Telechargé par Arysqar Andrianarson

Boîte de vitesses avec convertisseur de couple

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Boîte de vitesses
Une boîte de vitesses est un dispositif mécanique, et souvent mécatronique sur
les véhicules récents, permettant d'adapter la transmission d'un mouvement entre
un arbre moteur et un arbre récepteur. Utilisée dans de multiples contextes
(machine-outil, véhicule automobile terrestre, etc.), son cas d'utilisation la plus
fréquente est la transmission de la puissance d'un moteur en adaptant le couple
a
moteur au besoin de l'arbre récepteur .
En augmentant la démultiplication, les pièces entraînées tournent moins vite que
a
l'axe moteur ce qui a pour effet de multiplier le couple transmis à ces pièces .
En proposant plusieurs coefficients de réduction (ou de démultiplication),
Écorché d'une boîte de vitesses
automatique d'une Lexus IS.
dénommés rapports de transmission, la boîte de vitesses est ainsi l'élément
central qui adapte de manière très variable en fonction des différentes situations
b
dynamiques, pour vaincre la résistance à l'avancement au démarrage ou à
l'avancement (variant suivant les conditions de roulage) du véhicule.
La plupart des boîtes de vitesses étant à rapports discrets, l'utilisation
d'engrenages pour assurer les différentes démultiplications s'est imposée comme
la solution la plus efficace.
Boîte Speedhub 500/14 pour vélo
intégrée au moyeu de la roue.
Sommaire
Intérêts d'une boîte de vitesses
Historique de l'évolution
Architecture
Boîte manuelle à engrenages parallèles
Boîte synchronisée
Boîte à crabots et boîte à baladeurs
Boîte mécanique pilotée et boîte robotisée à double embrayage
Boîte séquentielle
Boîte automatique
Boîtes avec convertisseur de couple
Boîtes à double embrayage
Boîtes CVT, IVT et e-CVT
Lubrification
Étagement
Rapport de transmission
Rapport de première
Rapports intermédiaires
Quelques cas particuliers
Notes et références
Notes
Références
Annexes
Articles connexes
Intérêts d'une boîte de vitesses
Dans de nombreuses applications, la puissance d'une machine motrice est
fournie par un couple de forces, et à une vitesse de rotation inadaptés au
fonctionnement du système récepteur ; une adaptation du couple et de la vitesse
de rotation est donc nécessaire afin d'exploiter au mieux les performances de
cette machine selon les conditions de son utilisation (par abaissement de la
vitesse de rotation et élévation du couple transmis, ou plus rarement, par
élévation de la vitesse de rotation et abaissement du couple transmis). Les
machines industrielles à moteurs électriques asynchrones telles qu'un tour par
exemple, dont la fréquence de rotation est liée à la fréquence du secteur, ne
permettent pas ainsi d'obtenir plusieurs vitesses de fonctionnement sans une
c
boîte de vitesses .
C'est d'ailleurs sans doute cette application, qui date de la révolution industrielle,
qui a donné cette dénomination au dispositif. Elle est liée aux premières
Usine dans laquelle on distingue,
dans le coin inférieur gauche, un
arbre muni d'une poulie étagée
constituant une boîte de vitesses à 4
rapports.
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, ou de
poulies, permettaient le choix d'une vitesse de fonctionnement. L'arbre moteur tournait à vitesse quasi constante tant que le couple
demandé restait inférieur à celui qui était disponible.
Dans le cas des véhicules, il y a plus généralement inadéquation entre le couple fourni et le couple nécessaire à la roue pour
a
vaincre les résistances inertielles, la boite de vitesses permet de pallier cet inconvénient . Le couple par exemple qu'un cycliste
exerce sur les pédales de son vélo est suffisant pour rouler sur terrain horizontal. Mais lorsqu'il aborde une côte, le couple
résistant à la roue augmente. Le dérailleur (ou les moyeux à vitesses intégrées sur les modèles haut de gamme) permet alors
d'augmenter le couple à la roue au détriment de la vitesse de rotation, en faisant passer la chaîne d'un pignon de la cassette à un
autre plus grand.
