Dossier: les différents types de boîtes de vitesses

Organe indispensable pour délivrer la puissance du moteur aux roues de manière optimale, la boîte de vitesses se matérialise sous différentes formes, demandant plus ou moins d'intervention de la part du conducteur. Rapidité de passage des rapports, douceur de passage des rapports, coûts sont une partie des critères qui conduit le conducteur à opter pour un type de boîte plutôt qu'un autre.

Boîte de vitesses manuelle

La boîte de vitesses manuelle est le type de boîte le plus populaire en Europe. Elle a gagné ses lettres de noblesse avec Ferrari grâce à un bruit de claquement bien particulier à chaque changement de rapport.

Actuellement, la majeure partie des boîtes de vitesses manuelles comptent 5 ou 6 rapports (à l'exception notable de Porsche qui propose une boîte de vitesses manuelle à 7 rapports). Dans le cas d'une boîte à 6 rapports, leur structure interne s'appuie sur deux arbres (à l'image d'une boîte à 5 rapports) ou trois arbres.

L'encombrement en longueur d'une boîte à trois arbres est réduit car, sur l'arbre primaire, un même pignon peut entraîner à la fois un pignon sur le premier arbre de sortie (la quatrième vitesse par exemple) et un pignon sur le second arbre de sortie (la 6ème vitesse par exemple) avec un rapport de démultiplication différent.

Le baladeur va alors engager ses dentures contre celles homologues du pignon fou. Cette opération s'appelle le crabotage. L'arbre d'entrée et l'arbre de sortie ayant des vitesses relativement différentes, un embrayage est nécessaire pour adapter progressivement la vitesse de rotation du pignon fou à celle de l'arbre sur lequel il est monté. Cet embrayage compact est plus connu sous le nom de synchroniseur: il s'agit d'un cône de friction qui facilite le passage des vitesses.

Sur les premiers rapports, les baladeurs peuvent être équipés de double, voire de triple, synchroniseurs. Cette technique permet de faciliter le passage des rapports grâce à une surface de friction plus importante, alors que la différence de vitesse de rotation est importante lors du passage de la première à la deuxième vitesse par exemple.

Les engrenages des boîtes de vitesses traditionnelles sont, dans la plupart du temps de type hélicoïdal. Le principal avantage de ce type de denture est d'être silencieux. Cet avantage est significatif si l'on considère qu'une majorité de véhicules ont des pignons à denture droite pour la marche arrière, générant un bruit aigu caractéristique.

Boîte de vitesses séquentielle

Une boîte de vitesses séquentielle reste, dans les grandes lignes, similaire à une boîte de vitesses manuelle. En règle générale, ce type de boîte n'a pas de synchroniseurs et ce sont les pignons fous qui se déplacent sous l'action de la fourchette. Pour ce faire, les pignons sont normalement à denture droite. Dans le cas où les dentures sont hélicoïdales, un manchon coulissant assure le crabotage.

Ce type de boîte est surtout utilisé en compétition (rallye, rallycross,...) et sur les motos. Une boîte séquentielle ne comporte pas de levier de vitesses avec une grille en H. Il ne reste qu'un sélecteur qui est déplacé dans un sens ou l'autre pour monter ou descendre les rapports. Lorsque le sélecteur est actionné, il entraîne la rotation d'un tambour rainuré qui va déplacer la fourchette de sélection des rapports. Cette fourchette va déplacer le pignon de l'un ou l'autre engrenage pour engager un crabot.

Ce type de boîte permet le passage de vitesse à la volée, sans nécessiter d'utiliser l'embrayage (à l'exception du premier rapport), lorsqu'on monte les vitesses.

Boîte de vitesses robotisée

La boîte de vitesses robotisée est de conception proche (si ce n'est identique dans beaucoup de cas) d'une boîte de vitesses manuelle.

Dans sa version la plus simple telle que présentée par Renault sur la Twingo Easy, la boîte de vitesses conserve son traditionnel sélecteur de vitesse fonctionnant selon une grille en H, la pédale d'embrayage est, quant à elle, supprimée.

Cette application est restée un cas isolé. Les boîtes robotisées actuelles disposent dans la grande majorité des cas d'un levier similaire à celui des boîtes automatiques, à savoir R (marche arrière), N (neutre) et D (marche avant). Parfois, on peut aussi trouver une commande séquentielle (+/-).

D'autre part, au contraire des autres boîtes automatiques, les boîtes robotisées à simple embrayage ne disposent généralement pas d'une position "parking" (P), ceci est dû au fait que le blocage mécanique pour assurer cette fonction ne fait pas partie du cahier des charges d'une boîte de vitesses manuelle, dont dérive étroitement les boîtes robotisées.

