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Boîte de vitesses

Une boîte de vitesse est le second maillon de la chaîne de transmission du couple d'un moteur au roues d'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 vitesses

La boîte de vitesses est l’élément qui permet d’adapter le couple moteur (Un moteur est un dispositif transformant une énergie non-mécanique (éolienne, chimique, électrique, thermique par exemple) en une énergie mécanique ou travail.[réf. nécessaire]) au couple résistant de l’arrêt au déplacement ( En géométrie, un déplacement est une similitude qui conserve les distances et les angles orientés. En psychanalyse, le déplacement est mécanisme de défense déplaçant la valeur, et finalement le sens En...) du véhicule (Un véhicule est un engin mobile, qui permet de déplacer des personnes ou des charges d'un point à un autre.), dans toutes les conditions de roulage (sur le plat, dans les côtes, les descentes, les virages . . .).

Véhicules à moteur (Un moteur (du latin mōtor : « celui qui remue ») est un dispositif qui déplace de la matière en apportant de la puissance. Il effectue ce travail à partir...) thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de l'énergie pour la production de chaleur ou de froid, et des transferts de chaleur suivant...)

L'automobile (Une automobile, ou voiture, est un véhicule terrestre se propulsant lui-même à l'aide d'un moteur. Ce véhicule est conçu pour le transport terrestre de personnes ou de marchandises, elle est...) est aujourd'hui en quasi exclusivité mue par moteur thermique. Ces moteurs ont des caractéristiques de fonctionnement (couple maxi et puissance) qui ne permettent pas leur couplage direct sur les roues des véhicules terrestres :

  • Ils n'ont pas du tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) le même rendement à tous les régimes (en particulier les très basses vitesses), et leur démarrage est délicat.
  • Ils ne tournent que dans un seul sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but l'extension radicale de l'espérance de vie humaine. Par une...),
  • Le couple moteur est plutôt faible (600 N.m correspond à un gros moteur) , de plus il est très inconstant dans la plage (La Plage est un film anglo-américain réalisé par Danny Boyle en 2000 et adapté du roman The Beach d'Alex Garland) d'utilisation de ces moteurs.

Ces caractéristiques générales imposent pour l'usage (L’usage est l'action de se servir de quelque chose.) 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 (L'embrayage est un dispositif d'accouplement temporaire entre un arbre dit moteur et un autre dit récepteur. Du fait de sa transmission par adhérence, il offre une mise en charge...). 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 (La marche (le pléonasme marche à pied est également souvent utilisé) est un mode de locomotion naturel. Il consiste en un déplacement en appui alternatif sur les jambes, en...) en arrière.
  • L'augmentation du couple disponible sur la roue (La roue est un organe ou pièce mécanique de forme circulaire tournant autour d'un axe passant par son centre.) (l'essieu (Dans un véhicule à roues, un essieu est un arbre placé transversalement sous la caisse et supportant par l'intermédiaire des fusées les roues situées à ses extrémités. Un essieu peut...) moteur), le réducteur à engrenages étant la solution la plus commune.

De plus, les conditions d'usage : arrêt court, limitation de vitesse (On distingue :), ralentissement (Le signal de ralentissement (de type SNCF) annonce une aiguille (ou plusieurs) en position déviée qui ne peut être franchie à la vitesse normale de la ligne.), relief (Le relief est la différence de hauteur entre deux points. Néanmoins, ce mot est souvent employé pour caractériser la forme de la surface de la Terre.), imposent des allures de fonctionnement différents. Un véhicule doit donc disposer d'un organe (Un organe est un ensemble de tissus concourant à la réalisation d'une fonction physiologique. Certains organes assurent simultanément plusieurs fonctions, mais dans...) de transmission de puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) proposant :

  • Un rapport nul (appelé point (Graphie) mort).
  • Un rapport de marche arrière.
  • Une ou plusieurs gammes de rapports étagés pour la marche avant.

Il s'agit donc d'un ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une...) de réducteurs disposés dans un même boîtier.

