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Second maillon de la chaîne de transmission de puissance du moteur à un véhicule, la boîte de vitesses propose plusieurs rapports entre la vitesse de rotation de l'arbre moteur et celle des roues motrices.

Nécessité d'une boîte de vitesse.

Véhicules à moteurs thermiques.

L'automobile est aujourd'hui en majorité mue par moteur thermique. De tels moteurs ont des caractéristiques de fonctionnement ne permettant pas toujours l'exploitation directe de leurs performances:

  • ils ne peuvent pas fonctionner à tous les régimes (en particulier les très basses vitesses), et leur (re)démarrage est plutôt délicat.
  • ils ne tournent que dans un seul sens,
  • le couple moteur est plutôt faible (600 N.m correspond à un gros moteur),

Cela impose pour l'usage d'un véhicule :

  • la possibilité de dissocier le moteur et le 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, si besoin, d'inverser le sens des roues pour 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 (route plate ou en relief) vont imposer des régimes de fonctionnement différents. Un véhicule doit donc disposer d'un organe de transmission de puissance proposant :

  • un rapport nul (appelé point mort).
  • éventuellement un rapport de marche arrière.
  • une gamme de rapports étagés pour la marche avant.
Il s'agit donc d'un ensemble de réducteurs disposés dans une même boîte.

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, dans les usines, la puissance d'un arbre moteur commun (souvent animé par un moulin à eau ou une machine à vapeur) et tournant à vitesse constante. Des boîtes de sélection de la vitesse permettaient le choix d'un régime de fonctionnement. La dénomination anglo-saxone est donc plus juste : Gear Box (littéralement : boite 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 naissante 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), et peuvent être directement implantés dans la roue ce qui élimine même tout élément 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, et des rendements exceptionnels. Malheureusement encombrante (réservoir d'huile et refroidissement) mais très facile à mettre en œuvre, elle n'a fait l'objet que d'essais sur les véhicules de petite taille.

Classification des boîtes de vitesses.

Pour les véhicules à moteurs thermiques, 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 mouvement est transmis aux roues avant, arrière, ou aux quatre roues.

À chaque combinaison correspond un type 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 avec les 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 (engrènant respectivement avec un pignon de l'arbre d'entrée), les systèmes de crabotage et les synchroniseurs.
  • le troisième arbre intervient pour la marche arrière uniquement. 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.

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 maintient 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 chacune donc 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, lorque 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’engrennement 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 séquentielle

Description

C'est une version dérivée de la boîte de vitesses manuelle qui reprend le même principe mécanique de pignons et crabots. Le passage de vitesses ne se fait plus mécaniquement par la manœuvre du conducteur au moyen d'un levier et d'une pédale de débrayage, mais au moyen d'un programmateur mécanique ou électro-hydraulique. Le conducteur ne peut pas choisir un rapport au hasard sinon un rapport consécutif à celui en service, ce qui constitue une séquence de passage de vitesses. C'est le cas des boîtes de motocylettes, en particulier.

Le pilotage électronique de l’injection (ou du papillon motorisé) peut mettre le moteur au régime voulu pour le passage des vitesses, si bien que la position de l'accélérateur n'a momentanément plus d'influence pendant la durée du changement de rapport.

Fonctionnement

Ceux-ci sont pilotés par un système électronique expert, qui, en communiquant avec le système de contrôle du moteur, ordonne et gère le débrayage et les passages de vitesses au moment jugé optimum pour les performances requises par le conducteur et pour limiter la consommation de carburant. On trouve ce système chez différents constructeurs, sous l'appellation Sensodrive chez Citroën, Quickshift chez Renault, Selespeed chez Alfa Roméo, F1 chez Ferrari, sur les camions et les autobus. Le conducteur peut donner l'ordre du passage de vitesse au moyen d'une commande manuelle (levier ou bouton sur le volant ou palette derrière le volant) si la conception du système le permet.

Boîte à crabots

Description

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 synchros qui permettent de mettre à la même vitesse l'arbre primaire et l'arbre secondaire de boîte avant de passer le rapport. Une boîte à crabot ne possède pas ces synchros et la vitesse passe d'un coup et parfois violemment si les deux arbres n'ont pas la même vitesse. Ces boîtes ont souvent des engrenages à dentures droites qui supportent mieux les à-coups mais qui font plus de bruit et ont un meilleur rendement, car il n'y a pas de poussée latérale due aux pignons à denture hélicoïdale.

Boîte automatique

Description

La transmission automatique est un système capable d’assumer de manière autonome les fonctions de l’embrayage et de la boîte de vitesses. 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. Le levier de commande permet la sélection de plusieurs programmes :
  • P : Frein de parking: la boîte est bloquée par l'enclenchement simultané d'au moins deux rapports.
  • R : Marche arrière.
  • N : Point mort (neutre).
  • D : Conduite normale avec 3 ou 4 rapports (Drive).
  • 2 : Conduite soit :
    • avec les seuls rapports de 1ère et 2ème, ce qui laisse le moteur prendre des tours, adapté à la conduite en montagne.
    • avec le seul rapport de 2ème (même au démarrage) pour faciliter les départ sur neige ou verglas.
  • 1 ou L : Conduite en 1ère uniquement (Low), utilisée par exemple dans les fortes descentes; en position D, la voiture s'emballant très facilement.

Sur certains modèles, le conducteur peut, de plus, donner l'ordre du passage de vitesse au moyen d'une commande manuelle (levier ou bouton sur le volant ou palette derrière le volant).

Cette boîte est en général associée à un coupleur hydraulique, qui remplace l'embrayage classique à friction par un embrayage centrifuge à huile.

Fonctionnement

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 hydraulique de couple. Son rôle est de maintenir le couple d'entraînement tout en autorisant des glissements (équivalent du patinage inévitable lors du passage de rapport), et de séparer le moteur du reste de la chaîne lorsque la vitesse du véhicule s'annule.
  • La constitution la plus répandue est celle de trains épicyloïdaux en cascade. En solidarisant par adhérence 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 freins, et lubrifie 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, et 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 boite 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 vitesse.

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.

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.

R_{i} =\frac{N_{roue}}{N_{moteur}} = \eta.\frac{C_{moteur}}{C_{roue}}= R_{bi}.R_{pont}

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 :

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. C’est, par ailleurs, ce rapport qui entre en compte pour le calcul de la puissance fiscale d’un véhicule (France).

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

Les véhicules tout-terrain sont souvent équipés d’une seconde boîte de vitesse 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.

Le Coupé Napoléon d'Ettore Bugatti, équipée d’un moteur de 8 cylindres et 15 000 cm³, tellement coupleux, que le seul rapport de 2 suffit à la conduire depuis 0 jusqu’à des vitesses peu raisonnables, la 3 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 sera appelée S (surmultipliée) pour ne pas être considéré 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.

  • 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 boite automatique avec des trains épicycloïdaux, les rapports étaient choisis via 2 leviers de vitesses 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

liens externes

Dispositif mécanique | Technologie automobile | engrenage

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