Transmissions 4 roues motrices

Si les appellations changent entre les marques (ex : Quattro, Xdrive, 4-Matic, etc..), les technologies utilisées sont différentes également. Pire encore, vous pouvez retrouver deux systèmes différents sous une même appellation.  Pour vous aider à vous y retrouver, faisons rapidement le tour de ce qu'il existe actuellement comme solution 4X4 sur les véhicules les plus courants.

Pour bien aborder le sujet sur les transmissions, voici quelques notions techniques importantes dont les concepts vont être plusieurs fois repris dans l’article.

Moteur longitudinal : On parlera d’un moteur longitudinal lorsqu’il est placé dans le sens de la longueur.  Qu’il soit en ligne, en V ou à plat, le moteur longitudinal apporte un équilibre naturel au véhicule de par sa disposition.   

Moteur transversal : le moteur transversal est placé en porte à faux, c’est à dire de manière perpendiculaire au sens de marche du véhicule. Moins sportive, cette disposition a une certaine tendance au sous virage (lorsque le véhicule tire tout droit dans un rond point par exemple).

L’intérêt d’une telle disposition réside dans la diminution de l’espace moteur (ce qui permet d’avoir un capot plus petit) et également dans la réduction des coûts liés au moteur. En effet, l’accouplement aux roues avant est plus simple et moins onéreux sur un moteur transversal que longitudinal. Vous l’aurez compris ce type de moteur est surtout utilisé pour de plus petits véhicules.

Différentiel : Tout véhicule est équipé d’au moins un différentiel. Comme le nom l’indique, le différentiel permet d’avoir une vitesse ou une force différente sur deux roues d'un même essieu. L’exemple le plus simple pour comprendre la nécessité d’un différentiel est de prendre un véhicule qui tourne :

Comme le montre cette illustration, grâce au différentiel, la roue intérieure (B) peut tourner moins vite que la roue extérieure (A). Malheureusement dans certains cas de figure, le différentiel peut s’avérer contraignant. En effet, lorsqu’il y a une adhérence plus forte d’un côté que de l’autre, tout le couple va être transmis sur la roue où il y a le moins d’adhérence.

Le véhicule va donc se retrouver bloqué avec une roue qui patine et l’autre immobile, situation bien connue de tout public. Pour contrer cela, il existe des solutions appelées blocages de différentiel ou encore autobloquant à glissement limité qui, pour cette dernière, va permettre de freiner la roue qui patine pour que le couple soit transféré sur la roue où il y a de l’adhérence.

Transmission 4X4 : Il y a plusieurs façons d'entraîner les 4 roues motrices d'un véhicule, c’est d’ailleurs l’objet de cet article.  L’une d’elle est d'installer trois différentiels. Un sur l’essieu avant, un sur l’essieu arrière et un central. Le différentiel central aura pour but de transférer le couple entre l’essieu avant et l’essieu arrière. Certains différentiels centraux sont bloqués en 50/50 donnant alors un couple égal entre les deux essieux, certains autres, plus récents, sont variables.

Le système Quattro est certainement le plus connu.  Il équipe actuellement une voiture sur 4 chez Audi, c'est dire à quel point il est répandu. Depuis 25 ans, Audi fait progresser son système Quattro. Comme pour la plupart des marques, Audi a commencé par proposer un système à différentiel central bloqué en 50/50.  C'est à dire avec une répartition du couple égale sur l'essieu avant et l'essieu arrière.

Par la suite, Audi a décidé d'utiliser un différentiel Torsen (pour Torque Sense) capable de faire varier le couple entre les deux essieux. Réservé aux moteurs longitudinaux, ce différentiel est calibré pour une répartition standard du couple en 40/60 (entendu 40% à l'avant et 60% à l'arrière).  Comme énoncé, l'intérêt du Torsen est de faire varier le couple afin d'obtenir le grip maximal.  Sur le Torsen de 5ème et 6ème génération, le système permet d'envoyer jusqu'à 70% de couple à l'avant et jusqu'à 85% de couple à l'arrière.

Pour les véhicules les plus sportifs, Audi a introduit le différentiel Quattro Sport qui permet, grâce à deux embrayages multi-disques logés dans le différentiel arrière, de faire varier le couple entre les deux roues arrières (gauche et droite) et de cette façon arriver à accélérer la roue extérieure. Cette technologie, appelée "torque vectoring", associée au système Quattro classique permet au véhicule d'être littéralement vissé à la route.

