Dossier: les différents types de boîtes de vitesses

Dossier: les différents types de boîtes de vitesses

Publié le 28 mars 2016

Organe indispensable pour délivrer la puissance du moteur aux roues de manière optimale, la boîte de vitesses se matérialise sous différentes formes, demandant plus ou moins d'intervention de la part du conducteur. Rapidité de passage des rapports, douceur de passage des rapports, coûts sont une partie des critères qui conduit le conducteur à opter pour un type de boîte plutôt qu'un autre.

Boîte de vitesses manuelle

La boîte de vitesses manuelle est le type de boîte le plus populaire en Europe. Elle a gagné ses lettres de noblesse avec Ferrari grâce à un bruit de claquement bien particulier à chaque changement de rapport.

Actuellement, la majeure partie des boîtes de vitesses manuelles comptent 5 ou 6 rapports (à l'exception notable de Porsche qui propose une boîte de vitesses manuelle à 7 rapports). Dans le cas d'une boîte à 6 rapports, leur structure interne s'appuie sur deux arbres (à l'image d'une boîte à 5 rapports) ou trois arbres.

L'encombrement en longueur d'une boîte à trois arbres est réduit car, sur l'arbre primaire, un même pignon peut entraîner à la fois un pignon sur le premier arbre de sortie (la quatrième vitesse par exemple) et un pignon sur le second arbre de sortie (la 6ème vitesse par exemple) avec un rapport de démultiplication différent.

Le baladeur va alors engager ses dentures contre celles homologues du pignon fou. Cette opération s'appelle le crabotage. L'arbre d'entrée et l'arbre de sortie ayant des vitesses relativement différentes, un embrayage est nécessaire pour adapter progressivement la vitesse de rotation du pignon fou à celle de l'arbre sur lequel il est monté. Cet embrayage compact est plus connu sous le nom de synchroniseur: il s'agit d'un cône de friction qui facilite le passage des vitesses.

Sur les premiers rapports, les baladeurs peuvent être équipés de double, voire de triple, synchroniseurs. Cette technique permet de faciliter le passage des rapports grâce à une surface de friction plus importante, alors que la différence de vitesse de rotation est importante lors du passage de la première à la deuxième vitesse par exemple.

Les engrenages des boîtes de vitesses traditionnelles sont, dans la plupart du temps de type hélicoïdal. Le principal avantage de ce type de denture est d'être silencieux. Cet avantage est significatif si l'on considère qu'une majorité de véhicules ont des pignons à denture droite pour la marche arrière, générant un bruit aigu caractéristique.

Boîte de vitesses séquentielle

Une boîte de vitesses séquentielle reste, dans les grandes lignes, similaire à une boîte de vitesses manuelle. En règle générale, ce type de boîte n'a pas de synchroniseurs et ce sont les pignons fous qui se déplacent sous l'action de la fourchette. Pour ce faire, les pignons sont normalement à denture droite. Dans le cas où les dentures sont hélicoïdales, un manchon coulissant assure le crabotage

Ce type de boîte est surtout utilisé en compétition (rallye, rallycross,...) et sur les motos. Une boîte séquentielle ne comporte pas de levier de vitesses avec une grille en H. Il ne reste qu'un sélecteur qui est déplacé dans un sens ou l'autre pour monter ou descendre les rapports. Lorsque le sélecteur est actionné, il entraîne la rotation d'un tambour rainuré qui va déplacer la fourchette de sélection des rapports. Cette fourchette va déplacer le pignon de l'un ou l'autre engrenage pour engager un crabot.

Ce type de boîte permet le passage de vitesse à la volée, sans nécessiter d'utiliser l'embrayage (à l'exception du premier rapport), lorsqu'on monte les vitesses.

Boîte de vitesses robotisée

La boîte de vitesses robotisée est de conception proche (si ce n'est identique dans beaucoup de cas) d'une boîte de vitesses manuelle.

Dans sa version la plus simple telle que présentée par Renault sur la Twingo Easy, la boîte de vitesses conserve son traditionnel sélecteur de vitesse fonctionnant selon une grille en H, la pédale d'embrayage est, quant à elle, supprimée.

Cette application est restée un cas isolé. Les boîtes robotisées actuelles disposent dans la grande majorité des cas d'un levier similaire à celui des boîtes automatiques, à savoir R (marche arrière), N (neutre) et D (marche avant). Parfois, on peut aussi trouver une commande séquentielle (+/-).

D'autre part, au contraire des autres boîtes automatiques, les boîtes robotisées à simple embrayage ne disposent généralement pas d'une position "parking" (P), ceci est dû au fait que le blocage mécanique pour assurer cette fonction ne fait pas partie du cahier des charges d'une boîte de vitesses manuelle, dont dérive étroitement les boîtes robotisées.

