HISTOMOBILE

Marque :



ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ

M’enregistrer - Se connecter

;



Page  7 / 16


Page 8 / 16 : 

Le variateur CVT



par François Dovat

Au début de l’automobile, les puissances étaient faibles et l’on put souvent appliquer une solution simple : le variateur à friction (aujourd’hui nommé CVT pour Continuously Variable Transmission) au moyen d’un plateau discoïdal entraînant une roue à angle droit. La roue, en coulissant sur son arbre, permettait de faire varier progressivement le rapport de démultiplication, tant en marche avant qu’en arrière... En outre, en écartant le plateau, on débrayait. Le dispositif faisait d’une pierre quatre coups, car il remplissait les fonctions d’embrayage, de variateur, d’inverseur et de couple conique ! Il fut utilisé notamment aux USA par Carter, Lambert et par Metz (dont la voiture était livrable en kit de 14 caisses), en Angleterre par GFK, et en Suisse par Turicum dans les années 1906 - 1920. Ce n’était pas un système automatique car la régulation en était confiée au conducteur.

Evidemment, une telle transmission est totalement hors de question dès que le moteur atteint une certaine puissance. Toutes sortes de variateurs à frictions furent alors imaginées et essayées. L’un des plus prometteur est dû au Dr Josef Beier ; il comportait un grand nombre de disques mâles légèrement coniques empilés sur les cannelures d’un arbre. Un autre arbre parallèle portait des disques femelles plats dont la périphérie était chanfreinée au même angle que les disques mâles, de façon à produire de courtes lignes de contact. Un gros et fort ressort pressait l’une des piles de disques les uns contre les autres et en rapprochant ou en éloignant les deux arbres parallèles on variait le rapport de transmission. Des jets dirigés entre les disques faisaient en sorte que leur contact ait lieu par l’intermédiaire d’un mince film d’huile. Cette transmission fut essayée avant guerre sur deux Volkswagen et elle se révéla fiable. En 1954, la firme Napier l’adopta sur son Diesel turbocompound d’avion Nomad pour varier le rapport de démultiplication entre le turbocompresseur et le vilebrequin. On utilisait là trois piles de disques coniques à 120° autour d’un arbre central transmettant une puissance maximum de 195 ch. Le glissement était compris entre 2% et 5% et les pertes de quelque 20 ch sur toute la plage de fonctionnement, mais l’ingénieur responsable du Nomad, Ernest Chatterton estimait que ces pertes seraient réduites en poursuivant le développement du système.


Une variante consiste à utiliser une pile de disques à contact interne ; un embrayage en prise directe est alors possible lorsque les 2 arbres sont concentriques, de même qu’un engrènement sur les cannelures en démultiplication maxi si les disques sont dentés à leur circonférence intérieure. Citroën développa et expérimenta sur GS entre 1973 et 1976 le système conçu par l’ingénieur Flichy, une disposition comprenant deux manchons externes avec double variation, de façon à ce que les arbres d’entrée et de sortie soient coaxiaux. Dans la figure, l'arbre d'entrée 1 entraîne les disques mâles 4, l'arbre de sortie 2 étant entraîné par ses disques femelles 5. Le rapport varie en continu de la prise directe à la démultiplication maxi par l'excentration du manchon 3.

Un autre système à friction, dit toroïdal et inventé en 1877 fut perfectionné par Frank Hayes dans les années 20 et repris vers 1930 par Austin. Les Austin 7 "York" équipées de cette transmission ne donnèrent guère satisfaction. Néanmoins, les recherches concernant ce principe n'ont pas cessé en Grande-Bretagne. (voir notre dossier "Transmission toroïdale à variation infinie").