L'avantage du système Quattro (Torsen) est de proposer un 4X4 permanent performant (particulièrement avec le système de torque vectoring) lorsque le véhicule est en mouvement. Grâce à l'utilisation d'un différentiel central, ce qui en fait un 4X4 permanent, le Quattro se place parmi les meilleurs du marché. Attention cependant que, sur la version Ultra, le Quattro est débrayable pour limiter la consommation. Si cela peut effectivement limiter la consommation, cela transforme un 4X4 permanent en un AWD (toutes roues motrices) qui permet de bénéficier du 4X4 uniquement lorsque l'électronique estime que le véhicule en a réellement besoin.  Ce cas de figure est similaire au principe de l’Haldex, détaillé plus bas.

Autre bémol pour le Quattro : il agit de manière passive et son différentiel ne peut pas être à 100% bloquant (sur l’un ou l’autre essieu). Voici une vidéo subventionnée par BMW qui met à l’épreuve un système Quattro et un système Xdrive.

Pour rappel, le Quattro ne peut transférer au maximum que 85% à l’arrière et 70% à l’avant.  Pour que cela soit possible, le système compte sur deux choses. La première c’est d’avoir assez de force/vitesse pour que le Torsen s’active. En effet, comme tout différentiel, il y a toujours une certaine marge avant que le système mécanique ne soit actif. La seconde, l'ESP (Electronic Stability Program) doit être activé.  En effet, le système Torsen se fie à l’ESP pour accélérer le transfert de couple et freiner l’essieu qui patine. Or, sur cette vidéo, l’ESP est désactivé. Lorsque le couple est faible et que la vitesse de rotation l’est également, le Torsen n’est pas encore bloquant, dès lors il distribue naturellement du couple vers l’essieu qui patine (comme tout différentiel, le couple va là où ça patine). Si on considère qu’il y a 85% du couple qui peut être envoyé sur l’arrière, il ne reste que 15% de couple à l’avant. Vu l’inclinaison (choisie avec soin par BMW) et le manque d'insistance de l’opérateur, il ne reste alors plus assez de couple sur l’essieu avant pour que le véhicule Quattro puisse s’extirper de la situation délicate dans laquelle il se trouve. Une autre vidéo est alors publiée par Audi pour contrer la mauvaise publicité de BMW. Afin de mettre toutes les chances de leur côté, ils sélectionnent avec soin un véhicule coupleux (en l'occurrence un SQ5), avec l'ESP activé, placé sur une pente bien inférieure à celle de BMW et surtout piloté par un opérateur qui demande assez de couple au véhicule pour que le système Torsen fonctionne sans le moindre problème.

• Système performant lorsque le véhicule est lancé
• Système stable avec une variation de couple mesurée
• En version Ultra on perd le bénéfice d’un 4X4 permanent au profit de l’économie de carburant
• Dans certaines conditions spécifiques, le Quattro a tendance à envoyer trop de couple sur les roues qui patinent 

Contrairement à ce que l'on pourrait penser, deux systèmes Quattro ne se valent pas forcément.  En effet, sur les moteurs transversaux* VAG a décidé de placer un système Haldex.  

Pour mieux comprendre le fonctionnement de l’haldex voici une vidéo qui explique le système.

La grosse différence entre les deux systèmes est que l'Haldex est une unité électro-hydraulique qui s'active uniquement lorsqu'une différence de vitesse est détectée entre l'essieu avant et l'essieu arrière (lorsque le véhicule patine donc).  Le système, via une pompe à piston hydraulique, va alors appliquer une pression sur des embrayages afin d’envoyer plus ou moins de couple sur l'essieu arrière.  Vous l'aurez compris, lorsque l'adhérence est optimale, le système est inactif et votre véhicule n'a alors plus rien d'un "Quattro" puisqu'il opère en traction uniquement. On appellera ce système un système AWD (all wheel drive / toutes roues motrices), lorsqu’un 4X4 n’est pas permanent de manière mécanique.

