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 101 commentaires):

Theo

16 mars 2020 à 12h58

Bonjour,
J’aimerais connaître le modèle de ma boite de vitesses sans passer chez un garagiste. Existe-t-il un moyen ? Puis-je trouver l’information sur ma carte grise ?
Merci pour votre aide.
Guillaume Darding [administrateur]

16 mars 2020 à 15h19

Bonjour Theo, ça peut être possible à partir du numéro VIN, à condition, toutefois, de passer par une solution payante (et cela dépend des constructeurs). Le plus simple et le plus sûr reste tout de même de passer par un concessionnaire.

25 mars 2020 à 14h39

Bonjour, je viens de voir ce commentaire et je me permets de répondre.

Je ne veux pas faire ni de publicité, ni faire de tort à personne, ni me faire bannir. Nous travaillons sur les BVA et je m'occupe du projet qui répertorie toutes les BVA par marques/modèles et je suis tombé sur vos articles (excellent) en recherchant des photos sur le net..

Nous n'avons pas le droit de publier les VIN ou plaques d'immatriculation car il faut être de licence 1 ou 2 pour pouvoir le faire. Mais nous avons développé un système (sans le VIN malheureusement) avec la marque, le modèle et la cylindrée, vous pouvez voir quelle boite est équipée sur le véhicule: c'est sur l'aide en ligne https://laboiteauto.fr/aide-en-ligne. Après, effectivement, le concessionnaire directement sera plus précis..

PS: bravo à Guillaume pour l'article; c'est très rare de voir de "vrai" articles bien technique et précis sur le sujet... c'est excellent.

Par contre sur les CVT, on peut dire qu'il y a la nouvelle génération CVT à 8 vitesses (0AW) vs 01J/0AN à 7 vitesses. Il est vrai que l'on retrouve de plus en plus les doubles embrayages...meme s'il arrive parfois de voir des CVT (8 vitesses) sur certaines AUDI A6 ou A7 récentes. ..
Guillaume Darding [administrateur]

25 mars 2020 à 23h31

Bonjour Lauren, merci pour vos encouragements et bravo pour votre base de données qui rassemble beaucoup de références !
Chrislo974

02 octobre 2020 à 10h25

J'ai roulé il y a peu durant 1an avec une C3(2018) 1.2 puretech 110 EAT6, je fais beaucoup de virage quand je rentre chez moi (11km de 0 à 800m d'altitude) voila pour la mise en situation.
boite EAT6 de Aisin, pour une boite non piloté(a convertisseur) j'ai trouvé que le mode sport et en séquentiel était plutôt réactif, dans les virages en épingle ou l'on perd en tr/min, fallait juste ne pas descendre en dessous de 1500tr/min en gardant le turbo gavé (rétrogradant) en sortie de virage on avait parfois droit a des "mini" patinage des roues tractant en second parcours montant... mais cette boite est a proscrire en mode auto pour le parcours montant car elle reste trop longtemps presque en sur-regime (2nd) même quand soulage un peu la pédale...d'ou l'utilisation du séquentiel en monté. sinon sur trajet plat on a une souplesse d'utilisation imperceptible et la 6ème qui arrive vite mais sans compromis...
Guillaume Darding [administrateur]

02 octobre 2020 à 17h37

Bonjour Chrislo974, merci pour votre retour d'expérience.

Pour l'avoir testée à plusieurs reprises, je trouve l'EAT6 convaincante avec une bonne anticipation lors des freinages (pour aborder un virage par exemple). En cherchant bien, on peut toujours la mettre en défaut (comme toute boîte automatique par ailleurs !).
Après, il est vrai que je ne l'ai pas testée à la montagne comme vous pouvez en avoir l'expérience !
Gildas

19 février 2021 à 18h49

Bonjour Guillaume. Merci pour ce sujet très intéressant. Je me permets de vous demander si vous ferez un dossier sur la boîte de vitesses des Renault Hybrides rechargeables ? Il me semble qu'il s'agisse de boîtes de vitesses séquentielles à crabot ? J'ai regardé sur Wikipédia. Le sujet est effleuré mais rien de bien convaincant. Encore merci pour la vulgarisation de la mécanique automobile.
Gildas
Guillaume Darding [administrateur]

20 février 2021 à 10h58

Bonjour Gildas, merci beaucoup pour vos encouragements !

