Dossier: les différents types de boîtes de vitesses

Dossier: les différents types de boîtes de vitesses

Guillaume Darding - 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 78 commentaires):

pjmdur

09 mai 2019 à 09h25

Encore merci pour ces explications.

IL y a toutefois une chose que je comprends pas:
Autant sur les anciennes boites US, le système mécanique de blocage de boite était une sorte de prestation pratique pour immobiliser le véhicule en parking, le frein à main qui était souvent une commande à pied ne venant qu'en complément; autant j'ai du mal à comprendre pourquoi cet antique système est toujours présent sur nos boites modernes;
Cela peut être une source d'ennuis mécaniques si on veut bouger le véhicule sans précautions.
Surtout que le frein de parking auto vient le remplacer.
Cela me semble une prestation comme sur les anciennes autos US qui n'a plus d'utilité, non?

Cldt


Le système de frein de parking auto
Guillaume Darding [administrateur]

10 mai 2019 à 09h59

Bonjour pjmdur,

on peut considérer que le frein à main automatique remplace le frein de parking auto et c'est le cas probablement dans la plupart des situations.

Mais, pour tous les automobilistes stationnant leur véhicule en côte ou tractant une caravane par exemple, c'est une double sécurité indispensable et dans ce cas-là, les deux systèmes sont bien complémentaires car les deux freins n'agissent pas sur les mêmes organes. En cas de défaillance de l'un, l'autre maintiendra quand même le véhicule à l'arrêt!
pjmdur

13 juin 2019 à 10h14

Bonjour Guillaume,

Je voudrais apporter une précision, et une interrogation sous jacente sur la boite EAT8 Aisin montée sur les Peugeot.
La figure de ce dossier présente un embrayage multidisques accolé au convertisseur de couple.
Il s'agit sur certaines boites d'une option absente chez Peugeot.
De ce que j'ai compris, sur ma boite, les 1ère et seconde n'ont aucun verrouillage de rapport; alors que oui sur la 3 et plus pour éviter les pertes par glissement.
Autant la consommation de carburant est parfaite sur route, donc identique à une boite manuelle, autant cela se gâte à basse vitesse en ville plus qu'il ne faudrait.
Ma question annexe est donc de savoir ce qu'apporte cet embrayage multidisques présent sur les véhicules premium?

Cldt
Guillaume Darding [administrateur]

13 juin 2019 à 21h56

Bonjour pjmdur,

Sauf exception, les boîtes de vitesses automatiques actuelles les plus récentes sont toutes pourvues d'un embrayage accolé au convertisseur, ce n'est donc pas une option. Si je ne me trompe pas, l'embrayage de verrouillage est monodisque sur l'EAT6 et il s'agit d'un multidisque dans le cas de l'EAT8.

L'embrayage de verrouillage sert à limiter les pertes dans le convertisseur lorsque stator et rotor tournent à la même vitesse (ce qui engendrait des consommations importantes sur les anciennes boîtes de vitesses automatiques).

Il n'est pas possible de verrouiller l'embrayage sur les premiers rapports car ces rapports sont surtout utilisés pour mettre en mouvement le véhicule (ou faciliter le démarrage lorsqu'on tracte une caravane par exemple), la variation de vitesse est donc généralement importante et la boîte doit chercher à passer au plus tôt le troisième rapport pour minimiser la consommation.

N'hésitez pas à revenir ves moi si mes explications ne sont pas claires car je ne suis pas sûr d'avoir bien compris votre question ;-)
pjmdur

14 juin 2019 à 09h19

Hello Guillaume,

Vos explications sont claires.
Mais j'ai obtenu cette précision d'une source indiscutable qui m'a indiqué qu'il n'y avait pas d'embrayage multidisques accolé au convertisseur de couple sur les EAT8 Peugeot.
Sur le site de Aisin, il y avait une présentation montrant cet embrayage; mais cette présentation a disparue et les images de cette série de boites montrent cette absence.
D'où mon interrogation quant à son utilité.

