les différents types de boîtes de vitesses

QUEL EST LE RÔLE D’UNE BOÎTE DE VITESSE ?

Les moteurs thermiques utilisés dans l’automobile fonctionnent avec un régime élevé. C’est-à-dire qu’ils effectuent un nombre de rotations important par unité de temps (plusieurs milliers de tours par minute).

La transmission comprend l’ensemble du bloc mécanique chargé de transmettre la puissance du moteur aux roues motrices. Cela comprend :

• Un embrayage (qui permet le passage des vitesses correctement)
• La boîte de vitesse
• Le différentiel (qui répartit la puissance entre les roues).

Ce mécanisme permet à la voiture de circuler rapidement sur voie rapide mais aussi d’avoir un couple moteur important, c’est-à-dire de quoi tracter une charge élevée ou avancer dans une pente importante.

La boîte de vitesse est un mécanisme dont le rôle est la démultiplication (adapter la vitesse de rotation du moteur et la vitesse de rotation des roues entre elles) entre le moteur et les roues de la voiture. Par analogie avec un vélo, le moteur serait les jambes du cycliste et la boîte de vitesse le système de plateaux/cassette/dérailleurs.

1- LES BOÎTES DE VITESSE MANUELLES

Aujourd’hui, la boîte de vitesse manuelle est le type de boîte le plus courant en Europe. À cause des séries de pignons qui permettent de changer de rapport de manière synchronisée, elle est aussi dite « à engrenages ». Une grande partie des boîtes de vitesse de ce type compte 5 ou 6 rapports différents.

Comment ça marche, une boîte de vitesse manuelle ?

Dans le processus de transmission, la boîte de vitesse est la seconde étape, entre l’embrayage et le différentiel.

Phase 1 :

L’arbre principal (ou arbre d’entrée), relié au moteur via l’embrayage, tourne et entraine la rotation de l’arbre intermédiaire. Sur l’arbre secondaire (ou arbre de sortie), on retrouve plusieurs pignons non solidaires de l’arbre (c’est-à-dire qu’ils tournent librement, sans faire tourner l’arbre). Ils sont entrainés par l’arbre intermédiaire et tournent dans le vide au point mort.

Phase 2 :

Lorsque le conducteur agit sur le levier de vitesse pour engager un rapport, la fourchette se déplace. Elle fait bouger le baladeur (une pièce mobile qui glisse sur l’arbre secondaire) pour solidariser le pignon correspondant à la vitesse voulue à l’arbre secondaire.

Phase 3 :

L’arbre secondaire est alors en mouvement de rotation et entraîne les roues, de quoi faire bouger la voiture.

Quels sont les avantages et inconvénients d’une boîte de vitesse manuelle ?

Ce type de boîte de vitesse permet au conducteur de décider des changements de rapport et de s’adapter à la situation dans laquelle il est. Par exemple les rapports sont passés à haut régime dans le cas d’une conduite sportive alors qu’en conduite tranquille les rapports sont passés à un plus bas régime. La consommation de carburant varie aussi en fonction du type de conduite, le conducteur peut donc réaliser des économies grâce à ce type de boîte de vitesse.

Avec ce type de boîte de vitesse, la conduite en ville peut paraître moins agréable et confortable qu’avec une pour boîte de vitesse automatique. Ceci est dû au fait que le changement de rapport est plus fréquent car il s’effectue en fonction du trafic, de la signalisation, etc.

2- LES BOÎTES DE VITESSE AUTOMATIQUES

Il y a quelques années, on retrouvait souvent les boîtes de vitesse automatiques sur des modèles de voitures haut de gamme. Désormais, ce type de boîte de vitesse commence à se démocratiser et à être de plus en plus présent sur les autres voitures.

> Comment ça marche, une boîte de vitesse automatique ?

Le levier de vitesse automatique ne détermine pas la vitesse sélectionnée comme pour une boîte de vitesse manuelle mais plutôt le mode de conduite :

• P = Parking. Cette position permet de bloquer les roues du véhicule. Il est cependant déconseillé d’utiliser cette position si la voiture est stationnée très proche d’autres véhicules. En effet, si un choc intervient entre les véhicules, la boîte de vitesse, dont les pignons étaient bloqués, risque d’être endommagée.
• R = Reverse. Il s’agit de la marche arrière de la voiture.
• N = Neutral, c’est le point mort. Les roues ne sont pas bloquées et peuvent tourner librement.
• D = Drive. Cette position est celle de la marche avant. La voiture avance et change elle-même de vitesse.
• 2 = La voiture utilise uniquement les deux premières vitesses. Il s’agit d’une position utile lors de conduite à faible vitesse (si la charge à tracter est importante) ou si le frein moteur est nécessaire (descente, route de montagne).
• 1 = Seule la première vitesse est utilisée.
• Sur certains modèles de voitures, on peut retrouver le mode S (Sport). Il permet une conduite plus sportive, les changements de rapport se font à chaque fois avec un régime moteur plus élevé.