Boîte de vitesses à double embrayage

Les boîtes de vitesses à double embrayage reprennent le principe d'une boîte de vitesses robotisée en gommant deux de ses défauts majeurs:

• la lenteur d'exécution
• la perte de couple lors d'un changement de vitesse

Si le principe de conception est similaire à une boîte manuelle avec les engrenages, l'arbre d'entrée est foncièrement différent car il s'agit de deux demi-arbres, chacun d'eux étant relié à un embrayage.

Le premier demi-arbre est en charge des vitesses impaires, tandis que le second demi-arbre gère les vitesses paires. Lorsque le conducteur démarre, le système enclenche la première vitesse, l'embrayage de l'arbre primaire se ferme. Dans le même temps, l'embrayage en charge du second arbre reste ouvert et la boîte présélectionne le deuxième rapport. Lorsqu'il est nécessaire de passer la deuxième vitesse, l'embrayage du premier demi-arbre s'ouvre progressivement tandis que l'autre embrayage se ferme progressivement.

Le changement de vitesse s'opère donc très rapidement et il n'y a quasiment pas de rupture de charge. En revanche, il faut que le programme de sélection des vitesses soit calibré de manière à bien préselectionner le bon rapport. Par exemple, lorsque le troisième rapport est enclenché, l'électronique peut tout aussi bien commander la sélection du deuxième ou du quatrième rapport. Le système doit donc anticiper, en fonction des paramètres du véhicule (accélération longitudinale et latérale, position de la pédale d'accélérateur, etc.) la bonne présélection. Dans le cas contraire, le changement de rapport est sensiblement ralenti.

Aussi différente la conception puisse être, cela n'empêche pas les boîtes manuelles et les boîtes à double embrayage de partager bon nombre de composants en communs. C'est le cas, en particulier, de la boîte de vitesses manuelle à 7 rapports et de la boîte PDK développées par Porsche.

Boîte de vitesses automatique

Une boîte de vitesses automatique diffère assez largement d'une boîte de vitesses manuelle. En premier lieu, la démultiplication de vitesse entre l'arbre d'entrée et de sortie se via non pas à l'aide de deux roues dentées mais via un ensemble de planétaire et de satellites formant un train épicycloïdal. Avec la multiplication des rapports de vitesse, une boîte automatique compte désormais plusieurs trains épicycloïdaux.

Les différents rapports de vitesse sont créés par la fermeture (et réciproquement l'ouverture) de multiples embrayages. Ceux-ci agissent en couplant deux éléments des différents trains épicycloïdaux ou, au contraire, en stoppant la rotation d'un élément d'un train épicycloïdal.

L'embrayage traditionnel est ici remplacé par un convertisseur de couple. Le convertisseur est constitué d'une turbine émettrice (autrement appelée pompe, elle est reliée en prise directe au vilebrequin moteur), d'une turbine réceptrice (reliée solidement à l'arbre de la boîte de vitesses) et d'un stator.

La pompe transmet le mouvement à la turbine en envoyant de l'huile via et vers les aubes situées à la périphérie des deux éléments. L'huile est ensuite redirigée vers le centre et le flux est dévié à l'aide du stator. Lorsque l'huile revient vers la pompe, le flux d'huile a tendance à s'opposer à la rotation de la pompe, ce qui serait à l'origine d'une grande perte d'efficacité.

A cet effet, le stator, fixe, permet de réorienter le flux dans la bonne direction. Ce faisant, cette opération permet de multiplier le couple moteur disponible par un ratio de plus de deux lorsque la turbine est quasiment à l'arrêt.

Lorsque la vitesse de rotation de la pompe et de la turbine devient élevée, le flux d'huile ne vient plus impacter les aubes du stator correctement, ce qui contribue à une perte d'efficacité. Pour éviter ce phénomène, le stator est monté sur roue libre: il tourne sensiblement à la même vitesse que la pompe et la turbine.

Enfin, lorsque pompe et turbine tournent sensiblement à la même vitesse, il reste une perte de rendement à cause des turbulences (la vitesse du flux d'huile est élevée). Pour contrecarrer cette perte, la plupart des convertisseurs intègre un embrayage qui permet de minimiser les pertes. Auparavant, cet embrayage n'était fermé que sur le rapport de boîte le plus élevé et à vitesse constante. Désormais, l'embrayage est fermé dès que possible sur les rapports intermédiaires. 

Le convertisseur de couple permet un passage des vitesses sans rupture de couple et amortit les éventuelles vibrations transmises par le vilebrequin ou par les roues.

Grâce à la multiplication des rapports et à une utilisation optimisée de l'embrayage du convertisseur de couple, la boîte automatique a su gommer son principal défaut (surconsommation par rapport à une boîte manuelle) tout en conservant sa qualité principale: la douceur de fonctionnement. Une boîte automatique reste néanmoins beaucoup plus onéreuse qu'une boîte manuelle, mais elle n'est pas forcément beaucoup plus coûteuse qu'une boîte de vitesses robotisée à double embrayage.