Cldt
Guillaume Darding [administrateur]

16 juin 2019 à 00h34

Bonjour pjmdur,

je reste perplexe quand à l'absence de cet embrayage de verrouillage! Sauf erreur de ma part, la référence Aisin est de type AWF8F35 (voire AWF8F45). Elle est utilisée par d'autres constructeurs dont certains mettent bien en avant la fonction de verrouillage optimisée dès les plus bas régimes.

A mon sens, l'embrayage de verrouillage est aujourd'hui indispensable et une gestion optimisée de ce dernier l'est encore plus pour permettre aux boîtes automatiques d'être concurrentielles en matière de consommation d'essence. Je ne vois pas comment un constructeur pourrait s'en passer, surtout lorsqu'on est à l'aube d'un challenge important en matière d'émissions de CO2 et où chaque gramme a son importance...
Francois35700

13 juillet 2019 à 20h38

Bonjour,

Monsieur sur eat 8 l’on ressent parfois un « acoup » de passage à l’arrêt, moteur tournant, de la position Neutre vers la position Reverse ou même Drive .
Il doit s’agir des embrayages qui verrouillent une position ou l’autre ...

Avez vous une idée du pourquoi du comment ?
Guillaume Darding [administrateur]

15 juillet 2019 à 14h35

Bonjour François,

cet à-coup est à priori normal: lorsque vous passez de neutre à R ou D, vous passez d'un état où aucune puissance moteur n'est transmise aux roues à un état où le véhicule est en prise (si vous relâchez la pédale de frein, le véhicule va avancer - ou reculer). Cet à-coup sera plus ou moins ressenti selon que la pédale de frein est plus ou moins pressée.
Francois35700

15 juillet 2019 à 18h12

Merci beaucoup Guillaume pour cette réponse, j’avais un peu honte de vous embêter avec mes soucis ici :)

Concernant cet à coup vous avez sans doute raison, je note que parfois je le ressent plus moteur( boîte) chaud :).

Merci encore.

Guillaume Darding [administrateur]

17 juillet 2019 à 13h54

Bonjour François, il n'y a pas de honte à avoir et il n'y a pas de questions bêtes! ;-)

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Commentaires
pjmdur à propos de l'article «Dossier: utilisation du superéthanol E85»

Il y a 1 heure

Merci encore une fois pour ces infos. Une observation complémentaire: le "vrai" flexfuel signifie qu'il y a une sonde qui soit capable d'évaluer les pourcentage de mélanges essence/éthanol, non? Si on fait une reprogrammation, il est supposé qu'on utilise quasi exclusivement du E85? Idem pour les boîtiers? Le terme flexfuel est-il usurpé dans ces cas précis? Cldt

pjmdur à propos de l'article «Technique: suspensions à butées hydrauliques progressives Citroën»

Il y a 1 heure

Bonjour, Comme l'indique guillaumedarding, le système doit être adapté au véhicule. A ce sujet, les essayeurs trouvent que sur le C5 Aircross, le système n'est pas aussi efficace. La raison est simple: pour obtenir une tenue de route correcte sur ce modèle plus important, le constructeur a du durcir la suspension, lui faisant perdre en grande partie le bénéfice de cette solution. Confirmé en cela par une certaine déception des premiers utilisateurs.

Jacques63000 à propos de l'article «Technique: suspensions à butées hydrauliques progressives Citroën»

Hier

Bonsoir et merci pour ce retour rapide, vous êtes me semble t-il dans le métier et donc en relation plus ou moins étroite avec des garages si je ne me trompe pas ? avez-vous la possibilité de voir avec eux si l’opération est possible ? Dans la négative, quel type d’amortisseur (gaz par exemple) pourrais-je mettre pour avoir équivalence appréciable ?

© Guillaume Darding

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