Boîte de vitesses

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Une boîte de vitesses est un élément mécanique permettant de modifier le rapport de transmission entre la vitesse de rotation et le couple d'un arbre moteur et d'un arbre de sortie. Un nombre déterminé de rapport est réalisable. Son cas d'utilisation le plus fréquent est la transmission du couple d'un moteur thermique aux roues motrices d'un véhicule. Elle est aussi utilisée dans de multiples autres contextes tel que les machine-outil, machines agricole ...
Boîte de vitesses

Une boîte de vitesses est un élément mécanique permettant de modifier le rapport de transmission entre la vitesse de rotation et le couple d'un arbre moteur et d'un arbre de sortie. Un nombre déterminé de rapport est réalisable. Son cas d'utilisation le plus fréquent est la transmission du couple d'un moteur thermique aux roues motrices d'un véhicule. Elle est aussi utilisée dans de multiples autres contextes tel que les machine-outil, machines agricole ...

Nécessité d'une boîte de vitesses

La boîte de vitesses est l’élément qui permet d’adapter le couple moteur au couple résistant de l’arrêt au déplacement du véhicule, dans toutes les conditions de roulage (sur le plat, dans les montées, les descentes, les virages...).

Véhicules à moteur thermique

L'automobile est aujourd'hui en quasi exclusivité mue par un moteur thermique. Ces moteurs ont des caractéristiques de fonctionnement (couple maxi et puissance) qui ne permettent pas leur couplage direct sur les roues des véhicules terrestres :
- Leur rendement varie beaucoup avec le régime (en particulier aux très basses vitesses), et leur démarrage est délicat.
- Ils ne tournent que dans un seul sens.
- Le couple moteur est plutôt faible (600 N.m correspond à un gros moteur) ; de plus il est très inconstant dans la plage d'utilisation de ces moteurs. Ces caractéristiques générales imposent pour l'usage d'un véhicule terrestre :
- La possibilité de dissocier le moteur des roues du véhicule, pour les vitesses proches de l'arrêt : c'est en partie le rôle de l'embrayage. Mais cela suppose que celui-ci puisse rester en position débrayée.
- La possibilité d'inverser le sens de rotation au niveau des roues pour assurer la marche en arrière.
- L'augmentation du couple disponible sur la roue (l'essieu moteur), le réducteur à engrenages étant la solution la plus commune. De plus, les conditions d'usage : arrêt court, limitation de vitesse, ralentissement, relief, imposent des allures de fonctionnement différentes. Un véhicule doit donc disposer d'un organe de transmission de puissance proposant :
- Un rapport nul (appelé point mort).
- Un rapport de marche arrière.
- Une ou plusieurs gammes de rapports étagés pour la marche avant. Il s'agit donc d'un ensemble de réducteurs disposés dans un même boîtier. La dénomination "boîte de vitesses" est en partie erronée puisque, en réalité, son rôle est d'adapter le couple. Cette appellation est liée aux premières machines industrielles qui recevaient l'énergie motrice d'un arbre moteur commun, animé par un moulin à eau ou une machine à vapeur tournant à vitesse constante. Des systèmes de pignons permettaient le choix d'une vitesse de fonctionnement. La dénomination anglo-saxonne est donc plus juste : gearbox (littéralement : boîte à engrenage), cependant, toutes les boîtes de vitesses ne sont pas construites sur le principe de transmission par engrenages.

Alternatives à la boîte de vitesses

La technologie renaissante des véhicules électriques annonce l'abandon de cet organe de transmission. En effet les moteurs électriques sont de plus en plus performants (couple important et compacité inégalée, rendement sans égal). Ils peuvent dorénavant être directement implantés dans la roue, ce qui élimine tous les éléments de transmission (différentiel, cardans...). La transmission hydrostatique depuis longtemps adoptée sur les véhicules de chantier et agricoles permet une variation continue de vitesse avec une distribution naturelle des couples à l'ensemble des roues avec des rendements exceptionnels. Par contre cette technologie est plus encombrante (réservoir et refroidissement d'huile), mais aussi particulièrement simple et fiable à mettre en œuvre. Elle n'a fait l'objet d'essais que sur des véhicules de petite taille et n'est utilisée que sur des engins à déplacement lent.

