Boîte de vitesses

Une boîte de vitesses est un dispositif mécanique, ou plus généralement mécatronique, apparue semble t-il au XVIII^e siècle permettant d’adapter la transmission d’un mouvement entre un arbre moteur et un arbre récepteur. Utilisée dans de multiples contextes (machines-outils, transports routiers, etc.), son cas d’utilisation le plus fréquent est la transformation et la transmission de la puissance d’un moteur thermique aux roues motrices d’un véhicule.

En proposant plusieurs coefficients de réduction (ou de démultiplication), dénommés rapports de transmission, la boîte de vitesses est ainsi l’élément central qui adapte le couple moteur disponible, plutôt faible et souvent peu négociable, au couple nécessaire à la roue, souvent très variable en fonction des différentes situations dynamiques, pour vaincre les efforts résistifs^{[Note 1]} 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. Les boîtes à commandes manuelles, pilotées ou robotisées (les rapports sont égrenés par le conducteur) ou les boîtes automatiques (un automate assure le passage des rapports) utilisent ainsi respectivement des engrenages généralement à dentures hélicoïdales et des trains épicycloïdaux. Quelques concepts à variation continue (CVT et IVT) n’utilisant pas d’engrenages existent cependant, mais demeurent peu exploités à ce jour dans les transports.

Intérêts d'une boîte de vitesses

Dans de nombreuses applications, la puissance d'une machine motrice est fournie à une vitesse de rotation inadaptée au fonctionnement du système récepteur ; une adaptation de puissance est alors nécessaire afin d’exploiter au mieux les performances de cette machine selon les conditions de son utilisation (soit abaissement de la vitesse de rotation et élévation du couple transmis, soit 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 celle du courant du secteur, ne permettent pas ainsi d’obtenir plusieurs vitesses de fonctionnement sans une 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 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 la puissance demandée restait inférieure à celle disponible.

Dans le cas des véhicules, il y a plus généralement inadéquation entre le couple fourni^{[Note 2]} et le couple nécessaire à la roue pour vaincre les résistances inertielles. Le couple par exemple qu’un cycliste exerce sur les pédales de son vélo est constant ; seulement, lorsqu’il aborde une côte, l’effort à la roue augmente. Le dérailleur (ou les moyeus 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 glisser la chaîne entre deux pignons de la cassette.

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 bornée, 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’un rapport nul appelé point mort pour entre autres le démarrage du moteur, d’un rapport de marche arrière pour inverser le sens de rotation des roues et de plusieurs rapports étagés pour la marche avant.

Historique des évolutions

Architecture

Le cas d’utilisation le plus fréquent d’une boîte de vitesse est la transformation de la puissance d’un véhicule à moteur thermique. Les boîtes utilisées dans ce cas se distinguent alors selon la technologie de leurs réducteurs (par engrenages, par train épicycloïdal ou par courroie) et leur système de commande (manuelle, pilotée/robotisée, séquentielle ou automatique).

Généralement, on distingue également les boîtes selon leur « architecture » : transversale ou longitudinale ; cette orientation est choisie respectivement suivant 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 (axes orthogonaux). Enfin, il est nécessaire de distinguer les boîtes selon 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 impacte seulement l’intégration ou non du pont à la boîte.

Boîte manuelle à engrenages parallèles

Boîte synchronisée

Les boîtes manuelles à engrenages parallèles sont de nos jours les plus utilisées. Elles 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 les pignons de vitesses et les pignons fous^{[Note 3]}. 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 diamètre différent offrant ainsi différents rapports de transmission. Chaque couple est constitué d’un pignon de vitesse, 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 » ; par ailleurs, étant donné qu’un pignon de vitesse engrène en permanence un pignon fou, ce type de boîte est souvent dite « à pignons toujours en prise » ou « à prise constante ».

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 », peuvent être frontales (créneaux) ou périphériques (cannelures)^{[Note 4]}. Les formes complémentaires des deux éléments assurent ainsi une transmission de puissance par obstacle.

