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Une boîte de vitesses est un élément mécanique proposant plusieurs rapports de transmission entre un arbre moteur et un arbre de sortie.

Son cas d'utilisation le plus fréquent est la transmission du couple d'un moteur thermique aux roues motrices d'un véhicule. Elle est aussi utilisée dans de multiples autres contextes tels que les machine-outils, machines agricoles...

La boîte de vitesses est l’élément qui adapte le couple moteur disponible, souvent constant ou peu négociable, au couple souvent très variable et nécessaire au fonctionnement d'un dispositif mécanique : mise en mouvement, entretien du mouvement, transformation de puissance. Pour un véhicule, il s'agit de la résistance inertielle au démarrage ou celle à l'avancement variant suivant les conditions de roulage (plat, montées, descentes, virages...).

Sommaire

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1 Nécessité d'une boîte de vitesses o 1.1 Machines outils à moteur électrique o 1.2 Bicyclettes o 1.3 Véhicules à moteur thermique o 1.4 Alternatives à la boîte de vitesses o 1.5 Classification des boîtes de vitesses

2 Boîte manuelle à engrenages parallèles o 2.1 Description o 2.2 Fonctionnement

2.2.1 boîtes de vitesses à engrenages 2.2.2 Engrenages 2.2.3 Prise directe

3 Boîte robotisée 4 Boîte séquentielle

o 4.1 Description o 4.2 Évolution

5 Boîte à crabots o 5.1 Description o 5.2 Fonctionnement

6 Boîte automatique

o 6.1 Description o 6.2 Fonctionnement

6.2.1 Boîte automatique à double embrayage 7 Étagement d’une boîte de vitesses

o 7.1 Rapport de transmission o 7.2 Rapport de première o 7.3 Rapports intermédiaires

8 Quelques cas particuliers 9 Notes et références 10 Voir aussi 11 Liens externes

Nécessité d'une boîte de vitesses [modifier]

Machines outils à moteur électrique [modifier]

Usine pendant la révolution industrielle. On distingue dans le coin inférieur gauche un arbre muni d'une poulie étagée constituant une boîtes de vitesses à 4 rapports).

De nombreuses machines industrielles utilisent des moteurs électriques synchrones dont la fréquence de rotation est liée à celle du courant du secteur. De ce fait la fréquence de rotation utile n'est obtenue qu'à travers une transmission mécanique. Si l'usage de la machine doit proposer plusieurs vitesses de fonctionnement, comme sur un tour par exemple, alors la sélection ne peut se faire que grâce à une boîte de vitesses.

C'est 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.

Bicyclettes [modifier]

Boîte de vitesses pour bicyclette intégrée au moyeu de la roue arrière

La force physique d'un cycliste est constante. Seulement lorsqu'il aborde une côte, l'effort à la roue augmente. Le dérailleur permet d'augmenter le couple à la roue au détriment de la vitesse, en faisant glisser la chaine entre deux pignons de la cassette. C'est le même principe que celui des poulies étagées.

Aujourd'hui en haut de gamme le moyeu à vitesses intégrées propose un grand nombre de rapports dans un dispositif très compact. Il reçoit son énergie via une chaîne attaquant le pignon d'entrée, le corps du moyeu étant lui lié à la roue. Il inclut une roue libre et autorise les changements de rapports à l'arrêt.

Véhicules à moteur thermique [modifier]

L'automobile est aujourd'hui en quasi exclusivité mue par un moteur thermique. Ces moteurs ont des caractéristiques de fonctionnement (couple maximal et puissance) qui n'autorise pas une transmission directe satisfaisante avec les roues des véhicules terrestres :

leur rendement varie beaucoup avec le régime (en particulier aux très basses vitesses), et leur démarrage est délicat ;

ils ne tournent que dans un seul sens ; le couple moteur est plutôt faible (600 N.m correspond à un gros moteur) ; de plus il

est très inconstant dans la plage d'utilisation de ces moteurs.

