Evolution et historique des boîtes automatiques

1) Coupleur et convertisseur ?
2) Boîte (à trains épicycloïdaux)
Nouveaux types de boîtes ?

Dernière modification : 22/08/2022 - 1

Apparue très tôt, la boîte automatique est presque aussi vieille que la boîte mécanique. C'est en effet dès le début du 20ème siècle (boîte auto 2 rapports) que l'Homme a cherché à automatiser la tâche qui consistait à passer des rapports.
Ce sont toutefois les Américains qui ont favorisé la vitesse de croissance de ce type de transmission puisque, comme la climatisation, c'est devenu un "must have" (quelque chose qu'il faut avoir) à partir du moment où technologie existait.
Considéré comme un luxe en Europe, il faudra attendre le début des années 2000 pour la voir se démocratiser, jusqu'à même dépasser les ventes des boîtes mécaniques actuellement.

C'est toutefois vers les années 40 et l'Hydramatic qu'on verra apparaître les boîtes automatiques (3 rapports) qui ont une architecture commune avec les boîtes automatiques modernes (en partie évidemment).

1) Coupleur et convertisseur ?

A cette époque il y a un coupleur hydraulique qui sert d'embrayage, une sorte de convertisseur très rudimentaire mais qui dans l'idée reste similaire : transmettre de la force mécanique via un fluide qu'on met sous pression. C'est vers les années 60 qu'on verra apparaître le fameux convertisseur de couple qui dispose en plus d'un stator entre les turbine et pompe. Il s'agit donc d'une optimisation plutôt qu'une avancée technologique. Le but était de réduire un peu plus le glissement induit par le coupleur hydraulique, qui perd beaucoup d'énergie en chaleur par le glissement donc. Certains mécanismes hydrauliques complexes ont même réussi à produire une sorte de verrouillage (entre pompe et turbine) dans certains contextes de conduite, mais ces usines à gaz ont été rapidement remplacées par une solution plus simple.
Cela sera donc optimisé par la suite (dans les années 80 pour les premiers modèles) avec l'adjonction d'un embrayage (de pontage) au sein du convertisseur, qui permet cette fois d'éliminer tout glissement quand il est embrayé. Le glissement sert donc à ce que le moteur puisse tourner alors que la voiture est à l'arrêt, sans qu'il n'y ait de calage moteur.
Cet embrayage est ici piloté de manière électrique/électronique et il ne s'agit donc plus d'un mécanisme totalement indépendant de tout pilotage intelligent.

2) Boîte (à trains épicycloïdaux)

En ce qui concerne la boîte on a (presque) toujours eu affaire à des engrenages planétaires (épicycloïdaux) qui sont mis en relation par le biais d'embrayages et freins.
Les premières boîtes étaient toutefois entièrement mécaniques, c'est à dire que la boîte égrenait les rapports un par un sans aucun calculateur ou dispositif électrique. Cela était produit par des mécanismes inertiels/centrifuge reliés au moteur (pour connaître le régime) et qui passaient les vitesses grâce à la pression hydraulique plus ou moins forte. Un distributeur hydraulique interne permettait alors de distribuer la pression à tel ou tel embrayage afin de passer le rapport qu'il fallait (car chaque rapport consiste à verrouiller une combinaison d'embrayages), selon la vitesse de roulage. C'est en effet grâce à la pompe à huile de la boîte entrainée par le moteur que la pression était modifiée, avec aussi des dispositifs qui liaient l'admission à la boîte (plus je monte en régime plus mon admission aspire [= plus de dépression]) afin de savoir à quel régime se trouvait le moteur.

Voici le pommeau d'une SL de première génération (années 50). On a déjà deux modes supplémentaires : L qui permet de tracter des charges en ne dépassant pas le deuxième rapport et le mode S qui permet de démarrer sur le rapport 2 afin d'optimiser la traction sur sol glissant

Ce fut ensuite dans les années 80 (boîtes 4 et 5 rapports) que l'électronique a petit à petit fait son bonhomme de chemin, avec cette fois des boîtes entièrement pilotées électriquement. On a donc ici des électrovannes / solénoïdes sur lesquels le calculateur de boîte a le contrôle.

Cela a donc facilité l'apparition des modes séquentiels qui consistent à laisser le conducteur choisir quand les rapports se passent, avec la possibilité de conduire plus dynamiquement (en profitant notamment de frein moteur et en choisissant de rester sur un rapport le long d'une courbe).
Et si les premières boîtes proposaient un rapport maxi à ne pas dépasser, cela a disparu quand il y a eu démocratisation du mode séquentiel.
Le mode cité ci dessus consistait donc à empêcher la boîte d'aller au delà d'un certain rapport. Si j'ai par exemple une boîte 4 vitesses et que je me mets en position 3, alors la boîte ne passera jamais la 4 et ira au maximum sur le 3ème rapport, même si j'arrive au rupteur. Le but ici est de pouvoir faciliter le tractage de charges lourdes (si le moteur n'a pas assez de puissance en 4ème quand je tire X kg, alors je la limite à ne pas dépasser la 3). Cela peut aussi servir en descente pour avoir un peu de frein moteur, dans ce cas je mets la position en 2 pour ne pas dépasser la seconde et donc obtenir du frein moteur pour ménager les freins à friction au niveau des roues.

