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Dernière modification 25/05/2020

Comment fonctionne une boîte de vitesses



La boîte de vitesses d'une voiture est à peu près semblable (dans le principe) à un un système de plateau/dérailleur que l'on retrouve sur un vélo. Elle est destinée à modifier la démultiplication entre l'élément moteur (jambes du cycliste dans le cas d'un vélo et moteur dans le cas d'une voiture) et les roues. Il existe cependant plusieurs techniques pour obtenir une démultiplication : engrenages parallèles (manuelles, robotisées), engrenages epicycloïdaux (BVA à convertisseur) et courroie (variateur comme sur les scooters = boîte CVT)


Voici la disposition d'une boîte de vitesses dans une traction à moteur transversal. La disposition n'est pas du tout la même dans un châssis conçu pour moteur longitudinal (voir ici).


D'autres positions moteur / boîte sont à découvrir ici

Principe de base et utilité

Dans une voiture, la boîte de vitesses permet de transmettre la puissance générée par le moteur thermique aux roues motrices en démultipliant plus ou moins la vitesse de rotation de l'arbre de sortie moteur selon la vitesse. Car un moteur thermique est limité à une plage de régime précise (ex : de 1000 à 5000 t/min maximum). Si la roue était directement reliée au moteur (donc pas de boîte), elles ne pourraient tourner qu'à une fréquence comprise entre 1000 et 5000 tours si je reprends mon exemple entre parenthèses. La boîte de vitesse permet d'accroitre les possibilités de rotations des roues, et donc de rouler au pas comme atteindre de grande vitesses.

Groupe motopropulseur

Cette puissance doit être adaptée aux différentes conditions de la conduite du véhicule, la résistance au roulage étant évidemment autre si l'on est en situation de démarrage que lorsque la voiture est lancée. On nomme rapports de transmission les coefficients de démultiplication ou de réduction appliqués à la puissance issue du moteur et communiquée au système de roulement (les roues). La technique employée pour assurer ces variations repose sur l'utilisation d'engrenages.


Pour tout savoir sur la démultiplication des
rapports (étagement de boîte) rendez-vous ici

Un peu plus de détails ...

Le levier de vitesse est lié à une tringlerie. La tringlerie bouge les fourchettes (en convertissant le mouvement du levier vers un "autre mouvement que pourra recevoir la boîte", en l'occurrence la fourchette), qui elle même bouge un baladeur qui va craboter (lier) un pignon "fou" (= libre = non relié à l'arbre qu'il occupe) de l'arbre secondaire. Le crabotage consiste donc à engager une vitesse et donc lier l'engrenage à l'arbre qu'il occupe.


Plusieurs architectures de boîte mécanique

Il faut tout de même savoir que les arbres secondaires et primaires sont alignés dans le cas d'une boîte à trois arbres, faisant croire à certains néophytes qu'il n'y a qu'un seul arbre ... En réalité, l'arbre primaire fait bouger l'arbre secondaire par le biais de l'arbre intermédiaire. En revanche, le système pour une boîte à deux arbres est plus simple à comprendre puisqu'il n'y a pas d'arbre entre les deux. Vous comprendrez mieux en observant les schémas présents plus bas dans l'article.

Les anciennes boîtes avaient souvent des engrenages à denture droite (comme avec la marche arrière des boîtes modernes) et non hélicoïdales comme sur les modernes. Le lien entre les engrenages se faisait en faisant glisser les pignons sur les arbres : quand ils étaient en face le lien était fait). Mais rapidement est venu le système à crabots (sans synchros, ça craquait et il fallait insister mais ça marchait ...). Le bruit de fonctionnement était donc plus important et l'usure de la boîte était plus rapide (la denture hélicoïdale présente plein d'avantages).


Voyez comme tous les pignons sont à denture droite. Ici ce n'est pas une ancienne boîte mais une version de compétition, car les engrenages droits ont des avantages (exemple : meilleure résistance, simplification ..). On voit aussi clairement les crabots, pour des passages de vitesses très "vivants" !


D'une manière générale, tous les engrenages sont continuellement reliés les uns aux autres, que vous soyez au point mort ou non. Engager une vitesse ne consistera au final qu'à verrouiller un des engrenages (appelés pignons fous) sur l'arbre secondaire ... Ce n'est pas plus compliqué que cela. Mais voyons quelques schémas pour comprendre plus rapidement :


Les engrenages baignent dans de l'huile qui est continuellement brassée par les mouvements internes. Cette dernière est donc projetée vers le haut, car l'ensemble n'est pas totalement rempli d'huile. En haut une version à moteur longitudinal et en bas transversal (comme il y a moins de place elle est alors bien plus compacte et carrée. La longitudinale, positionnée dans le sens de l'auto, envoie tout à l'arrière, il n'est donc pas gênant qu'elle soit un peu longue)


Le gros engrenage du bas représente le différentiel

Boîte à trois arbres

Voici le fonctionnement d'une boîte comprenant trois arbres (la même explication est disponible plus bas sur les versions à deux arbres).