Ces caractéristiques générales imposent pour l'usage d'un véhicule terrestre :

La possibilité de dissocier le moteur des roues du véhicule, pour les vitesses proches de l'arrêt : c'est en partie le rôle de l'embrayage. Mais cela suppose que celui-ci puisse rester en position débrayée.

La possibilité d'inverser le sens de rotation au niveau des roues pour assurer la marche en arrière.

L'augmentation du couple disponible sur la roue (l'essieu moteur), le réducteur à engrenages étant la solution la plus commune.

De plus, les conditions d'usage : arrêt court, limitation de vitesse, ralentissement, relief, imposent des allures de fonctionnement différentes. Un véhicule doit donc disposer d'un organe de transmission de puissance proposant :

un rapport nul (appelé point mort) ;

un rapport de marche arrière ; une ou plusieurs gammes de rapports étagés pour la marche avant.

Il s'agit donc d'un ensemble de réducteurs disposés dans un même boîtier.

Ceci explique en partie pourquoi la dénomination « boîte de vitesses » est erronée. En réalité, pour les machines à moteur thermique, son rôle est bien d'adapter le couple. La dénomination anglo-saxonne est donc plus juste : gearbox (littéralement : boîte à engrenages), cependant, toutes les boîtes de vitesses ne sont pas construites sur le principe de transmission par engrenages.

Alternatives à la boîte de vitesses [modifier]

Les véhicules électriques ne nécessitent pas de boite de vitesses. En effet les moteurs électriques sont performants (couple important même à faible vitesse de rotation, compacité inégalée, rendement sans égal). Ils peuvent même être directement implantés dans la roue, ce qui élimine tous les éléments de transmission (différentiel, cardans...).

La transmission hydrostatique depuis longtemps adoptée sur les véhicules de chantier et agricoles permet une variation continue de vitesse avec une distribution naturelle des couples à l'ensemble des roues avec des rendements exceptionnels. Par contre cette technologie est plus encombrante (réservoir et refroidissement d'huile), mais aussi particulièrement simple et fiable à mettre en œuvre. Elle n'a fait l'objet d'essais que sur des véhicules de petite taille et n'est utilisée que sur des engins à déplacement lent.

Classification des boîtes de vitesses [modifier]

Pour les véhicules à moteur thermique, on pourra distinguer les boîtes suivant trois fonctions techniques indépendantes :

la technologie des réducteurs : par engrenages classiques, train épicycloïdal, courroie... Le système de commande : manuelle, semi-automatique, automatique, séquentielle... La synchronisation : autorisant le changement de rapport en marche ou à l'arrêt

seulement. Enfin l'orientation qui n'a d'influence que sur la géométrie des liaisons avec l'arbre

moteur et le différentiel. L'architecture est différente suivant que le moteur est implanté transversalement (axe de rotation du vilebrequin parallèle à l'axe de rotation des roues) ou longitudinalement (axes orthogonaux) et, que le couple est transmis aux roues avant, arrière, ou aux quatre roues.

À chaque combinaison correspond un modèle de boîte de vitesses différent.

Boîte manuelle à engrenages parallèles [modifier]

Description [modifier]

La boîte manuelle dite « à pignons toujours en prise » « à prise constante » est la plus utilisée de nos jours; elle se distingue sur ce point des boîtes de machines outils qui disposent d'engrenages désaccouplés.

Ce type de boîte est constitué généralement de deux arbres portant des pignons :

L’arbre d’entrée (ou primaire) lié à l’arbre moteur via l'embrayage, porte les pignons primaires fixes. Il y a autant de pignons que de rapports de boîte.

L’arbre de sortie (ou secondaire) portant des pignons fous (engrenant respectivement avec un pignon de l'arbre d'entrée), les systèmes de crabotage et les synchroniseurs. (NOTE : la disposition des pignons fous et fixes peut être inversée entre les deux arbres, c'est à dire que les pignons fous peuvent être, et sont souvent, sur l'arbre primaire)

Le troisième arbre n'intervient que pour la marche arrière. Il contient un pignon pouvant coulisser et s'intercaler entre un pignon de l'arbre d'entrée et un autre de l'arbre de sortie ; ainsi, on dispose d'un engrenage de plus entre les deux arbres (soit deux inversions de sens de rotation au lieu d'une), d'où la marche inversée. C'est le seul cas où l'engrenage n'est pas toujours en prise.

