BOITE DE VITESSES AUTOMATIQUE

dossier boîtes automatiques
coupleur Jaeger
Ford T
résolution graphique

Simca "Automatique", un document très complet datant de 1968...
boîte de vitesses ZF 3 HP 12
transmission hydraulique - trains épicycloïdaux
convertisseur de couple - fonctionnement général - description de la partie boîte
différentes combinaisons possibles - différentes phases de vitesses
système hydraulique - passage des vitesses
performances
tableau de recherche de pannes

sécurité et confort avec les boîtes automatiques (pour info) - boîte auto, mode d'emploi (pour info)
les pièces de rechange (source BMW, pour info) - commande hydraulique (pour info)

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Dossier : Boîtes automatiques
(dossier réalisé par Yves Martin, l'Argus de l'Automobile, 7.10.2004)

La bande des quatre

Classique, robotisée, à double embrayage ou à variation continue, l'offre des boîtes automatiques est multiple. Panorama d'un marché en plein essor.
La production mondiale de boîtes de vitesses pour les véhicules particuliers a atteint 35 millions d'unités en 2003, dont 23,1 millions en version automatique grâce à la forte consommation nord-américaine et asiatique. Toutefois, pour ZF, fabricant allemand de boîtes de vitesses, "la demande européenne apparaît en augmentation, du fait de l'amélioration des performances". Une observation confirmée par le Comité des constructeurs français d'automobiles (CCIA). Pour les six premiers mois de l'année, le taux des versions commercialisées en boîte automatique dans l'Hexagone a atteint 8 %, soit 85 000 unités (contre 7 % en 2003, 4,5 % en 2000, et 3,5 % en 1997). Les Français ont ainsi rattrapé le marché européen, pour lequel ce taux, au premier semestre de 2004, s'est établi à 7,6 % (7,5 % en 2003, 5,6 % en 2000 et 4,9 % en 1997). Une évolution qui tient aux efforts des constructeurs pour parvenir à des solutions améliorant le confort d'utilisation sans pénaliser ni la consommation ni les performances.
De la démultiplication...
La boîte de vitesses permet de démultiplier les efforts du moteur avant leur transmission aux roues via cinq ou six, voire sept, rapports avant et une marche arrière. Pour démarrer, il faut réduire le régime du moteur et augmenter le couple afin de vaincre la résistance au roulement. C'est la phase de démultiplication.
à la multiplication.
A haut régime, au contraire, la voiture a besoin d'exploiter le régime moteur afin de faire tourner les roues le plus vite possible. C'est la phase de multiplication.
Voici donc comment fonctionnent les quatre types de boîtes de vitesses automatiques existants (traditionnelle, robotisée, à double embrayage, à variation continue). Avantages, inconvénients...

Histoire de couple

Le rapport de démultiplication - véritable secret du fonctionnement des boîtes de vitesses - correspond à la différence de rotation entre l'entrée de la boîte (côté moteur) et la sortie (côté roues). Par exemple, un pignon à dix dents entraînant une roue dentée à vingt dents fournit un rapport de démultiplication de deux, ce qui signifie que la roue dentée tournera deux fois moins vite que le pignon.
Comme la puissance est le produit du couple multiplié par la vitesse de rotation; il en résulte que le couple de la roue dentée sera, si l'on néglige les pertes par frottement, deux fois plus important que le couple appliqué sur le pignon à dents.
Ce type de démultiplication est celui utilisé pour les rapports inférieurs. On dit qu'il s'agit d'un rapport court, c'est-à-dire qu'il assure une force de démarrage importante.
A l'inverse, pour un rapport long, le pignon comporte vingt dents et la roue dix. Le couple transmis aux roues est alors réduit, mais la vitesse accrue. On peu même aller jusqu'à augmenter cette vitesse par rapport à celle d'entrée. On parle alors de vitesse surmultipliée. C'est le cas des cinquième et sixième rapports.