Boîte de vitesses à double embrayage

Les boîtes de vitesses à double embrayage reprennent le principe d'une boîte de vitesses robotisée en gommant deux de ses défauts majeurs:

  • la lenteur d'exécution
  • la perte de couple lors d'un changement de vitesse

Si le principe de conception est similaire à une boîte manuelle avec les engrenages, l'arbre d'entrée est foncièrement différent car il s'agit de deux demi-arbres, chacun d'eux étant relié à un embrayage.

Le premier demi-arbre est en charge des vitesses impaires, tandis que le second demi-arbre gère les vitesses paires. Lorsque le conducteur démarre, le système enclenche la première vitesse, l'embrayage de l'arbre primaire se ferme. Dans le même temps, l'embrayage en charge du second arbre reste ouvert et la boîte présélectionne le deuxième rapport. Lorsqu'il est nécessaire de passer la deuxième vitesse, l'embrayage du premier demi-arbre s'ouvre progressivement tandis que l'autre embrayage se ferme progressivement.

Le changement de vitesse s'opère donc très rapidement et il n'y a quasiment pas de rupture de charge. En revanche, il faut que le programme de sélection des vitesses soit calibré de manière à bien préselectionner le bon rapport. Par exemple, lorsque le troisième rapport est enclenché, l'électronique peut tout aussi bien commander la sélection du deuxième ou du quatrième rapport. Le système doit donc anticiper, en fonction des paramètres du véhicule (accélération longitudinale et latérale, position de la pédale d'accélérateur, etc.) la bonne présélection. Dans le cas contraire, le changement de rapport est sensiblement ralenti.

Aussi différente la conception puisse être, cela n'empêche pas les boîtes manuelles et les boîtes à double embrayage de partager bon nombre de composants en communs. C'est le cas, en particulier, de la boîte de vitesses manuelle à 7 rapports et de la boîte PDK développées par Porsche.

Boîte de vitesses automatique

Une boîte de vitesses automatique diffère assez largement d'une boîte de vitesses manuelle. En premier lieu, la démultiplication de vitesse entre l'arbre d'entrée et de sortie se via non pas à l'aide de deux roues dentées mais via un ensemble de planétaire et de satellites formant un train épicycloïdal. Avec la multiplication des rapports de vitesse, une boîte automatique compte désormais plusieurs trains épicycloïdaux.

Les différents rapports de vitesse sont créés par la fermeture (et réciproquement l'ouverture) de multiples embrayages. Ceux-ci agissent en couplant deux éléments des différents trains épicycloïdaux ou, au contraire, en stoppant la rotation d'un élément d'un train épicycloïdal.

L'embrayage traditionnel est ici remplacé par un convertisseur de couple. Le convertisseur est constitué d'une turbine émettrice (autrement appelée pompe, elle est reliée en prise directe au vilebrequin moteur), d'une turbine réceptrice (reliée solidement à l'arbre de la boîte de vitesses) et d'un stator.

La pompe transmet le mouvement à la turbine en envoyant de l'huile via et vers les aubes situées à la périphérie des deux éléments. L'huile est ensuite redirigée vers le centre et le flux est dévié à l'aide du stator. Lorsque l'huile revient vers la pompe, le flux d'huile a tendance à s'opposer à la rotation de la pompe, ce qui serait à l'origine d'une grande perte d'efficacité.

A cet effet, le stator, fixe, permet de réorienter le flux dans la bonne direction. Ce faisant, cette opération permet de multiplier le couple moteur disponible par un ratio de plus de deux lorsque la turbine est quasiment à l'arrêt.

Lorsque la vitesse de rotation de la pompe et de la turbine devient élevée, le flux d'huile ne vient plus impacter les aubes du stator correctement, ce qui contribue à une perte d'efficacité. Pour éviter ce phénomène, le stator est monté sur roue libre: il tourne sensiblement à la même vitesse que la pompe et la turbine.

Enfin, lorsque pompe et turbine tournent sensiblement à la même vitesse, il reste une perte de rendement à cause des turbulences (la vitesse du flux d'huile est élevée). Pour contrecarrer cette perte, la plupart des convertisseurs intègre un embrayage qui permet de minimiser les pertes. Auparavant, cet embrayage n'était fermé que sur le rapport de boîte le plus élevé et à vitesse constante. Désormais, l'embrayage est fermé dès que possible sur les rapports intermédiaires. 

