Chaque fois qu’une voiture aborde un virage, ses roues parcourent des trajectoires de rayons différents. La roue extérieure décrit un arc plus long que la roue intérieure et, pour le parcourir dans le même temps, elle doit nécessairement tourner plus vite. Si les deux roues d’un même essieu étaient reliées par un unique arbre rigide, elles seraient contraintes à la même vitesse de rotation : l’une des deux devrait glisser sur l’asphalte, avec une usure anormale des pneumatiques, des sollicitations élevées sur les organes de la transmission et une perte d’adhérence précisément au moment où l’on en a le plus besoin. Le différentiel est le mécanisme qui résout ce problème : il répartit le mouvement provenant du moteur entre les deux demi-arbres, leur permettant de tourner à des vitesses différentes sans interrompre la transmission du couple.
Le différentiel classique est un train épicycloïdal réalisé avec des engrenages coniques. Le mouvement arrive de l’arbre de transmission au pignon d’attaque, qui engrène avec une couronne de grand diamètre fixée au boîtier du différentiel, également appelé cage porte-satellites. À l’intérieur de la cage sont montés deux ou quatre engrenages coniques, les satellites, libres de tourner autour de leur propre axe ; ils engrènent à leur tour avec deux autres engrenages coniques, les planétaires, chacun calé sur un demi-arbre. En ligne droite, les deux roues tournent à la même vitesse : les satellites ne tournent pas sur eux-mêmes et se contentent d’entraîner les planétaires, si bien que l’ensemble se comporte comme un bloc unique. En virage, la roue intérieure ralentit et la roue extérieure accélère : les satellites commencent à tourner sur eux-mêmes, restituant au planétaire extérieur exactement les tours soustraits au planétaire intérieur. La somme des vitesses des deux demi-arbres reste égale au double de la vitesse de rotation du boîtier.
Il existe toutefois une conséquence importante, qui constitue aussi la limite de cette architecture. En raison même de la géométrie des engrenages, le différentiel répartit toujours le couple à parts égales entre les deux demi-arbres, indépendamment de l’adhérence dont chaque roue dispose réellement. De là naissent les différentes solutions adoptées par les constructeurs :
- Différentiel libre (ou ouvert)
- Différentiel à glissement limité (autobloquant mécanique)
- Différentiel blocable et à contrôle électronique
Différentiel libre
C’est la solution la plus répandue sur les voitures de série, car elle est simple, économique, légère et sans entretien particulier. Elle remplit parfaitement sa fonction principale, à savoir permettre la différence de vitesse en virage, mais elle paie le fait de répartir le couple à parts égales. Étant donné qu’une roue ne peut transmettre au sol que le couple que son adhérence autorise, le couple réellement exploitable équivaut au maximum au double de celui que supporte la roue la moins bien placée. Le cas limite est celui d’une roue motrice sur la glace ou décollée du sol : son adhérence est proche de zéro, si bien que la roue qui accroche reçoit elle aussi un couple proche de zéro. La roue qui patine tourne à toute vitesse, la voiture reste immobile. Le même phénomène, sous une forme atténuée, se manifeste en sortie de virage sur une traction avant puissante, lorsque le transfert de charge allège la roue intérieure et que le couple transmissible diminue.
Différentiel à glissement limité
Pour dépasser cette limite, on introduit à l’intérieur du mécanisme un frottement contrôlé, qui s’oppose à la différence de vitesse entre les deux demi-arbres et transfère une partie du couple vers la roue qui tourne le moins vite, c’est-à-dire celle qui dispose de la meilleure adhérence. Le degré d’intervention se mesure par le rapport de blocage, ou bias ratio : une valeur de 3:1 signifie que le différentiel est capable d’envoyer à la roue qui accroche le triple du couple qui parvient à la roue qui patine. Les réalisations mécaniques les plus répandues sont au nombre de deux.
À paquet de disques d’embrayage. Entre les planétaires et le boîtier sont intercalés des disques solidaires alternativement de l’un et des autres. Une précharge, obtenue par des rondelles Belleville, les maintient déjà partiellement en prise ; la poussée axiale générée par les dentures coniques sous couple augmente ensuite la compression du paquet proportionnellement à la charge transmise. C’est une solution réglable, très utilisée dans les préparations sportives, mais sujette à l’usure des disques et tributaire de l’emploi de lubrifiants à additifs spécifiques.
À engrenages hélicoïdaux (type Torsen). Ici, satellites et planétaires sont remplacés par des roues hélicoïdales accouplées selon le principe de la vis sans fin, qui transmet le mouvement aisément dans un sens et difficilement dans le sens opposé. Le frottement interne qui en découle est proportionnel au couple transmis : le blocage est nul en décélération et croît avec l’accélération, ce qui rend l’intervention progressive et peu perceptible. Sa limite est d’être sensible au couple et non à la vitesse : si une roue perd complètement son adhérence, le couple de référence s’effondre et le différentiel n’a plus rien à multiplier.
Différentiel blocable et à contrôle électronique
Sur les tout-terrain, on a souvent recours au blocage intégral : un crabot, commandé mécaniquement, pneumatiquement ou électriquement, rend solidaires le boîtier et le demi-arbre, imposant aux deux roues la même vitesse. La motricité devient maximale, mais le différentiel cesse de remplir sa fonction ; le blocage ne doit donc être enclenché qu’à basse vitesse et sur sols meubles, puis désactivé sur l’asphalte.
Sur les voitures routières modernes, on préfère en revanche l’autobloquant à contrôle électronique. Le principe mécanique reste celui du paquet de disques, mais sa compression ne dépend plus de la seule précharge : c’est un actionneur électromécanique ou hydraulique, commandé par le calculateur, qui la module en temps réel. Le calculateur croise les données des capteurs de vitesse des roues, de l’angle de braquage, de l’accéléromètre et de la pédale d’accélérateur, et décide à chaque instant du degré de blocage du différentiel, allant jusqu’à favoriser délibérément la roue extérieure en virage pour réduire le sous-virage. Il convient enfin de distinguer de cette famille le différentiel électronique dit simulé, présent sur de nombreuses voitures de grande série : dans ce cas, le différentiel reste libre et c’est le système de contrôle de traction qui freine la roue qui patine, obtenant par voie indirecte un transfert de couple vers celle qui accroche.