Comment fonctionne un convertisseur de couple de boîte automatique ?
Appelé convertisseur de couple ou convertisseur hydraulique, cet organe est monté sur les boîtes automatiques pour servir d'embrayage. Il constitue donc le raccord entre le moteur et les roues (ou plutôt la boîte de vitesses qui s'intercale entre).
Il équipe les boîtes automatiques que l'on peut qualifier de conventionnelles (à trains épicycloïdaux), à la différence des boîte robotisées (simple ou double embrayage c'est pareil, avec des trains parallèles donc). Les CVT utilisent aussi majoritairement le convertisseur puisqu'il faut bien que l'auto puisse s'arrêter sans arrêter le moteur, et donc caler.
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La disposition et la forme des éléments peuvent largement varier d'un convertisseur à l'autre
Voici la boîte 9 rapports longitudinale Mercedes. A gauche en rouge le convertisseur et à droite les engrenages et embrayages de le boîte.
Principe de base
Si un embrayage classique permet d'associer / corréler la rotation de l'arbre moteur à celle de la boîte de vitesses (et donc les roues) en utilisant la friction d'un disque (d'embrayage) contre un volant moteur, dans le cas d'un convertisseur de couple, c'est de l'huile qui va s'en charger ... Il n'y a plus de friction physique entre deux éléments.
La flèche rouge représente le chemin parcouru par l'huile. Elle passe d'une turbine à l'autre dans un cycle fermé. Le stator au milieu permet un fonctionnement optimal de l'ensemble. La pompe est entrainée par le moteur et la turbine est entrainée par par le flux de l'huile, elle-même entrainée par la pompe, la boucle est bouclée. Si on devait faire une analogie, on pourrait comparer le système à deux ventilateurs mis face à face. En faisant tourner l'un des deux, le vent produit fera tourner l'autre qui est en face. La seule différence est qu'un convertisseur ne brasse pas de l'air mais de l'huile.
Pour y parvenir, le système utilise le courant hydraulique comme si c'était du vent (sachez pour votre curiosité que les équations pour les liquides et les gaz sont identiques, les deux sont assimilés à des fluides), et donc le fonctionnement est assez proche de celui d'un ventilateur. Donc au lieu de ventiler de l'air, on va ici ventiler de l'huile et récupérer l'énergie (force hydrocinétique) du flux généré pour faire tourner une autre "hélice". Car le système expliqué ici baigne dans de l'huile.
Pourquoi convertisseur de couple ?
Un convertisseur hydraulique (grâce au stator) permet d'avoir plus de couple en entrée de boîte qu'en sortie de moteur.
En effet, la pompe émettrice (moteur) tourne la plupart du temps plus vite que le la turbine réceptrice (roues), ce qui induit alors que la turbine bénéficie d'un couple supérieur (une puissance dont on a réduit la vitesse de rotation offre un couple supérieur). Je vous invite à consulter cet article pour vous familiariser au niveau du lien entre puissance et couple.
Ce phénomène est d'autant plus important qu'il y a de différence de vitesse de rotation entre la pompe et la turbine. Par exemple (chiffres pris au hasard), si il y a 160 Nm de couple en sortie de vilebrequin à 2000 t/min, il peut y avoir 200 Nm en entrée de boîte (d'où le nom convertisseur de couple). Cela est du à une sorte d'accumulation de pression de l'huile dans le circuit du convertisseur (le stator provoque un bouchon, voir la vidéo en bas de page). En revanche , les couples sont (presque) les mêmes quand pompe et turbine ont atteint une vitesse similaire.
Bref, tout cela pour dire que le convertisseur permettra d'offrir plus de couple pour la boîte que le moteur ne peut en donner (cela uniquement quand il y a un delta important entre les rotations des turbine et pompe). Un moteur creux paraîtra alors plus vigoureux en bas régime quand il sera associé à une BVA (grâce au convertisseur donc, pas à la boîte).
Pompe et turbine
L'arbre du moteur (vilebrequin) est relié à une sorte d'hélice (par le biais du volant moteur) qui se nomme pompe. Cette dernière brasse de l'huile grâce à la force du moteur, c'est pour cela qu'on l'appelle pompe (sans la force du moteur qui l'entraîne, cela devient une simple turbine ... ).
Cette pompe envoie de l'huile dans une direction où se situe une autre turbine d'une forme assez semblable, mais inversée au niveau de ses pales. Cette deuxième turbine, reliée à la boîte de vitesse, se met à tourner grâce à la force générée par le flux de l'huile : il y a donc la transmission du couple entre le moteur et la boîte de vitesse (qui elle-même est reliée aux roues via des cardans) grâce à de l'huile uniquement ! Cela marche un peu comme une éolienne : le vent est représenté par la pompe (turbine relié au moteur) et l'éolienne représente la turbine réceptrice.
La sensation de glissement entre les rapports (ou au moment de bouger la voiture depuis l'arrêt) correspond donc à cette transmission de la force via le fluide. Sachant que plus la pompe tourne vite, plus la turbine réceptrice accélère jusqu'à atteindre la même vitesse que la pompe.
Pompe reliée au moteur
Quand je m'arrête, il y a un effet de rampage (auto qui avance doucement toute seule en Drive), car la pompe continue de tourner (le moteur fonctionne) et elle transmet donc une force à la turbine réceptrice. C'est d'ailleurs pour cela qu'il y a eu apparition d'un bouton Hold sur les voitures plus récentes, ce qui permet d'annuler le rampage par le biais des freins (le tout piloté par un calculateur qui freine les roues quand on est à l'arrêt, et il relâche les freins dès qu'il perçoit la sollicitation de la pédale d'accélérateur).