Le convertisseur de couple permet un passage des vitesses sans rupture de couple et amortit les éventuelles vibrations transmises par le vilebrequin ou par les roues.

Grâce à la multiplication des rapports et à une utilisation optimisée de l'embrayage du convertisseur de couple, la boîte automatique a su gommer son principal défaut (surconsommation par rapport à une boîte manuelle) tout en conservant sa qualité principale: la douceur de fonctionnement. Une boîte automatique reste néanmoins beaucoup plus onéreuse qu'une boîte manuelle, mais elle n'est pas forcément beaucoup plus coûteuse qu'une boîte de vitesses robotisée à double embrayage.

Transmission à variation continue

La transmission à variation continue (CVT) permet de gommer, en théorie, de nombreux défauts des boîtes de vitesses traditionnelles. De fait, le ratio pouvant varier indéfiniment sur une plage déterminée, il est alors possible de laisser travailler le moteur au régime le plus favorable pour une accélération la meilleure possible ou une consommation la plus réduite possible.

Une boîte CVT peut tout aussi bien être associée à un convertisseur de couple, un ou deux embrayages. Dans le cas d'un système à deux embrayages, un commande la marche avant, l'autre, la marche arrière: l'inversion du sens de rotation se fait alors grâce à un planétaire situé après les embrayages. Généralement, lorsque le véhicule circule en marche arrière, la vitesse est limitée électroniquement et la CVT reste fixée sur un ratio déterminé (cela n'a pas toujours été le cas: les DAF Variomatic étaient potentiellement capables d'atteindre la vitesse maximum aussi bien en marche avant qu'en marche arrière).

Même lorsque la transmission à variation continue est équipée d'un embrayage, elle reproduit la fonction de rampage à basse vitesse (le véhicule avance sans avoir à solliciter la pédale d'accélérateur) par une fermeture partielle de l'embrayage. D'autre part, l'embrayage n'est normalement utilisé qu'au démarrage du véhicule, sauf dans le cas où la CVT est équipée d'un sélecteur de vitesses fictif: dans ce cas, un changement de vitesse se traduit par une ouverture puis fermeture de l'embrayage, le temps que le variateur fasse évoluer le ratio.

Le variateur est le coeur de la CVT: il est constitué de deux poulies à flasque conique dont l'écartement varie en continu sur chacune des poulies afin de modifier le rayon de chacune d'entre elles. Ainsi, le rapport de réduction varie entre l'arbre primaire (solidaire du vilebrequin) et l'arbre secondaire (relié au différentiel). La liaison entre les deux flasques peut se faire à l'aide d'une chaîne ou d'une courroie.

En conditions réelles, le fonctionnement d'une telle transmission est assez perturbant car il ne rend pas bien compte du niveau d'accélération du véhicule. Par exemple, lorsque la pédale d'accélérateur est enfoncée au maximum, le rapport de réduction sera de telle sorte que le moteur atteindra le plus vite possible le régime maximum et restera à ce régime jusqu'à ce que la pédale soit relâchée.

De ce fait, le conducteur, habitué aux montées en régime du moteur pour évaluer l'accélération du véhicule, ne peut plus se référer à ce paramètre: seul le compteur de vitesse sera le témoin d'une forte accélération. Calé à ce régime, le véhicule aura un niveau d'accélération très élevé alors que le conducteur a plutôt la sensation de circuler à vitesse constante.

C'est pour cette raison que les boîtes CVT n'arrivent à percer significativement le marché des boîtes de vitesses. Audi a par exemple abandonné cette architecture de boîte (dénommée Multitronic) au profit d'une boîte à double embrayage. De fait, dans les dernières déclinaisons de sa transmission, Audi privilégiait plutôt le concept de 7 rapports virtuels plutôt que d'exploiter au maximum les qualités d'une CVT pour les raisons expliquées ci-avant.

Véhicules hybrides et électriques

Les véhicules électriques ne font pas appel, à l'heure actuelle, à une quelconque boîte de vitesses. En fait, les moteurs électriques ont une plage d'utilisation bien plus large que celle d'un moteur thermique. De fait, il n'y a guère qu'un réducteur entre le moteur et le différentiel. Néanmoins, cette situation pourrait évoluer dans les années à venir afin, notamment, de diminuer la consommation électrique à haute vitesse.

Dans le cas des motorisations hybrides, la situation est différente. Suivant le montage, le moteur électrique délivre sa puissance via un simple réducteur (BMW i3), une boîte de vitesses robotisée (Audi A3 Sportback e-tron) ou un train épicycloïdal (Toyota Prius, Chevrolet Volt) dont le principe de fonctionnement n'est pas sans rappeler celui d'une transmission à variation continue.