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 d’un pignon (liée au régime moteur au rapport de transmission près) et la vitesse de l’arbre de sortie (liée à la vitesse des roues). En effet, au démarrage ou au passage d’un rapport à un autre, la 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 passage. 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 pignon. Ce pignon est déplacé axialement afin de s’intercaler entre un pignon de l’arbre primaire et un pignon de l’arbre secondaire^{[Note 5]}. Si le pignon de marche arrière avait été à denture hélicoïdale, il n’aurait pas 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 supérieur^{[Note 6]} : l’un des baladeurs rend l’arbre primaire solidaire de l’arbre secondaire. Historiquement, la prise directe était traditionnellement le quatrième (et dernier) rapport avant, ainsi nommé car il correspondait à un rapport de démultiplication nul (rapport 1:1 entre les arbres). Aujourd’hui, le dernier rapport est souvent surmultipliée (rapport de démultiplication supérieur à 1) afin de réduire 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 boîte à baladeurs imposent donc l’utilisation d’engrenages à denture droite, les fourchettes ne pouvant supporter d’effort axial 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 :

• L'un est basé sur une boîte mécanique classique mais 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.

• L'autre concerne des boîtes automatiques double embrayage, qui sont des boîtes robotisées à 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 condition néanmoins que les conditions ad hoc soient réunies pour éviter 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 : la première demi-boîte se compose des rapports impairs (1-3-5) 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 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 rapport, mais passer uniquement au rapport immédiatement supérieur ou inférieur à celui enclenché.

Ce type de boîte est fréquemment utilisé sur les motos ainsi que de nombreuses automobiles de compétition. Actionnée un temps manuellement, le passage des vitesses se fait dorénavant au moyen d'un automate mécanique ou électro-hydraulique à l'image des boîtes robotisées, de façon à simplifier la commande et à réduire les temps de passage.

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.

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 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 de 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 dépendant alors uniquement d'une combinaison d'ordre des pistons de commande. De ce fait, il n'y a 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 CVT et IVT

De nos jours, certains véhicules de tourisme fonctionnement 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 du rapport appliqué 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.

Lubrification

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. 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 hybrides^[1] (Lexus LS460 par exemple). Les camions ont, depuis longtemps, des étagements de transmission sur plus de dix rapports. Les motocyclettes en ont habituellement six (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). 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, ou encore les Toyota Prius.

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-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 long que la première en raison de la présence du pignon intermédiaire qui oblige à réduire le diamètre, et donc le nombre de dents, de la roue dentée sur l'arbre secondaire.

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^re vers 2^e), 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 1^re et la 2^e.

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

• 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 d'outils agricoles (travail du sol ou transport par exemple).

• Les Bugatti Royales, dont Le Coupé Napoléon d'Ettore Bugatti, sont équipées d’un moteur de 8 cylindres et 12 763 cm³, avec un couple tel, que le seul rapport de 2^e suffit à les conduire de 0 jusqu’à des vitesses peu raisonnables, la 3^e ne prenant le relais que pour aller chatouiller les 200 km/h.

• 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^e sera appelée S (surmultipliée) pour ne pas être considérée comme une vitesse. L’étagement de cette boîte est curieusement pour l'époque selon une suite arithmétique (la norme aujourd'hui !), ce qui génère des trous énormes entre 1^re, 2^e et 3^e. Enfin sa constitution est assez particulière avec 4 arbres deux à deux coaxiaux et des réductions obtenues avec 1 ou 3 engrenages successifs.

• 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.

Notes et références

Notes

Références

Annexes

Articles connexes

• Engrenage - Synchroniseur - Train épicycloïdal
• Embrayage - Convertisseur de couple
• Moteur à combustion interne
• ZF Friedrichshafen

Lien externe

• Article complet avec une très bonne partie sur la synchronisation

v · d · m Groupe motopropulseur
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