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La boîte de vitesse



par François Dovat

Située en aval de l'embrayage, une boîte à vitesses comporte un certain nombre de rapports avant (5 ou 6 sur une voiture moderne et 10 à 16 sur un 40 tonnes), rapports dits de démultiplication (réduction) ou de surmultiplication, ainsi qu'une marche arrière.

Ces rapports sont engendrés par des engrenages qui constituent des systèmes de leviers rotatifs. Un pignon de 10 dents entraînant une roue de 40 dents réalise un rapport de démultiplication de 4, c'est à dire que la roue dentée tournera 4 fois moins vite que le pignon. Comme la puissance est le produit du couple multiplié par la vitesse de rotation, il en résulte que le couple de la roue de 40 dents sera, si l'on néglige les pertes par friction, 4 fois plus important que le couple appliqué sur le pignon de 10 dents.

Pour clarifier, laissons les roues motrices convertir ce couple en force de traction. Cette force est proportionnelle au couple exercé sur lesdites roues. Donc, toutes conditions étant par ailleurs égales, la force de traction est proportionnelle au rapport de boîte. On en déduit aussi que la vitesse du véhicule est inversement proportionnelle au rapport de démultiplication.

Une grande force de traction est nécessaire pour démarrer un lourd véhicule en montée, donc un rapport de démultiplication important (dit "court"). Pour que le moteur ne mouline pas à son régime maximum lorsque le véhicule est lancé en vitesse de croisière et que la force de traction nécessaire est réduite, il faut au contraire un rapport dit "long" – qui peut être surmultiplié.

Et entre ces deux extrêmes, toutes sortes de conditions surviennent et chacune nécessiterait un rapport différent. En pratique, on se contente de compromis car on ne peut multiplier à l'infini le nombre de rapports d'une transmission à engrenages, ne serait-ce que du fait que les nombres de dents doivent nécessairement être entiers.

Les boîtes à vitesses automobiles ont des engrenages constamment en prise, mais dont l'un des deux pignons est monté fou (il peut tourner indépendamment) sur son arbre. Au point mort, aucun des engrenages n'est solidarisé avec deux arbres. Les baladeurs sont, eux, entraînés par leur arbre tout en pouvant coulisser axialement sur celui-ci. Le levier de vitesses actionne les axes (1) sur lesquels sont fixées les fourchettes (2, 3, 4) dans lesquelles tournent les baladeurs. Chaque fourchette est actionnée par un axe différent, et lorsqu'on déplace le levier transversalement au point mort, on passe d'un axe de fourchette à l'autre et on se met ainsi en position de commander un autre baladeur. Sur l'image, les baladeurs 2 et 4 sont au point mort alors que le 3 a été engagé en déplaçant le levier longitudinalement. Avant d'engager un baladeur il faut nécessairement dégager l'autre, donc ramener le levier au point mort.

Les pignons de l'arbre 5 sont tous solidaires de leur arbre, qui pourrait être sur cette figure soit l'arbre primaire (d'entrée) s'il s'agissait d'une boîte sans prise directe, soit l'arbre intermédiaire (dit aussi "train fixe") s'il s'agit d'une boîte avec prise directe, comme (ci-dessous) la boîte à 5e rapports Alfa-Roméo des années 60-70.

Dans ce cas, la boîte comporte 3 arbres:

- le primaire entraîné par son extrémité cannelée qui s'insère dans le disque d'embrayage.

- l'intermédiaire, ou train fixe, qui est un arbre de renvoi.

- le secondaire, ou arbre de sortie sur lequel tous les baladeurs sont montés.

(Cliché Alpha Auto)

Les pignons fous sur leur arbre tournent à des régimes différents. Pour pouvoir engager les dents d'un baladeur sur les dents d'un pignon, il faut synchroniser ces régimes, et c'est là le rôle des anneaux de synchronisation, dits "synchros", sortes de petits embrayages à cônes montées de chaque côté des baladeurs. Si la boîte est dépourvue de synchros ou s'ils sont très usés, c'est au conducteur de synchroniser les régimes au moyen d'un double débrayage.


1. Fourchette

2. Baladeur avec synchroniseurs.

3. Baladeur sans synchroniseurs.

4. Pignons à taille droite de marche arrière et rampante.

5. Pignons à taille hélicoïdale de 1ère et 2e.

La taille des dents hélicoïdale réduit fortement le bruit, mais génère une poussée axiale et accroît les pertes par friction. La taille droite n'est plus utilisée que pour la marche arrière et la rampante qui équipe certaines boîtes à vitesses de poids-lourds. Ces engrenages sont plus étroits parce qu'ils ne sont pas censés êtres utilisés fréquemment à plein couple du moteur.

Le rendement d'un engrenage est d'environ 98%. Une boîte sans prise directe telle que montée dans les tractions avant ou à boîte-pont à l'arrière à un rendement analogue sur tous ses rapports car elle comporte toujours un seul couple de pignons en charge.

Par contre, une boîte avec prise directe utilise deux couples de pignons sur les autres rapports et elle présente donc un rendement moindre sur ceux là, mais proche de 100% en prise directe. La prise directe peut être le dernier rapport, ce qui est avantageux car c'est le plus utilisé sur route et autoroute, ou l'avant dernier, le dernier étant alors surmultiplié. Que l'une ou l'autre solution soit choisie ne change pas le rapport total de transmission si le rapport de pont est ajusté en conséquence. En effet les rapports finaux de transmission sont le produit des rapports de boîte par celui de pont. Ce dernier est toujours une démultiplication car le moteur tourne beaucoup plus vite que les roues, même à grande vitesse en croisière.

Les boîtes à vitesses de poids-lourds comportent un réducteur planétaire en aval qui double la gamme. Cette boîte Scania dispose de 2 x 5 rapports. Le disque et le mécanisme d'embrayage à diaphragme sont en évidence. Ce dernier est solidaire du volant moteur alors que le disque entraîne l'arbre primaire de la boîte par des cannelures qui lui permettent de se dégager en position débrayée (voir le dossier embrayage).

(© François Dovat)
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Idée & conception © 1999-2011 van Damme Stéphane.


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