Technique : Le différentiel autobloquant

le 03/08/2005

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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, en ligne droite, et permet aux roues de tourner à des vitesses différentes en virage.

En effet, dans une courbe, la roue située à l'intérieur doit couvrir une distance moins grande que la roue située à l'extérieur, et donc tourner à une vitesse inférieure. Le différentiel supprime donc la connexion rigide entre les deux roues motrices, mais assure toujours sur chacune la transmission du couple moteur.

La formule fondamentale du différentiel est :

(w1 + w2) / 2 = w soit w1 + w2 = 2w

w est la vitesse de la couronne (porte- satellite) et w1 et w2 les vitesses angulaires des planétaires (arbres de roue).

A chaque instant, cette formule se trouve vérifiée. Ainsi, si, dans un virage à droite, la couronne tourne à 500 tr/mn, la roue intérieure tourne à 470 tr/mn et l'autre à 530 tr/mn. Grâce à l'usage du différentiel, à chaque virage le couple se trouve donc divisé et réparti après réduction de la vitesse angulaire.

Cette dernière caractéristique présente un inconvénient : lorsque, pour une raison quelconque, une des roues motrices n'a plus de contact avec le sol, ou que son adhérence est si faible qu'elle ne peut que glisser, la puissance développée par le moteur se décharge sur cette roue et en accélère la rotation (en fait, le couple moteur transmis à cette roue est uniquement celui qui suffit à la faire tourner à vide).

Le différentiel répartissant toujours le couple moteur en parties égales, dans ce cas, la roue qui a prise sur le terrain recevra un couple nul. La propulsion du véhicule devient alors impossible si une roue tourne à vide et que l'autre, tout en ayant prise sur le terrain, est arrêtée.

Pour pallier cet inconvénient du différentiel, on a trouvé diverses solutions :

- le blocage du différentiel grâce à un dispositif (crabotage) actionné à la main, qui est rigidement relié aux deux roues et annule complètement l'action du différentiel. Ce système, encore très employé sur les véhicules tout terrain, doit être actionné à l'arrêt et ne peut pas être utilisé sur route normale ;
- l'élimination du différentiel et l'utilisation de deux roues libres montées sur l'essieu. Ce dispositif permet aux roues de tourner à des vitesses différentes dans les virages et assure à tout instant la traction. Toutefois, il a été peu utilisé, à cause des inconvénients que présente en elle-même la roue libre.

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.

Différentiel Borg & Beck D.R.

ZF à disques Alfa Romeo D.R.
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.

Ces avantages sont plus évidents sur les chemins en terre battue, ou sur les routes glissantes. En ligne droite, lorsque le revêtement est irrégulier et que les roues rebondissent en perdant leur adhérence au sol, il se produit des réactions nuisibles pour les organes de transmission et on note aussi une usure des pneumatiques.

Le différentiel autobloquant limite également ces inconvénients. Le diagramme représente l'augmentation du couple qui arrive à la roue ayant le plus d'adhérence au sol en fonction du couple moteur que peut transmettre la roue d'adhérence plus faible.

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 premiers différentiels autobloquants fabriqué à l'échelle industrielle a été le ZF. Il fut monté, avec succès, sur les Mercedes et sur les Auto-Union de Grands Prix, dans les années qui précédèrent la Seconde Guerre mondiale. Il trouva ensuite des applications particulières sur les véhicules militaires.

Répartition des vitesses en virage et répartition du couples D.R.
Il est constitué par les éléments suivants :

- une came dotée, en général, de 11 lobes et solidaire d'un des arbres de roue :

- une seconde came, concentrique de la première, avec 13 lobes intérieurs et solidaire de l'autre arbre de roue ;

- une bague d'entraînement dans laquelle sont insérés des cliquets, solidaire du carter du différentiel.

Les deux cames et le carter avec les cliquets ont une fonction analogue à celle des planétaires et des satellites des différentiels ordinaires. Les deux cames sont actionnées par la bague à cliquets.

En ligne droite, il n'y a pas de mouvement réciproque entre les cages et les pistes, et le mouvement est transmis uniformément de la couronne aux arbres de roues.

Dans les virages. par contre, une des roues ralentit alors que l'autre accélère, et les deux pistes tournant en sens inverse par rapport à la cage, obligent les cliquets à se mouvoir dans leur siège. Ce mouvement des cliquets provoque alors un frottement qui, même si une des roues tourne à vide, permet toujours la transmission d'une certaine puissance à la roue en prise sur le sol.

D.R.

Le ZF Lock o matic représente un autre type de différentiel autobloquant. Il comprend :

a) le boîtier solidaire de la couronne ;
b) les planétaires emboîtés sur les arbres de roues ;
c) les satellites tournant fou sur les croisillons fixes ;
d) un porte-satellites divisé en deux moitiés avec sièges des croisillons des satellites;
e) deux embrayages qui agissent entre le carter et les planétaires.

Le principe de fonctionnement est basé sur le fait que le porte-satellites n'est pas d'une seule pièce, mais est constitué de deux moitiés qui maintiennent les axes des satellites.

Ceux-ci ne tournent pas sur eux-mêmes, mais ont tendance à sortir de leur siège, par suite de l'inertie des roues lorsque l'on accélère à fond. Au cours de cette phase, les deux moitiés du porte-satellites s'écartent et provoquent alors le resserrement des disques d'embrayage. La connexion entre les deux arbres de roues est alors réalisée.

En modifiant l'angle des croisillons on peut faire varier la poussée des embrayages sur les plateaux de pression, ce qui permet de faire varier le pourcentage de couple transmis par les embrayages.

Dans les différentiels de ce type, montés sur des voitures de tourisme, l'angle de croisillons est en général de 90° et permet aux embrayages de transmettre un couple égal à 25 % environ. Il existe également des versions pour lesquelles cette valeur atteint 40 % et pour les voitures de compétition, elle atteint 80 %.

D.R.
Il existe d'autres types de différentiels autobloquants basés sur des principes similaires tels le Power Lock (Salisbury Transmission Ltd ), le Borg & Beck de A.P et d'autres encore, qui différent du Lock o matic essentiellement par leurs systèmes de poussée.

Ainsi le différentiel Borg Warner spin résistant, très connu, utilise des ressorts hélicoïdaux agissant sur les éléments de frottement.

Dans le différentiel américain M & S, l'action d'autoblocage est obtenue sans aucun dispositif supplémentaire de frottement. Dans ce modèle, la transmission du mouvement est réalisée non pas au moyen des planétaires avec engrenages coniques de type classique, mais avec des couples vis globiques/rouleaux, qui, grâce à leur rendement très faible, exigent une poussée notable pour que le mouvement d'une roue se transmette à l'autre.

Ce type de différentiel autobloquant, qui a été l'un des premiers à être réalisé, aux environs de 1926, n'a pas été beaucoup utilisé.

Les autres modèles ayant obtenu un certain succès sont : le Dorr Miller de la maison Fisher, de Schweinfurt, et le Robbin de la firme Mack-Mig Co. qui, comme le ZF, transmettent le mouvement aux demi-arbres au moyen de cames.

En Allemagne, on a réalisé, et même utilisé sur des véhicules militaires, aux environs de 1950, un différentiel autobloquant sans pignons, dans lequel la transmission du mouvement était réalisée grâce à des prismes glissant entre eux avec un frottement considérable.

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