Classification des boîtes de vitesses

Pour les véhicules à moteur thermique, on pourra distinguer les boîtes suivant trois fonctions techniques indépendantes :
- La technologie des réducteurs : par engrenages classiques, train épicycloïdal, courroie...
- Le système de commande : manuelle, semi-automatique, automatique, séquentielle...
- La synchronisation : autorisant le changement de rapport en marche ou à l'arrêt seulement.
- Enfin l'orientation qui n'a d'influence que sur la géométrie des liaisons avec l'arbre moteur et le différentiel. L'architecture est différente suivant que le moteur est implanté transversalement (axe de rotation du vilebrequin parallèle à l'axe de rotation des roues) ou longitudinalement (axes orthogonaux) et, que le couple est transmis aux roues avant, arrière, ou aux quatre roues. À chaque combinaison correspond un modèle de boîte de vitesses différent.

Boîte manuelle à engrenages parallèles

Description

La boîte manuelle dite « à pignons toujours en prise » est la plus utilisée de nos jours; elle se distingue sur ce point des boîtes de machines outils qui disposent d'engrenages désaccouplés. Ce type de boîte est constitué généralement de deux arbres portant des pignons :
-L’arbre d’entrée (ou primaire) lié à l’arbre moteur via l'embrayage, porte les pignons primaires fixes. Il y a autant de pignons que de rapports de boîte.
-L’arbre de sortie (ou secondaire) portant des pignons fous (engrenant respectivement avec un pignon de l'arbre d'entrée), les systèmes de crabotage et les synchroniseurs.
-Le troisième arbre n'intervient que pour la marche arrière. Il contient un pignon pouvant coulisser et s'intercaler entre un pignon de l'arbre d'entrée et un autre de l'arbre de sortie ; ainsi, on dispose d'un engrenage de plus entre les deux arbres (soit deux inversions de sens de rotation au lieu d'une), d'où la marche inversée. C'est le seul cas où l'engrenage n'est pas toujours en prise.
-L'arbre de sortie est lié au couple conique du différentiel, intégré au carter de la boîte (pour les véhicules à traction avant) ou reporté sur le pont arrière (pour les véhicules à propulsion).
-Le changement de rapport se fait par manipulation de coulisseaux actionnant crabots et synchroniseurs grâce aux fourchettes de commandes liées temporairement au levier de vitesses. Schéma de principe d'une boîte de vitesses à 4 rapports plus M.A.

Fonctionnement

Sélection d'un rapport

Le principe de ce type de boîte repose sur le choix de plusieurs couples de pignons (appelés engrenages) offrant des rapports de transmission différents. Chaque engrenage est constitué d’un pignon d'entrée solidaire de l’arbre primaire, et d’un autre pignon de sortie en liaison pivot avec l’arbre secondaire. Un rapport est enclenché lorsqu'un des pignons de sortie devient solidaire de l'arbre secondaire. Pendant ce temps les autres pignons tournent librement. On dit qu'ils sont fous. Après débrayage, pour rendre un pignon fou solidaire de son arbre, il faut dans un premier temps le synchroniser avec son arbre, c'est-à-dire annuler la vitesse de rotation relative, puis le bloquer en rotation. La manœuvre est assurée par un synchroniseur (synchro) et un crabot montés sur des cannelures, donc en liaison glissière avec l’arbre, et commandés en translation par l’une des fourchettes. L'accouplement entre le crabot et le pignon correspondant s'effectue au moyen de dents, qui peuvent être frontales (créneaux) ou périphériques (cannelures). Les formes complémentaires des deux éléments assurent une transmission de la puissance par obstacle. Ce sont ces dents-là qui grognent lorsqu'on loupe la manœuvre, et pas les dents d'engrenage. Le maintien du rapport enclenché se fait à l’aide d’un système de verrouillage des crabots sur l'arbre de sortie, mais aussi des coulisseaux de fourchette (entraînés par le levier de vitesses) sur le carter de boîte.