Le tableau des pertes d'énergie

Les frottements, le besoin de pression d'huile, le patinage des embrayages ou du convertisseur de couple entraînent une perte de puissance, donc une surconsommation de carburant.
sur l'infographie ci-dessous, on remarque les avantages fournis par une boîte de vitesse robotisée à double embrayage.


Quid d'une boîte auto-adaptative ?

Automatique ou robotisée, la boîte de vitesses peut également être auto-adaptative. Cela signifie que la loi de passage des rapports est calculée en fonction de plusieurs paramètres prédéfinis.
Le calculateur tient compte du comportement du conducteur, du type de parcours et de la position de l'accélérateur afin de proposer le rapport optimal.
Certaines situations sont également prises en compte, comme le maintien d'un rapport ou la rétrogradation pour augmenter le frein moteur, l'impossibilité de changement de rapport montant en virage, ou la rétrogradation maximale quand l'accélérateur est à fond (kick-down) pour relancer la mécanique.
Les conditions de faible adhérence sont aussi détectées par la boîte lorsqu'on adopte un programme de pilotage de type "neige", avec rappel de cette information au combiné.

Le prix d'une boîte

Supposons qu'une boîte de vitesses manuelle "classique" vaille 100 EUR. Dans cet ordre de grandeur, une boîte automatique coûtera le double (200 EUR), une boîte robotisée 150 EUR et une boîte à double embrayage environ 230 EUR.
Les constructeurs espèrent toutefois réduire les coûts de fabrication de cette dernière. Celle-là pourrait alors s'imposer comme le nouveau standard de boîte automatique.


Automatique classique - L'ancêtre évolue

Si la boîte de vitesses mécanique est faite d'engrenages, la boîte automatique est, pour sa part composée de pignons, appelés trains épicycloïdaux. Chaque train épicycloïdal est commandé par un frein et un embrayage (de type multidisque à bain d'huile) qui permettent de le bloquer afin de modifier le rapport de démultiplication. Le train épicycloïdal peut ainsi déterminer jusqu'à trois rapports. Cela explique l'un des principaux avantages de la boîte automatique : son faible encombrement.
Pas de liaison mécanique.
Le mouvement est transmis à la boîte de vitesses par un convertisseur de couple. Exit donc l'embrayage.
Le convertisseur comprend deux éléments essentiels placés dans un carter rempli d'huile : la roue motrice, jouant le rôle de pompe, et la roue réceptrice, qui fait office de turbine. Ces deux éléments ont une forme demi-torique et sont munis d'ailettes planes disposées radialement. Le mouvement étant transmis par l'huile, Il n'y a aucune liaison mécanique entre elles.
Lorsque le moteur tourne, la motrice agit comme une roue à aubes de bateau à vapeur, entraînant la turbine.
Au démarrage, la valeur du couple transmis croît progressivement avec l'accélération de la roue motrice et l'huile n'entraîne pas immédiatement la turbine : c'est la phase de patinage. Dès que le couple devient suffisant, le convertisseur transmet le mouvement à l'intérieur de la boîte de vitesses.
La gestion des rapports est réalisée par un boîtier hydraulique (aujourd'hui assisté d'un calculateur électronique pour un gestion plus fine) qui gère la répartition de la pression pour commander les différents freins et embrayages.
Compétitive.
Les boîtes automatiques ne cessent d'évoluer. Ainsi, pour pallier la perte de puissance due au patinage du convertisseur de couple, les fabricants ont associé un embrayage au convertisseur. Dès que la puissance est suffisante, l'embrayage se ferme et "shunte" le convertisseur. Il n'y alors plus de perte ni d'échauffement de l'huile.
Cette nouvelle technique permet de réduire considérablement la surconsommation, donnant à la boîte automatique un nouvel attrait économique.
Robotisée - Gestion électronique sophistiquée

