La transmission    

1. La boîte de vitesses

1.1 Principe de fonctionnement

1.2 La boîte à train baladeur

1.3 La boîte à pignons toujours en prise

1.4 La boîte synchronisée

1.5 La boîte de vitesse à engrènement rapide

1.6 La boîte épicycloïdale

1.7 Le nombre de vitesses et le choix des rapports

1.8 Lubrification

2. La transmission automatique
3. Le différentiel

3.1 Marche en ligne droite

3.2 Rotation autour du point P

3.3 Rotation autour du point Q

3.4 Principe de fonctionnement

4. Le différentiel autobloquant
5. La transmission d'une Formule 1

5.1 Disposition

5.2 L'embrayage

5.3 Les engrenages

5.4 Les paliers

5.5 La boîte de vitesses

5.6 Paramétrage de la boîte de vitesses

5.7 Le carter de la boîte de vitesses

5.8 Le différentiel

5.9 Le rapport de vitesse

6. Le Système de Récupération d'Énergie Cinétique (SREC)

1 - La boîte de vitesses

La boîte de vitesse est un mécanisme destiné à modifier, dans des conditions données, le rapport entre la vitesse de rotation du moteur et celle des roues motrices d’un véhicule.

Le fonctionnement du moteur est stable et régulier  uniquement aux régimes  compris entre n_c et n_max. Au-dessous de n_o le  fonctionnement est instable  et même impossible, cependant qu'au-dessus de n_max le moteur s'emballe. D'où la nécessité de disposer  d'un changement de vitesses  avec rapports étudiés  de manière adéquate, permettant ainsi le fonctionnement dans la zone appropriée à chaque vitesse de marche.

En fait, le moteur peut fonctionner correctement dans un intervalle plutôt restreint de régimes, ce qui rend nécessaire la boîte de vitesses. Si l'on disposait d'un seul rapport, permettant une marche normale ou une vitesse maximale, toute une gamme de vitesses serait exclue ; il serait, en particulier, impossible d’effectuer une manœuvre correcte de démarrage, malgré l’utilisation de l’embrayage.

En outre, le fonctionnement du moteur à sa puissance maximale ou bien en condition de consommation minimale ne serait possible qu'à des vitesses données du véhicule et la plage d'utilisation de ce moteur serait très limitée.

1.1 - Principe de fonctionnement

À une puissance donnée transmise à deux pignons correspondent deux couples différents (ou moments) directement proportionnels aux rayons respectifs (donc au nombre respectif de dents) de ces pignons. Les vitesses angulaires (nombre de tours dans l'unité de temps) par contre, sont inversement proportionnelles aux couples fournis.

Si l'on adopte un rapport de transmission élevé (rapport entre le nombre de tours du moteur et celui des roues), il sera possible d'utiliser le moteur à sa puissance maximale, tout en maintenant le véhicule à une vitesse réduite. De même, on pourra aussi faire tourner le moteur à des régimes supérieurs à n_o, c'est-à-dire dans la partie stable de la courbe du couple, même à des vitesses très réduites. Par contre, en utilisant un rapport de transmission faible, on pourra atteindre des vitesses élevées du véhicule, sans pour autant dépasser le régime maximal du moteur.

En conclusion, le changement de vitesse est un mécanisme capable de remplacer un couple de pignons par d'autres ayant un rapport diffèrent de transmission, dans la série des pignons, disposés dans le carter de boîte. C’est ainsi que l’on nomme cet ensemble la boîte de vitesses.

1.2 - La boîte à train baladeur

Nous verrons dans les prochaines sections, les différents types de boîtes de vitesses. La première boîte de vitesse à engrenages fut celle à train baladeur (pignons coulissants). Elles étaient essentiellement de deux types : à trois et à deux arbres.

Ce type de boîte fut utilisé par la majorité des constructeurs automobiles jusqu’aux années trente. Par la suite, elle fut pratiquement abandonnée à cause de certains inconvénients qu'elle présentait par rapport aux boîtes à pignons toujours en prise. En premier lieu, le passage d'une vitesse (les engrenages correspondants ayant des vitesses angulaires différentes) s'accompagnait d'un choc affectant chaque fois l’extrémité d’une ou de deux dents.

1.3 - La boîte à pignons toujours en prise

C'est aujourd'hui la plus répandue. Chaque couple correspondant aux divers rapports est constitué par un pignon calé sur un arbre, et un pignon fou situé sur un autre arbre, ne pouvant pas se déplacer axialement. Les deux pignons sont donc toujours engrenés l’un dans l’autre, c’est-à-dire, en prise; et à cause du pignon fou, il n’y a pas de transmission de puissance entre ces deux même pignons.