(Illustration d'une boîte 4 rapports pour limiter le nombre d'engrenages, et donc faciliter la compréhension). Au point mort, tous les engrenages sont quand même reliés entre eux mais certains (les bleus de l'arbre secondaire) n'ont pas de prise avec l'arbre qui les porte.



Quand j'engage un rapport, la fourchette vient bouger le baladeur (la bague synchro est à l'intérieur) pour venir solidariser un pignon à l'arbre (celui qui correspond à la vitesse voulue). Une fois déplacé, il y a alors une liaison "en dur" entre les trois arbres, ce qui permet alors de faire tourner les roues. Sachez qu'en sortie de boîte il y a un différentiel qui permet de répartir la vitesse de rotation pour chaque roue.


Voici les composants d'une boîte de vitesse. Les crabots, pas très visibles, sont les rectangles gris clairs situés au coeur des pignon fous (= libre). Les pignons transparents indiquent qu'ils sont fous (donc non relié à l'arbre qu'ils occupent)

Rapport 1

Quand j'engage une vitesse, je lie un des pignons (celui du rapport voulu) à l'arbre par le biais des baladeurs et crabots (ils permettent la solidarisation)


Rapport 2



Rapport 3



Rapport 4

Le rapport 4 est particulier car il est généralement en ratio 1:1, c'est à dire qu'il n'y a aucune démultiplication entre le moteur et les roues (qui tournent alors à la même vitesse que le moteur). On appelle ça être en prise directe.


Rapport 5



Boîte  à deux arbres

Dans le cas des boîtes à deux arbres, le principe reste le même mais le nombre de pièces est moins important, ce qui aide à faciliter la compréhension. Voici donc les schéma de cette dernière au point mort et avec une vitesse enclenchée.


Notez que comme dans le cas précédent, j'ai illustré une boîte 4 rapports afin de simplifier le schéma. Les pignons sur l'arbre primaire (rouge) sont "soudés" alors que ceux de l'arbre secondaire (bleu) sont dits de "fous". En effet, ils ne peuvent être solidarisés avec leur arbre qu'à partir du moment où le baladeur (en noir) vient les craboter.


Voici le premier rapport engagé, le premier pignon bleu est désormais solidaire avec son arbre (le secondaire). Le mouvement est alors transmis jusqu'au différentiel, et donc jusqu'aux roues.




Les roulements de boîte et joints spi (caoutchoucs qui permettent l'étanchéité au niveau des roulements) qui maintiennent les arbres en place




Marche arrière

C'est très simple, pour avoir une marche arrière il suffit d'intercaler un pignon supplémentaire pour faire tourner les roues dans l'autre sens. En effet, quand j'ai deux pignons connectés entre eux, l'un va dans un sens (ex : tourne vers la gauche) et l'autre dans le sens opposé (vers la droite donc). En revanche, si j'intercale un pignon entre ces deux là, le premier et dernier pignon vont alors tourner dans le même sens. Bref, quand j'ai une cascade de pignons qui tournent dans un certain sens à la sortie, il suffit juste que je rajoute un pignon à cette "cascade" pour que la rotation de sortie soit inversée (c'est ce qui se produit quand on l'engage, un pignon s'intercale généralement entre les deux arbres au lieu de simplement les connecter. Ce qui inverse le mouvement). Si le principe est le même partout, les montages peuvent être très différents d'une boîte à l'autre.
La marche arrière dispose d'un pignon plus basique, ce qui provoque le son particulier quand on roule en marche arrière. Car j'imagine que vous aviez déjà remarqué qu'une auto était bien plus bruyante en marche arrière. En observant la photo du bas, vous remarquerez rapidement que les engrenages ne sont pas en biais (hélicoïdales) comme sur les autres pignons.

Plus d'infos sur la marche arrière ici.


