Le différentiel, ou pourquoi deux roues d'un même essieu tournent à des vitesses différentes

Le casse-tête du virage

Faites le calcul sur un virage ordinaire. Une voiture décrit un quart de cercle de dix mètres de rayon, mesuré au milieu de l'essieu. Ses roues sont écartées d'un mètre et demi. La roue intérieure suit un cercle de 9,25 mètres de rayon et parcourt environ 14,5 mètres. La roue extérieure suit un cercle de 10,75 mètres et parcourt près de 16,9 mètres. Écart : presque deux mètres et demi, sur un seul virage.

Pour une charrette, aucun souci : chaque roue tourne librement sur son essieu, à la vitesse qui lui convient. Le problème naît le jour où l'on veut entraîner les roues avec un moteur. Si le moteur fait tourner un axe rigide qui porte les deux roues, elles tournent forcément ensemble. Dans chaque virage, l'une d'elles doit donc patiner. Sur route, cela use les pneus et rend la direction dure ; sur un sol qui accroche bien, cela peut casser quelque chose.

Une idée ancienne, un brevet de 1827

On prête au principe des ancêtres lointains. Le char chinois « montrant le sud », un véhicule légendaire dont une figurine pointait toujours la même direction, est souvent reconstruit aujourd'hui avec un engrenage différentiel. Mais son mécanisme d'origine n'a jamais été retrouvé : les répliques modernes sont des hypothèses, pas des preuves.

Le premier brevet clair date de 1827. Le mécanicien français Onésiphore Pecqueur, qui cherche à faire avancer des voitures à vapeur, protège un train d'engrenages capable d'entraîner deux roues à des vitesses différentes. Le mot « différentiel » vient de là : l'appareil fait la différence entre deux vitesses. Près de deux siècles plus tard, chaque automobile en porte au moins un.

L'anatomie : couronne, boîtier, satellites, planétaires

Un différentiel classique, dit ouvert, réunit quatre familles de pièces.

• La couronne, une grande roue dentée entraînée par le moteur.
• Le boîtier, solidaire de la couronne, qui tourne avec elle.
• Les satellites, de petits pignons coniques montés à l'intérieur du boîtier, libres de tourner sur leur propre axe.
• Les planétaires, deux pignons coniques en face à face, un pour chaque roue, engrenés avec les satellites.

Le moteur fait tourner le boîtier. Le boîtier emporte les satellites dans sa rotation, comme des planètes autour d'un soleil, d'où leur nom. Les satellites, à leur tour, poussent les deux planétaires. Tant que les deux roues vont à la même vitesse, les satellites ne tournent pas sur eux-mêmes : tout l'ensemble tourne d'un bloc. Dès qu'une roue doit ralentir, les satellites se mettent à rouler, et ce que l'une perd, l'autre le gagne.

Une règle d'une simplicité absolue

Tout le comportement du différentiel tient en une phrase : la vitesse du boîtier est toujours la moyenne des vitesses des deux roues. Si le boîtier fait 100 tours par minute, les roues peuvent faire 100 et 100, ou 90 et 110, ou 80 et 120. La somme reste la même.

Le cas extrême se déduit tout seul. Bloquez complètement une roue : l'autre doit tourner à 200 tours par minute pour que la moyenne reste à 100. Elle va deux fois plus vite que le boîtier. Et si l'on bloque le boîtier, les deux roues tournent en sens inverse l'une de l'autre, à la même vitesse : c'est ce qu'on constate sur une voiture soulevée, vitesse engagée : faites tourner une roue à la main, l'autre part dans l'autre sens.

Le revers de la médaille

Le différentiel ouvert a une propriété moins connue : il partage le couple à parts égales entre les deux roues. Tant que les deux adhèrent, c'est parfait. Mais posez une roue sur la glace ou dans la boue : elle n'oppose presque aucune résistance, donc l'autre ne reçoit presque rien non plus. La roue qui patine tourne à toute vitesse, la voiture reste sur place.

D'où toute une famille de solutions. Le blocage de différentiel, qui soude les deux sorties sur commande, équipe les tout-terrain. Les différentiels autobloquants envoient davantage de couple vers la roue qui accroche. Et les voitures à quatre roues motrices ajoutent souvent un troisième différentiel, central, entre l'avant et l'arrière, qui ne parcourent pas non plus la même distance en virage.

Un mécanisme qui sait additionner

Relisez la règle : le boîtier fait la moyenne des deux sorties. Autrement dit, un différentiel additionne. Les ingénieurs l'ont compris très tôt, et pendant la première moitié du XXe siècle, les calculateurs mécaniques de conduite de tir embarqués sur les navires de guerre alignaient des dizaines de différentiels pour additionner et soustraire des vitesses, des angles et des corrections, avant que l'électronique ne prenne le relais.

Le même assemblage qui permet à votre voiture de tourner a donc aussi servi d'ordinateur. C'est tout le charme de la mécanique : une idée juste resurgit partout où elle peut servir.

Sur votre bureau

Notre Différentiel Miniature met tout le mécanisme à nu : couronne, boîtier, satellites et planétaires, sans carter pour les cacher. Soixante-quatre pièces, une douzaine de centimètres de côté, un montage classé intermédiaire.

Montez-le, puis refaites les trois expériences de cet article : la ligne droite, le virage, la roue bloquée. En dix secondes, vous comprendrez ce que des générations de conducteurs utilisent sans jamais l'avoir vu.