L'arbre de sortie est lié au couple conique du différentiel, intégré au carter de la boîte (pour les véhicules à traction avant) ou reporté sur le pont arrière (pour les véhicules à propulsion).

Le changement de rapport se fait par coulissement de baladeurs sur des cannelures de l'arbre. Ces baladeurs portent crabots et synchroniseurs et sont actionnés par les fourchettes de commandes liées au levier de vitesses.

Rapport de 1ère: la sélection valide l'engrenage disposant du plus petit pignon moteur.

Rapport de 2ème: la même fourchette valide le rapport suivant

Rapport de 4ème: une deuxième fourchette commande deux nouveaux rapports.

Marche inversée: un pignon est intercalé.

Cliquez sur une vignette pour l’agrandir

Fonctionnement [modifier]

boîtes de vitesses à engrenages [modifier]

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 qui est fixe en translation et en rotation sur 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 baladeur, manchon coulissant sur des cannelures, donc en liaison glissière avec l’arbre. Le baladeur est commandé en translation par l’une des fourchettes ; il porte un synchroniseur (synchro) et un crabot. 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 grincent lorsqu'on manque la manœuvre, et pas les dents d'engrenage.

Le maintien du rapport enclenché se fait à l’aide d’un système à bille et ressort de verrouillage du baladeur sur son arbre, mais aussi des axes de fourchette (actionnés par le levier de vitesses) sur le carter de boîte.

Engrenages [modifier]

Dans ce type de boîte, on adopte généralement des engrenages à denture hélicoïdale. Ils sont plus silencieux car les dents en prise sont plus nombreuses (rapport de conduite amélioré) ; elles subissent donc chacune moins de charge que les pignons à dentures droites. Malheureusement, elles provoquent une poussée axiale, ce qui impose l'utilisation de roulements adaptés et un renforcement des paliers. 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 [modifier]

Certaines boîtes (notamment sur les véhicules à moteur avant et propulsion arrière) ont un troisième arbre,dit "train fixe" ou "arbre intermédiaire" qui permet de placer les arbres d'entrée (primaire) et de sortie (secondaire) en ligne. Il est alors possible de les accoupler directement pour obtenir une prise directe : l'un des baladeurs rend l'arbre d’entrée solidaire de l'arbre secondaire.

Historique : La prise directe, ou « prise » était traditionnellement le 4è et dernier rapport avant, ainsi nommé car il correspondait à un rapport de réduction nul, soit 1:1. Aujourd'hui, le dernier rapport des voitures (5ème ou 6ème) est souvent en surmultipliée. Sur les poids lourds, on monte de préférence le dernier rapport, le plus longuement utilisé, en prise directe

pour bénéficier d'un rendement de transmission supérieur. En effet, on compte approximativement 2% de perte par engrenage et la prise directe supprime ces pertes.

Boîte robotisée [modifier]

Article détaillé : Boîte de vitesses robotisée.

Ce sont des boîtes manuelles standards auxquelles on a greffé un système automatisé, électrotechnique /qui pilote les sélecteurs et l'embrayage/ souvent associé à l'hydraulique, qui soit se comportent :

en mode automatique : comme une boîte automatique changeant les rapports au moment le plus opportun ;

soit en mode semi-automatique, assistant le conducteur en lui laissant le soin de demander, (à l'aide de boutons, palettes, ou d'un levier), le passage des rapports, mais qui n'agit que quand les conditions ad hoc sont réunies.

On trouve ce système chez différents constructeurs, sous l'appellation Sensodrive chez Citroën, Quickshift chez Renault, Selespeed chez Alfa Romeo, F1 chez Ferrari, etc.