Elle est constituée de ces éléments :

La transmission, qui va du levier de vitesses jusqu'aux roues, se compose de l'ensemble de ces éléments :

Uniquement dans la boîte :

Fourchette : sa mission est de déplacer le baladeur afin d'engager un rapport de vitesse (en bloquant un des pignons situés sur l'arbre secondaire). Il y en a plusieurs dans chaque boîte de vitesse (je n'en ai mis qu'un sur les schémas pour libérer un peu d'espace)


Baladeur : il va permettre de verrouiller un rapport, à savoir lier un des pignons fous sur l'arbre qu'il occupe. C'est le pont entre les crabots et l'arbre

Synchro de boîte : appelé aussi bague synchroniseur, elle permet d'adoucir le verrouillage des rapports. Car quand on enclenche une vitesse, cela consiste à lier entre eux des éléments qui tournent à des vitesses différentes. Exactement comme un embrayage (dans la philosophie, pas sa manière de marcher), il vont permettre une transmission douce entre découplement et accouplement du pignon à son arbre. Avant il n'y avait pas de synchro, ce qui induisait de devoir jouer du talon pointe pour passer les vitesses facilement (on devait faire en sorte que les vitesses de rotation entre arbre et pignon fou soient la plus proche possible, afin de limiter le craquement).

Le principe consiste à effectuer une sorte de friction entre le baladeur et le pignon afin qu'ils s'approchent de leurs vitesses respectives avant le contact final. Plus la vitesse est proche entre ces deux là au moment de "connecter" les engrenages, moins la vitesse craque. C'est la bague synchroniseur qui fait un peu office d'embrayage miniature même si le principe est un peu différent.


Arbre primaire : relié au vilebrequin via l'embrayage/volant moteur, il tourne donc à la même vitesse que le moteur.

Arbre intermédiaire : Uniquement sur les boîtes à trois arbres, il est situé non pas dans le prolongement de l'arbre primaire mais parallèlement. Le lien entre l'arbre primaire et secondaire est effectué par ce dernier.

Arbre secondaire : c'est sur ce dernier que les pignons de chaque vitesse sont situés. Cet arbre est mis en mouvement par l'arbre intermédiaire (ou directement par des pignons dans le cas d'une boîte à deux arbres) qui est lui-même relié à l'arbre primaire.

Différentiel : les roues gauche et droite ne  tournent à la même vitesse en virage, un système de différentiel est présent entre la boite et les roues pour répartir les vitesses sur les roues de gauche et droite.


Roulements : les roulements de boîte servent à la rotation des arbres primaire, secondaire et intermédiaire.

Huile : les engrenages de la boîte baignent dans l'huile afin de limiter la température issue des frottements entre les pièces métalliques, mais aussi pour lubrifier les contacts entre engrenages évidemment.

Extérieur à la boîte :

Tringlerie : reliant le levier de vitesses à la boîte, cet élément converti un mouvement en un autre (il transforme le mouvement du levier vertical vers mouvements horizontaux)

Cardan : reliant la boîte de vitesses (ou plutôt le différentiel pour être précis) aux roues, il permet donc d'établir le lien final entre le moteur et les roues.

Embrayage : il permet de lier (ou pas, selon que vous embrayez ou débrayez) le moteur à la boîte de vitesse. Il est composé de plusieurs éléments tel que le disque, le plateau presseur, la butée, le couvercle et le diaphragme

Volant moteur : relié au vilebrequin, c'est lui qui se "frotte" au disque d'embrayage


Deux types d'engrenages



Ce type d'engrenage parallèle ne concerne que les boîtes mécaniques ou encore les robotisées simple et double embrayage. Les BVA à convertisseur ont un autre type d'engrenage dit de planétaire.


Voici donc une BVA ainsi que le schéma d'engrenage dit de planétaire (on le voit bien ici avec une disposition qui ressemble justement à un système planétaire avec des orbites)
Pour connaître le fonctionnement des engrenage épiclycloïdaux rendez-vous ici.

A savoir sur les boîtes de vitesses

Le rapport de première est utilisé uniquement pour le démarrage, qui demande le plus de puissance, puisqu'il s'agit d'arracher le véhicule à son état statique. Les autres rapports sont appelés intermédiaires. Les premières voitures n'avaient que 3 vitesses (par exemple la Traction).

Dès 1948, la célèbre 2CV de Citroën en disposait de 4, avec une particularité d'appellation : on ne parlait pas de la 4e vitesse, mais de la vitesse S, pour surmultipliée.

L'entretien de la boîte de vitesses comprend la vidange de l'huile qui sert à lubrifier les engrenages. Il arrive aussi qu'il y ait une fuite d'huile liée à un problème d'étanchéité de la boîte. A faire si le démarrage est particulièrement lent ou nécessite une puissance accrue et si les vitesses passent mal en permanence. Un changement de crépine peut aussi se révéler nécessaire.

La boîte de vitesses est une des pièces maîtresses de votre voiture. Dans la mesure où il s'agit d'une technologie complexe, certaines voitures sont connues pour avoir des boîtes fragiles : par exemple la Golf4, la Polo, la Mini, mais aussi la Clio et certaines Audi.

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