Les pignons fous ont deux dentures différentes : l'une, périphérique, qui sert à transmettre le mouvement de l'arbre primaire au secondaire par l'entremise de l'arbre auxiliaire ; l'autre, droite ou périphérique, pour le passage des vitesses. Ainsi, le choc qui se produit au moment de l'engrènement n'est pas supporté par une ou deux dents seulement, mais par l'ensemble des dents d'engrènement, qui ont cette mission précise, au grand bénéfice de la denture principale périphérique à prise constante.

Le schéma suivant montre comment s'engrènent les divers rapports dans une boîte de vitesses à pignons toujours en prise. La ligne rouge indique le cheminement de la puissance, les flèches montrent le sens de rotation. Les engrenages, en blanc, tournent fous.

Point mort

Première

Deuxième

Quatrième

Marche arrière

1.4 - La boîte synchronisée

Le premier contact entre le pignon et le manchon, au moment de l'engrènement d'une vitesse, s'effectue évidemment entre les surfaces de ces embrayages. C'est seulement lorsque le pignon et le manchon ont acquis par frottement la même vitesse angulaire que se produit l’engrènement des dents, et ceci, seulement après le glissement initial, ce qui évite tout choc. La synchronisation de tous les rapports avant a été généralisée et, sur certaines voitures de luxe, même la marche arrière est synchronisée.

1.5 - La boîte de vitesses à engrènement rapide

Les boîtes non synchronisées sont couramment utilisées sur les véhicules lourds et sur ceux de compétition, surtout pour des raisons de solidité. La majeure partie des voitures de compétition est équipée de boîtes non synchronisées, dites à engrènement rapide.

1.6 - La boîte épicycloïdale

1.7 - Le nombre de vitesses et le choix des rapports

La souplesse du moteur est évidemment déterminante dans le choix du nombre des rapports. Ainsi, un moteur peu souple nécessite plus de rapports qu’un moteur plat.

Une auto de course par exemple, dont le moteur doit toujours tourner à un régime maximal, doit avoir une boîte à plusieurs rapports : au moins six en général plus une marche arrière. En ce qui concerne les automobiles courantes, en revanche, on adopte quatre ou cinq marches avant et une marche arrière. Un nombre plus grand de rapports ne serait pas souhaitable, car il nécessiterait des boîtes de vitesses complexes et coûteuses et obligerait le conducteur à effectuer des manœuvres trop fréquentes, rendant ainsi la conduite pénible.

Un nombre réduit de vitesses est également adopté pour certaines voitures de compétition destinées à des circuits sur lesquels la différence entre la vitesse minimale et la vitesse maximale n'est pas très importante (par exemple les circuits ovales ou à tentatives de records). Sur les véhicules lourds destinés au transport des personnes ou des marchandises (et non équipés de transmission hydraulique) qui, par leurs caractéristiques, doivent toujours disposer d'un couple moteur très élevé, on adopte souvent un réducteur monté en série avec la boîte. Cette solution évite d'utiliser une boîte comportant un nombre plus élevé de rapports. En engrenant ou en désengrenant le réducteur, on dispose, en pratique, d'un nombre double de rapports pour une fabrication assez simple dans son ensemble.

Le rapport global de réduction est égal au produit du rapport de la boîte de vitesses par le rapport du couple conique. On calcule ensuite les rapports de la quatrième et de la première vitesse. Le rapport de la quatrième (ou de la cinquième s'il existe cinq vitesses) est calculé de façon que le véhicule puisse atteindre la vitesse maximale pour laquelle il a été conçu, avec une pente de la route égale à 2% ou 3% en descente. Si le véhicule pouvait atteindre sa vitesse maximale sur route plate, lorsqu'il viendrait à se trouver sur une pente légère, difficilement perceptible par le conducteur, il serait en effet possible de dépasser le régime maximal prévu. Le rapport de la première vitesse est, par contre, calculé de façon que l'on puisse rouler régulièrement sur la pente maximale que peut rencontrer la voiture dans des conditions exceptionnelles. Les rapports intermédiaires sont calculés pour qu'il n'y ait pas de" trous " entre deux vitesses. En passant au rapport supérieur et en augmentant, de ce fait, la vitesse, il sera nécessaire d'augmenter, au fur et à mesure, cette limite inférieure étant donné que le moteur devra fournir une puissance suffisante pour vaincre la résistance toujours croissante de l’air.