Le type de CVT mécanique qui s’est imposé entre-temps est le système à courroie trapézoïdale et poulies coniques de diamètre variable. Breveté en 1897 aux USA par H. C. Spaulding, ce dispositif fut d’abord utilisé sur des machines-outils, puis à partir des années 50 sur des vélos-moteurs (Mobymatic de Mobylette) et des scooters (DKW Hobby) ainsi que pour l’entraînement de compresseurs centrifuges (Mac Culloch VS 57) avant d’être popularisé par DAF sous le nom de Variomatic en 1958. La plage de variation (dite "ouverture") atteignait 3,72. Cette transmission resta en production jusqu’en 1990 sur les Volvo 340 à moteur Renault 1,4 l – malgré une longévité des deux courroies d’à peine 40000 km. Fonctionnant à l’air libre, elle fut également montée avec succès sur deux Brabham-Cosworth de formule 3 qui remportèrent 2 victoires en 1967. Il avait été possible de préparer leurs moteurs pour en extraire le maximum de puissance sans se soucier de leur réserve de couple. Quelques Tecno de F3 en furent ensuite équipées.

Ce système a été fort perfectionné depuis puisqu’il est aujourd’hui capable de transmettre des couples de plus de 300 Nm grâce à une unique chaîne sous carter à bain d’huile (Audi Multitronic). Dès 1987, les fragiles courroies en « caoutchouc armé » avaient vu la concurrence d’une version métallique produite en série par Van Doorne Transmissie (VDT), composée de deux rubans sans fin et parallèles en acier enserrant quelque 300 pièces nommées cavaliers. Les flancs de ces cavaliers, usinés en V au même angle que les flasques des poulies, assurent le contact avec elles. Les cavaliers se poussent les uns contre les autres tout en étant contraints de suivre la trajectoire dictée par les rubans. C’est pourquoi cette courroie est dite travailler en poussée. Une Williams de F1, la FW15C, utilisant ce nouveau type de courroie, aurait officieusement battu le record du tour à Silverstone en 1993[1]. Les CVT furent aussitôt bannies par la FIA pour l’année suivante.


Williams-Renault FW 15 C

En Europe, l’idée préconçue et prédominante est que les boîtes automatiques sont destinées à la conduite tranquille caractéristique des personnes âgées et peu sportives, ceci bien que le contraire ait été démontré en compétition par les Chapparal et quelques pilotes, dont l’ingénieur et journaliste Paul Frère.

Afin de donner une meilleure image du produit en le relançant sur les circuits, Emery Hendriks de Van Doorne Transmissions contacta en 1991 Patrick Head, directeur technique de l’écurie de Formule 1 Williams. Après un simple accord oral, il fut décidé d’aller de l’avant et VDT construisit un banc d’essai capable de tester des prototypes de CVT accouplés à des moteurs de F 1 de 800 ch et plus. La transmission fut prévue pour une ouverture de 2,5 et une durée de vie de 4 heures. Son développement prit une année et demi, Williams se chargeant de la conception et de la réalisation des carters, des engrenages et de l’embrayage de démarrage conventionnel commandé par pédale. Un système de contrôle électronique sophistiqué fut conçu en collaboration. Plusieurs petites pompes à huile furent affectées chacune à une tâche spécifique, ce qui permit d’accroître le rendement jusqu’à 95% au lieu de 85 à 92% sur les variantes commercialisées. Une voiture fut prête en 1993 et confiée à David Coulthard, alors pilote de développement chez Williams.

Les résultats furent prometteurs, les accélérations étant ininterrompues et la puissance maxi disponible en permanence. En outre le pilote disposait de ses deux pieds pour accélérer avec l’un, freiner avec l’autre (avantage inhérent à toutes les transmissions automatique dès que le conducteur s’est habitué à cette technique) et son attention pouvait se focaliser sur le pilotage proprement dit. Il lui était possible de régler le régime du moteur en fonction de la puissance nécessaire, en l’occurrence de le réduire au cas où l’avance sur les autres concurrents aurait été suffisante.

Etant donné qu’une CVT contient intrinsèquement tous les rapports imaginables, il n’aurait plus été nécessaire de transporter à chaque course quelque 600 kg de pignons et roues dentées pour être à même de les changer en fonction des particularités du circuit. Cependant, la FIA décida d’interdire toute aide au pilotage telle qu’ABS, anti-patinage et CVT, ceci vraisemblablement pour maintenir le spectacle et la popularité des Grands-Prix. La Williams FW 15C finit alors tranquillement ses jours au musée et la documentation relative à ces essais dort dans les tiroirs des deux sociétés.