Dérivée de la boîte de vitesses mécanique, la version robotisée se caractérise par une gestion électronique de l'embrayage et du passage des rapports. La pédale d'embrayage est supprimée, et le levier de sélection de vitesse, bien qu'étant toujours présent, n'a plus aucune liaison mécanique avec la boîte.
En effet, ici, la gestion est assurée par un calculateur qui pilote deux actionneurs : un pour le passage des rapports, et l'autre, équipé d'un système de compensation d'usure de la garniture, qui pilote l'embrayage. Le calculateur de la boîte dialogue également avec celui qui contrôle le moteur afin d'adapter son fonctionnement au besoin de puissance.
Rupture d'accélération.
Le calculateur contrôle l'ensemble des fonctions liées à la boîte robotisée : mise en route, mode automatique, sécurité affichage. De plus, il diagnostique les défaillances éventuelles et met en oeuvre un fonctionnement dégradé, le cas échéant.
Cette gestion électronique sophistiquée prend en compte l'ensemble des paramètres nécessaires pour assurer un passage correct des rapports : position du levier de vitesse, de l'accélérateur, de la pédale de freins, régimes de rotation du moteur et de la boîte de vitesses, vitesse du véhicule, état de 'ABS et de I'ESP. Elle relève en outre le couple et la température du moteur. Ainsi, à partir de l'ordre de changement de rapport, quel que soit le mode de fonctionnement utilisé, le calculateur demande la coupure du moteur, débraye, change le rapport de boîte, embraye et autorise la remise des gaz. Ces opérations sont enchaînées le plus rapidement possible afin d'obtenir la rupture d'accélération la plus courte possible.
Analyse de comportement.
Cette boîte propose, en permanence, deux modes de fonctionnement. En version automatique, où la décision de sélection du rapport est prise par le calculateur à partir de lois de passage auto-adaptatives, le calculateur analyse le comportement du conducteur, le type de parcours (montée, descente, virage), la charge du véhicule et les conditions d'adhérence afin de proposer le rapport de boîte de vitesses le plus approprié.
Avec le mode séquentiel, le conducteur conserve la maîtrise de la sélection des rapports de boîte. Enfin, il est possible de passer les vitesses selon deux types de commandes : au levier (en le déplaçant vers l'avant ou vers l'arrière pour changer de rapport) ou à l'aide de palettes situées derrière le volant (selon le modèle).
Double embrayage - Réaction hors pair

La boîte de vitesses à double embrayage est une cousine de la boîte robotisée, à cette différence qu'elle comporte... deux embrayages, chacun relié à un arbre. L'un est utilisé pour les rapports impairs (1ère, 3ème et 5ème) et l'autre pour les pairs (2ème, 4ème, 6ème et marche arrière).
Lorsqu'un embrayage est fermé (la vitesse est enclenchée), le second est ouvert. Une gestion électronique précise permet, via des capteurs situés sur chaque arbre, de savoir quelle vitesse est engagée, en même temps qu'elle relève les régimes de rotation de chaque arbre. Cela interdit, par exemple, le passage de deux rapports en même temps.
L'utilisation des deux embrayages permet aussi, lorsqu'un rapport est engagé, de faire passer le suivant tout en le laissant en attente. Ainsi, dès que le régime moteur devient trop élevé, la vitesse suivante peut être enclenchée très rapidement : il suffit "simplement" d'ouvrir un embrayage et de fermer l'autre.
Besoin de place.
Aujourd'hui, deux solutions sont proposées. Celle du groupe Volkswagen, via sa boîte DSG, dont les embrayages sont de type multidisque à bain d'huile (comme sur une moto) ; et celle de Luk, avec la boîte PSG, réalisée en collaboration avec Getrag, qui utilise deux embrayages à sec.
Cette dernière est uniquement montée sur des prototypes comme la Mini Cooper S.
Ces deux propositions présentent chacune des avantages et des inconvénients, à savoir un besoin de place plus important et l'utilisation d'une pompe à huile (engendrant une petite perte de puissance) pour la première, et, pour la seconde, la nécessité d'une étanchéité parfaite des embrayages.
La boîte DSG est destinée aux moteurs puissants (le fonctionnement dans l'huile permet de refroidir les embrayages et donc de faire passer plus de puissance), alors que la boîte PSG trouverait sa place sur des blocs plus petits.
Variation continue - Poulie et courroie au programme