Boîte séquentielle [modifier]

Description [modifier]

C'est une version dérivée de la boîte de vitesses manuelle, qui reprend le même principe mécanique de pignons et de crabots, mais avec un système de sélection à barillet qui 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 qui constitue une séquence dans le passage des vitesses. C'est le cas des boîtes de motocyclettes ainsi que de nombreuses automobiles de courses.

On parlera plutôt de « commande séquentielle ». Elle peut être actionnée manuellement ou par un servo-moteur.

Évolution [modifier]

Sauf obligation : règlementation de course automobile ou coût de fabrication, dorénavant le passage des vitesses ne dépend plus de la manœuvre, par le conducteur, d'un levier mécanique et d'une pédale commandant l'embrayage, mais au moyen d'un automatisme mécanique ou électro-hydraulique qui assure seul le passage des vitesses. Le pilotage électronique de l’injection, du papillon motorisé, de l'embrayage (voire des embrayages), ainsi que de la commande de changement de rapport, permet de remplacer les commandes du pilote de manière très efficace et beaucoup plus rapide. Ce système permet au pilote et conducteur de se concentrer sur la conduite du véhicule.

Boîte à crabots [modifier]

Description [modifier]

En haut : le barillet de sélection avec ses cames, provoque en tournant un déplacement latéral des fourchettes, qui poussent les crabots, ceux-ci se solidarisent avec un des pignons situé sur l'arbre à côté. En bas : un des arbres de la boîte, avec ses pignons et ses crabots.

Utilisé en compétition (rallye notamment) et sur les motos, ce type de boîte peut éventuellement permettre le passage des rapports sans débrayer (mais en mettant précisément le moteur au régime) et d'obtenir un meilleur rendement, au prix d'un claquement lors des passages de vitesse.

Fonctionnement [modifier]

Une boîte manuelle, synchronisée, possède des pignons et bagues (« synchros ») qui permettent d'accorder la vitesse de rotation de l'« arbre primaire » avec celle de l'« arbre secondaire », avant d'engager les pignons. Il s'agit le plus souvent de bagues coniques complémentaires qui vont se coincer avant l'engagement des crabots définitifs.

Une boîte dite « à crabots » ne possède pas ces synchroniseurs, la vitesse passe d'un coup, et parfois violemment, si les arbres n'ont pas des vitesses de rotation proches. Le changement de rapport demande alors la pratique du double débrayage. Ces boîtes ont souvent des engrenages à dentures droites qui supportent mieux les à-coups, mais qui font nettement plus de bruit, par contre elles ont un meilleur rendement, car la poussée latérale des pignons à denture hélicoïdale est absente.

Boîte automatique [modifier]

Description [modifier]

La transmission automatique comporte un système capable de déterminer de façon autonome le meilleur rapport de transmission. Cette transmission détermine seule le bon rapport de transmission, grâce a 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 (D, S, manuel), le couple résistant du véhicule (montée, descente) et d'autres fonctions plus complexes qui dépendent du niveau technologique de la boite de vitesses automatique. À l'identique d'une boîte de vitesses robotisée, c'est un système électro-

hydraulique piloté par un calculateur électronique qui gère les passages de vitesses. Par contre le transfert de puissance est quasi continu dans une boîte de vitesses automatique, ce qui n'est pas le cas pour les autres types de boîte.

Plusieurs approches pour la commande de la boite de vitesses sont aujourd'hui sur le marché :

Le sélecteur de commande « PRNDL » se caractérise par le fait que chaque position définit un mode de fonctionnement spécifique. On peut ainsi trouver par exemple les positions suivantes :

o P : frein de parking (Park) : la transmission est bloquée par l'enclenchement d'un verrou dans un élément tournant de l'étage de sortie, ou par engagement de deux rapports ce qui a pour effet de bloquer la transmission.

o R : marche arrière (Reverse) ;o N : point mort (Neutral) ;o D : conduite normale avec la totalité des rapports (Drive) ;o 3 et/ou 2 : conduite soit :

avec les seuls rapports de 1re, 2e ou 3e, ce qui laisse le moteur prendre des tours ;

avec le seul rapport de 2e (même au démarrage) pour faciliter les départs sur neige ou verglas ;

o 1 ou L : Conduite en 1re ou (Lent), utilisée par exemple dans les fortes descentes.