Le même principe est utilisé en automobile où le couple fourni par le moteur thermique, souvent limité et variable sur une plage
de régime de rotation limitée, ne permet pas de faire face aux différentes conditions de roulage du véhicule (démarrage,
accélération, roulage, marche arrière, etc.). La boîte de vitesses offre ainsi la possibilité d'augmenter le couple disponible sur
l'essieu moteur, le réducteur à engrenages étant la solution la plus commune pour réaliser cette fonction. La boîte dispose ainsi :
d'une position dite "point mort" (aucune vitesse n'est engagée) pour, entre autres, démarrer le moteur sans
entraîner le véhicule,
de plusieurs rapports étagés pour la marche avant,
d'un rapport de marche arrière pour inverser le sens de rotation des roues.
Historique de l'évolution
Louis Renault, grand inventeur et entrepreneur de l'industrie automobile française fait breveter la boite de vitesse à prise directe
1
en 1898 .
Architecture
Le cas d'utilisation le plus fréquent d'une boîte de vitesses est la transmission de
la puissance du moteur thermique d'un véhicule avec le couple et la vitesse de
rotation adaptés à la situation (couple élevé avec faible vitesse ou l'inverse). Les
boîtes, utilisées dans ce cas, se distinguent selon la technologie de leurs
réducteurs (engrenages, train épicycloïdal, chaîne ou courroie) et leur système de
commande (manuelle, pilotée/robotisée, séquentielle ou automatique).
Généralement, on distingue les boîtes selon :
Configuration à moteur central avant
et roues arrière motrices ; le moteur
et la boîte sont donc placés
longitudinalement.
leur disposition, transversale ou longitudinale, généralement
choisie selon que le moteur est lui-même implanté
transversalement (l'axe de rotation du vilebrequin est parallèle à
l'axe de rotation des roues) ou longitudinalement ;
la position (avant ou arrière) du moteur et le choix du (ou des)
essieu(x) moteur(s) (transmission aux roues avant, arrière ou intégrale) ; ce dernier critère influence
l'intégration - ou non - du pont à la boîte.
Boîte manuelle à engrenages parallèles
Boîte synchronisée
Les boîtes manuelles les plus utilisées de nos jours sont généralement constituées de deux arbres parallèles dénommés arbre
primaire (arbre d'entrée lié au vilebrequin via l'embrayage), et arbre secondaire (arbre de sortie de boîte) portant respectivement
d
les pignons de vitesses et les pignons fous . Outre les pignons fous, l'arbre secondaire porte également les systèmes de crabotage
et les synchroniseurs, dispositifs placés sur des baladeurs, actionnés par les fourchettes de commandes liées au levier de vitesses,
pouvant coulisser sur des cannelures de l'arbre.
Le principe d'une boîte manuelle repose sur le choix de plusieurs couples de
pignons (ou engrenages) de diamètres différents, offrant ainsi différents rapports
de transmission. Chaque couple est constitué d'un pignon fixe sur l'arbre
primaire, et d'un pignon fou, en liaison pivot avec l'arbre secondaire par
l'intermédiaire de roulements. Un rapport est enclenché lorsque l'un des pignons
fous devient solidaire de l'arbre secondaire. Pendant ce temps, les autres pignons
tournent librement, d'où le terme « pignon fou », et ne transmettent aucun
couple.
Schéma cinématique de principe
d'une boîte de vitesses à 4 rapports
et marche arrière.
Synchronisation et crabotage
La manœuvre pour rendre un pignon fou solidaire de l'arbre de sortie est assurée
par le déplacement horizontal du baladeur sur les cannelures de l'arbre – le
baladeur est donc en liaison glissière –, ce qui a pour but d'accoupler le crabot et
le pignon correspondant au moyen de petites dents ; ces dents, appelées « dents
de chien » ou "crabots", peuvent être frontales (créneaux) ou périphériques
e
(cannelures) . Les formes complémentaires des deux éléments devenus
solidaires assurent ainsi la transmission de la puissance.
Sur les boîtes synchronisées, en complément des crabots est installé un
synchroniseur qui, comme son nom l'indique, permet, préalablement au
crabotage, de synchroniser la vitesse de rotation d'un pignon avec celle du
pignon dont il devient solidaire lors de l'engagement du nouveau rapport
sélectionné. En effet, au démarrage ou au passage d'un rapport à un autre, la
Sous-système d'une boîte constitué
de deux rapports synchronisés. La
fourchette déplace le baladeur pour
craboter un pignon fou.
vitesse relative entre les deux arbres n'est pas nulle, ce qui complique
l'accouplement des dents de chien. En mettant en contact des surfaces de
frottements liées d'une part au synchroniseur et d'autre part au pignon fou, le synchroniseur annule cette vitesse relative et assure
un passage du rapport sans effort ni bruit.
