BOITE DE VITESSES CLASSIQUES

# BOITE DE VITESSES CLASSIQUES ## Technologie des boîtes de vitesses à trains parallèles ### Introduction Bienvenue à cette leçon sur la technologie des boîtes de vitesses à trains parallèles. La boîte de vitesses est un composant essentiel de tout véhicule automobile. Elle permet au conducteur d'adapter la vitesse et le couple du moteur aux conditions de conduite, que ce soit pour démarrer en douceur, monter une pente raide ou rouler à grande vitesse sur autoroute. Nous allons explorer en détail comment ces systèmes fonctionnent, leurs composants principaux et les principes qui régissent leur conception. ### Concepts Clés #### 1. Rôle de la boîte de vitesses La boîte de vitesses a deux fonctions principales : * **Adapter le couple moteur** : Le moteur a une plage de régime optimale. La boîte de vitesses permet de multiplier le couple disponible aux roues pour le démarrage et l'accélération. * **Adapter la vitesse de rotation** : Elle permet de faire varier la vitesse des roues par rapport à celle du moteur, afin d'optimiser le rendement énergétique et les performances du véhicule. * **Inverser le sens de rotation** : Elle offre la possibilité de faire reculer le véhicule. #### 2. Architecture et composants des boîtes à trains parallèles Les boîtes de vitesses à trains parallèles sont les plus courantes dans les véhicules modernes (manuelles et automatiques à double embrayage). Elles sont caractérisées par des arbres parallèles sur lesquels sont montés les pignons. ##### A. Les arbres * **Arbre primaire (ou arbre d'entrée)** : Reçoit le mouvement du moteur via l'embrayage. * **Arbre secondaire (ou arbre de sortie)** : Transmet le mouvement aux roues motrices (via le différentiel). * **Arbre intermédiaire (ou arbre de renvoi)** : Présent dans certaines configurations, notamment les boîtes où l'arbre primaire et secondaire ne sont pas alignés, ou pour la marche arrière. ##### B. Les pignons * Les pignons sont des roues dentées qui s'engrènent les uns avec les autres pour transmettre le mouvement et modifier le rapport de vitesse. * Dans une boîte à trains parallèles, les pignons de l'arbre primaire et secondaire sont en prise permanente pour chaque rapport. ##### C. Le système de sélection et de synchronisation * **Baladeurs (ou manchons de crabotage)** : Ce sont des pièces coulissantes qui solidarisent un pignon libre sur un arbre avec cet arbre. Lorsque le baladeur est engagé, le pignon transmet le mouvement à l'arbre. * **Synchroniseurs** : Leur rôle est d'égaliser la vitesse de rotation entre le pignon et le baladeur avant l'engagement pour éviter les chocs et faciliter le passage des vitesses. Ils sont composés de cônes de friction qui freinent ou accélèrent le pignon à la même vitesse que l'arbre sur lequel il doit être solidarisé. #### 3. Principe de fonctionnement Le moteur entraîne l'arbre primaire. Sur cet arbre, des pignons sont fixes ou tournent librement. En face, sur l'arbre secondaire, d'autres pignons sont montés. Pour chaque rapport de vitesse, un train de pignons est sélectionné. Le conducteur, via le levier de vitesses, déplace un baladeur qui, grâce au synchroniseur, accouple un pignon (qui tournait librement) à l'arbre secondaire. Le mouvement est alors transmis à travers ce train de pignons spécifique. ##### A. Changement de rapport 1. **Débrayage** : Le conducteur désaccouple le moteur de la boîte de vitesses. 2. **Sélection** : Le levier de vitesses déplace la fourchette de sélection, qui fait coulisser le baladeur. 3. **Synchronisation** : Le synchroniseur agit sur le pignon pour égaliser les vitesses de rotation. 4. **Crabotage** : Le baladeur engrène sur le pignon, le solidarisant avec l'arbre. 5. **Embrayage** : Le conducteur ré-accouple le moteur à la boîte de vitesses. #### 4. Calcul du rapport de transmission (démultiplication) Le rapport de démultiplication \( i \) pour un train d'engrenages est calculé en divisant le nombre de dents du pignon mené (recevant le mouvement) par le nombre de dents du pignon menant (transmettant le mouvement). Pour un seul couple de pignons : \[ i = \frac{Z_{\text{menée}}}{Z_{\text{menante}}} \] Pour une boîte de vitesses à trains parallèles, si l'arbre intermédiaire est utilisé, le rapport global est le produit des rapports de chaque étage : \[ i_{\text{global}} = i_{\text{étage 1}} \times i_{\text{étage 2}} = \frac{Z_{\text{menée 1}}}{Z_{\text{menante 1}}} \times \frac{Z_{\text{menée 2}}}{Z_{\text{menante 