Je n'ai pas encore suffisamment de contenu pour le faire, mais j'ai bien en tête d'écrire un article sur la technologie Renault E-Tech dans les prochaines semaines/mois.
Gildas

23 février 2021 à 08h32

Merci Pascal. Très intéressant en effet ! Juste une chose, Le rédacteur de l'article parle d'un ancien moteur Renault dans le Captur e-tech Hybride rechargeable, or il s'agit d'un moteur Nissan à cycle Atkinson, donc moderne.
Gildas

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Commentaires
Pires à propos de l'article «Présentation moteur: Audi 2.0l TFSI»

Il y a 11 heures

Bonjour, Je dois remplacer les pistons/segmentation/bielle sur mon audi Q5 TFSI 211cv de 2009. ( problème de surconsommation d'huile ). Mon véhicule étant de 2009 (66000 kms) , je n'espere pas de prise en charge d'Audi. J'ai peut être une solution en récupérant le bloc contenant les pièces défaillantes sur un moteur 211cv TFSI de 2019. Pensez- vous que le bloc de 2019 est compatible avec celui de 2009? D'avance merci pour votre aide

Fabalx à propos de l'article «Présentation moteur: Volkswagen 1.5l TSI»

Avant-hier

Bonjour, J'utilise plusieurs véhicules reprogrammés à l'ethanol, une clio et un sportvan. J'ai plus de recul avec la clio (3 ans) et considère que c'est un succes relatif : J'entends que ça fonctionne bien mais il y a un point étrange, je ne surconsomme pas mais je passe un jeu de bougies d'allumage tous les 25000KM. Est ce que le mélange est trop pauvre? Je ne pense pas vu qu'elle démarre même en hiver en e85 tant que je suis dans l'intervalle de 25000km. Si vous avez une opinion sur ce phénomène, je suis preneur de votre science. J'ai maintenant un Sportvan DACA 130CV que j'ai converti il y a de ça presque un an. Je constate toutefois un bruit métallique très discret lorsque la désactivation des cylindres opère depuis la conversion. Il est parfaitement cyclique mais je ne parviens pas à localiser s'il provient des cyclindres ou du turbo car on ne peut pas tester à l'arrêt... Est-ce que vous sauriez si le fait d'avoir modifier l'avance allumage et/ou les temps d'ouverture fermeture d'injecteurs lors de la reprogrammation ethanol peut avoir un impact néfaste sur le fonctionnement de la désactivation des cylindres? Qu'en est-il des reprogrammation incluant une montée en puissance/couple? Un passage au banc indique un passage de 130CH à 175CH identique à celle proposée pour le bloc DADA alors qu'il n'ont pas le même turbo, ni le même ratio de compression, ni les mêmes soupapes, etc... Ne sachant pas toutes ses disparités moteur avant reprogrammation, j'ai peut être fait preuve de candeur en pensant optimiser le réglage en passant au banc. Au final, je ne suis pas capable d'isoler la cause de ce changement de comportement en mode désactivation de cylindres. Est ce que ce bruit serait d'avantage imputable à un excès de gonflette ou bien les lois d'injection pour le E85??? Est-il possible pour un moteur de passer d'un cycle de Miller à un cycle Beau de Rochas par reprogrammation? Pure spéculation de néophite mais je soupsonne l'application d'une cartographie commune pour deux moteurs qui partagent finalement bien peu de chose...

pjmdur à propos de l'article «Technique : batterie Li-ion»

Avant-hier

Merci Guillaume. C'était un peu ma conclusion. Il est difficile de comprendre pourquoi sur mon véhicule, il y a une telle différence d'autonomie réelle sur ces faibles delta de température. Surtout qu'en plus il n'y en a pas trop par construction.

© Guillaume Darding

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