Dans la pratique, ce système est très performant en départ arrêté ou sur un terrain très glissant. L'exemple vidéo ci-dessus soulignant un problème du système Torsen aurait été tout autre si le véhicule avait été équipé d'une transmission Haldex.  En effet, le système à tendance traction n'aurait eu aucun problème à se sortir de cette situation. Cependant, le système Haldex n'est pas exempt de tout reproche. En effet, malgré que la version 5 de ce système ait fait des progrès considérables en matière de réactivité, lors de changements d'adhérence, le système n’anticipe pas assez et un délai est alors perceptible par le conducteur.

On aurait tendance à se demander pourquoi l'Haldex n'est pas permanent, mais c'est parce qu'il n'est pas dimensionné pour envoyer du couple éternellement sur l'arrière.  À ce titre et pour la petite anecdote, VAG a présenté les qualités de sa nouvelle Golf 7 R sur la neige et en Norvège en connaissance de cause puisque cela leur permettait de garder le système Haldex en fonctionnement quasi constant tout en maintenant des températures acceptables pour le dispositif. 

* L'haldex est présent sur les Audi A1, S1, A3, S3, RS3 et sur toutes les 4 Motion du groupe excepté les Amarok, les Phaeton, certaines Passat et les Touareg qui sont en Torsen.

• Système AWD (toutes roues motrices) peu encombrant
• Système performant dans des situations difficiles (parfois même plus que le Torsen)
• L’Haldex, même dans sa version 5, accuse toujours un délai pour passer de traction à 4 roues motrices
• La position du moteur associée à la latence du système rend le véhicule toujours sous vireur

Le Xdrive est le système 4 roues motrices intelligent développé par BMW. Le Xdrive est un 4X4 dont le couple est réparti entre les essieux avant et arrière par le biais d'un embrayage multi-disques situé dans la boite de vitesse (appelé boite de transfert). On ne peut donc pas appeler cela un 4X4 permanent (4WD) mais plutôt une technologie "toutes roues motrices" (AWD).

En conduite normale (entendez par là : sur du plat, les roues droites, sans patinage), la répartition du système est de 40/60 comme pour le dispositif Quattro. La différence avec les autres systèmes réside dans le fait que la transmission Xdrive est prédictive. En effet, il fait varier le couple en continu selon des informations comme l'angle du volant, la pression de l'accélérateur, la vitesse, le couple etc.. envoyées directement via le DSC (ESP). Cela permet de transmettre le couple là où il est nécessaire. La variation peut aller de 0 à 100% de l'essieu avant vers l'arrière et inversement. A ce titre, à très haute vitesse (plus de 150km/h), le système Xdrive opère en propulsion (100% sur l’essieu arrière).

Afin de mieux comprendre comment le système Xdrive est prédictif, voici deux cas de figures. Dans le premier cas, repris ci-dessous à gauche, le véhicule est en sous virage (il tire donc tout droit). La transmission Xdrive va donc adapter la répartition sur l’arrière du véhicule de manière à redonner de l'équilibre au véhicule. A l’inverse, sur l'illustration de droite, lors d’un léger survirage (véhicule partant de l’arrière), la transmission trouvera l’équilibre en proposant ici un rapport de 50/50. L’écart en faveur de l’essieu avant aurait été plus grand si le survirage avait été davantage prononcé.

Au même titre que le Quattro, le Xdrive peut recevoir un système de torque vectoring appelé ici DPC (Dynamic Performance Control) et permet également de transférer le couple sur la roue extérieure afin de créer un mouvement de lacet autour de l'axe vertical de la voiture.

Attention toutefois, tous les systèmes Xdrive ne se valent pas non plus. En effet, les dernières X1 ou Série 2 Active Tourer, sont équipées d'un moteur transversal proposant ainsi, pour la première fois, la traction dans une BMW. Pour ces moteurs, BMW a donc choisi, à l'instar de Volkswagen/Audi, de proposer une version Xdrive sur base de l’Haldex (dans sa version 5).  À la demande de BMW, lorsque le véhicule perd en motricité, le dispositif Haldex envoie davantage de couple sur les roues arrières afin de retrouver le caractère BMW (information à confirmer). Le passage de traction en 4 roues motrices se fait en 250ms.  