Les voitures avec une boîte de vitesse automatique ne comportent pas d’embrayage. À la place, un convertisseur de couple joue le même rôle que l’embrayage mais en générant un flux d’huile. La sélection des rapports de vitesse se fait grâce à un système hydraulique avec de l’huile sous pression qui vient agir sur des trains épicycloïdaux (un système d’engrenages imbriqués les uns dans les autres).

Aujourd’hui, les boîtes automatiques modernes sont dirigées par un calculateur électronique qui répartit l’huile sous pression afin d’optimiser le passage des rapports (répartition en fonction des données récoltées par différents capteurs).

Quels sont les avantages et inconvénients d’une boîte de vitesse automatique ?

Une boîte de vitesse automatique peut apporter un certain confort de conduite : le conducteur n’a pas à se préoccuper de changer les rapports, la voiture le fait toute seule. Cependant, certains conducteurs souhaitent conserver la manipulation, surtout pour la conduite en montagne.  Le passage des vitesses se fait aussi de manière beaucoup plus fluide.

Néanmoins, lors de l’achat, le prix d’une voiture équipée d’une boîte de vitesse automatique est plus élevé. Notons aussi qu’une boîte de vitesse entraine parfois une consommation de carburant plus importante qu’une boîte de vitesse manuelle.

3-a-LES BOÎTES DE VITESSE SÉQUENTIELLES

Comment ça marche, une boîte de vitesse séquentielle ?

La boîte de vitesse séquentielle est une technologie qui était utilisée à l’origine en Formule 1. De nos jours, ce sont de nombreuses voitures de type sportives qui sont équipées de ce type de transmission. Une boîte de vitesse séquentielle est toujours couplée à une boîte de vitesse automatique. Le conducteur n’a donc pas de pédale d’embrayage sur laquelle appuyer pour changer de vitesse. À la place, le changement des vitesses est commandé au niveau du volant : pour monter dans les rapports, il faut actionner la commande du côté droit et pour rétrograder, actionner la commande du côté gauche.

Quels sont les avantages et inconvénients d’une boîte de vitesse séquentielle ?

Les boîtes de vitesse séquentielles permettent une conduite plus réactive et de meilleures performances que les autres systèmes de transmission. Les vitesses sont passées de manière plus synchronisée (avec moins d’à-coups), en limitant les pertes de puissance entre chaque rapport.

Cependant, ce type de boîte de vitesse est disponible généralement que sur des voitures sportives.

3-b-Boîte de vitesses séquentielle compétition !

Une boîte de vitesses séquentielle reste, dans les grandes lignes, similaire à une boîte de vitesses manuelle. En règle générale, ce type de boîte n’a pas de synchroniseurs et ce sont les pignons fous qui se déplacent sous l’action de la fourchette. Pour ce faire, les pignons sont normalement à denture droite. Dans le cas où les dentures sont hélicoïdales, un manchon coulissant assure le crabotage

Ce type de boîte est surtout utilisé en compétition (rallye, rallycross,…) et sur les motos. Une boîte séquentielle ne comporte pas de levier de vitesses avec une grille en H. Il ne reste qu’un sélecteur qui est déplacé dans un sens ou l’autre pour monter ou descendre les rapports. Lorsque le sélecteur est actionné, il entraîne la rotation d’un tambour rainuré qui va déplacer la fourchette de sélection des rapports. Cette fourchette va déplacer le pignon de l’un ou l’autre engrenage pour engager un crabot.

Ce type de boîte permet le passage de vitesse à la volée, sans nécessiter d’utiliser l’embrayage (à l’exception du premier rapport), lorsqu’on monte les vitesses.

4- Boîte de vitesses à double embrayage

Les boîtes de vitesses à double embrayage reprennent le principe d’une boîte de vitesses robotisée en gommant deux de ses défauts majeurs:

• la lenteur d’exécution
• la perte de couple lors d’un changement de vitesse

Si le principe de conception est similaire à une boîte manuelle avec les engrenages, l’arbre d’entrée est foncièrement différent car il s’agit de deux demi-arbres, chacun d’eux étant relié à un embrayage.

