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.
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,...) au couple résistant de l’arrêt au déplacement ( En géométrie, un déplacement est une similitude qui conserve les distances et les angles...) du véhicule (Un véhicule est un engin mobile, qui permet de déplacer des personnes ou des charges d'un...), dans toutes les conditions de roulage (sur le plat, dans les côtes, les descentes, les virages . . .).
L'automobile (Une automobile, ou voiture, est un véhicule terrestre se propulsant lui-même à l'aide d'un...) 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 :
Ces caractéristiques générales imposent pour l'usage (L’usage est l'action de se servir de quelque chose.) d'un véhicule terrestre :
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...), relief (Le relief est la différence de hauteur entre deux points. Néanmoins, ce mot est souvent employé...), 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...) de transmission de puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) proposant :
Il s'agit donc d'un ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection...) 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...) motrice d'un arbre (Un arbre est une plante terrestre capable de se développer par elle-même en hauteur, en...) moteur commun, animé par un moulin à eau (Un moulin à eau, ou moulin hydraulique, est une installation destinée à utiliser...) ou une machine à vapeur (La machine à vapeur est une invention dont les évolutions les plus significatives datent...), 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.
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...), 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...) d'essais que sur des véhicules de petite taille et n'est utilisée que sur des engin à déplacement lent.
Pour les véhicules à moteur thermique, on pourra distinguer les boîtes suivant trois fonctions techniques indépendantes :
À chaque combinaison (Une combinaison peut être :) correspond un modèle de boîte de vitesses différent.
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...); 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 :
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...) 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...) 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.
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...) 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...) 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....) 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).
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.
Ce sont des boîtes manuelles standards auxquelles on a greffé un système automatisé, électrotechnique (Étymologiquement l'électrotechnique désigne l'étude des applications techniques de...) souvent associé à l'hydraulique (L'hydraulique désigne la branche de la physique qui étudie les liquides. En tant que telle, les...), qui soit se comportent :
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...) 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...), F1 chez Ferrari ( Automobiles et motos Ferrari, constructeur automobile italien dont le nom provient de son...), etc.
C'est une version dérivée (La dérivée d'une fonction est le moyen de déterminer combien cette fonction varie quand la...) 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...) 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...), 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.
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 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.
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...) 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.
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.
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...) permet la sélection de plusieurs programmes :
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...) 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...).
Vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et...) 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 :
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...).
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...). 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 (Le camion est un véhicule automobile à roues destiné à transporter des marchandises. Le routier...) 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...) 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...) 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...) Micra n-CVT (93~2002) et les Honda Jazz CVT en Europe (L’Europe est une région terrestre qui peut être considérée comme un...).
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.
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....) (au sens large) du véhicule.
La série de rapports disponibles sur une boîte est optimisée en prenant en compte les caractéristiques du moteur :
mais aussi les caractéristiques du véhicule :
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...), 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).
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...), ou la vitesse maximale, l’accélération impose une force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un...) 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....) des rapports de transmission suivant une suite géométrique (En mathématique, on appelle suite géométrique une suite u définie sur à valeurs dans un corps...) dont la raison est le rapport entre les régimes à puissance et couple maximum.
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.