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, l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) motrice d'un arbre (Un arbre est une plante terrestre capable de se développer par elle-même en hauteur, en général au delà de sept mètres. Les arbres acquièrent une structure rigide...) moteur commun, animé par un moulin à eau (Un moulin à eau, ou moulin hydraulique, est une installation destinée à utiliser l'énergie mécanique produite par le courant d'un cours d'eau qui est amenée au moulin par un bief. Dans des régions côtières, les mouvements de marée ont été aussi...) ou une machine à vapeur (La machine à vapeur est une invention,dont les évolutions les plus significatives datent du XVIIIe siècle. C'est un moteur thermique à combustion externe, il transforme l'énergie thermique que possède la...), tournant à vitesse constante. Des systèmes de pignons permettaient le choix d'une vitesse de fonctionnement. La dénomination anglo-saxone est donc plus juste : Gear Box (littéralement : boîte à engrenage), cependant, toutes les boîtes de vitesses ne sont pas construites sur le principe de transmission par engrenages.

Alternatives (Alternatives (titre original : Destiny Three Times) est un roman de Fritz Leiber publié en 1945.) à la boîte de vitesses

La technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) renaissante 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 inégalée, rendement sans égal), Ils peuvent dorénavant être directement implantés dans la roue (La roue est un organe ou pièce mécanique de forme circulaire tournant autour d'un axe passant par son centre.), 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 (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui...) d'essais que sur des véhicules de petite taille et n'est utilisée que sur des engin à déplacement lent.

Classification des boîtes de vitesses

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

  • La technologie des réducteurs : par engrenages classiques, train (Un train est un véhicule guidé circulant sur des rails. Un train est composé de plusieurs voitures (pour transporter des personnes) et/ou de plusieurs wagons...) épicycloïdal, courroie...
  • Le système de commande : manuelle, semi-automatique, automatique (L'automatique fait partie des sciences de l'ingénieur. Cette discipline traite de la modélisation, de l'analyse, de la commande et, de la régulation des systèmes dynamiques. Elle a pour fondements théoriques les...), séquentielle...
  • La synchronisation : autorisant le changement de rapport en marche ou à l'arrêt seulement.
  • Enfin l'orientation (Au sens littéral, l'orientation désigne ou matérialise la direction de l'Orient (lever du soleil à l'équinoxe) et des points cardinaux (nord de la boussole) ;) qui n'a d'influence que sur la géométrie (La géométrie est la partie des mathématiques qui étudie les figures de l'espace de dimension 3 (géométrie euclidienne) et, depuis le...) des liaisons avec l'arbre moteur et le différentiel (Un différentiel est un système mécanique qui a pour fonction de distribuer une vitesse de rotation de façon adaptative aux besoins d'un ensemble mécanique.). L'architecture (L’architecture peut se définir comme l’art de bâtir des édifices.) est différente (En mathématiques, la différente est définie en théorie algébrique des nombres pour mesurer l'éventuel défaut de dualité d'une application définie à l'aide...) 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 (Une combinaison peut être :) correspond un modèle 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 (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent le...); 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.
  • 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 (Un couple conique est un engrenage conique, destiné à transmettre un mouvement de rotation entre deux arbres non parallèles concourants(souvent avec un angle droit).) du différentiel, intégré au carter de la boîte (pour les véhicules à traction avant) ou reporté sur le pont (Un pont est une construction qui permet de franchir une dépression ou un obstacle (cours d'eau, voie de communication, vallée, etc.) en passant par-dessus cette...) 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 (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) 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 (Une loupe est un instrument d'optique subjectif constitué d'une lentille convexe permettant d'obtenir d'un objet une image agrandie. La loupe est la forme la plus simple du microscope optique, qui, lui, est...) la manœuvre, et pas les dents d'engrenage.