Particularités : marche arrière et prise directe
Ce type de boîte adopte généralement des engrenages à denture hélicoïdale. Ils
sont en effet plus silencieux car les dents en prise sont plus nombreuses et
subissent donc chacune moins de charge que les pignons à denture droite. En
revanche, ces engrenages provoquent une poussée axiale qui impose l'utilisation
de roulements adaptés et un renforcement des paliers. C'est également pour cette
raison que la marche arrière est obtenue avec des pignons à denture droite et
qu'elle émet un bruit si caractéristique lors de son usage. Ce choix est imposé par
le principe même de la marche arrière ; en effet, pour inverser le sens de rotation
des roues, donc de l'arbre secondaire, il est nécessaire de faire intervenir un
troisième engrenage dans un couple de pignons. Ce pignon est déplacé
axialement afin de s'intercaler entre un pignon de l'arbre primaire et un pignon
f
Exemple d'engrenages à denture
hélicoïdale d'une boîte de vitesses
manuelle.
de l'arbre secondaire . Si le pignon de marche arrière avait été à denture
hélicoïdale, il n'aurait été possible ni de l'intercaler ni de le maintenir enclenché
du fait de la poussée axiale.
Certaines boîtes, notamment les boîtes longitudinales, disposent par ailleurs d'un troisième arbre, dit « train fixe » ou « arbre
intermédiaire », qui permet de placer les arbres primaire et secondaire non plus parallèlement mais en ligne. Il est alors possible
de les accoupler directement pour obtenir ce qu'on appelle une prise directe pour bénéficier d'un rendement de transmission
g
supérieur : l'un des baladeurs rend l'arbre primaire solidaire de l'arbre secondaire. Historiquement, la prise directe était
traditionnellement le troisième ou quatrième (et dernier) rapport avant, ainsi nommé car il correspondait à un rapport de
démultiplication nul (rapport 1:1 entre les arbres). De nos jours, le dernier rapport est souvent ce que l'on appelait autrefois la
« surmultipliée », c'est-à-dire avec un rapport de démultiplication supérieur à 1 (l'arbre de sortie de boite tourne plus vite que
l'arbre primaire). Le moteur n'ayant pas besoin de rester dans les hauts régimes pour une grande vitesse sur un terrain favorable,
cela participe à la réduction de la consommation en carburant.
Boîte à crabots et boîte à baladeurs
Contrairement à une boîte à engrenages parallèles, les boîtes à crabots et les
boîtes à baladeurs sont des boîtes manuelles non synchronisées. Si l'architecture
globale demeure la même, les rapports sont engagés différemment.
Dans le cas d'une boîte à baladeurs, aucun engrenage n'est, au point mort, en
contact ; un rapport est engagé en mettant en concordance les dentures
respectives d'un couple d'engrenages. Le pignon récepteur (porté par les
cannelures de l'arbre secondaire) est pour cela déplacé axialement via les
fourchettes de sélection. Les boîtes à baladeurs imposent donc l'utilisation
d'engrenages à denture droite, les fourchettes ne pouvant supporter d'effort axial
Schéma conceptuel de la différence
entre des engrenages crabotés et
synchronisés.
sans usure prématurée, et son fonctionnement présente une grande difficulté
d'engagement étant donné qu'aucun système de synchronisation ne permet d'en faciliter la tâche. La réussite du passage d'un
rapport dépend ainsi uniquement de l'adresse du conducteur et de sa capacité à maîtriser des techniques de pilotage telles que le
double débrayage ou le double pédalage.
Le conducteur devra faire également preuve de la même adresse dans le cas d'une boîte à crabots. Utilisée quasi uniquement en
compétition (en rallye notamment) et sur les motos, ce type de boîte peut éventuellement permettre le passage d'un rapport sans
débrayer, en mettant précisément le moteur au régime qui convient, et ainsi d'obtenir un meilleur rendement au prix d'un
claquement lors des passages de vitesses. En effet, une boîte à crabots ne possède pas de synchroniseurs mais des dents destinées
au crabotage de forme particulière : ce sont des pavés en « toit » avec beaucoup de jeu pour faciliter l'engagement.