Engrenages

Dans ce type de boîte, on adopte généralement des engrenages à denture hélicoïdale. Ils sont plus silencieux car les dents en prise sont plus nombreuses (rapport de conduite amélioré) ; elles subissent donc chacune moins de charge que les pignons à dentures droites. Malheureusement, elles provoquent une poussée axiale, ce qui impose l'utilisation de roulements adaptés et un renforcement des paliers. Il faut noter que la marche arrière est obtenue avec des pignons à denture droite, ce qui explique le bruit si caractéristique. Ce même bruit est identifiable sur les voitures anciennes. Ce choix est imposé par le principe même de la marche arrière puisqu'un pignon est déplacé axialement pour relier les deux arbres (un engrenage supplémentaire pour l'inversion).

Prise directe

Sur certaines boîtes, lorsque les deux arbres sont en ligne, il est possible de les accoupler directement : pour la prise directe, l'un des manchons rend le pignon de sortie de l'arbre d’entrée solidaire à l'arbre secondaire. Les pignons fous ont donc 2 dentures différentes : l'une, périphérique, qui sert à transmettre le mouvement de l'arbre primaire au secondaire et l'autre, droite ou périphérique, pour le passage des vitesses. Ainsi, la denture périphérique des pignons n’est pas abîmée lors du passage des vitesses car les chocs lors de l’engrenement sont supportés par l’ensemble de la denture du synchro. Pour la marche arrière, l’axe tertiaire est déplacé par une fourchette et le pignon qu’il porte vient se placer entre les deux pignons du couple correspondant pour inverser le sens de rotation.

Boîte robotisée

Ce sont des boîtes manuelles standards auxquelles on a greffé un système automatisé, électrotechnique souvent associé à l'hydraulique, qui soit se comportent :
- En mode automatique : comme une boîte automatique changeant les rapports au moment le plus opportun ;
- Soit en mode semi-automatique, assistant le conducteur en lui laissant le soin de demander, (à l'aide de boutons, palettes, ou d'un levier), le passage des rapports, mais qui n'agit que quand les conditions ad hoc sont réunies. On trouve ce système chez différents constructeurs, sous l'appellation Sensodrive chez Citroën, Quickshift chez Renault, Selespeed chez Alfa Romeo, F1 chez Ferrari, etc.

Boîte séquentielle

Description

C'est une version dérivée de la boîte de vitesses manuelle, qui reprend le même principe mécanique de pignons et de crabots, mais avec une configuration qui implique que, le conducteur ne peut pas choisir un rapport au hasard, mais uniquement le rapport immédiatement supérieur ou inférieur à celui en service, ce qui constitue une séquence dans le passage des vitesses. C'est le cas des boîtes de motocyclettes ainsi que de nombreuses automobiles de courses.

Fonctionnement

Sauf obligation : réglementation de course automobile ou coût de fabrication, dorénavant le passage des vitesses ne se fait plus mécaniquement par la manœuvre du conducteur d'un levier et d'une pédale de débrayage, mais au moyen d'un automatisme mécanique ou électro-hydraulique qui assurent seul le passage des vitesses. Le pilotage électronique de l’injection et du papillon motorisé permet de mettre le moteur et les pignons à la vitesse de rotation voulue pendant le passage des vitesses, si bien que la position de l'accélérateur n'a plus d'influence pendant la durée du changement de rapport.

Boîte à crabots

Description

En haut : le barillet de sélection avec ses cames, provoque en tournant un déplacement latéral des fourchettes, qui poussent les crabots, ceux-ci se solidarisent avec un des pignons situé sur l'arbre à côté. En bas : un des arbres de la boîte, avec ses pignons et ses crabots. Utilisé en compétition (rallye notamment) et sur les motos, cette boîte possède l'avantage de pouvoir se passer d'embrayage et d'avoir un meilleur rendement, au prix d'une usure qui peut être rapide et d'un claquement lors des passages de vitesse.

Fonctionnement

Une boîte manuelle, synchronisée, possède des pignons et bagues (synchros) qui permettent d'accorder la vitesse de rotation de l' arbre primaire avec celle de arbre secondaire, avant d'engager les pignons. Une boîte à crabot ne possède pas ces synchronisateurs, la vitesse passe d'un coup et, parfois violemment, si les arbres n'ont pas des vitesses de rotation proches. Ces boîtes ont souvent des engrenages à dentures droites qui supportent mieux les à-coups, mais qui font nettement plus de bruit, par contre elles ont un meilleur rendement, car la poussée latérale des pignons à denture hélicoïdale est absente.