Le maintien 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 donc chacune moins de charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un...) que les pignons à dentures droites. Malheureusement, elles provoquent une poussée (En aérodynamique, la poussée est la force exercée par le déplacement de l'air brassé par un moteur, dans le sens inverse de l'avancement.) 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 (Dans son sens courant, le mot de bruit se rapproche de la signification principale du mot son. C'est-à-dire vibration de l'air pouvant donner lieu à la création...) 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, lorsque 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’engrenement 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 robotisée

Ce sont des boîtes manuelles standards auxquelles on a greffé un système automatisé, électrotechnique (Étymologiquement l'électrotechnique désigne l'étude des applications techniques de l'électricité. En réalité, l'électrotechnique regroupe les disciplines traitant...) souvent associé à l'hydraulique (L'hydraulique désigne la branche de la physique qui étudie les liquides. En tant que telle, les champs d'investigation qu'elle propose regroupent plusieurs domaines :), 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 (Sensodrive est le nom commercial de la boîte de vitesse manuelle pilotée (ou boîte de vitesse robotisée) qui équipe les voitures de la marque Citroën.) chez Citroën (Citroën est un constructeur automobile français fondé en 1919 par André Citroën.), Quickshift chez Renault, Selespeed chez Alfa Romeo (Alfa Romeo est une marque automobile italienne fondée à Milan le 24 juin 1910, propriété de Fiat depuis 1986 ; et qui fut auparavant propriété de l'État...), F1 chez Ferrari ( Automobiles et motos Ferrari, constructeur automobile italien dont le nom provient de son fondateur Enzo Ferrari. Scuderia Ferrari, l'écurie de course du constructeur. Ferrari, constructeur italien de motocyclettes. ...), etc.

Boîte séquentielle

Description

C'est une version dérivée (La dérivée d'une fonction est le moyen de déterminer combien cette fonction varie quand la quantité dont elle dépend, son argument, change. Plus précisément, une dérivée est une expression (numérique ou algébrique) donnant le...) de la boîte de vitesses manuelle, qui reprend le même principe mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres de transmission, pistons, ...), bref,...) de pignons et de crabots, mais avec une configuration qui implique que, le conducteur ne peut pas choisir un rapport au hasard (Dans le langage ordinaire, le mot hasard est utilisé pour exprimer un manque efficient, sinon de causes, au moins d'une reconnaissance de cause à effet d'un événement.), mais uniquement le rapport immédiatement supérieur ou inférieur à celui en service, 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.

Fonctionnement

Sauf obligation : réglementation de course (Course : Ce mot a plusieurs sens, ayant tous un rapport avec le mouvement.) automobile ou coût de fabrication, dorénavant le passage des vitesses ne se fait plus mécaniquement par la manœuvre du conducteur d'un levier et d'une pédale de débrayage. Mais, au moyen d'un automatisme mécanique ou électro-hydraulique qui assurent seul le passage des vitesses. Le pilotage électronique de l’injection (Le mot injection peut avoir plusieurs significations :) et du papillon motorisé permet de mettre le moteur et les pignons, à la vitesse de rotation voulue, pendant le passage des vitesses ; si bien que la position de l'accélérateur n'a plus d'influence pendant la durée du changement de rapport.

Boîte à crabots

Description

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.
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, cette boîte possède l'avantage de pouvoir se passer (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques Brisson (1723-1806) en 1760.) 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 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. Une boîte à crabot ne possède pas ces synchronisateurs, la vitesse passe d'un coup et, parfois violemment, si les arbres n'ont pas des vitesses de rotation proches. 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

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 (Commande : terme utilisé dans de nombreux domaines, généralement il désigne un ordre ou un souhait impératif.) permet la sélection de plusieurs programmes :