Le Xdrive sur un moteur longitudinal est donc une transmission performante qui, dans sa dernière génération, permet de transférer du couple de manière rapide sans pour autant perturber le dynamisme du véhicule comme on peut le constater sur certains systèmes Haldex (et même celui de BMW). D'un point de vue équilibre par contre, le système Quattro, plus stable, fait moins varier le couple ce qui permet de limiter le transfert de masse. Petit bémol tout de même, le système Xdrive peine parfois au niveau de la fiabilité. Très sensible à la différence d’usure des pneus et travaillant de manière continue sur les deux essieux, il n’est pas rare que la boîte de transfert donne certains coups et dans des cas plus sérieux, casse. Pour limiter les problèmes il est recommandé de faire des vidanges régulières et de contrôler l’usure des pneus afin de s’assurer qu’elle soit identique sur tous les pneus.

Résumé :

• AWD dynamique
• Combine le meilleur compromis entre Haldex et Torsen lui permettant de s’extirper de situations délicates
• La boite de transfert (Xdrive) est fragile et nécessite de l’attention
• Transfert de couple parfois perceptible lors de brusques changements de direction

Le 4-Matic est l’appellation donnée au système 4 roues motrices de Mercedes. Ce système n’est pas neuf, il a été installé sur la première voiture en 1987, il s'agissait d'une Classe E-W124. Dans sa première génération, le système 4-Matic était déjà un système assez complexe pour l’époque puisqu’il proposait 3 différentiels. Le premier ouvert sur l’essieu avant, le central et l’arrière pouvant être bloqués.

Selon les informations collectées par l’ABS, un calculateur électronique dédié à la transmission va piloter les deux embrayages hydrauliques dans la boite de transfert (différentiel central) selon trois cas de figures :

Cas 0 : Le véhicule roule de manière normale, le couple est envoyé sur l’arrière uniquement

Cas 1 : Le calculateur via l’ABS détecte une perte d’adhérence. Selon la perte, il envoie soit 35%, soit 50% du couple sur l’essieu avant directement et bloque le différentiel central.

Cas 2 : Malgré le blocage du différentiel central en 50/50, si une des roues arrières continue de patiner, une commande est alors envoyée afin de bloquer le pont arrière. Le blocage du pont arrière est appelé ASD (Automatic Locking Differential).

On s’en doute, les temps de réactions étaient ceux de l’époque, mais du côté mécanique, Mercedes détenait là quelque chose de très performant.

Cependant, le système était coûteux et demandait une attention particulière en terme d’entretien. Il n’était d’ailleurs pas rare de rencontrer un problème au niveau du calculateur ou encore de l’ABS (encore jeune à l’époque), pouvant alors entraîner un dysfonctionnement du système 4-Matic.

Actuellement, seuls les Classe-G (et certains ML équipés du OffRoad package) disposent de ce qu’il se fait le mieux chez Mercedes en terme de transmission 4 roues motrices. La boite de transfert peut en effet commuter sur deux démultiplications : route et tout-terrain tandis que le blocage des différentiels (avant / central / arrière), peut se faire individuellement depuis la console centrale. Grâce à cela, il suffit qu’une seule roue adhère pour extirper un Classe-G d’une situation délicate.

Pour les autres véhicules de la marque équipés en moteurs longitudinaux, Mercedes a pris la décision de revenir sur quelque chose de plus simple et de moins onéreux. Le 4-Matic actuel dispose de trois différentiels non bloquants (dans certains cas, le central peut-être bloqué à hauteur de 50Nm) dont la répartition fixe est de 35/65 (avant / arrière). Ce ratio peut néanmoins changer selon le type de véhicule (33/67 pour AMG, 40/60 pour les SUV). Mercedes utilise donc l’électronique de gestion 4X4 (4-ETS) et l’ESP pour freiner les roues qui patinent et ainsi contrebalancer le couple sur les roues qui ont de l’adhérence. En termes de performances, ce système est donc inférieur à ceux proposés par les concurrents et même inférieur à ce que la Classe E-W124 proposait à l'époque. Dommage.

En ce qui concerne les véhicules équipés de moteurs transversaux (Classe A, B, CLA, GLA, etc), Mercedes a conçu une transmission qui se rapproche très fortement de ce que propose Haldex. Là encore, lorsque le véhicule roule de manière normale, il est en traction. C’est seulement lorsqu’une perte d’adhérence est détectée ou que le véhicule entame un virage que le couple peut être envoyé sur l’essieu arrière. Contrairement à l’Haldex qui peut envoyer jusqu’à 100% du couple sur l’essieu avant ou arrière, le 4-matic des moteurs transversaux ne peut envoyer que 100% sur l’avant et 50% sur l’arrière.  