La boîte de vitesses à variation continue a fait son apparition dès les débuts de l'automobile, alors que les puissances des moteurs étaient encore faibles.
Baptisée CVT (Continuously variable transmission), elle fonctionne selon le principe du variateur de cyclomoteur : deux poulies formées de deux plateaux coniques, dont un est axialement mobile, sont reliées entre elles par une courroie métallique.
Pour modifier le rapport, il suffit d'écarter ou de rapprocher les plateaux de la poulie motrice afin que l'entraînement de la courroie se fassent plus ou moins près du centre de rotation. Plus la courroie est près du centre de rotation de la poulie d'entraînement, plus le rapport de démultiplication est important, ce qui correspond aux basses vitesses et à la position de démarrage du véhicule.
A l'inverse, dès que la courroie s'éloigne, le rapport diminue. On obtient alors la position utilisée pour une conduite à vitesse plus rapide.
La courroie utilisée n'est pas de type classique, comme, par exemple, celle destinée à l'entraînement de l'alternateur. Elle est, en l'occurrence, constituée de deux anneaux métalliques reliés entre eux par des clavettes en acier.
La solution du futur

Luk, équipementier spécialiste dans la fabrication de systèmes d'embrayages et de boîte de vitesse (mécanique, robotisée ou à variation continue), a intégré un moteur électrique de 10 watts à une boîte de vitesses robotisée à double embrayage.
Ce moteur électrique peut assurer le déplacement du véhicule jusqu'à une vitesse d'environ 50 km/h. le moteur thermique prenant ensuite le relais.
Sur cette version baptisée ESG (elektrisches schaltgetriebe, ou boîte de vitesses à assistance électrique), l'équipementier a, d'autre part, associé le compresseur de climatisation au moteur électrique afin de le faire fonctionner indépendamment du moteur thermique. Cette nouvelle technique permet à la fois d'assurer le refroidissement de l'habitacle quand le moteur est à l'arrêt, et de moins solliciter ce dernier lorsque le véhicule roule.
Selon Luk, cette solution, couplée à un moteur Diesel de 1,3 l, devrait apporter un gain de consommation d'au moins 15 %, et ce pour un coût relativement réduit par rapport à celui des motorisations hybrides actuelles.
Le moteur électrique permet également de fournir une surcroît de puissance, à l'instar d'un turbocompresseur, pour effectuer un dépassement par exemple.
Selon Georg Schneider, responsable des projets boîtes de vitesses pilotées et embrayage chez Luk, "avec une puissance comprise entre 10 et 15 kW pour le moteur électrique, on obtient un coût raisonnable pour le client".
Un facteur déterminant pour la suite des événements.
Nous ne manquerons pas d'évaluer cette boîte lorsque nous aurons essayé un prototype roulant (NDLR : une Opel Astra 1,3 Diesel, au début de l'année prochaine).

- Boîte automatique en France (AutoPlus, 20.7.2004)

en 1995, les automatiques représentaient 2 % des ventes contre 8.2 % pour les 5 premiers mois de 2004 (moyenne européenne 7.6 %, Allemagne 4 %).
Les principaux adeptes sont les acheteurs de voitures haut de gamme (49 %), de familiales (10 %), mini-citadines (9.5 %), citadines (5 %), familiales compactes (3 %)...

Boîte de vitesses Ford T
(source Auto Concept, 10.2001)



La boîte de vitesses de la Ford T est la première boîte à trains épicycloïdaux qui ait été réalisée (2 vitesse avant, 1 vitesse arrière réalisées par 3 trains épicycloïdaux complexes), sa commande étant entièrement effectuée par le conducteur (frein à ruban agissant sur les couronnes).