Boîte automatique

Description

La transmission automatique est un système capable de déterminer de façon autonome le meilleur rapport possible en fonction d'informations extérieures au système telles que le couple et la vitesse moteur, l'enfoncement de la pédale de l'accélérateur, la vitesse du véhicule, le mode de fonctionnement de la boite (D, S, manuel), le couple résistant du véhicule (montée, descente) et d'autres fonctions plus complexes qui dépendent du niveau technologique de la boite de vitesses automatique. À l'identique d'une boîte de vitesses robotisée, c'est un système électro-hydraulique piloté par un calculateur électronique qui gère les passages de vitesses. Par contre le transfert de puissance est continu dans une boîte de vitesses automatique, ce qui n'est pas le cas pour les autres types de boîte. Plusieurs approches pour la commande de la boite de vitesses sont aujourd'hui sur le marché :
-Le sélecteur de commande "PRNDL" se caractérise par le fait que chaque position définit un mode de fonctionnement spécifique. On peut ainsi trouver par exemple les positions suivantes :
-P : Frein de parking (Park) : la boîte est bloquée par l'enclenchement d'un verrou dans un élément tournant de l'étage de sortie.
-R : Marche arrière (Reverse).
-N : Point mort (Neutral).
-D : Conduite normale avec la totalité des rapports (Drive).
-3 et/ou 2 : Conduite soit :
-
-avec les seuls rapports de 1, 2 ou 3, ce qui laisse le moteur prendre des tours, adapté à la conduite en montagne.
-
-avec le seul rapport de 2 (même au démarrage) pour faciliter les départ sur neige ou verglas.
-1 ou L : Conduite en 1 ou (Low), utilisée par exemple dans les fortes descentes.
-Le sélecteur "steptronic" se trouve en général sur les modèles plus récents. Il garde les positions P, R, N et D du "PRNDL" mais offre généralement une position sport. Cette position permet d'obtenir une sélection plus agressive des rapports lors d'une conduite sur route sinueuse par exemple. De plus, lorsque le sélecteur est en position D ou S, un mode manuel permettant au conducteur de choisir directement le rapport est disponible. En parallèle de ce système, chaque constructeur peut choisir d'ajouter des boutons ou leviers sur le volant pour sélectionner le rapport.
-Le point commun entre ces deux mode de fonctionnement est qu'il existe un lien mécanique entre le levier et la boite de vitesses. Plusieurs constructeurs offrent maintenant un système se rapprochant du système "steptronic" mais utilisant une commande électrique pour toutes les manoeuvres. Le choix du mode se fait en fonction de la position actuelle de la boite et du sens dans lequel le conducteur bouge le levier. Par exemple, si le conducteur est en position "Drive" et qu'il pousse d'un cran le sélecteur, la boite automique commandera la position "Neutre"; Par contre si le conducteur pousse le sélecteur de deux crans, la boite commandera la position "Reverse". Pour passer en position "Park" il faut généralement appuyer sur un bouton. Ce type de commande est intéressante car le constructeur peut placer le levier où il veut dans l'habitacle du véhicule mais demande également un niveau de sécurisation plus élevé. En effet si l'électronique devait avoir un problème, le conducteur peut ne plus avoir les moyens de se mettre dans une position sûre ("Neutre").