Résumé :

• Transmission de premier ordre sur l’ancienne Classe-E W124
• Blocage individuel des trois ponts sur le Classe G (et le ML disposant du package OffRoad)
• Transmission 4-Matic basique sur les derniers véhicules se reposant (trop?) sur l’électronique du 4-ETS.

Il est difficile de détailler toutes les technologies en un seul article mais bien entendu il en existe bien d'autres à commencer par celle développée par Subaru.  Ils l'appellent Symmetrical All-Wheel Drive. Grâce à leur moteur à plat (Boxer), l'équilibre du moteur et de la transmission est parfait, si bien qu'il y a un équilibre symétrique entre le côté gauche et le côté droit.  Subaru mise avant tout sur l'équilibre général de la transmission sur laquelle, suivant les modèles, peuvent venir se greffer des solutions de plus en plus performantes adaptées au véhicule utilisé.
Ci-dessous la représentation du système Subaru avec son moteur à plat (Boxer).

Ci dessous, à titre de comparaison, la représentation d'un moteur transversal disposant d'un système 4 roues motrices équivalent à l'Haldex.

On peut rapidement constater que ce schéma présente moins d'équilibre ainsi qu'une répartition du poids qui est trop portée sur l'avant du véhicule. C'est d'ailleurs généralement ce qui est reproché aux véhicules équipés du Haldex, le surplus de poids sur l'avant rend le véhicule sous vireur.

Bien que le système symétrique de Subaru n'ait rien à envier aux autres systèmes, Subaru va encore plus loin, en proposant à la fois un différentiel central où l'utilisateur peut lui même définir sa répartition du couple (entre l'essieu avant et arrière) ou directement le bloquer (à 50/50) mais également un différentiel Torsen autoblocant à l'arrière ou encore du torque vectoring (disponible sur les modèles WRX).  En termes d’efficacité et de performance, il s'agit de l'une des meilleures transmissions à ce jour.

Je ne pourrais clôturer cet article sans parler de la transmission de la dernière Ford Focus RS MKIII.  Celui-ci aurait pu ne jamais voir le jour. En effet, Ford, disposant d'un moteur transversal, s'est naturellement tourné vers Haldex pour essayer la dernière génération du système dans l'idée de l'implanter. Après quelques essais, les ingénieurs ont été déçus car il ne donnait pas le dynamisme attendu. Ford a donc décidé de travailler en collaboration avec GKN sur base de leur solution Twinster déjà présente dans le Land-Rover Evoque notamment. Comme l'Haldex, cette transmission a été conçue pour les moteurs transversaux. Cependant, contrairement à l'Haldex, la transmission de chez GKN peut fonctionner en permanence en 4X4 et mieux encore, envoyer jusqu'à 70% de couple sur l'essieu arrière. Mais cela ne suffisait pas à donner le dynamisme attendu. Pour ce faire, Ford et GKN ont travaillé sur un système de torque vectoring unique qui permet non seulement de donner plus de couple sur l'une des roues arrière (jusqu'à 100% !), mais aussi d'accélérer la vitesse de la roue extérieure arrière. Innovant, c'est le moins que l'on puisse dire puisqu'il s'agit du premier système de torque vectoring de ce genre, sur un moteur transversal.

Conclusion

Il existe bien entendu d'autres systèmes, comme celui d'Honda (SH-AWD, d'ailleurs très proche de celui de Subaru), qui sont très performants, mais il est impossible de les mentionner tous, comme il est impossible d'expliquer de manière plus détaillée chacun d'eux. Au terme de cet article, que l'on pourrait qualifier d'introduction à certains systèmes 4 roues motrices, vous constaterez que tous ces systèmes ne se valent pas. Comme souvent, les constructeurs tentent de contenter leurs clients avec un système parfois plus performant, parfois moins cher ou parfois vraiment innovant. N'hésitez pas à réagir à cet article par rapport à son contenu ou encore à votre ressenti si vous avez l'occasion d'utiliser un système 4 roues motrices au quotidien.