La Ford T en effet ne fait pas appel aux boîtes de vitesses classiques de l'époque, avec trains de pignons calés sur deux arbres, et baladeurs, ou crabots au fonctionnement pour le moins "rugueux".
Elle utilise une boîte à trains épicycloïdaux, dont les pignons sont donc entraînés en permanence, supprimant du coup les craquements sinistres des autres systèmes. Une technique utilisée couramment de nos jours sur les boîtes de vitesses automatiques, à la différence principale que les freins permettant de bloquer satellites ou couronne ne sont pas actionnés hydrauliquement, comme sur les "automatiques", mais mécaniquement à l'aide de la main et du pied, comme on le verra plus loin.
Coupe de la boîte de vitesses et du générateur électrique

V : volant, R : arbre d'entrée moteur, S : arbre de sortie transmission,
A,B,C : satellites, M,N,P : planétaires, G : frein de marche arrière,
H : frein de marche avant, L : levier d'embrayage, Z : ressort d'embrayage,
T : arbre de commande d'embrayage, Y : carter, D : bobine, I : aimant,
K : embrayage multidisques.
Cette boîte procure une démultiplication courte pour le démarrage et les côtes, une prise directe, et une marche arrière.
Rappelons succinctement qu'un train épicycloïdal simple se compose de trois éléments : un engrenage central appelé planétaire, un engrenage extérieur doté de denture intérieure appelé couronne de sortie, et un ou plusieurs pignons situés entre le planétaire et la couronne appelés satellites.
Les différents mouvements sont obtenus par blocage au moyen de freins à bande, du porte-satellites, de la couronne ou des deux.
Si l'on bloque le porte satellite, le planétaire fait tourner la couronne à vitesse réduite dans le sens opposé, c'est la marche arrière, si la couronne est bloquée, le planétaire fait tourner le porte satellite dans la même direction à une vitesse moindre, c'est la première, si enfin couronne et porte satellite sont bloqués, l'ensemble tourne à la même vitesse, c'est la prise directe.

Sur la Ford T, le principe a été retenu, mais le montage est différent. Il n'y a pas de couronne extérieure. A la place, on trouve trois pignons satellites, de diamètres différents, solidaires, montés sur un axe fixé excentriquement sur le volant moteur, c'est à dire l'arbre d'entrée.
Ces pignons satellites engrènent sur trois pignons planétaires, également de tailles différentes, et solidaires de couronnes sur lesquels agissent des freins à bande.
Deux de ces planétaires sont montés sur des arbres creux tourillonnant autour de l'arbre de sortie.
Le planétaire avant, lui, est calé sur l'arbre de sortie.
Un embrayage multidisque vient compléter l'ensemble sur l'arbre de sortie, permettant de solidariser planétaires et porte-satellites, c'est la prise directe.
Les deux planétaires intermédiaires montés sur des arbres creux concentriques peuvent donc être immobilisés par les freins à bande.
Coupe schématique de la boîte de vitesses.

Le volant V porte excentriquement un axe T, sur lequel sont clavetés trois pignons satellites engrenant respectivement dans trois pignons planétaires M, N, P, centrés sur l'arbre de transmission S qui est dans le prolongement de l'arbre moteur R.

Le pignon M est claveté sur l'arbre S ; le pignon N est solidaire du frein H, sur lequel est montée la partie femelle de l'embrayage K.

Le pignon P est solidaire du frein G.
Pour obtenir la première vitesse, ou rapport de démarrage, le planétaire intermédiaire est bloqué, mais l'embrayage de l'arbre de sortie est débrayé.
Le satellite correspondant va donc tourner sur lui même, entraînant les deux autres satellites à une vitesse de rotation identique, mais comme les rapports d'engrenage sont différents, (le planétaire intermédiaire est plus petit que celui calé sur l'arbre de sortie, donc le mouvement retardateur est plus faible que le mouvement transmetteur) on obtient une démultiplication du mouvement de même sens, qui est ensuite transmis à l'arbre de sortie par l'intermédiaire du planétaire avant qui est calé sur lui.