  • P : Frein (Un frein est un système permettant de ralentir, voire d'immobiliser, les pièces en mouvement d'une machine ou un véhicule en cours de déplacement.) de parking : la boîte est bloquée par l'enclenchement simultané d'au moins deux rapports.
  • R : Marche arrière (Reverse).
  • N : Point mort (La mort est l'état définitif d'un organisme biologique qui cesse de vivre (même si on a pu parler de la mort dans un sens cosmique plus général, incluant par exemple...) (neutre).
  • D : Conduite normale avec 3 ou 4 rapports (Drive).
  • 2 : Conduite soit :
    • avec les seuls rapports de 1re et 2e, ce qui laisse le moteur prendre des tours, adapté à la conduite en montagne (Une montagne est une structure topographique significative en relief positif, située à la surface d'astres de type tellurique (planète tellurique, satellites comme la Lune), et faisant généralement...).
    • avec le seul rapport de 2e (même au démarrage) pour faciliter les départ sur neige (La neige est une forme de précipitation, constituée de glace cristallisée et agglomérée en flocons pouvant être ramifiés d'une infinité de façons. Puisque les flocons sont composés de petites...) ou verglas (Le verglas est un dépôt de glace compacte et lisse, généralement transparent, provenant d'une pluie ou d'une bruine d'eau surfondue, en état de surfusion, qui se...).
  • 1 ou L : Conduite en 1re uniquement (Low), utilisée par exemple dans les fortes descentes ; en position D, la voiture (Une automobile, ou voiture, est un véhicule terrestre se propulsant lui-même à l'aide d'un moteur. Ce véhicule est conçu pour le transport terrestre de...) 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 (Un coupleur est un organe destiné à assurer une liaison entre deux parties distinctes d'une machine. Cet équipement peut être mécanique, électrotechnique, électronique, bien souvent un mélange de différentes...) hydraulique, qui remplace l'embrayage classique à friction par un embrayage centrifuge à huile (L'huile est un terme générique désignant des matières grasses qui sont à l'état liquide à température ambiante et qui ne se mélangent pas à l'eau, mais, est...).

Fonctionnement

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

Vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) 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 (Le mot chaîne peut avoir plusieurs significations :) comme un embrayage.
  • 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 (Satellite peut faire référence à :), porte satellites, qui tournent librement les uns par rapport aux autres (2 mobilités par étage).
  • Une pompe (Une pompe est un dispositif permettant d'aspirer et de refouler un fluide.) hydraulique haute pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.), 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.
    • 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 (En mathématiques et en logique, une variable est représentée par un symbole. Elle est utilisée pour marquer un rôle dans une formule, un prédicat ou un algorithme. En statistiques, une variable peut aussi...) délivrée par la pompe donne une information proportionnelle au régime moteur. Ces paramètres permettent au système de contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de vérification et de maîtrise.) 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 (Un capteur est un dispositif qui transforme l'état d'une grandeur physique observée en une grandeur utilisable, exemple : une tension électrique, une hauteur de mercure, une intensité, la déviation d'une...), 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 ( En tant qu'instrument de mesure : Une jauge est un instrument de mesure. On trouve par exemple : La jauge de contrainte, traduisant un effort mécanique en résistance électrique, La jauge Hibernia et la jauge...).

Étagement d’une boîte de vitesses

La boîte idéale serait celle proposant le bon rapport pour chaque situation (En géographie, la situation est un concept spatial permettant la localisation relative d'un espace par rapport à son environnement proche ou non. Il inscrit un lieu dans un cadre plus général afin de le qualifier à travers...). On ne peut cependant pas multiplier les rapports à l’infini (Le mot « infini » (-e, -s ; du latin finitus, « limité »), est un adjectif servant à qualifier quelque chose qui n'a...). 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 (Le camion est un véhicule automobile à roues destiné à transporter des marchandises. Le routier (routière) ou camionneur (camionneuse) a pour profession la conduite d'un camion.) 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 (Le tourisme est le fait de quitter son domicile, pour des raisons personnelles, pour une durée supérieure à 24 heures. Ce qui implique la consommation d'une nuitée auprès d'un hôtelier et éventuellement la...) 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 (En mathématiques, une équation est une égalité qui lie différentes quantités, généralement pour poser le problème de leur identité. Résoudre l'équation consiste à déterminer toutes les façons de donner à certaines des quantités qui y...) 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 (Nissan Jid?sha Kabushiki Gaisha (?????????) ou Nissan (??) (NASDAQ : NSANY) est un constructeur automobile japonais.) Micra n-CVT (93~2002) et les Honda Jazz CVT en Europe (L’Europe est une région terrestre qui peut être considérée comme un continent à part entière, mais aussi comme l’extrémité occidentale du continent eurasiatique, voire comme une...).

