Boîte de vitesses

Les automobiles sont équipées de boîtes de vitesses pour exploiter au mieux l’efficacité du couple et la puissance des moteurs dans des conditions de conduite différentes et selon la configuration de la route. Depuis plus de cent ans, différents types de boîtes de vitesses ont été conçus, de la classique boîte mécanique aux boîtes automatiques ou robotisées. 

Qu'est-ce qu'une boîte de vitesses ?

La boîte de vitesses est un système mécanique ou hydraulique qui permet de faire avancer ou reculer un véhicule en transmettant la puissance et le couple moteur aux roues par le biais d’un arbre et/ou de demi-arbre de transmission. Les rapports de la boîte ont tous une démultiplication différente afin que la transmission puisse tourner plus vite, moins vite, ou à vitesse égale que celle du moteur.

Quel est le rôle de la boîte de vitesses ?

La boîte de vitesses transmet aux roues motrices le couple et la puissance du moteur. Chaque rapport est adapté aux conditions de roulage. Selon les types de boîtes, les deux, trois ou quatre premiers rapports de la boîte, voire les cinq sur des modèles très récents, permettent aux roues de tourner plus vite que le moteur afin de faire démarrer et prendre de la vitesse à la voiture.

Un rapport dit « en prise directe » permet au moteur et aux roues de tourner à la même vitesse. Si l’utilisation de la prise directe est courante, elle n’est pas obligatoire, surtout sur des voitures équipées de moteurs peu puissants, dont le ou les derniers rapports sont surmultipliés.

Quelque soit le type de boîtes, les derniers rapports sont en règle générale surmultipliés, c’est-à-dire qu’ils permettent aux roues motrices de tourner plus vite que le moteur. Cela a pour effet de demander un moindre effort au moteur pour une vitesse de roulement égale du véhicule, en diminuant le régime du moteur. Cette réduction diminue l’usure du moteur et sa consommation en carburant.

Caractéristiques des différents types de boîtes de vitesses

Depuis les débuts de l’automobile, différents systèmes de boîtes de vitesses ont été conçus et utilisés. Nous n’évoquerons ici que ceux utilisés actuellement sur les voitures, à savoir :

• les boîtes de vitesses mécaniques ;
• les boîtes de vitesses automatiques ;
• les boîtes de vitesses robotisées.

La boîte de vitesses mécanique

La boîte de vitesse mécanique est constituée d’un arbre primaire, d’un arbre secondaire et d’un troisième arbre. Des pignons, crabots et synchroniseurs composent les éléments des différents rapports. Les fourchettes sont reliées au levier de commande. Les pignons des rapports de marche avant sont hélicoïdaux, plus silencieux que les pignons à denture droite de la marche arrière.

La boîte de vitesses automatique

Les boîtes de vitesses automatiques sont constituées de trains épicycloïdaux en cascade solidarisés par des embrayages et des freins afin de disposer de rapports différents. L’embrayage classique des boîtes mécaniques est remplacé par un convertisseur de couple hydraulique. Le convertisseur dispose d’une pompe hydraulique haute pression sous la forme d’une première turbine ; une seconde turbine est reliée à l’arbre de la boîte ; un stator gère les flux de l’huile. Certaines boîtes automatiques actuelles utilisent un double embrayage qui remplace le convertisseur de couple.

La boîte de vitesses robotisée

Ce type de boîte de vitesses est un compromis entre les boîtes mécanique et automatique. Il permet de bénéficier des avantages de l’automatisme intégral et du mode manuel par l’intermédiaire d’un levier de changement de vitesses et de palettes installé sur le volant.

La boîte robotisée s’avère efficace pour les petites voitures équipées de moteurs peu puissants. Si les premiers systèmes commercialisés à la fin des années 1990 avaient un fonctionnement assez lent, elles ont été perfectionnées durant les années 2000, notamment avec l’apparition du double embrayage et d’une gestion électronique, plus rapide, des changements de rapports. Les boîtes de vitesses robotisées équipent désormais des voitures puissantes.

Comment fonctionnent les boîtes de vitesses ?

Les boîtes de vitesses mécaniques

L’arbre primaire transmet le mouvement du vilebrequin du moteur par le biais de l’embrayage. Sur l’arbre secondaire se trouvent les pignons, crabots et synchros des différents rapports. Il transmet le mouvement vers les roues. Le mouvement peut également être transmis par un troisième arbre de boîte destiné au rapport en prise directe. Il relie alors les deux arbres précédents afin que moteur et roues tournent à la même vitesse. Ces pièces sont activées par des fourchettes reliées au levier de commande de changement de vitesses.