Boîte mécanique pilotée et boîte robotisée à double embrayage
Il en existe deux types de systèmes :
basé sur une boîte mécanique classique
équipée de servo moteurs électriques actionnant l'embrayage (monodisque à sec
classique), les changements de rapports, l'accélérateur ainsi que d'un système de
pilotage électronique. Ces boîtes sont nommées par PSA, le principal utilisateur,
« BMP », pour « boîte mécanique pilotée » ou encore « Sensodrive » pour la Citroën C3
et C2, premières voitures de série apparues avec ce dispositif qui fonctionne soit en
mode automatique, soit en mode séquentiel (passage des rapports par palettes ou levier
décidé par le conducteur). Ce type de transmission, peu coûteux, a cependant
l'inconvénient, tout comme toute boîte manuelle classique, d'engendrer des arrêts
d'entraînement du véhicule durant le passage des rapports, donc des à-coups et est
parfois très lente de réactions lorsqu'il s'agit de « sauter » plusieurs rapports.
boîtes robotisées à double embrayage
boîtes robotisées avec deux arbres de démultiplication parallèles, activés chacun par un
embrayage distinct. Sur ce type de boîte, lors du changements de rapport, les deux
embrayages passent simultanément l'un en débrayage, l'autre en embrayage, ce qui
n'entraîne pas d'arrêt de traction et rend le passage de vitesse peu perceptible (pas ou
peu d'à-coup). Ce type de boîte, bien plus coûteux
que les BMP, est très rapide dans ses actions et se
comporte également soit en mode automatique –
l'électronique seule décide alors du rapport le plus
adapté au condition de roulage et du moment le plus
opportun pour passer au rapport suivant ou au
contraire rétrograder – soit en mode séquentiel,
auquel cas le conducteur décide de changer de
rapport à l'aide de boutons, palettes, ou d'un levier (à
Schéma de principe d'une boîte
condition néanmoins que les conditions ad hoc soient
robotisée à double embrayage.
réunies pour éviter tout sur ou sous-régime).
Développée initialement pour la compétition
automobile, cette technologie repose sur des
actionneurs hydrauliques choisis pour leur rapidité. Arrivée en série sur la Ferrari F355
équipée de la boîte dite « F1 », les boîtes pilotées se sont rapidement vues converties au
système robotisé à double embrayage, aujourd'hui systématique, à tel point que le terme
« robotisée » est souvent confondue avec celui de « robotisée à double embrayage ».
Déjà très rapide, le double embrayage a permis de diminuer les temps de passage de
rapport à près de 60 ms sur les boîtes les plus performantes.
Pour cela, la boîte est donc en réalité constituée de deux demi-boîtes traditionnelles à
engrenages parallèles dont la première demi-boîte se compose des rapports impairs (1-35) et de la marche arrière, alors que la deuxième utilise les rapports pairs (2-4-6). Deux
embrayages humides concentriques sont ainsi utilisés pour transmettre le couple moteur
à leur arbre primaire respectif ; ce couple n'est transmis qu'à un seul embrayage à la fois
hors passage des rapports, phase durant laquelle l'on passe progressivement de l'un à
l'autre. Tout l'intérêt de cette architecture particulière est de pouvoir engager deux
rapports au même moment et de n'avoir qu'à « aiguiller » le couple entre l'un des deux
embrayages pour passer au rapport suivant.
Boîte séquentielle
Une boîte séquentielle est une boîte de vitesses à engrenages parallèles dont le système de
sélection est assuré par un disque ou un barillet, une pièce circulaire sur laquelle sont
usinées des gorges permettant de guider le mouvement des fourchettes. Ce système
implique que le conducteur ne peut pas sauter un ou plusieurs rapports, mais passer
uniquement au rapport immédiatement supérieur ou inférieur à celui enclenché. Ce type de
boîte est depuis longtemps utilisé dans les motos ainsi qu'aujourd'hui dans de nombreuses
auto de compétition. La commande se fait par un levier sélecteur actionné par le pied (à
moto) ou la main en auto. Beaucoup d'autos de compétition offrent de le faire
manuellement au moyen d'un automate mécanique ou électro-hydraulique à l'image des
Système de sélection à
barillet (en haut de l'image)
d'une boîte séquentielle.
boîtes robotisées, de façon à simplifier la commande. Ce système a pour but de réduire la
durée des changements de vitesse, mais ne permet pas de sauter une ou plusieurs vitesses.
