La Boite de Vitesses
Une boîte de vitesses est un élément mécanique proposant plusieurs rapports de transmission entre un arbre moteur et un arbre de sortie.
Son cas d'utilisation le plus fréquent est la transmission du couple d'un moteur thermique aux roues motrices d'un véhicule. Elle est aussi utilisée dans de multiples autres contextes tels que les machine-outils, machines agricoles...
La boîte de vitesses est l’élément qui adapte le couple moteur disponible, souvent constant ou peu négociable, au couple souvent très variable et nécessaire au fonctionnement d'un dispositif mécanique : mise en mouvement, entretien du mouvement, transformation de puissance. Pour un véhicule, il s'agit de la résistance inertielle au démarrage ou celle à l'avancement variant suivant les conditions de roulage (plat, montées, descentes, virages...).
| |
Nécessité d'une boîte de vitesses
De nombreuses machines industrielles utilisent des moteurs électriques synchrones dont la fréquence de rotation est liée à celle du courant du secteur. De ce fait la fréquence de rotation utile n'est obtenue qu'à travers une transmission mécanique. Si l'usage de la machine doit proposer plusieurs vitesses de fonctionnement, comme sur un tour par exemple, alors la sélection ne peut se faire que grâce à une boîte de vitesses.
C'est sans doute cette application, qui date de la révolution industrielle, qui a donné cette dénomination au dispositif. Elle est liée aux premières machines industrielles qui recevaient l'énergie motrice d'un arbre moteur commun, animé par un moulin à eau ou une machine à vapeur tournant à vitesse constante. Des systèmes de pignons, ou de poulies, permettaient le choix d'une vitesse de fonctionnement. L'arbre moteur tournait à vitesse quasi constante tant que la puissance demandée restait inférieure à celle disponible.
La force physique d'un cycliste est constante. Seulement lorsqu'il aborde une côte, l'effort à la roue augmente. Le dérailleur permet d'augmenter le couple à la roue au détriment de la vitesse, en faisant glisser la chaine entre deux pignons de la cassette. C'est le même principe que celui des poulies étagées.
Aujourd'hui en haut de gamme le moyeu à vitesses intégrées propose un grand nombre de rapports dans un dispositif très compact. Il reçoit son énergie via une chaîne attaquant le pignon d'entrée, le corps du moyeu étant lui lié à la roue. Il inclut une roue libre et autorise les changements de rapports à l'arrêt.
L'automobile est aujourd'hui en quasi exclusivité mue par un moteur thermique. Ces moteurs ont des caractéristiques de fonctionnement (couple maximal et puissance) qui n'autorise pas une transmission directe satisfaisante avec les roues des véhicules terrestres :
- leur rendement varie beaucoup avec le régime (en particulier aux très basses vitesses), et leur démarrage est délicat ;
- ils ne tournent que dans un seul sens ;
- le couple moteur est plutôt faible (600 N.m correspond à un gros moteur) ; de plus il est très inconstant dans la plage d'utilisation de ces moteurs.
Ces caractéristiques générales imposent pour l'usage d'un véhicule terrestre :
- La possibilité de dissocier le moteur des roues du véhicule, pour les vitesses proches de l'arrêt : c'est en partie le rôle de l'embrayage. Mais cela suppose que celui-ci puisse rester en position débrayée.
- La possibilité d'inverser le sens de rotation au niveau des roues pour assurer la marche en arrière.
- L'augmentation du couple disponible sur la roue (l'essieu moteur), le réducteur à engrenages étant la solution la plus commune.
De plus, les conditions d'usage : arrêt court, limitation de vitesse, ralentissement, relief, imposent des allures de fonctionnement différentes. Un véhicule doit donc disposer d'un organe de transmission de puissance proposant :
- un rapport nul (appelé point mort) ;
- un rapport de marche arrière ;
- une ou plusieurs gammes de rapports étagés pour la marche avant.