Crédits photos: Renault (image d'entête) / Wikimedia Commons (levier de boîte de vitesses manuelle Ferrari, train épicycloïdal) / Guillaume Darding (boîte de vitesses manuelle éclatée) / BMW (boîte de vitesses séquentielle) / Citroën (levier de boîte de vitesses robotisée) / Mercedes (boîte de vitesses automatique) / Audi, Volkswagen (boîte de vitesses à double embrayage, CVT à chaîne) / Nissan (CVT à courroie) / General Motors (motorisation hybride)

Les 10 derniers commentaires sur le sujet (voir les 39 commentaires):

Lionel

18 décembre 2018 à 17h25

Bonjour,
Qu'en est-il de la fiabilité et des performances d'une boite auto. 4 rapports sur le moteur VTi 120 que l'on me propose sur une DS3 ?
Merci!
Guillaume Darding [administrateur]

22 décembre 2018 à 21h56

Bonjour Lionel,

à ma connaissance, il n'y a pas de gros soucis de fiabilité sur la BVA 4 rapports précédemment montée sur la DS3. Il y a un défaut connu sur cette boîte d'encrassement des électrovannes, mais il me semble que ce problème a été résolu lorsque cette boîte a été proposée sur DS3. Si, dans le pire des cas, ce problème devait survenir, le coût de réparation reste relativement modéré.

En matière de performances et de consommation de carburant, il ne faut pas en attendre des miracles... il s'agit d'une boîte à la conception ancienne qui privilégie le confort de marche.
Otmane

27 décembre 2018 à 14h43

Bonjour,

J'hésite entre une 308 et une golf 7:

1/ Quelle est la différence, en termes de performance, entre une boite auto telle que la EAT6 et une boite à double embrayage telle que la DSG7 ?

2/ Laquelle des deux coûte plus cher à l'entretien ?

Merci bcp de votre retour et bonnes fêtes :)
Guillaume Darding [administrateur]

27 décembre 2018 à 23h57

Bonjour Otmane et bonnes fêtes de fin d'année à vous aussi!

en théorie, une boîte à double embrayage (du type DSG7) est plus rapide et moins énergivore, mais un peu moins confortable lors du changement de rapport qu'une boîte automatique (de type EAT6). Néanmoins, dans les faits, ce n'est pas si évident que cela!

J'ai pu essayé à plusieurs reprises l'EAT6 et il faut dire que les boîtes automatiques récentes ont fait d'énormes progrès, tant sur le plan de la réactivité qu'au chapitre de la consommation (grâce à l'ajout d'un embrayage pour seconder le convertisseur de couple).

En matière de coûts d'entretien, il n'y a normalement pas d'entretien à prévoir tant pour la DSG7 (embrayages à sec) que pour l'EAT6 de Peugeot.
Eloi

08 février 2019 à 15h09

Bonjour Guillaume,

Je tiens tout d'abord a te féliciter pour cette article très instructif.
Je me pose tout de même quatre questions :
- esque c'est possible d'avoir une boîte manuelle à double embrayage ?
- est t'il nécessaire sur une voiture en boîte automatique de se mettre au point mort (position N) quand on s'arrête à un feu par exemple ?
- esque c'est possible techniquement et intéressant de mettre une boîte manuelle sur une voiture hybride ?
- question est, penses-tu qu'il serait envisageable dans un avenir proche de remplacer en grande partie ou totalement les disques de freins par des accumulateur électrique ? Pour d'une part supprime l'émission de particules fines dû au freinage et d'autre part moins consommer car si je ne me trompes pas la mise en mouvement d'un véhicule est l'une des phase qui font consommer le plus.
Merci d'avance pour tes réponses ????
Guillaume Darding [administrateur]

10 février 2019 à 15h22

Bonjour Eloi, merci pour tes encouragements!

- en théorie oui, mais il faut que les embrayages soient de toute façon pilotés (selon un mode de fonctionnement similaire à la Twingo 1 Easy). Il serait bien difficile de gérer 2 pédales d'embrayage pour le conducteur autrement! Et quitte à se retrouver avec un levier classique en grille en H sans embrayage, autant passer à une gestion entièrement électronique.
- non, il n'est pas nécessaire de se mettre en N à l'arrêt avec une boîte auto.
- techniquement, c'est possible d'avoir une boîte manuelle sur une hybride (dans une certaine mesure, c'est un peu ce qui arrive avec un alterno-démarreur), mais ce n'est pas intéressant pour gérer les flux de puissance (la contribution de chacun des moteurs) puisque l'électronique serait dépendante de la bonne volonté du conducteur d'enclencher le bon rapport. Dès lors, la solution tout automatique est de très loin la plus efficace.
- non, pas dans un avenir proche. D'une part, il faut que la réglementation évolue pour autoriser ce type de dispositif. D'autre part, il faut voir aussi le compromis coût / performances / poids / ...
Pour le moment, il est certain que rien ne dirige l'industrie dans ce sens, mais cela peut effectivement changer (plutôt à long terme je pense) puisqu'on commence à parler de réglementer ce type d'émission de particules fines...
Dans le cas d'un véhicule électrique, en conditions normales et avec un minimum d'anticipation, il est déjà largement possible de ne plus (ou très peu) solliciter les freins hydrauliques.
JazzMan