Avantages :

• la consommation de carburant est légèrement inférieure à celle des véhicules équipés d’une boîte automatique dans certaines conditions de conduite ;
• la sportivité du véhicule.

Inconvénients :

• les réparations nécessitent un savoir-faire spécifique et s’avèrent onéreuses ;
• le système d’embrayage, très sollicité, s’use et réclame d’être remplacé régulièrement ;
• la conduite est fatigante en ville, provoquant du stress et une accélération du rythme cardiaque ;
• les changements de rapports sont moins rapides qu’avec une boîte automatique moderne ou une boîte robotisée à double embrayage.

Le rôle des synchroniseurs dans les boîtes mécaniques

Le système de synchronisation a été développé et utilisé par Cadillac à partir de 1929. Il se généralise à partir des années 1930 sur la plupart des automobiles. Les pignons qui composent chaque rapport de la boîte deviennent solidaires lorsqu’ils s’entraînent afin de transmettre le couple moteur et de créer le mouvement de transmission. L’ensemble de ces pièces ne tourne pas à la même vitesse et leur synchronisation devient nécessaire pour faciliter leur engagement. Le synchroniseur, communément appelé "synchro", est un cône de friction qui permet justement de synchroniser la vitesse des pignons. Il évite ainsi les craquements lors des changements de rapports, ainsi que d’avoir recours au double débrayage pour les éviter à chaque fois.

Les boîtes de vitesses automatiques

Le convertisseur de couple gère le glissement, équivalent du patinage, lors des changements de rapports, il est souvent complété de nos jours par un embrayage de pontage du convertisseur qui limite le glissement afin d’accélérer le passage des vitesses et d’abaisser la consommation de carburant liée au glissement. Le convertisseur est entraîné par le moteur qui permet la mise en pression et la circulation d’une huile spéciale appelée génériquement ATF (Automatic Transmission Fluid), fournissant l’énergie pour les systèmes hydrauliques indispensables pour activer les embrayages et les freins. Les changements de rapports d’une boîte automatiques sont activés par l’ouverture et la fermeture des embrayages couplant les trains épicycloïdaux ou en arrêtant leur rotation contrôlés par la pression hydraulique. Le pilotage électronique des boîtes automatiques modernes s’adapte à la conduite du conducteur pour gérer les changements de rapports. Il s’adapte aussi à la configuration de la chaussée.

Avantages :

• suppression des manœuvres de changements de vitesses et d'embrayage ;
• rapidité des changements de rapports par rapport aux boîtes manuelles ;
• moins de stress au volant et meilleure concentration sur la conduite ;
• changements de rapports sans à-coups, donc un meilleur confort de conduite ;
• le système de gestion électronique permet de toujours enclencher le bon rapport en fonction du profil des chaussées ;
• un mode de changement de rapports manuel sans débrayage est disponible pour la conduite sportive ;
• elles disposent de plus de rapports que les boîtes manuelles, ce qui améliore leur rendement et diminue la consommation en carburant.

Inconvénients :

• consommation de carburant légèrement accrue dans certaines circonstances, notamment avec les boîtes automatiques de conception ancienne ;
• le glissement du convertisseur de couple sur les boîtes automatiques de conception ancienne ;
• leur réparation ou leur remplacement est onéreux.

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Les boîtes de vitesses robotisées

C’est une boîte de vitesse mécanique dotée de capteurs, d’un calculateur et d’un système hydraulique qui pilote le ou les embrayages dans le cas d’un modèle à double embrayage. Le changement de rapports s’effectue grâce à des servomoteurs hydrauliques ou électriques, voire les deux. Les boîtes robotisées sont également adaptatives.

Avantages :

• dépourvues de commande d’embrayage, elles disposent d’un mode de conduite entièrement automatique ;
• elles proposent également un mode de conduite manuel via un levier de vitesses ou de palettes au volant ;
• elles proposent une alternative d’automatisme intéressante sur les petites voitures ;
• dotées d’un double embrayage, elles permettent de changer plus rapidement les rapports.

Inconvénients :

• le fonctionnement lent des premiers modèles de boîtes de vitesse robotisées avec des changements de rapports brutaux qui provoquent des à-coups et une perte de couple moteur entre les changements de rapports ;
• la faible fiabilité des systèmes électroniques de certaines des premières de boîtes robotisées ;
• les modèles anciens de boîtes robotisées à simple embrayage ne disposent pas d’un blocage de la transmission (position P sur le sélecteur) ;
• les réparations sont compliquées et onéreuses.