Il s'agit donc d'un ensemble de réducteurs disposés dans un même boîtier.
Ceci explique en partie pourquoi la dénomination « boîte de vitesses » est erronée. En réalité, pour les machines à moteur thermique, son rôle est bien d'adapter le couple. La dénomination anglo-saxonne est donc plus juste : gearbox (littéralement : boîte à engrenages), cependant, toutes les boîtes de vitesses ne sont pas construites sur le principe de transmission par engrenages.
Les véhicules électriques ne nécessitent pas de boite de vitesses. En effet les moteurs électriques sont performants (couple important même au faible vitesses de rotation, compacité inégalée, rendement sans égal). Ils peuvent même être directement implantés dans la roue, ce qui élimine tous les éléments de transmission (différentiel, cardans...).
La transmission hydrostatique depuis longtemps adoptée sur les véhicules de chantier et agricoles permet une variation continue de vitesse avec une distribution naturelle des couples à l'ensemble des roues avec des rendements exceptionnels. Par contre cette technologie est plus encombrante (réservoir et refroidissement d'huile), mais aussi particulièrement simple et fiable à mettre en œuvre. Elle n'a fait l'objet d'essais que sur des véhicules de petite taille et n'est utilisée que sur des engins à déplacement lent.
Pour les véhicules à moteur thermique, on pourra distinguer les boîtes suivant trois fonctions techniques indépendantes :
- la technologie des réducteurs : par engrenages classiques, train épicycloïdal, courroie...
- Le système de commande : manuelle, semi-automatique, automatique, séquentielle...
- La synchronisation : autorisant le changement de rapport en marche ou à l'arrêt seulement.
- Enfin l'orientation qui n'a d'influence que sur la géométrie des liaisons avec l'arbre moteur et le différentiel. L'architecture est différente suivant que le moteur est implanté transversalement (axe de rotation du vilebrequin parallèle à l'axe de rotation des roues) ou longitudinalement (axes orthogonaux) et, que le couple est transmis aux roues avant, arrière, ou aux quatre roues.
À chaque combinaison correspond un modèle de boîte de vitesses différent.
Boîte manuelle à engrenages parallèles
La boîte manuelle dite « à pignons toujours en prise » « à prise constante » est la plus utilisée de nos jours; elle se distingue sur ce point des boîtes de machines outils qui disposent d'engrenages désaccouplés.
Ce type de boîte est constitué généralement de deux arbres portant des pignons :
- L’arbre d’entrée (ou primaire) lié à l’arbre moteur via l'embrayage, porte les pignons primaires fixes. Il y a autant de pignons que de rapports de boîte.
- L’arbre de sortie (ou secondaire) portant des pignons fous (engrenant respectivement avec un pignon de l'arbre d'entrée), les systèmes de crabotage et les synchroniseurs.
- Le troisième arbre n'intervient que pour la marche arrière. Il contient un pignon pouvant coulisser et s'intercaler entre un pignon de l'arbre d'entrée et un autre de l'arbre de sortie ; ainsi, on dispose d'un engrenage de plus entre les deux arbres (soit deux inversions de sens de rotation au lieu d'une), d'où la marche inversée. C'est le seul cas où l'engrenage n'est pas toujours en prise.
- L'arbre de sortie est lié au couple conique du différentiel, intégré au carter de la boîte (pour les véhicules à traction avant) ou reporté sur le pont arrière (pour les véhicules à propulsion).
- Le changement de rapport se fait par manipulation de coulisseaux actionnant crabots et synchroniseurs grâce aux fourchettes de commandes liées temporairement au levier de vitesses.
 Rapport de 1ère: la sélection valide l'engrenage disposant du plus petit pignon moteur. |  Rapport de 2ème: la même fourchette valide le rapport suivant |  Rapport de 4ème: une deuxième fourchette commande deux nouveaux rapports. |  Marche inversée: un pignon est intercalé. |