Schémas des mouvements respectifs des satellites et de la transmission.

I Prise directe : les satellites A et B n'ont aucun mouvement de rotation sur eux mêmes, puisque M et N sont solidaires,
(les flèches droites indiquent les mouvements de translation circulaire; les flèches courbes indiquent les rotations).

II Démultiplication avant : le débrayage K est fait, on freine sur H donc N est immobile.
Les flèches indiquent les mouvements pris par les satellites, les ombres indiquent les secteurs
sur lesquels les pignons ont roulé, suivant des arcs de même longueur.

Pour la marche arrière, toujours avec l'embrayage de l'arbre de sortie débrayé, on immobilise le planétaire arrière, le mouvement est transmis au satellite correspondant qui va entraîner les autres satellites, pour attaquer ensuite le planétaire avant solidaire de l'arbre de sortie. Mais comme le planétaire arrière est plus grand que le planétaire avant, le mouvement retardeur devient plus grand que le mouvement transmetteur, le sens de rotation s'inverse.

III Marche arrière : le débrayage K est fait, on freine sur G donc P est immobile.
Les flèches indiquent les mouvements des satellites; les ombres représentent les mouvements.
On voit que le mouvement retardateur est le plus important.
frein
A
frein
B
embrayage
C
porte
satellite

PS
satellite
S1
planétaire
P1
satellite
S2
planétaire
P2
satellite
S3
planétaire
P3
404055354050
I110,36401 - (ZS1 / ZP1 * ZP2 / ZS2)
II111,00011
R11-0,25001 - (ZS1 / ZP1 * ZP3 / ZS3)

Boîte de vitesses à trains épicycloïdal
Résolution graphique

Tracer trois axes, espacés respectivement de la distance corrpespondantes au nombre des dents du planétaire et de la couronne.
Tracer une ligne droite de 1 (moteur) ŕ 0 (fixe), et mesurer la valeur de la démultiplication.


Par exemple : couronne 73 dents, planétaire 23 dents, planétaire moteur (wp =1), couronne fixe (wc =0),
Vitesse du porte-satellite mesurée W 0,32
planétaireporte satellitecouronne
wp
a
Wwc
b
Z35-73q = Zc / Zp = 2,086
petite démultiplication
I10,3240W = wp / (q + 1) - Willys
W = a * 1 / (a+b) - Thales
grande démultiplication
II00,6761O = wc / W = 1/q + 1 - Willys
W = b * 1 / (a+b) - Thales
prise directe
III111W = wc = 1
surmultiplication
IV3,08610wc = q + 1 - Willys
wc = (a + b) / b - Thales
marche arrière
MAr10-0,479wp / wc = -q - Willys
wp = - a / b - Thales



Exemple :

Deux trains épicycloïdaux. C1,PS1,P1,S1 et C2,PS2,P2,S2
Deux freins. F1 et F2
Deux embrayages E1 et E2.

E1E2F1F2rC1PS1P1C2PS2P2
wC1W1wP1wC2W2wP2
2,0062316231
1010I1-x0,4000x

(wP2-W2) / (wC2-W2) = - ZC2 / ZP2
wP2 / wC2 = - ZC2 / ZP2 -> wP2 = - wC2 r
(wC1-W1) / (wP1W1) = - 1/r
(wC1 - wC2) / (wP1 - wC2) = (wC1 - wC2) / ( wC2 r - wC2) = (wC1 - wC2) / ( wC2 (r-1) = -1/r
(wC1 - wC2) = - 1/r * (wC2 * (r-1) = wC2 * (r+1 - 1/r)

Tracé :
C1 = 1 et PS2 = 0 : P2 = -2
avec PS1 = C2 = 1 et P1 = P2 = -2
P2 = -2 et PS1 = 1 : C1 = 2,5

Pour C2 = 1, C1 = 2,5 : pour C1 = 1, C2 = 1/2,5 = 0,4