Mais ce qu'il faut retenir c'est que le convertisseur de couple permet de s'arrêter sans que le moteur ne cale, car la pompe peut quand même continuer de tourner malgré que la turbine réceptrice soit stoppée, il y a un "glissement hydraulique" qui se produit alors.
Turbine reliée à la boîte de vitesses
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Notez aussi que la pompe est reliée à une chaîne qui entraîne la pompe à huile de la boîte de vitesse, qui permet alors de lubrifier les nombreux engrenages qui la composent.
Stator
Aussi appelé réacteur, c'est lui qui va servir de convertisseur de couple. Sans ce dernier, le duo pompe + turbine est seulement qualifié de coupleur hydraulique.
Il s'agit en fait d'une turbine plus petite que les deux autres qui se situe entre les deux autres justement ... Son rôle est de réorienter le flux d'huile pour obtenir l'effet voulu, le circuit parcouru par l'huile est donc différent. Grâce à lui, le couple transmis à l'entrée de la boîte de vitesse peut même être supérieur à celui offert par le moteur. En effet, il permet de donner lieu à un effet de bouchon qui comprime l'huile à un certain stade du circuit, ce qui accroît la force du flux à l'intérieur du convertisseur de couple. Mais cet effet dépend de la vitesse de rotation de la turbine et de la pompe.
Pontage / embrayage
Toutefois, si le lien entre la boîte et le moteur n'était faite que par l'huile, l'efficience de l'ensemble ne serait pas géniale. Car il y a une perte d'énergie entre les deux turbines en raison du glissement (la turbine n'atteindra jamais la même vitesse que la pompe), ce qui induit donc une plus grande consommation (si ce n'était pas un problème dans les année 70 aux USA, c'est tout autre chose aujourd'hui).
Pour palier à cela, il y a un embrayage (simple et sec, ou multidisque humide, le principe revient au même) qui vient solidifier le lien quand la pompe tourne quasiment à la même vitesse que la turbine réceptrice (on l'appelle embrayage de pontage). Il permet donc d'amarrer solidement (mais aussi avec un minimum de souplesse pour éviter toute casse, comme sur n'importe quel embrayage, grâce à des ressorts que vous pouvez d'ailleurs observer sur la boîte 9 rapports en photo au début de l'article). Grâce à cela, on peut avoir un frein moteur encore plus important.
Embrayage de pontage
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Ici on est en phase de serrage du multidisque, par le biais d'une pression hydraulique qui va pousser les disques les uns contre les autres
Une fois le pontage effectué, les turbine et pompe sont solidaire et il n'y a plus de brassage d'huile entre ces deux parties. Le convertisseur est devenu statique et agit comme si c'était un banal arbre de transmission ...
Avantages ?
Le convertisseur est reconnu pour durer plus longtemps qu'un embrayage classique à friction (les embrayages multidisques humides sont cependant quasiment aussi pérennes que les convertisseurs), tout en préservant en plus le reste de la mécanique (toute la chaîne de traction).
En effet, la douceur de fonctionnement (très agréable au passage) préserve les éléments de tout à-coup (que ce soit au niveau moteur ou des trains roulants) alors qu'une boîte mécanique ou robotisée brutalise un peu plus l'ensemble. Sur plus de 100 000 km, la différence peut réellement se faire sentir sur la longévité des pièces. Bref, un bon point pour un achat en occasion. Sans oublier que le système est protégé de toute personne qui ne saurait pas passer les vitesses. Car avec une manuelle, il suffit que le propriétaire ait mal passé les vitesses sur 50 000 km pour nuire à la mécanique, ce qui n'est pas le cas de ce type d'embrayage hydraulique (qui n'est pas piloté par le conducteur).
De plus, il n'y a pas d'embrayage qui s'use (le pontage ne subissant que très peu de contraintes de glissement, et quand il est multidisque il ne lâchera jamais). Ce qui génère aussi une belle économie même si il faut aussi penser à vidanger le convertisseur (huile généralement partagée avec le reste de la boîte) de temps en temps (tous les 60 000 idéalement mais 100 000 reste aussi correct).
Enfin, le fait qu'il y ait une conversion du couple permet plus facilement de réduire le nombre de rapports sans nuire gravement à l'agrément. C'est pour cela qu'il y avait pas mal de BVA il y a encore quelques années.
Inconvénients ?
Le seul inconvénient à ma connaissance se situe au niveau de l'agrément en conduite très sportive. Il fait en effet un peu trop tampon entre le moteur et le reste de la chaîne de traction.
Et c'est pour cela que chez Mercedes on s'est amusé à remplacer le convertisseur par du multidisque sur les 63 AMG (voir la Speedshift MCT). Bien plus léger et sans glissement (quand il est bien verrouillé évidemment, dépend des modes de conduite), il permet de limiter l'inertie du moteur. Le temps de réponse à l'accélération est aussi plus réduit.
On peut aussi citer le fait que les BVA un peu plus anciennes patinent un peu, en raison du serrage progressif des multidisque (chaque rapport a un embrayage multidisque dédié qui permet le verrouillage des trains épicycloïdaux). La patinage n'a en effet pas de lien avec le convertisseur de couple (lui ne patine qu'au moment de partir, donc de 0 à 3 km/h grosso modo).
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