Sur les voitures de compétition, les rapports changent suivant le type de circuit, compte tenu des caractéristiques du parcours. On utilise souvent des rapports rapprochés (les valeurs de démultiplication sont très voisines). Sur certains circuits, en effet, le parcours s'effectue à des vitesses très élevées et, dans ce cas, il est préférable de renoncer à utiliser le moteur aux vitesses réduites, pour avoir en contrepartie, un plus grand nombre de rapports pour les vitesses élevées. De même, s'il s'agit d'un circuit lent, il est inutile de demander à la voiture d'être en mesure d'atteindre des vitesses très élevées. Dans ce cas, il est plus utile d'avoir des rapports courts, qui permettront de réaliser des temps intéressants dans les portions du parcours qui sont mixtes.

1.8 - Lubrification

Pour les boîtes modernes à pignons toujours en prise, le graissage par barbotage est encore possible et reste même la solution la plus couramment adoptée. Pourtant, une partie des pignons est folle sur l'arbre et il serait nécessaire d'assurer leur lubrification grâce à des canalisations. Les meilleurs résultats sont donc obtenus par lubrification forcée au moyen d’une pompe spéciale. Les huiles pour boîtes de vitesses sont de qualité différente de celles employées pour les moteurs.

2 - La transmission automatique

Une transmission automatique doit être dotée d’un système susceptible de sélectionner le meilleur rapport en relation avec la vitesse du véhicule et le régime supportable par le moteur. On respecte cette condition en reliant le dispositif soit avec les roues, soit avec l'arbre moteur, grâce à un régulateur centrifuge ou une pompe à huile. Un signal provenant des roues indique la vitesse du véhicule et effectue une première sélection entre les rapports : supérieurs si la vitesse est élevée, et inférieurs si la vitesse est réduite. Dans un autre procédé, un signal provenant du moteur choisit entre les rapports possibles, celui qui permettra au moteur de tourner à un nombre de tours ni trop bas ni trop haut, établi par le constructeur pour une moindre consommation et une plus grande durée du moteur (exemple : entre 2000 et 5000 tr/mn).

En plus de ses qualités de douceur et de progressivité, il offre aussi l'avantage de transmettre au départ du véhicule, un couple supérieur à celui qu'il reçoit. En revanche, il ne garantit pas l'enclenchement complet quand le véhicule est en marche, étant donné qu'il fonctionne seulement lorsqu'il y a un certain cheminement entre les deux éléments qui le composent, par conséquent entre l'arbre de transmission et le moteur.

Dans certains convertisseurs, il est possible d'abolir le cheminement grâce à un assemblage rigide entre les turbines, et réalisable lorsque les cheminements ont atteint leur limite inférieure. Il reste entendu que le convertisseur, précisément en raison de la nature de l'assemblage fluide, empêche le démarrage par impulsion du véhicule, au moins jusqu'à ce qu'un certain nombre de tours ne soit dépassé. La boîte de vitesses est à trains épicycloïdaux avec enclenchements gradués, obtenus grâce à des disques ou bien à des bandes de freinage et plus rarement des cônes. En effet, il ne serait pas possible d'employer une boîte de vitesses conventionnelle, étant donné qu'il est trop difficile et trop compliqué d'effectuer sans heurts les passages d’une vitesse à une autre.

Les éléments d'un train épicycloïdal sont au nombre de trois : la couronne, le satellite et le planétaire. Ils sont toujours en prise et peuvent être bloqués graduellement en réalisant des rapports divers. La commande des frictions et des freins à bande se produit hydrauliquement par le truchement du bloc-soupapes.

La couronne (autour), le satellite (divisé en trois parties) et le planétaire (au centre).

Le convertisseur de couple hydraulique de la transmission automatique. À gauche, la turbine avec le stator et à droite, la pompe avec la roue dentée pour le démarrage.

Le groupe d’engrenages planétaires de la transmission automatique. On remarque les surfaces sur lesquelles agissent les bandes de freinage pour la troisième et la deuxième vitesse.

Les bandes de freinage  avec leurs pistons de commande. L'huile  sous pression provenant du bloc de  soupapes déplace le piston dans le cylindre et détermine le blocage de la bande de  freinage correspondante.

L'embrayage de la marche avant : deux  disques de frottement, deux disques de pression et une plaque de butée.