Le sélecteur « steptronic » se trouve en général sur les modèles plus récents. Il garde les positions P, R, N et D du « PRNDL » mais offre généralement une position sport. Cette position permet d'obtenir une sélection plus agressive des rapports lors d'une conduite sur route sinueuse par exemple. De plus, lorsque le sélecteur est en position D ou S, un mode manuel permettant au conducteur de choisir directement le rapport est disponible. En parallèle de ce système, chaque constructeur peut choisir d'ajouter des boutons ou leviers sur le volant pour sélectionner le rapport.

Le point commun entre ces deux modes de fonctionnement est qu'il existe un lien mécanique entre le levier et la boite de vitesses. Plusieurs constructeurs offrent maintenant un système se rapprochant du système « steptronic » mais utilisant une commande électrique pour toutes les manœuvres. Le choix du mode se fait en fonction de la position actuelle de la boite et du sens dans lequel le conducteur bouge le levier. Par exemple, si le conducteur est en position « Drive » et qu'il pousse d'un cran le sélecteur, la boite automatique commandera la position « Neutre » ; Par contre si le conducteur pousse le sélecteur de deux crans, la boite commandera la position « Reverse ». Pour passer en position « Park » il faut généralement appuyer sur un bouton. Ce type de commande est intéressante car le constructeur peut placer le levier où il veut dans l'habitacle du véhicule mais demande également un niveau de sécurisation plus élevé. En effet si l'électronique devait avoir un problème, le conducteur peut ne plus avoir les moyens de se mettre dans une position sûre (« Neutre »).

Fonctionnement [modifier]

Écorché de boîte automatique Renault (Musée de la Villette, Paris)

Vue de l'extérieur, cette boîte est disposée identiquement à la boîte manuelle entre le moteur et le différentiel-pont. Cependant, la gestion des changements de vitesse requiert des adaptations technologiques :

en amont, l'embrayage est remplacé par un convertisseur de couple hydraulique. Son rôle est de transmettre le couple d'entraînement tout en autorisant des glissements (équivalent du patinage inévitable lors du passage de rapport), il sert aussi à séparer le moteur du reste de la chaîne comme un embrayage. En glissement quasi permanent, c'est l'élément à l'origine du mauvais rendement de ce type de boîte. 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. De ce fait le rendement est optimal.

La constitution la plus répandue est celle de trains épicycloïdaux en cascade. En solidarisant par le biais d'embrayages ou de freins, certaines parties de ces trains, on obtient des rapports différents. La sélection d'un rapport dépendant alors uniquement d'une combinaison d'ordre des pistons de commande. De ce fait, il n'y a aucun crabotage à piloter.

Un étage, ou train épicycloïdal est constitué de différents composants, planétaires, satellites, porte satellites, qui tournent librement les uns par rapport aux autres (2 mobilités par étage).

Une pompe hydraulique haute pression, intégrée dans la boîte, entraînée directement par le moteur, fournit l'énergie pour les actuateurs hydrauliques nécessaire aux embrayages et aux freins, elle lubrifie aussi sous pression les différents éléments.

Le système de commande prend en considération l'intention du conducteur (état des pédales d'accélérateur et frein) le régime du moteur, la vitesse du véhicule, ainsi que le couple transmis. Le meilleur rapport est alors appliqué. Un distributeur (équivalent de la carte à trous) envoie alors la pression vers les éléments concernés.

o Les premières générations de boîtes automatiques sont pilotées par des systèmes mécaniques, électromécaniques (boîte Cotal) ou hydrauliques. Un câble reliant la boîte à l'accélérateur, asservit la boîte à la charge du moteur. La pression variable délivrée par la pompe donne une information proportionnelle

au régime moteur. Ces paramètres permettent au système de contrôle de déclencher le passage des rapports en fonction des besoins.

o 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.