Fonctionnements

Écorché de boîte automatique Renault (Musée de la Villette, Paris) Vue de l'extérieur, cette boîte est disposée identiquement à la boîte manuelle entre le moteur et le différentiel-pont. Cependant, la gestion des changements de vitesse requiert des adaptations technologiques :
- En amont, l'embrayage est remplacé par un convertisseur de couple hydraulique. Son rôle est de transmettre le couple d'entraînement tout en autorisant des glissements (équivalent du patinage inévitable lors du passage de rapport), il sert aussi à séparer le moteur du reste de la chaîne comme un embrayage.
- La constitution la plus répandue est celle de trains épicycloïdaux en cascade. En solidarisant par le biais d'embrayages ou de freins, certaines parties de ces trains, on obtient des rapports différents. La sélection d'un rapport dépendant alors uniquement d'une combinaison d'ordre des pistons de commande. De ce fait, il n'y a aucun crabotage à piloter.
- Un étage, ou train épicycloïdal est constitué de différents composants, planétaires, satellites, porte satellites, qui tournent librement les uns par rapport aux autres (2 mobilités par étage).
- Une pompe hydraulique haute pression, intégrée dans la boîte, entraînée directement par le moteur, fournit l'énergie pour les actuateurs hydrauliques nécessaire aux embrayages et aux freins, elle lubrifie aussi sous pression les différents éléments.
- Le système de commande prend en considération l'intention du conducteur (état des pédales d'accélérateur et frein) le régime du moteur, la vitesse du véhicule, ainsi que le couple transmis. Le meilleur rapport est alors appliqué. Un distributeur (équivalent de la carte à trous) envoie alors la pression vers les éléments concernés.
- Les premières générations de boîtes automatiques sont pilotées par des systèmes mécaniques, électromécaniques (boîte Cotal) ou hydrauliques. Un câble reliant la boîte à l'accélérateur, asservit la boîte à la charge du moteur. La pression variable délivrée par la pompe donne une information proportionnelle au régime moteur. Ces paramètres permettent au système de contrôle de déclencher le passage des rapports en fonction des besoins.
- Les générations de boîtes actuelles sont pilotées par des calculateurs électroniques, lesquels, associés à de nombreux capteurs, permettent une gestion de plus en plus intelligente de la boîte. Note importante : le contrôle du niveau d'huile d'une boîte automatique se fait moteur tournant, la pompe à huile "remplissant" le convertisseur de couple. Ceci implique qu'une boîte automatique dispose d'une jauge.

Étagement d’une boîte de vitesses

La boîte idéale serait celle proposant le bon rapport pour chaque situation. On ne peut cependant pas multiplier les rapports à l’infini. La gamme de rapports proposés doit donc être la plus universelle possible. Longtemps limitée à 3 vitesses, la boîte automobile à progressivement pris 4 puis 5 voire 6 vitesses sur les véhicules haut de gamme. Les camions ont, depuis longtemps, des étagements de transmission sur plus de 10 rapports. Les motocyclettes en ont, habituellement, 6 (on a vu des modèles de série avec 7 rapports, et davantage en compétition). Cependant certains véhicules (Daf dans les années 1960) ont disposé d'un variateur proposant une gamme continue de rapports. De nos jours, on trouve de nouveaux véhicules de tourisme basés sur le même principe de la Transmission à Variation Continue ( CVT ). Celles-ci ont l'avantage d'adapter en permanence le régime du moteur et le couple appliqué pour correspondre au mieux à l'équation économie/vitesse imposée par le conducteur. D'autre part, la variation du rapport appliqué se faisant progressivement, aucun à-coup n’est perceptible, contrairement à certaines boîtes automatiques robotisées et plus rarement séquentielles. L'accent est donc mis sur le confort et l'économie. Actuellement, ces boîtes automatiques équipent notamment les Nissan Micra n-CVT (93~2002) et les Honda Jazz CVT en Europe.

Rapport de transmission

Le rapport de transmission globale (boîte (s) + pont) est un rapport entre les vitesses du moteur et des roues, mais aussi (au rendement près) entre le couple moteur et le couple disponible à la roue. Courbes caractéristiques d'un moteur R_ =\fracN_\mathrmN_\mathrm = \eta.\fracC_\mathrmC_\mathrm= R_\mathrm.R_\mathrm Les moteurs proposant un couple plutôt modéré et fonctionnant correctement à des régimes élevés (milliers de tours/minute), il convient donc de réduire la vitesse (centaines de tours/minute) ce qui aura pour effet d’augmenter le couple à la roue, c'est-à-dire l’effort de propulsion (au sens large) du véhicule. La série de rapports disponibles sur une boîte est optimisée en prenant en compte les caractéristiques du moteur :
- couple, puissance et rendement (consommation spécifique) maximaux, et les régimes associés du moteur. La plupart des moteurs ont une caractéristique de fonctionnement selon le schéma ci-contre ; mais aussi les caractéristiques du véhicule :
- Masse de la voiture (PTRA)
- Taille des roues, rapport du différentiel.
- Vitesse maximale souhaitée
- Cx coefficient de traînée.