11 février 2019 à 09h35

Bonjour, concernant les hybrides à boites manuelles, Honda en a sorti plusieurs modèles :
- l'insight 1 (2001 à 2006) disponible en boite manuelle ou boite auto CVT,
- la CIVIC IMA (2003 à 2005) uniquement en boite manuelle,
- et la CR-Z (2011 à 2016) en boite manuelle ou boite auto CVT suivant les pays.
Cela permettait d'améliorer sensiblement les consommations, sans toutefois égaler l'efficacité d'un système de type HSD (Toyota / Lexus).
Guillaume Darding [administrateur]

11 février 2019 à 15h06

Bonjour JazzMan, merci pour votre complément d'information! Effectivement, j'avais (déjà) oublié les hybrides Honda...
Manu Rigault

15 février 2019 à 11h58

Bonjour Guillaume, après avoir tout lu j'avoue ne rien comprendre, je suis complètement hermétique. J'aurais aimé pourtant être bon bricoleur mécanique. Trop tard j'ai 67 ans. Je voudrais acquérir le nouveaux 4x4 Suzuki Jimny soit en boite manuelle 5 rapports ou automatique 4 rapports. Je suis incapable de me décider sur ce qui est préférable pour moi. Malgré mon age j'aime toujours autant le franchissement avec de l'énergie et du couple. Lorsque j'avais 30 ans je possédais un 4x4 Toyota BJ42 chassis court, boite manuelle 4 rapports, j'en garde des souvenirs impérissables ( dans le week end 1000 kms de route aller, zones de trial tout le samedi dimanche et retour 1000 kms de route avec le même véhicule). merci si tu peux m'aider dans ma décision.
Guillaume Darding [administrateur]

15 février 2019 à 14h14

Bonjour Manu,

pour ce qui est des capacités de franchissement, j'ai une expérience limitée en conduite tout-terrain et il serait difficile de vous dire ce qui est le mieux entre la boîte automatique et la boîte manuelle.

Mon sentiment toutefois, au regard des caractéristiques techniques, c'est que la boîte automatique me semble gloutonne (ce qui occasionne par ailleurs un malus conséquent à l'achat) et qu'elle me semble indiquée uniquement si vous ne supportez plus de jouer avec l'embrayage.

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Guillaume Darding à propos de l'article «Dossier: les différents types de boîtes de vitesses»

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Bonjour Manu, pour ce qui est des capacités de franchissement, j'ai une expérience limitée en conduite tout-terrain et il serait difficile de vous dire ce qui est le mieux entre la boîte automatique et la boîte manuelle. Mon sentiment toutefois, au regard des caractéristiques techniques, c'est que la boîte automatique me semble gloutonne (ce qui occasionne par ailleurs un malus conséquent à l'achat) et qu'elle me semble indiquée uniquement si vous ne supportez plus de jouer avec l'embrayage.

Guillaume Darding à propos de l'article «Dossier: utilisation du superéthanol E85»

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Bonjour Julio, merci pour votre complément d'information!

Manu Rigault à propos de l'article «Dossier: les différents types de boîtes de vitesses»

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Bonjour Guillaume, après avoir tout lu j'avoue ne rien comprendre, je suis complètement hermétique. J'aurais aimé pourtant être bon bricoleur mécanique. Trop tard j'ai 67 ans. Je voudrais acquérir le nouveaux 4x4 Suzuki Jimny soit en boite manuelle 5 rapports ou automatique 4 rapports. Je suis incapable de me décider sur ce qui est préférable pour moi. Malgré mon age j'aime toujours autant le franchissement avec de l'énergie et du couple. Lorsque j'avais 30 ans je possédais un 4x4 Toyota BJ42 chassis court, boite manuelle 4 rapports, j'en garde des souvenirs impérissables ( dans le week end 1000 kms de route aller, zones de trial tout le samedi dimanche et retour 1000 kms de route avec le même véhicule). merci si tu peux m'aider dans ma décision.

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