Boîte automatique
Une boîte de vitesses automatique dispose d'un système capable de déterminer de façon autonome le meilleur rapport de
transmission. Ce type de boîte détermine seul le bon rapport de transmission grâce à des informations telles que le couple et la
vitesse de rotation du moteur, l'enfoncement de la pédale de l'accélérateur, la vitesse du véhicule, le mode de fonctionnement de la
boite, le couple résistant du véhicule et d'autres fonctions plus complexes qui dépendent du niveau technologique de la boîte de
vitesses automatique. L'embrayage est généralement automatique et ne nécessite donc pas de pédale d'embrayage.
Les positions du sélecteur sont repérées par les initiales des termes anglais
correspondants : P(ark) pour véhicule en stationnement, R(everse) pour marche arrière,
N(eutral) pour point mort, D(rive) pour marche avant normale et B(rake) pour frein
moteur.
Longtemps limitées à trois (voire deux) rapports jusque dans les années 1970, les boîtes
automatiques existent aujourd’hui en configurations allant de six à onze rapports, bien
qu’en règle générale, ce sont les transmissions à sept ou huit rapports qui sont
plébiscitées [réf. nécessaire].
Boîtes avec convertisseur de couple
À l'identique d'une boîte de vitesses robotisée, un système électro-hydraulique piloté par
un calculateur électronique gère les passages de vitesses. En revanche, les boîtes
automatiques fonctionnent en permanence sous couple permettant un transfert de
Levier d'une boîte
automatique sur une Škoda
Fabia.
puissance quasi continu. Cette particularité est possible grâce à son système d'embrayage
assuré, non pas par un disque de friction, mais par un convertisseur de couple hydraulique
ce qui autorise des glissements (équivalent du patinage lors du passage de rapport sur une
boîte manuelle). En glissement quasi permanent, le convertisseur est par contre l'élément à
l'origine du mauvais rendement de ce type de boîte si bien que les boîtes modernes
disposent en plus d'un embrayage de pontage du convertisseur qui s'enclenche dès que les
régimes des arbres d'entrée et de sortie sont suffisamment voisins.
La constitution la plus répandue d'une boîte automatique 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 de transmission différents. La sélection d'un rapport dépend
alors uniquement d'une combinaison d'ordre des pistons de commande. De ce fait, il n'y a
Écorché d'une boîte
automatique Renault.
aucun crabotage à piloter. Une pompe hydraulique haute pression, intégrée dans la boîte et
entraînée directement par le moteur, se charge de fournir l'énergie pour les actionneurs
hydrauliques nécessaire aux embrayages et aux freins.
Boîtes à double embrayage
Le système à double embrayage permet de remplacer le convertisseur de couple qui donne l'impression que le moteur accélère
beaucoup, lors d'un changement de vitesse, alors que la vitesse du véhicule augmente peu. Par ailleurs ce système ne dispose,
généralement, pas de frein-moteur ce qui est gênant dans les grandes descentes.
Pour la boîte automatique à double embrayage, le changement de rapport est entièrement contrôlé par un calculateur qui attend
que la vitesse de rotation de l'arbre récepteur puisse se faire avec très peu de différence de rotation, ce qui permet de limiter
l'usure et les à-coup et donc la taille des embrayages, et des engrenages, à utiliser. L'autre avantage est que ce type de boîte de
vitesses transfère le frein-moteur comme une boîte de vitesses classique, voire plus facilement puisqu'il suffit de rétrograder
plusieurs vitesses à la fois, qui ne seront enclenchées, les unes après les autres, que lorsque le régime moteur sera dans les limites
déterminées par le constructeur.
Boîtes CVT, IVT et e-CVT
De nos jours, certains véhicules de tourisme fonctionnent sur le même principe d'une 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 se faisant progressivement aucun à-coup n'est
perceptible, contrairement à certaines boîtes robotisées et plus rarement séquentielles.
L'accent est donc mis sur le confort et l'économie.
La transmission des automobiles hybrides type HSD est basée sur un train épicycloïdal,
reliant un moteur thermique et deux moteurs-générateurs électriques. Elle permet la
variation continue du couple et de la vitesse de rotation transmise aux roues, tout en
assurant des fonctions annexes : freinage régénératif, frein moteur et recharge des
batteries.
