Boîte de vitesses manuelle

La boîte de vitesses est un élément de la transmission d'un véhicule permettant plus de flexibilité dans la transformation du mouvement fourni par le moteur.

Comment marche une boîte de vitesses et quel est son entretien ? Toutes les infos maintenant.

Boîte de vitesses : à quoi sert-elle ?

Un moteur à essence ou diesel fonctionne selon le même principe et permet, avec un mélange d'air et de carburant, de créer un mouvement rotatif. Cette force de couple est récupérée et transmise aux roues par l'intermédiaire d'une transmission.

Un moteur au ralenti tourne aux alentours de 800 tours par minute et monte, en règle générale, jusqu'à 6 500 tours par minute (5 500 pour un diesel) :

À cette vitesse de rotation – avec des roues dont le périmètre moyen se situe aux alentours de 1,65 m – le véhicule roulerait à 80 km/h au ralenti et plus de 600 km/h à pleine charge.
C'est bien évidemment impossible pour un grand nombre de raisons incluant la puissance nécessaire à un tel mouvement.
Il est donc nécessaire de créer un dispositif permettant de réduire les rapports de rotation du moteur pour donner au véhicule une plage de vitesse raisonnable.

En outre de la vitesse, il est question de puissance. Pour faire sortir un véhicule de l'état d'équilibre, c'est à dire de 0 à 1 km/h, il faut une quantité d'énergie très importante. Il faut donc prévoir plusieurs niveaux de démultiplication qui, en prime, augmentent davantage la puissance transmise au fil de leur réduction.

C'est ainsi que la boîte de vitesses est née puisqu'elle représente un compartiment dans lequel plusieurs pignons ont été assemblés, représentant chacun une plage de réduction de la rotation moteur.

Fonctionnement d'une boîte de vitesses manuelle

Fonctionnement par démultiplication

Une démultiplication fonctionne de manière très simple : petit pignon sur le coté moteur et gros pignon sur le coté roue, pour réduire la vitesse de rotation. L'inverse se produit pour un gros pignon coté moteur et petit coté roue. C'est le même principe que la transmission de vélo à changement de vitesse, toutes proportions gardées.

Dans le cas d'une transmission standard, comptons 5 vitesses, les pignons de démultiplication sont posés sur deux arbres : un arbre pour les pignons entraînant (par le moteur, axe primaire), un arbre pour les pignons entraînés (vers les roues, axe secondaire) :

Ils sont tous de taille différente et, ensemble, représentent des ratios de démultiplication définis par les ingénieurs pour permettre au véhicule de fonctionner selon la meilleure plage.
Les axes primaire et secondaire sont parallèles, et l'action du levier de vitesses permet de les faire glisser de manière à enclencher le rapport visé et libérer le rapport précédent.
L'embrayage se situe en amont du pignon entraînant et permet de délester la boîte de vitesses de tout entraînement moteur pendant le changement de rapport.

Les termes utilisés se réfèrent au niveau de démultiplication :

Un rapport de vitesse ou de boîte « court » signifie que le véhicule ira lentement mais sera très démultiplié ; signifiant une excellente transmission de la puissance aux roues mais une vitesse de pointe peu élevée.
À l'inverse, un rapport de vitesses ou de boîte « long » donne plus de vitesse au véhicule mais a besoin de plus de puissance pour être entraîné.

La boîte est alors définie en tenant compte de paramètres fonctionnels et d'usage :

Il faut une première vitesse permettant au véhicule d'avancer, à partir de l'arrêt complet, sans que le moteur ne se coupe par défaut de puissance.
Les rapports suivants doivent être suffisamment étagés pour permettre un changement de vitesse progressif et confortable (il ne doit pas y avoir de grand saut dans la démultiplication entre deux rapports).
Les différents rapports doivent pouvoir fournir une plage de transmission de puissance suffisante à toutes les situations dans lesquelles le véhicule peut se trouver (donc selon son usage).
Il faut un rapport de marche arrière pour permettre le recul du véhicule.
Un point mort doit être accessible pour désenclencher la boîte de tout entraînement mécanique avec le moteur ou les roues.
Le rapport final doit permettre, selon le cas de permettre au véhicule d'atteindre sa vitesse maximale en bout de course du régime moteur et/ou de permettre au véhicule d'être à son régime de consommation minimal aux vitesses légales usuelles du pays de vente.

À noter : ces conditions permettent au véhicule d'être confortable à conduire et économe à l'usage.

À cet assemblage viennent s'ajouter des mécanismes de poussée et de synchronisation pour que les pignons des deux axes s'emboîtent parfaitement à chaque changement de vitesse (et éviter le craquement désagréable d'un mauvais changement survenant quand deux pignons sont mal synchronisés).

Enfin, la boîte est lubrifiée par huile pour permettre une meilleure transmission mécanique des efforts.

Exemple pour mieux comprendre le fonctionnement de sa boîte manuelle

Dans un véhicule standard, une première vitesse permet de faire avancer le véhicule jusqu'à environ 50 km/h avant d'atteindre le régime maximal du moteur :

Si cette première vitesse venait à être plus courte, le démarrage serait encore plus facile mais la vitesse maximale serait alors placée à 30 ou 35 km/h (soit 5 à 10 km/h à 2 000 tours/min), rendant le changement de vitesse vers la seconde prématuré et inconfortable.
À l'identique, la cinquième et dernière vitesse permet d'atteindre la vitesse maximale du véhicule. Si elle était plus courte, elle permettrait de monter en vitesse plus rapidement mais limiterait la vitesse maximale.