Sources:

Jack Yamaguchi: CVT’s rapid expansion, Automotive Engineering, March 1996

Sans nom d’auteur : CVT, Transmission à Variation Continue ou Transmission Viable Commercialement

extrait de 'Ingénieurs de l’Automobile No 690, Juin-Juillet 1994'


La FW 15 C est visible derrière une DAF- Tecno F3 CVT de 1968.

© http://www.ritzsite.demon.nl/DAF/DAF_cars_p17.htm


Naturellement, ces transmissions nécessitent un système de régulation, un embrayage et un inverseur. Les solutions des constructeurs varient largement. DAF puis Volvo ont utilisé tant un embrayage qu’une régulation centrifuges, celle-ci complétée par un système asservi à la dépression dans le collecteur d’admission. Certains, dont Nissan, utilisent maintenant un convertisseur hydrodynamique pontable en amont. Subaru et Fiat (Sélecta) montent un embrayage électromagnétique à poudre et un renvoi d’engrenages commandé mécaniquement par un baladeur synchronisé pour la marche arrière. La régulation et la commande du variateur sont hydrauliques alors que l’embrayage est piloté électroniquement. Audi, comme Ford (CTX) le faisait depuis longtemps, à préféré deux embrayages multidisques et un inverseur planétaire, le tout étant gouverné par une centrale hydraulique. Cette centrale règle aussi la pression exercée par les flasques de poulies enserrant la courroie : la pression augmente en fonction du couple à transmettre afin de limiter les contraintes mécaniques et d’éviter des pertes inutiles. L’ouverture de la CTX était de 5,8 alors que la récente Multitronic d’Audi (voire notre dossier) atteint 6.05, ce qui permet une basse vitesse de rotation du moteur lorsque les besoins de puissance sont faibles.

Les conducteurs sont tellement habitués à entendre le régime monter linéairement avec la vitesse du véhicule puis tomber brusquement à chaque changement de rapport que le bruit régulier émis par un moteur tournant à un régime continu – et optimal – alors que leur véhicule accélère leur déplait. Ils ont la fausse impression que l’embrayage ou la courroie patine. Ce fait a toujours constitué un gros obstacle à la commercialisation des CVT , de même que la nécessité d’augmenter automatiquement le régime lors de l’enfoncement de l’accélérateur. Si le système de régulation laisse ledit régime monter tout d’abord avant d’accroître la force de traction, le conducteur éprouve un manque de spontanéité en réponse transitoire. Au contraire, si le moteur continue à tourner lentement, il ne pourra souvent pas développer toute la puissance souhaitée par le conducteur. Pour éviter ce dilemme, les constructeurs choisissent un compromis entre les deux solutions. Aujourd’hui l’électronique permet également de programmer des "rapports virtuels" : la variation continue, que des masses d’inventeurs, chercheurs et ingénieurs ont ardemment recherché depuis plus d’un siècle, est court-circuitée alors que la technique permet finalement de la rendre concurrentielle ! On peut programmer autant de rapports que l’on veut, mais on se contente de 6 à 8 afin de ne pas dépasser les capacités d’entendement du conducteur moyen. Pour autant que le mode continu reste disponible en alternative, ces blocages du variateur ne sont pas inutiles car ils peuvent servir à la retenue en descente. Néanmoins, une solution plus élégante, qui n’exclut d’ailleurs pas la précédente, est de laisser au pilote le choix du régime, ce dernier pouvant être réglé à une valeur déterminée, indépendante des variations de vitesse du véhicule et, éventuellement, de la charge du moteur.

Deux documents complémentaires en français:

http://www.ulb.ac.be/sma/SiteMoteur/ubia/UBIAconfppt.pdf

http://www.ulb.ac.be/sma/SiteMoteur/ubia/UBIAconf.pdf

(© François Dovat)
#83

Page 9 / 16


Sommaire

Idée & conception © 1999-2011 van Damme Stéphane.


Join us on