2}}} \] Un rapport \( i > 1 \) signifie une démultiplication (augmentation du couple, diminution de la vitesse). Un rapport \( i < 1 \) signifie une surmultiplication (diminution du couple, augmentation de la vitesse). #### 5. Lubrification de la boîte de vitesses L'huile de boîte de vitesses assure plusieurs fonctions vitales : * **Réduire le frottement** et l'usure entre les pignons et les roulements. * **Dissiper la chaleur** générée par le fonctionnement. * **Nettoyer** les composants en emportant les particules métalliques. * **Protéger** contre la corrosion. ### Vocabulaire * **Arbre primaire** : L'axe d'entrée de la boîte de vitesses, connecté au moteur. * **Arbre secondaire** : L'axe de sortie de la boîte de vitesses, connecté aux roues. * **Pignon** : Roue dentée utilisée pour transmettre le mouvement. * **Baladeur (Manchon de crabotage)** : Pièce coulissante qui engrène un pignon avec un arbre. * **Synchroniseur** : Mécanisme qui égalise les vitesses de rotation avant l'engagement d'un rapport. * **Rapport de démultiplication** : Le rapport entre le nombre de dents du pignon mené et celui du pignon menant, indiquant la réduction ou l'augmentation de la vitesse et du couple. * **Couple** : Force de rotation. * **Vitesse de rotation** : Mesurée en tours par minute (tr/min). * **Crabotage** : Action d'engager un pignon sur un arbre via un baladeur. ### Exemples #### Exemple 1 : Calcul de rapport Imaginons un 1er rapport avec un pignon menant sur l'arbre primaire de 15 dents et un pignon mené sur l'arbre secondaire de 45 dents. Le rapport de démultiplication \( i = \frac{Z_{\text{menée}}}{Z_{\text{menante}}} = \frac{45}{15} = 3 \). Cela signifie que pour 3 tours de l'arbre primaire, l'arbre secondaire fera 1 tour. Le couple est donc multiplié par 3 (en ignorant les pertes), et la vitesse est divisée par 3. #### Exemple 2 : Fonctionnement du synchroniseur Lorsque vous passez de la 2ème à la 3ème vitesse : 1. Vous débrayez, et la vitesse du pignon de 3ème sur l'arbre secondaire est différente de celle de l'arbre. 2. En poussant le levier, le synchroniseur pousse son cône de friction contre le cône du pignon de 3ème. Cela frotte et fait accélérer ou ralentir le pignon pour qu'il atteigne la même vitesse de rotation que l'arbre secondaire. 3. Une fois les vitesses égalisées, le baladeur peut glisser sans choc pour solidariser le pignon de 3ème à l'arbre secondaire. ### Exercices 1. Quel est le rôle principal d'une boîte de vitesses dans un véhicule ? (Expliquez en vos propres mots) 2. Citez les trois types d'arbres que l'on peut trouver dans une boîte de vitesses à trains parallèles. 3. Expliquez l'importance du synchroniseur lors du passage des vitesses. Que se passerait-il sans lui ? 4. Calculez le rapport de démultiplication pour un rapport où le pignon menant a 20 dents et le pignon mené a 50 dents. Est-ce une démultiplication ou une surmultiplication ? 5. Quelles sont les fonctions de l'huile de boîte de vitesses ? ### Devoirs 1. Décrivez en détail le processus de passage d'une vitesse supérieure (par exemple, de la 2ème à la 3ème) dans une boîte de vitesses manuelle, en mentionnant tous les composants clés et leurs actions. 2. Une boîte de vitesses possède les caractéristiques suivantes : * 1er rapport : pignon menant = 18 dents, pignon mené = 54 dents. * 5ème rapport : pignon menant = 30 dents, pignon mené = 25 dents. Calculez le rapport de démultiplication pour le 1er et le 5ème rapport. Quel rapport offre la plus grande démultiplication ? Quel rapport est une surmultiplication ? 3. Recherchez la différence entre une boîte de vitesses à trains parallèles et une boîte de vitesses à arbres coaxiaux. Quels sont les avantages et inconvénients de chacune ? ### Résumé La boîte de vitesses à trains parallèles est un élément fondamental de la transmission automobile, permettant d'adapter le couple et la vitesse du moteur aux besoins de conduite. Elle se compose d'arbres, de pignons, de baladeurs et de synchroniseurs. Le principe repose sur la sélection de différents trains d'engrenages pour obtenir un rapport de démultiplication variable, calculé par la formule \[ i = \frac{Z_{\text{menée}}}{Z_{\text{menante}}} \]. Le synchroniseur est crucial pour un passage de vitesses fluide et sans heurts. Enfin, une bonne lubrification est indispensable pour la longévité et le bon fonctionnement de la boîte. La compréhension de ces concepts est essentielle pour quiconque s'intéresse à la mécanique automobile.