Rapport de première

Le rapport de première n’est utilisé que pour arracher le véhicule de sa position d’arrêt. Sa détermination repose sur la considération d’un cas défavorable de démarrage, à savoir le véhicule en charge maximale et une côte à 15 %. On détermine ainsi par une étude mécanique statique, le couple nécessaire à la roue.. La marche arrière est donc souvent proposée avec le même rapport de transmission que la première (voire un peu plus court).

Rapports intermédiaires

Une fois le véhicule en mouvement, pour atteindre la vitesse de croisière, ou la vitesse maximale, l’accélération impose une force de propulsion permanente. Le moteur doit donc donner le maximum de couple. Pour cela, lors du passage du rapport supérieur (par exemple 1 vers 2), le moteur quittant le régime à puissance maximale doit retomber au moins sur le régime à couple maximal. Il en résulte un étagement idéal des rapports de transmission suivant une suite géométrique dont la raison est le rapport entre les régimes à puissance et couple maximum.

Rapport supérieur

La pénétration dans l’air de la voiture et les frottements dans l’ensemble de la transmission offrent une résistance à l’avancement qui évolue avec la vitesse. La puissance consommée augmente donc avec la vitesse. Il existe donc une valeur de puissance équivalente à la puissance maximale délivrée par le moteur. Ce régime de fonctionnement permet de fixer le rapport supérieur de la boîte de vitesses. Bien sûr ce rapport n’entre pas systématiquement dans la suite définie précédemment. L’étagement est alors corrigé. Les considérations écologiques ont conduit les constructeurs à réduire la consommation des véhicules. Aujourd’hui le dernier rapport est souvent déterminé pour un régime de croisière à consommation spécifique minimale (consommation par tour minimale, soit un rendement maximal). Ce point de fonctionnement du moteur est suffisant pour maintenir la voiture à vitesse établie.

Quelques cas particuliers

Véhicules 4x4
- Les véhicules tout-terrain sont souvent équipés d’une seconde boîte de vitesses appelée boîte de réduction ou transfert, la plupart du temps non synchronisée, donc manipulée à l’arrêt. La réduction offrant plus de force à l’avancement pour les franchissements. Le même dispositif permet aux tracteurs agricoles de disposer de plus de force pour la traction des socs et autres charrues. Coupé Napoléon
- Les Bugatti Royales, dont Le Coupé Napoléon d'Ettore Bugatti, sont équipées d’un moteur de 8 cylindres et 15 000 cm³, avec un couple tel, que le seul rapport de 2 suffit à les conduire de 0 jusqu’à des vitesses peu raisonnables, la 3 ne prenant le relais que pour aller chatouiller les 200 Km/h. 2cv 1960
- La 2CV Citroën proposait dès 1948 une boîte à 4 rapports alors que la Traction, reine de la route alors n’en disposait que de 3. Aussi, pour rester dans l’esprit de la modestie annoncée, la 4 sera appelée S (surmultipliée) pour ne pas être considérée comme une vitesse. L’étagement de cette boîte est curieusement selon une suite arithmétique ce qui génère des trous énormes entre 1, 2 et 3. Enfin sa constitution est assez particulière avec 4 arbres deux à deux coaxiaux et des réductions obtenues avec 1 ou 3 engrenages successifs. Ford T Roadster 1923
- La Ford T fut en son temps la voiture produite dans le plus grand nombre d'exemplaires. Elle se distinguait cependant par sa boîte de vitesses particulière qui lui a valu un permis de conduire spécial. Reposant sur l'architecture d'une boîte automatique avec des trains épicycloïdaux, les rapports étaient choisis via 1 levier et 2 pédales actionnant les sangles de commandes. Il arrivait souvent que la première reste enclenchée (système collé en hiver) ; alors, comme dans les films de Laurel et Hardy, nombre d'utilisateurs se sont faits écraser lors du démarrage à la manivelle ; une parade étant de soulever préalablement une roue motrice à l'aide du cric, le différentiel faisant alors tourner la roue dans le vide.

Voir aussi

- moteur thermique
- engrenage
- train épicycloïdal
- Tiptronic ==
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