Rapport de démultiplication, couple et effet de levier
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Le couple, tout le monde en parle mais rares sont ceux qui comprennent vraiment ce que ce chiffre signifie une fois que l'on observe de plus près la chaîne de traction. Entre le moteur et les roues, il y a une série d'engrenages qui transforment la puissance en force utile, et c’est là qu’intervient un phénomène fondamental : l'effet de levier mécanique, matérialisé ici par les rapports de démultiplication.
L’effet de levier, version physique et version mécanique
Un bras de levier, c’est simple : plus il est long, moins on force. Si vous avez déjà tenté de desserrer un écrou récalcitrant avec une clé courte, puis avec un tube plus long en guise de rallonge, vous avez senti l’effet de levier dans vos bras. En mécanique automobile, c’est pareil. Le moteur tourne vite, avec une force donnée. Mais pour déplacer la masse d’un véhicule au démarrage, il faut beaucoup de couple. Alors on utilise une série de démultiplications pour transformer la vitesse en force.
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Chaque engrenage, chaque rapport joue le rôle d’un levier : on réduit la vitesse de rotation, mais on augmente le couple transmis aux roues.
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Le couple moteur n’est qu’un point de départ
Prenons un moteur thermique typique : 300 Nm à 4000 tr/min. C’est bien, mais ça ne suffit pas à lancer la voiture à l’arrêt. C’est pour cela qu’on passe d’abord par la boîte de vitesses, puis par ce qu’on appelle le rapport de pont (la démultiplication finale entre boîte et roues) intégré dans l’essieu moteur (dans le carter du différentiel, selon les architectures).
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Ces deux éléments agissent comme des multiplicateurs de couple. Par exemple, un rapport de boîte de 3:1 suivi d’un rapport de pont de 4:1 permet de multiplier le couple initial par 12. Ce qui nous donne, à la louche, 3600 Nm aux roues dans un premier rapport. Voilà pourquoi la voiture démarre sans forcer, même en côte.
Bien sûr ! Voici un petit paragraphe clair et accessible, avec un exemple chiffré illustrant l’effet de levier via des pignons :
Prenons deux pignons reliés entre eux : un petit pignon moteur de 20 dents qui entraîne un grand pignon de 80 dents. Le rapport de démultiplication est de 80 / 20 = 4:1. Cela veut dire que pour chaque tour complet du petit pignon, le grand pignon tourne d’un quart de tour. On perd donc en vitesse de rotation, mais on gagne quatre fois plus de couple sur l’arbre de sortie. Si le moteur envoie 100 Nm sur le petit pignon, on obtient 400 Nm de couple sur le grand pignon. C’est l’effet de levier mécanique pur : on ralentit le mouvement, mais on multiplie la force, exactement comme avec une longue barre de levier.
Ce qui se passe en cinquième (ou sixième, ou septième…)
Sur les rapports supérieurs, la démultiplication est plus faible, voire parfois quasi nulle (1:1), et dans certains cas (sur certaines boîtes manuelles ou automatiques), on a même un rapport de démultiplication inférieur à 1 : c’est ce qu’on appelle un surmultiplié.
Dans ce cas :
- le moteur tourne moins vite que l’arbre de sortie de boîte ;
- il y a donc une réduction du couple transmis, car on privilégie la vitesse de rotation aux roues.
On n’inverse pas l’effet de levier, on le réduit :
- En première, on a un effet de levier fort (ex. 15:1 en cumulé, moteur → roues) ;
- En cinquième ou sixième, on a un levier faible, voire un rapport de transmission direct (1:1), voire surmultiplié (ex. 0.8:1) ;
- Dans ce dernier cas, le couple diminue en sortie, mais ce n’est pas un “effet de levier inversé” : c’est simplement qu’on a choisi d’échanger du couple contre plus de vitesse.
Exemple : le Compass et ses 67 ch pour 3100 Nm de couple
Prenons maintenant un cas concret qui illustre très bien ce principe : le Jeep Compass électrique dans sa version à deux moteurs. À l’arrière, un petit moteur électrique développe 232 Nm de couple pour seulement 67 chevaux. Dit comme ça, c’est modeste. Mais grâce à une démultiplication de 14:1, ce moteur délivre en sortie de transmission un couple de plus de 3100 Nm aux roues. Attention toutefois, plus on veut de couple en sortie moins on obtient de vitesse de rotation ...
Ce chiffre impressionnant ne sort pas de nulle part. Il est le résultat direct du levier mécanique appliqué via le réducteur. On ralentit la vitesse de rotation pour mieux la transformer en force, exactement comme lorsqu’on utilise une grande barre pour faire levier sur un rocher.
C’est d’autant plus flagrant avec les moteurs électriques, qui tournent très vite (souvent jusqu’à 15 000 tr/min) et peuvent donc supporter des rapports de réduction bien plus extrêmes que les moteurs thermiques, tout en restant compacts et efficaces.
Ce qu’il faut retenir
Le couple moteur est une donnée clé mais elle doit s'accompagner du couple aux roues, celui qui détermine la capacité à démarrer fort, grimper, tracter ou franchir un obstacle. Et ce couple-là dépend essentiellement de la chaîne de traction et en l'occurrence sa démultiplication, à savoir les engrenages placés entre le moteur et les roues.
En résumé, on échange de la vitesse contre de la force, exactement comme dans toute bonne mécanique de levier. Et c’est ce principe vieux comme Archimède qui permet aujourd’hui à un petit moteur de 67 chevaux de générer autant de couple qu’un V8 diesel de camion.
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