Le système de variateur est très connu des personnes conduisant des scooters, engins sur
Transmission CVT par
courroie métallique d'une
Subaru Impreza
lesquels l'effort à la roue est transmis par un dispositif connu sous le nom de « variateur »
(ou « vario », dans le langage courant).
Lubrification
Pour un rendement maximal et un minimum de fiabilité, les mécanismes des boites de vitesses ont besoin de lubrification.
Dans les boites manuelles et robotisées simples (gestion électromagnétique), la lubrification par une huile relativement épaisse
s'effectue par barbotage : les pignons du bas baignent dans de l'huile et projettent par leur rotation l'huile sur toutes les autres
pièces.
Les boites automatiques ou robotisée complexes ont besoin d'un autre type d'huile plus fluide et sous pression pour faire
fonctionner les actionneurs hydrauliques. Elles sont donc munies d'une pompe à huile produisant un flux d'huile sous pression,
distribué par des canaux aux endroits nécessitant une lubrification.
Le retour dans le carter s'effectuant dans tous les cas par gravité .
Étagement
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.
Automobile individuelle
longtemps limitée à trois vitesses, la boîte automobile à
progressivement pris quatre puis cinq, puis six rapports,
voire huit sur les véhicules haut de gamme, notamment
2
3
hybrides (Lexus LS460 par exemple) voire 11 rapports .
Les camions
ont, depuis longtemps, des étagements de transmission sur
plus de dix rapports.
Levier d'une boîte 3
vitesses, plus marche
arrière, d'une Rovin Type 2.
Les motocyclettes
ont habituellement six vitesses mème si on a vu des modèles de série avec sept 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)
(Cf.
paragraphe
ci-dessus).
Actuellement,
ces
Nissan Micra n-CVT (1993~2002) et les Honda Jazz CVT en Europe.
boîtes
automatiques
équipent
notamment
les
Les Toyota Prius et autres hybrides type HSD utilisent une transmission utilisant un train épicycloïdal piloté par les moteurs
électriques, appelée aussi e-CVT.
Rapport de transmission
Le rapport de transmission global (boîte + pont) est un rapport entre les régimes de
rotation du moteur et des roues, mais aussi (au rendement près) entre le couple moteur et
le couple disponible à la roue.
Les moteurs proposant un couple plutôt modéré et fonctionnant correctement à des
régimes élevés (milliers de tours par minute), il convient donc de réduire le régime de
rotation (centaines de tours par minute) ce qui aura pour effet d'augmenter le couple à la
roue, c'est-à-dire la force de traction du véhicule.
La plupart des moteurs ont des courbes caractéristiques externes (fonctionnement à pleine
charge, c'est-à-dire accélérateur enfoncé) qui correspondent typiquement au schéma ci-
Courbes caractéristiques
d'un moteur
contre. La série de rapports disponibles sur une boîte de vitesses est optimisée en prenant
en compte ces courbes, établies en fonction de données relevées au banc d'essai à
différents régimes de rotation (tous les 200 tr/min par exemple) :
couple, puissance et rendement (consommation spécifique).
mais aussi les caractéristiques du véhicule :
masse de la voiture (PTRA) ;
circonférence de roulement des roues, rapport de pont ;
coefficient de traînée Cx et surface frontale (S), soit SCx ;
vitesse maximale prévue en fonction de ces données.
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 a généralement un rapport de transmission un peu plus court que la
première vitesse sur la plupart des boites de vitesses car le pignon de marche arrière est
décalé dans la boîte, ce qui apporte un rapport plus court utile pour reculer avec prudence
et pour faciliter les manœuvres délicates, contrairement aux premières boîtes de vitesses
qui avaient un rapport de marche arrière plus long que celui de la première vitesse en
raison de la présence du pignon intermédiaire aligné avec les autres pignons, ce qui oblige
à réduire le diamètre, et donc le nombre de dents, de la roue dentée sur l'arbre secondaire.
[réf. nécessaire]
Rapports intermédiaires
Illustration graphique des
trous de la boîte de vitesses
d'une 2CV Citroën
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 1re vers 2e), 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.
Si la reprise se fait en dessous de cette valeur on dit qu'il y a un trou dans l'étagement, c'est-à-dire une plage de vitesses du
véhicule pour laquelle le régime moteur est soit trop important soit insuffisant. C'est le cas des boîtes de 2CV, particulièrement
entre la 1re et la 2e.