Bon à savoir : non pas qu'elle soit un enjeu dans notre pays, mais si le véhicule est à 200 km/h à 6 500 tours par minute, il sera à environ 3 000 tours par minute à 130 km/h. Rendre le rapport plus court ferait monter les rotations par minute et donc, directement, la consommation à cette vitesse.

Pour autant, il n'est pas si simple de faire allonger le rapport pour, dans l'exemple, être à 130 km/h à 1 500 tours par minute. Comme nous l'avons vu, allonger un rapport demande plus de puissance et bien que dans cette modification le véhicule serait plus économe, il serait moins agréable à conduire car moins réactif et imposerait de rétrograder à chaque pente ou faux-plat :

C'est pourquoi les ingénieurs ont décidé de créer plus de rapports de boîte de vitesses. Dans le cas d'une boîte six vitesses, la cinquième vitesse est un peu plus courte pour de meilleures performances, et la sixième devient la plus économe.
Si, par contre, la dernière vitesse est trop démultipliée (trop longue), elle ne permet plus d'atteindre la vitesse maximale mais a alors été uniquement conçue pour l'économie de carburant.
La vitesse maximale du véhicule étant alors atteinte par l'avant-dernier rapport de boîte.

Bon à savoir : augmenter le nombre de rapports pour plus d'économie et de performance n'est pas la solution idéale pour autant car elle augmente les opérations manuelles qui, au final, se révèlent inconfortables et difficilement praticables au-delà de six.

Une exception peut toutefois être notée dans le cas de véhicules spécialisés :

Qu'ils soient de course, de franchissement, ou de traction (camions), les rapports de boîte doivent être adaptés à l'usage.
Un véhicule tout terrain demande moins de vitesse mais plus de puissance – d'où des rapports plus courts – alors qu'une voiture de course peut voir ses rapports de boîte modifiés à chaque configuration de circuit pour parfaire les utilisations de plage moteur.

Maintenance et usure d'une boîte manuelle

Une boîte de vitesses s'entretient rarement :

Selon les préconisations constructeur, le liquide de boîte peut être changé en préventif ou en curatif.
Parfois, les pignons usés du fait de mauvais passages ou d'un embrayage défectueux peuvent créer une accumulation de limaille dans le compartiment de boîte.

À de très rares exceptions, la boîte peut casser ou se bloquer et nécessite alors une réparation ou un échange standard. Du fait des spécifications propres à chaque véhicule, il est rare de pouvoir trouver une boîte de même taille et de même démultiplication entre deux constructeurs différents.

Les boîtes sont donc définies par modèle puis par motorisation, et les adaptations sont des opérations nécessitant d'excellentes compétences en mécanique car la boîte de vitesses est attachée au bloc moteur.

Boîte de vitesses manuelle : évolutions technologiques

Au fil des années, les boîtes ont évolué en confort d'utilisation et en nombre de rapports. Dans son fonctionnement intrinsèque, un moteur thermique n'est véritablement efficace qu'à régime constant – cela veut dire que notre utilisation actuelle ne nous permet pas d'obtenir les meilleurs résultats de cette technologie.

Pour palier à cela, et comme nous l'avons vu précédemment, les constructeurs et équipementiers ont conçu des boîtes de vitesses 5 puis 6 rapports.

Le nombre va rarement au-delà en boîte manuelle, mais en boîte automatique il peut monter à 9, 10 rapports et plus (et bien au-delà pour les camions) :

L'objectif est simple : permettre au moteur une plage d'usage plus vaste tout en réduisant les écarts de régime.
Il reste ainsi dans ses plages les plus performantes – autant en consommation qu'en puissance – sans perdre de confort d'usage ni de vitesse finale.
Dans le cas d'un camion, il s'agit de fournir assez de démultiplications pour tracter la charge. Et comme nous l'avons vu, un rapport plus long demande plus de puissance. Il faut donc un moteur plus performant pour entraîner une boîte à quatre rapports qu'une boîte à neuf rapports. Il n'y a que des avantages sinon le coût de la technicité de tels équipements.

Les alternatives à la boîte manuelle sont désormais très au point :

transmission variable continue (régime le plus constant possible, sans rapports à pignons) ;
transmission robotisée (identique à la boîte de vitesses manuelle mais passage automatisé) ;
boîte séquentielle (passage de vitesse rectiligne) ;
boîte automatique (le tout automatisé), etc.

Elles se révèlent fiables et endurantes, apportant plus de confort et une plus grande économie de carburant.

À noter : les véhicules électriques vont aujourd'hui plus loin puisqu'ils se dispensent de boîte de vitesses. Ils évoluent sur un rapport fixe grâce à leur moteur dont la vitesse de rotation dépasse les 12 000 tours par minute. Et grâce à leur couple accessible dès 1 tour par minute, ils peuvent entraîner un rapport plus long qu'un moteur thermique. Au final, cette architecture permet d'atteindre jusqu'à 240 km/h pour les plus performantes sans aucun changement de rapport.

Pour aller plus loin :