Voici une boîte auto de Jaguar XJ série 3 qui dispose ici de la possibilité de verrouiller le rapport maxi sur le premier ou deuxième rapport

Ce pommeau de Tiptronic fait le lien entre deux générations de boîtes. On a ici le cumul d'un mode séquentiel tout en gardant l'ancienne méthode qui verrouille le rapport maxi à ne pas dépasser. La génération des années 90 ont des boîtes qui vont jusqu'à 5 rapports

Ici (BMW des années 2000) on constate la disparition des rapports maxi à ne pas dépasser. La génération des années 2000 a des boîtes qui vont jusqu'à 6 rapport

Sur les générations 2010 le pommeau ne tire plus un câble mais il est devenu totalement électrique, ce qui rend sa manipulation moins lourde et confère un aspect cheap et peu qualitatif ... Sans compter que le plastique qui le compose est vraiment de qualité standard malgré les apparences. Notez aussi la fonction Hold qui permet de supprimer le rampage à l'arrêt (en réalité c'est toute bêtement le calculateur qui sert le frein à main en dessous d'une certaine vitesse). On verra aussi apparaître des boîtes qui vont de 8 à 10 rapports.

Enfin, dans un monde où les matières premières se raréfient, on a affaire à de grosses économies réalisées sur les pommeaux, qui sont alors devenus relativement ridicules en taille (cela amène toutefois de la praticité en libérant de l'espace, malgré que l'espace dégagé ne soit pas toujours utilisé ...). De plus, la démocratisation des palettes au volant ne rend plus indispensable d'avoir un pommeau ergonomique quand on passe en mode séquentiel. Et enfin, pour pouvoir profiter des aides à la conduite avancées de type autopilot, la boîte auto est devenue indispensable ...

Nouveaux types de boîtes ?

La fin des années 90 et l'arrivée massive de l'électronique donnera des idées aux constructeurs, notamment celle de robotiser les boîtes mécaniques pour les rendre automatiques. Il s'agit donc de marier deux concepts de manière peu naturelle, car on cherche ici à automatiser un dispositif qui n'a pas été conçu pour l'être à la base ... A l'inverse, les boîtes auto à trains épicycloïdaux et convertisseur sont conçues pour être automatiques, avec d'ailleurs comme grand avantage de ne pas nécessiter de rupture de couple entre les rapports (une BVA peut passer les rapports même quand on reste accéléré, ce qui n'est pas le cas avec les boîtes à trains parallèles de type mécanique ou robotisée qui nécessitent de découpler le moteur à la transmission le temps que cela se fasse, avec donc la nécessité de stopper la charge [=accélérateur]).
On verra alors apparaître deux grands types de boîtes : les robotisées simples et les doubles embrayages. Les Français (entre autres) bricoleront des boîtes mécaniques avec des robots (boîtes robotisées simple embrayage lentes et peu fiables) et les Allemands opteront plutôt pour du double embrayage efficace et plus robuste (bien que moins fiable qu'une BVA à convertisseur). Les boîtes robotisées simples ont un embrayage sec qui s'use alors que les doubles embrayages peuvent profiter (ce n'est pas le cas sur les versions économiques) d'embrayages multidisques humides qui ne s'usent pas (ou quasiment pas).

Ici les trains parallèles d'une boîte mécanique/robotisée qui comporte donc plusieurs arbres mis en parallèle

On parle ici de boîte auto à trains épicycloïdaux / à trains satellites - solaires (même langage qu'en astronomie car les engrenages sont autour comme des planètes qui tournent autour d'un soleil)

La différence est simple, une simple embrayage reprend une banale base de boîte mécanique sur laquelle on monte un robot qui pilote embrayage et vitesses. Une double embrayage consiste à tout redévelopper depuis le début en concevant deux petites boîtes mécaniques pilotées qui travailleront ensemble pour donner l'illusion qu'il n'y a qu'une seule boîte. Une des deux gère les rapports impairs et vice versa, les deux embrayages permettant à ces deux boîtes de se passer le relais.

Voici le pommeau d'une robotisée simple embrayage de type BMP/ETG.

A lire : les différents types de boîtes automatiques

A l'heure actuelle (les années 2020) la boîte auto à convertisseur revient en force car elle est plus fiable et est devenue aussi rapide (à quelques millièmes près) qu'une double embrayage. Il suffit en effet de remuer un peu plus vite le popotin des embrayages et freins internes pour que les rapports passent de manière quasi instantanée.
C'est donc pour cela que les M de chez BMW sont revenues à des boîtes à convertisseur (ça permet aussi de réduire les coûts car les BVA de ce type équipent quasi tous les modèles de base ... Ils profitent donc des économies d'échelle, car les doubles embrayages ne servaient qu'à équiper les M [M3/M4/M5/M6 ..]. Il était donc plus malin d'abandonner les doubles embrayages et fournir de la BVA pour tout le monde, même les M.

Avec l'arrivée des voitures électriques, les boîtes automatiques sont un peu en voie de disparition, bien que Porsche montre qu'il est finalement judicieux de découper la transmission en plusieurs rapports même avec un moteur électrique qui peut dépasser les régimes des moteurs thermiques (car c'est grâce à l'amplitude élevée des régimes des moteurs électriques que les boîtes de vitesses ne sont plus indispensables sur ce type de "carburation").

N'hésitez pas à compléter l'article avec vos connaissances si jamais vous constatiez qu'il manque des points importants, merci à tous pour votre aimable participation ...

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