Il est donc préférable que le régime de reprise soit nettement supérieur à celui du couple maxi. Cela donne plus de souplesse à
l'emploi mais nécessite un nombre de rapports plus grand.
Quelques cas particuliers
La Ford T
elle 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 un levier et deux 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 fait écraser lors du démarrage à la manivelle, alors qu'une parade simple et efficace
consistait à soulever préalablement une des roues motrices à l'aide du cric, le différentiel
faisant alors tourner la roue dans le vide plutôt que de faire avancer le véhicule.
La Bugatti Royale
équipée d'un moteur à huit cylindres de 12 763 cm3, avec un couple tel que le seul
rapport de seconde suffit à les conduire de l'arrêt jusqu'à des vitesses peu raisonnables,
la troisième ne prenant le relais que pour aller chatouiller les 200 km/h.
La Citroën 2 CV
elle proposait dès 1948 une boîte à 4 rapports alors que la Traction, reine de la route
alors n'en disposait que de trois. Aussi, pour rester dans l'esprit de la modestie annoncée,
la 4e est appelée « S » (pour « surmultipliée ») pour ne pas être considérée comme une
vraie vitesse. L'étagement de cette boîte est curieusement établi selon une suite
arithmétique et non géométrique, ce qui génère des trous énormes entre les 1re, 2e et
3e vitesses. Enfin sa constitution est assez particulière avec quatre arbres deux-à-deux
coaxiaux et des réductions obtenues avec un ou trois engrenages successifs.
Les véhicules tout-terrain
ils sont souvent équipés d'une seconde boîte de vitesses appelée « boîte de réduction »
ou « boîte transfert », la plupart du temps non synchronisée, donc manipulée à l'arrêt. La
réduction offre plus de couple pour les franchissements. Le même dispositif permet aux
tracteurs agricoles de disposer de plus de couple pour la traction d'outils agricoles (travail
du sol ou transport par exemple).
Véhicules à boîte de vitesses particulières
Ford T Roadster de
Coupé Bugatti Napoléon
Citroën 2 CV de 1960
1921
Véhicule tout-terrain
Notes et références
Notes
a. Voir puissance d'un couple montrant qu'à puissance identique le couple est inversement proportionnel à la vitesse
de rotation.
b. Ces efforts sont la somme de l'adhérence des pneus sur la chaussée, des forces de résistances aérodynamiques
liés aux Cx du véhicule et ceux liés au poids du véhicule dans une pente.
c. l'utilisation étoile/triangle sur un moteur triphasé permet seulement deux vitesses fixes.
d. . Cette disposition des pignons fous et des pignons fixes sur leur arbre n'est pas universelle. Certains pignons
fous peuvent se retrouver sur l'arbre primaire avec des pignons fixes et vice-versa pour l'arbre secondaire.
e. Ce sont eux, et non les engrenages, qui "protestent" lorsqu'on manque la manœuvre de passage d'un rapport.
f. Il s'agit du seul cas où l'engrenage n'est pas toujours en prise.
g. En effet, on compte approximativement 2 % de perte par engrenage et la prise directe supprime ces pertes.
Références
1. RENAULT LOUIS (1877-1944) (https://www.universalis.fr/encyclopedie/louis-renault/), universalis.fr, consulté le
17 juin 2019
2. Boite de vitesses ZF 8 rapports, l'amie des grosses hybrides (http://www.cartech.fr/news/boite-8-vitesses-zf-hybri
de-39712369.htm) - Cartech.fr, 20 janvier 2010
3. Une boîte de vitesses à 11 rapports chez Ford (https://www.autoplus.fr/ford/actualite/Boite-auto-Transmission-Mot
eur-Ford-Boite-de-vitesses-1492857.html), sur autoplus.fr du 13 avril 2015, consulté le 17 juin 2019
Annexes
Articles connexes
Engrenage - Synchroniseur - Train épicycloïdal
Embrayage - Convertisseur de couple
Embrayage à clabots
Moteur à combustion interne
Sur les autres projets Wikimedia :
Boîte de vitesses (https://commons.wikimedia.org/
wiki/Category:Gearboxes?uselang=fr), sur
Wikimedia Commons
ZF Friedrichshafen
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