Transmission à variation continue

La transmission à variation continue (CVT) permet de gommer, en théorie, de nombreux défauts des boîtes de vitesses traditionnelles. De fait, le ratio pouvant varier indéfiniment sur une plage déterminée, il est alors possible de laisser travailler le moteur au régime le plus favorable pour une accélération la meilleure possible ou une consommation la plus réduite possible.

Une boîte CVT peut tout aussi bien être associée à un convertisseur de couple, un ou deux embrayages. Dans le cas d'un système à deux embrayages, un commande la marche avant, l'autre, la marche arrière: l'inversion du sens de rotation se fait alors grâce à un planétaire situé après les embrayages. Généralement, lorsque le véhicule circule en marche arrière, la vitesse est limitée électroniquement et la CVT reste fixée sur un ratio déterminé (cela n'a pas toujours été le cas: les DAF Variomatic étaient potentiellement capables d'atteindre la vitesse maximum aussi bien en marche avant qu'en marche arrière).

Même lorsque la transmission à variation continue est équipée d'un embrayage, elle reproduit la fonction de rampage à basse vitesse (le véhicule avance sans avoir à solliciter la pédale d'accélérateur) par une fermeture partielle de l'embrayage. D'autre part, l'embrayage n'est normalement utilisé qu'au démarrage du véhicule, sauf dans le cas où la CVT est équipée d'un sélecteur de vitesses fictif: dans ce cas, un changement de vitesse se traduit par une ouverture puis fermeture de l'embrayage, le temps que le variateur fasse évoluer le ratio.

Le variateur est le coeur de la CVT: il est constitué de deux poulies à flasque conique dont l'écartement varie en continu sur chacune des poulies afin de modifier le rayon de chacune d'entre elles. Ainsi, le rapport de réduction varie entre l'arbre primaire (solidaire du vilebrequin) et l'arbre secondaire (relié au différentiel). La liaison entre les deux flasques peut se faire à l'aide d'une chaîne ou d'une courroie.

En conditions réelles, le fonctionnement d'une telle transmission est assez perturbant car il ne rend pas bien compte du niveau d'accélération du véhicule. Par exemple, lorsque la pédale d'accélérateur est enfoncée au maximum, le rapport de réduction sera de telle sorte que le moteur atteindra le plus vite possible le régime maximum et restera à ce régime jusqu'à ce que la pédale soit relâchée.

De ce fait, le conducteur, habitué aux montées en régime du moteur pour évaluer l'accélération du véhicule, ne peut plus se référer à ce paramètre: seul le compteur de vitesse sera le témoin d'une forte accélération. Calé à ce régime, le véhicule aura un niveau d'accélération très élevé alors que le conducteur a plutôt la sensation de circuler à vitesse constante.

C'est pour cette raison que les boîtes CVT n'arrivent à percer significativement le marché des boîtes de vitesses. Audi a par exemple abandonné cette architecture de boîte (dénommée Multitronic) au profit d'une boîte à double embrayage. De fait, dans les dernières déclinaisons de sa transmission, Audi privilégiait plutôt le concept de 7 rapports virtuels plutôt que d'exploiter au maximum les qualités d'une CVT pour les raisons expliquées ci-avant.

Véhicules hybrides et électriques

Les véhicules électriques ne font pas appel, à l'heure actuelle, à une quelconque boîte de vitesses. En fait, les moteurs électriques ont une plage d'utilisation bien plus large que celle d'un moteur thermique. De fait, il n'y a guère qu'un réducteur entre le moteur et le différentiel. Néanmoins, cette situation pourrait évoluer dans les années à venir afin, notamment, de diminuer la consommation électrique à haute vitesse.

Dans le cas des motorisations hybrides, la situation est différente. Suivant le montage, le moteur électrique délivre sa puissance via un simple réducteur (BMW i3), une boîte de vitesses robotisée (Audi A3 Sportback e-tron) ou un train épicycloïdal (Toyota Prius, Chevrolet Volt) dont le principe de fonctionnement n'est pas sans rappeler celui d'une transmission à variation continue.

Crédits photos: Renault (image d'entête) / Wikimedia Commons (levier de boîte de vitesses manuelle Ferrari, train épicycloïdal) / Guillaume Darding (boîte de vitesses manuelle éclatée) / BMW (boîte de vitesses séquentielle) / Citroën (levier de boîte de vitesses robotisée) / Mercedes (boîte de vitesses automatique) / Audi, Volkswagen (boîte de vitesses à double embrayage, CVT à chaîne) / Nissan (CVT à courroie) / General Motors (motorisation hybride)