Le premier demi-arbre est en charge des vitesses impaires, tandis que le second demi-arbre gère les vitesses paires. Lorsque le conducteur démarre, le système enclenche la première vitesse, l’embrayage de l’arbre primaire se ferme. Dans le même temps, l’embrayage en charge du second arbre reste ouvert et la boîte présélectionne le deuxième rapport. Lorsqu’il est nécessaire de passer la deuxième vitesse, l’embrayage du premier demi-arbre s’ouvre progressivement tandis que l’autre embrayage se ferme progressivement.

Le changement de vitesse s’opère donc très rapidement et il n’y a quasiment pas de rupture de charge. En revanche, il faut que le programme de sélection des vitesses soit calibré de manière à bien préselectionner le bon rapport. Par exemple, lorsque le troisième rapport est enclenché, l’électronique peut tout aussi bien commander la sélection du deuxième ou du quatrième rapport. Le système doit donc anticiper, en fonction des paramètres du véhicule (accélération longitudinale et latérale, position de la pédale d’accélérateur, etc.) la bonne présélection. Dans le cas contraire, le changement de rapport est sensiblement ralenti.

Aussi différente la conception puisse être, cela n’empêche pas les boîtes manuelles et les boîtes à double embrayage de partager bon nombre de composants en communs. C’est le cas, en particulier, de la boîte de vitesses manuelle à 7 rapports et de la boîte PDK développées par Porsche.

5- Transmission à variation continue

La transmission à variation continue (CVT) permet de gommer, en théorie, de nombreux défauts des boîtes de vitesses traditionnelles. De fait, le ratio pouvant varier indéfiniment sur une plage déterminée, il est alors possible de laisser travailler le moteur au régime le plus favorable pour une accélération la meilleure possible ou une consommation la plus réduite possible.

Une boîte CVT peut tout aussi bien être associée à un convertisseur de couple, un ou deux embrayages. Dans le cas d’un système à deux embrayages, un commande la marche avant, l’autre, la marche arrière: l’inversion du sens de rotation se fait alors grâce à un planétaire situé après les embrayages. Généralement, lorsque le véhicule circule en marche arrière, la vitesse est limitée électroniquement et la CVT reste fixée sur un ratio déterminé (cela n’a pas toujours été le cas: les DAF Variomatic étaient potentiellement capables d’atteindre la vitesse maximum aussi bien en marche avant qu’en marche arrière).

Même lorsque la transmission à variation continue est équipée d’un embrayage, elle reproduit la fonction de rampage à basse vitesse (le véhicule avance sans avoir à solliciter la pédale d’accélérateur) par une fermeture partielle de l’embrayage. D’autre part, l’embrayage n’est normalement utilisé qu’au démarrage du véhicule, sauf dans le cas où la CVT est équipée d’un sélecteur de vitesses fictif: dans ce cas, un changement de vitesse se traduit par une ouverture puis fermeture de l’embrayage, le temps que le variateur fasse évoluer le ratio.

Le variateur est le coeur de la CVT: il est constitué de deux poulies à flasque conique dont l’écartement varie en continu sur chacune des poulies afin de modifier le rayon de chacune d’entre elles. Ainsi, le rapport de réduction varie entre l’arbre primaire (solidaire du vilebrequin) et l’arbre secondaire (relié au différentiel). La liaison entre les deux flasques peut se faire à l’aide d’une chaîne ou d’une courroie.

En conditions réelles, le fonctionnement d’une telle transmission est assez perturbant car il ne rend pas bien compte du niveau d’accélération du véhicule. Par exemple, lorsque la pédale d’accélérateur est enfoncée au maximum, le rapport de réduction sera de telle sorte que le moteur atteindra le plus vite possible le régime maximum et restera à ce régime jusqu’à ce que la pédale soit relâchée.

De ce fait, le conducteur, habitué aux montées en régime du moteur pour évaluer l’accélération du véhicule, ne peut plus se référer à ce paramètre: seul le compteur de vitesse sera le témoin d’une forte accélération. Calé à ce régime, le véhicule aura un niveau d’accélération très élevé alors que le conducteur a plutôt la sensation de circuler à vitesse constante.

C’est pour cette raison que les boîtes CVT n’arrivent à percer significativement le marché des boîtes de vitesses. Audi a par exemple abandonné cette architecture de boîte (dénommée Multitronic) au profit d’une boîte à double embrayage. De fait, dans les dernières déclinaisons de sa transmission, Audi privilégiait plutôt le concept de 7 rapports virtuels plutôt que d’exploiter au maximum les qualités d’une CVT pour les raisons expliquées ci-avant.

6- 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 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.