Boîte automatique à double embrayage [modifier]

Son principe de fonctionnement a été inventé par l'ingénieur français Adolphe Kégresse en 1935. Appelé « Autoserve », il l'installe dans une Citroën Traction Avant en 1939, mais sans suite industrielle. Son principe est qu'un premier embrayage enclenche les rapports pairs, alors que le second se charge des rapports impairs. Elle refait surface dans les années 80 sur les véhicules de compétition Porsche 956 et 962 C puis Audi Sport Quattro, puis seulement en 2003 sur deux véhicules de série, la Golf R32 et l'Audi TT (DSG 6, Direct Shift Gear, six vitesses) où la vitesse de passage des rapports est d'abord un argument de performance. Une version sept vitesses (DSG 7) est vendue depuis 2008 pour des véhicules de petite cylindrée avec un objectif premier d'économie de carburant. Alors que les deux embrayages de la DSG 6 sont sous bain d'huile, ceux de la DSG 7 fonctionnent à sec. Depuis Kégresse, la principale innovation est l'apport de l'électronique qui aide à anticiper le meilleur choix de rapport et surtout à piloter avec précision le passage d'un embrayage à l'autre[1].[2]

Étagement d’une boîte de vitesses [modifier]

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 8 vitesses sur les véhicules haut de gamme (Lexus LS460). Les camions ont, depuis longtemps, des étagements de transmission sur plus de 10 rapports. Les motocyclettes en ont, habituellement, 6 (on a vu des modèles de série avec 7 rapports, et davantage en compétition).

Cependant certains véhicules (Daf dans les années 1960) ont disposé d'un variateur proposant une gamme continue de rapports.

De nos jours, on trouve de nouveaux véhicules de tourisme basés sur le même principe de la Transmission à Variation Continue (CVT). Celles-ci ont l'avantage d'adapter en permanence le régime du moteur et le couple appliqué pour correspondre au mieux à l'équation économie/vitesse imposée par le conducteur. D'autre part, la variation du rapport appliqué se faisant progressivement, aucun à-coup n’est perceptible, contrairement à certaines boîtes automatiques robotisées et plus rarement séquentielles. L'accent est donc mis sur le confort et l'économie. Actuellement, ces boîtes automatiques équipent notamment les Nissan Micra n-CVT (93~2002) et les Honda Jazz CVT en Europe.

Rapport de transmission [modifier]

Courbes caractéristiques d'un moteur

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/minute), il convient donc de réduire le régime de rotation (centaines de tours/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 [modifier]

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 [modifier]

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 [modifier]

Véhicules 4x4

Les véhicules tout-terrain sont souvent équipés d’une seconde boîte de vitesses appelée boîte de réduction ou transfert, la plupart du temps non synchronisée, donc manipulée à l’arrêt. La réduction offrant plus de force à l’avancement pour les franchissements. Le même dispositif permet aux tracteurs agricoles de disposer de plus de force pour la traction des socs et autres charrues.

Coupé Napoléon

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

2cv 1960

La 2CV Citroën proposait dès 1948 une boîte à 4 rapports alors que la Traction, reine de la route alors n’en disposait que de 3. Aussi, pour rester dans l’esprit de la modestie annoncée, la 4e 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 1re, 2e et 3e. Enfin sa constitution est assez particulière avec 4 arbres deux à deux coaxiaux et des réductions obtenues avec 1 ou 3 engrenages successifs.

Ford T Roadster de 1921

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 [modifier]

1. ↑ Le Figaro et vous, 1er février 2008, page 332. ↑ http://www.histomobile.com/DVD_HISTOMOBILE/fr/tech/122-1.asp [archive]

Voir aussi [modifier]

Moteur thermique Engrenage Train épicycloïdal Tiptronic

Liens externes [modifier]

Article complet avec une très bonne partie sur la synchronisation La boîte de vitesses manuelle Les transmissions à double embrayage (DCT) La boîte de vitesses automatique

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