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_\mathrm{roue}}{N_\mathrm{moteur}} = \eta.\frac{C_\mathrm{moteur}}{C_\mathrm{roue}}= R_\mathrm{bi}.R_\mathrm{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 (La propulsion est le principe qui permet à un corps de se mouvoir dans son espace environnant. Elle fait appel à un propulseur qui transforme en force motrice l'énergie fournie par le milieu extérieur ou par un moteur.) (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 :

  • Masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps à la...) de la voiture (PTRA)
  • Taille des roues, rapport du différentiel.
  • Vitesse maximale souhaitée
  • Cx coefficient (En mathématiques un coefficient est un facteur multiplicatif qui dépend d'un certain objet, comme une variable (par exemple, les coefficients d'un polynôme), un espace vectoriel, une fonction de base et ainsi de suite....) de traînée.

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 mot statique peut désigner ou qualifier ce qui est relatif à l'absence de mouvement. Il peut être employé comme :), 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 (La vitesse de croisière d'un aéronef est la vitesse correspondant au régime des moteurs prévu pour la partie courante d'un vol, c'est-à-dire...), ou la vitesse maximale, l’accélération (L'accélération désigne couramment une augmentation de la vitesse ; en physique, plus précisément en cinématique,...) impose une force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale « cardinale » équivalent au courage...) 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 (En mathématiques, un idéal est une structure algébrique définie dans un anneau. Les idéaux généralisent de façon féconde...) des rapports de transmission suivant une suite géométrique (En mathématique, on appelle suite géométrique une suite u définie sur à valeurs dans un corps E, et telle qu'il existe un élément q de appelé raison pour lequel :) dont la raison est le rapport entre les régimes à puissance et couple maximum.

Rapport supérieur

La pénétration dans l’air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air avec...) 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

Véhicules 4x4
Véhicules 4x4
  • Les véhicules tout-terrain sont souvent équipés d’une seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La seconde est une unité de mesure du temps. La seconde d'arc est une mesure d'angle...) 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.
  • Les Bugatti (Bugatti est un constructeur de voitures français, plus précisement alsacien, propriété du groupe Volkswagen AG depuis 1998.) Royales, dont Le Coupé Napoléon d'Ettore Bugatti (Ettore Bugatti de son vrai nom Ettore Arco Isidoro Bugatti (né le 15 septembre 1881 - 21 août 1947) est un inventeur et designer en mécanique avant-gardiste de génie italien et un des pionniers fondateurs de l'industrie...), sont équipées d’un moteur de 8 cylindres et 15 000 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.
  • La 2CV Citroën proposait dès 1948 une boîte à 4 rapports alors que la Traction, reine de la route (Le mot « route » dérive du latin (via) rupta, littéralement « voie brisée », c'est-à-dire creusée dans la roche, pour ouvrir le chemin.) 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 selon une suite arithmétique (En mathématique, une suite arithmétique est une suite définie sur à valeurs dans un groupe additif E telle qu'il existe un élément de appelé raison pour lequel :) 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.
  • La Ford (Ford Motor Company, généralement appelée simplement Ford, est un constructeur automobile américain.) T fut en son temps la voiture produite dans le plus grand nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) d'exemplaires. Elle se distinguait cependant par sa boîte de vitesses particulière qui lui a valu un permis de conduire (Le permis de conduire est un droit administratif de circuler donnant l'autorisation de conduire certains véhicules dans un pays donné. Il est obligatoire de le posséder pour conduire. En cas d'accident, l'absence de permis entraîne l'annulation de...) 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 (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.).
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