neige, etc.). Pour les véhicules puissants qui développent en général beaucoup de couple, il peut être nécessaire d'utiliser un ou plusieurs (sur un même essieu ou inter-ponts) DGL, en particulier en sport automobile. Dans ce cas, le véhicule peut modifier son comportement en virage, et au lieu de déraper, il conserve son adhérence mais peut modifier sensiblement la trajectoire prévisible, il gagne donc en motricité, lui permettant de relancer plus facilement après un virage.

Il existe plusieurs marques de différentiels à glissement limité (DGL) mécaniques. De nombreux brevets sont encore actifs, les solutions du marché comportent donc des différences notables. Parmi les modèles les plus courants, on peut citer les différentiels :

Torsen Gleason Works, fabricant américain de pignons et engrenages, a déposé la marque Torsen, pour « TORque SENsing », utilisant une vis sans fin, principe inventé au milieu du XX siècle par l'ingénieur américain Vernon Gleasman,

Quaife Fabricant anglais, soit en OEM chez Ford notamment, soit en pièce de remplacement,

GKN Driveline 

Fabricant japonais de DGL et de viscocoupleurs à glissement limité.

Mercier Du nom de l'ingénieur de l'entreprise Renault, il utilise des engrenages paradoxaux, c'est-à-dire liant des roues tournant dans le même sens. Dans ce cas, le glissement spécifique plus important des dentures permet une transmission partielle du couple à la roue encore au contact avec le sol.

Rondelles de Frictions 

permettant de limiter le glissement en agissant sur les planétaires tout en différenciant les phases d'accélération et de freinage

On dit souvent que le DGL est taré à x %, pour signifier qu'il tolère un écart de couple de 100-x % entre les demi arbres. Un DGL ne force pas les demi-arbres à être solidaires en cas de patinage d'une roue motrice, ce qui serait une opération mécaniquement très contraignante pouvant entraîner un risque de casse important.

Électronique

Les différentiels à glissement limité peuvent être pilotés électroniquement tout en étant mécaniques, mais l'on trouve aussi des systèmes purement électroniques. Ces systèmes utilisent les freins pour limiter le couple transmis à une roue lorsqu'une survitesse est détectée. Cette vitesse est généralement déterminée à travers les capteurs ABS. Cependant, la puissance est donc en partie dissipée dans les freins et non réellement transmise à une autre roue. Le moindre coût de ce système fait qu'il est utilisé par plusieurs constructeurs. Selon différentes sources, il n'offrirait cependant pas l'efficacité d'un différentiel mécanique.

Exemples :

Alfa Romeo et le système Q2 électronique (certaines versions sont mécaniques) ;

ADB-X pour BMW ;

ADS chez Audi ;

XDS+ chez Volkswagen ;

GRIP Control chez Peugeot/Citroën/DS.

Autres systèmes complémentaires

Il existe d'autres systèmes à glissement limité se plaçant en amont d'un différentiel. Un exemple en est le système Haldex, utilisé dans les groupes Volkswagen AG, Ford et General Motors, et qui repose sur un embrayage sophistiqué :

le système Haldex Limited Slip Coupling de la société Haldex Traction AB, embrayage à disques multiples tournant dans un bain d'huile dont la pression est régulée électro-hydrauliquement par un système électronique.

Il permet de coupler partiellement ou totalement les essieux avant et arrière, par détection d'une différence des vitesses de rotation des arbres en amont (couplé à l'essieu avant) et en aval (essieu arrière) du dispositif. Cette architecture est performante et permet de gérer l'adhérence des quatre roues en compatibilité avec les ABS, ESP et autres systèmes électroniques. La performance essentielle du système réside dans son temps de réaction extrêmement court (une roue ne patine qu'environ un dixième de tour avant la réaction de l'embrayage), qui le rend comparable aux systèmes de transmission intégrale permanente. Ce système est aussi capable de prendre en compte, en temps réel, des paramètres subtils comme le diamètre différent de chaque roue (chaque pneu n'est jamais exactement du même diamètre, une « galette » roue de secours peut être utilisée).

La critique principale portée contre les systèmes du type Haldex est la consommation de puissance plus importante que dans les systèmes mécaniques sans fluide, toutefois, contrairement aux systèmes mécaniques qui sont toujours actifs (et de ce fait dissipent toujours de l’énergie), il peut ne pas être actif en condition normale et préserver un rendement moyen supérieur aux différentiels à glissement limité (DGL).

Verrouillage ou blocage du différentiel

Certains véhicules tout terrain, nécessitant une motricité accrue sur des terrains meubles, sont équipés de systèmes permettant de verrouiller totalement le ou les différentiels. Ces blocages sont adaptés uniquement pour une vitesse d'évolution lente et en ligne droite, ou sur terrain meuble afin de permettre le glissement des pneumatiques sur le sol. Dans le cas inverse, cela entraîne un ripage des pneumatiques entrainant leur usure sur le bitume voire une usure des arbres de transmission et des boîtes de transmission. Le blocage peut s'effectuer mécaniquement ou pneumatiquement.

ZF差速器

差速器（英语：Differential）的发明，是因为在汽车于转弯时，外侧轮子走的路径要比内侧轮子走的路径要大，所以如果汽车想顺畅和精确的转弯，便需要一个设备能够转换和允许内外侧车轮以不同的速率进行旋转，从而以不同的转速来弥补距离的差异。

结构及原理

红黄轴均有阻力行星齿轮不动

普通的差速器内部是一种行星齿轮机构，其中包括两个行星齿轮和两个与传动轴相连的半轴齿轮，这四个齿轮配置在差速器的一个内部壳体内，并且相互之间互相咬合在一起，每个齿轮都咬合着另外两个齿轮（每个半轴齿轮都咬合两个行星齿轮，而每个行星齿轮又咬合两个半轴齿轮），所以只要其中一个齿轮转动，势必会牵动其他三个齿轮一同转动，而其中一个半轴齿轮朝某个方向转动时，另外一侧的半轴齿轮势必会向反方向旋转，这个现象可以通过实验证明，当把车辆的两个驱动轮悬空，转动一侧的车轮向一个方向旋转势必会使另一侧的车轮往反方向旋转。

左边卡住时行星齿轮开始转动

当汽车与直线行驶的情况下，由于左右两边的驱动轮受到的阻力大致相同，从引擎输出轴（即差速器的输入轴）会带动左右两边的半轴齿轮，此时由于两边所受阻力一致，因此中间的两个行星齿轮跟着两边的半轴齿轮转动而不产生自转。当车辆进行转弯时，由于一侧车轮行驶的距离会比另一侧的要短，即使得产生的阻力变得比另一侧要大，这就意味着行星齿轮转动这一侧车轮时会更加费力，这个平衡遭到破坏，迫使行星齿轮产生自转，使外侧车轮转速加快，从而使车辆得以顺畅的转弯。

缺点

由于差速器允许两侧车轮以不同的速度进行旋转，那么当车辆驱动轮有一侧打滑时，或因剧烈驾驶导致一侧车轮产生离地时，因为差速器的等扭矩作用，全部的动力会发送到那个打滑的半轴上，使得打滑一侧的车轮飞快旋转，而另一侧车轮失去驱动力（见右2），这样会令车辆陷入困境并且失去可操控性。 虽然差速器解决车辆转弯困难的问题，但是对于有越野需求或者有竞技要求的车辆来说，无法限制打滑会损失车辆的通过性和操控性，所以便需要限滑差速器（Limited Slip Differential）和差速锁，来应对车辆竞赛及越野的需求。

内部结构图

①传动轴，②右半轴，③行星齿轮，④左半轴

内部链接

限滑差速器