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Introduction à la technologie des boîtes de vitesses manuelles
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Introduction à la technologie des boîtes de vitesses manuelles

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Aperçu des différents types de transmissions

Nous pouvons définir deux principaux types de transmissions, les transmissions manuelles (BVM) et les transmissions automatisées. Les transmissions automatisées sont elles-mêmes divisées en 4 sous-groupes :

  • Transmission automatique classique (BVA), avec train épicycloïdal (pas de rupture de couple durant le changement de rapport)
  • Transmission à variation continue (CVT), avec des poulies coniques (infinité de rapports entre le rapport le plus bas et le plus haut)
  • Transmission manuelle automatisée (AMT). Il s’agit d’une boîte de vitesses manuelle avec des actionneurs automatiques pour le débrayage et les changements de rapport (rupture de couple durant le changement de rapport)
  • Transmission à double embrayage (DCT ou DSG), avec 2 embrayages qui permettent de présélectionner le rapport supérieur ou inférieur (presque aucune rupture de couple lors des changements de rapport)

Il existe par ailleurs deux configurations de disposition de la boîte dans un véhicule conventionnel :

  • Av/Av (Moteur avant, traction -Roues avant motrices- )
  • Av/Ar (Moteur avant, propulsion -Roues arrière motrices- )

On peut remarquer que tous ces types de boîte et configurations permettent une adaptation pour des applications 4 roues motrices.

Parts de marché des transmissions

En comptant tous les types de transmissions, nous pouvons dire que la tendance des volumes de transmissions suit celle des volumes de véhicules. Le graphique suivant montre l’évolution des volumes à travers le monde au cours des dernières années, avec des prévisions allant jusqu’en 2015.

Evolution du marché des transmissions

Une baisse de volume importante est observée autour de 2008, en raison de la crise de l’industrie automobile. Cependant, à partir de 2010, la tendance est de nouveau à la croissance grâce à la production élevée de véhicules au Brésil, en Russie, en Inde et en Chine (BRIC).

En 2009, le marché mondial des transmissions pour voitures particulières est estimé à environ 60 millions d’unités avec une répartition égale entre boîtes automatisées et manuelles. Le marché BRIC est le plus important avec 19 millions d’unités suivi par l’Europe (16 millions), l’Amérique du Nord (12 millions) et le Japon avec 5 millions d’unités.

La répartition entre boîtes automatisées et manuelles varie beaucoup entre les régions principalement pour des raisons historiques et culturelles :

  • Europe : 77% BVM / 23% Transmissions automatisées
  • Amérique du Nord : 9% BVM / 91% Transmissions automatisées
  • Japon : 18% BVM / 82% Transmissions automatisées
  • BRICs : 83% BVM/ 17% Transmissions automatisées

Cependant, la répartition est en train de changer dans certaines régions, principalement en raison du contexte écologique. Par exemple, la répartition en 2009 et celle prévue en 2015 sont comparées en Europe occidentale dans le graphique suivant :

Répartition du type de transmission en Europe occidentale

On peut dire que la part de BVM diminue, au profit de la part de DCT. Ceci s’explique par le fait que la technologie DCT est aujourd’hui mature et peut apporter une réelle économie de carburant par rapport aux BVM.

Les principaux fabricants de BVM peuvent être divisés en deux catégories, les fabricants historiques basés sur les marchés historiques et les nouveaux venus qui apparaissent dans les marchés émergents.

En Europe, les constructeurs automobiles fabriquent en général leurs propres transmissions manuelles, même si certains fournisseurs tels que ZF ou Getrag sont de plus en plus présents sur le marché. C’est la même situation au Japon, où Toyota, Honda ou Nissan fabriquent leur propres BVM de même qu’Aisin ou Jatco en tant que fournisseurs. Dans les BRIC, les nouveaux venus sont Tata, BYD, FAW, Tsingshan ou WIA.

Définition et fonction d’un système de transmission

La boîte de vitesses est un dispositif de transfert de puissance que ce soit une BVM ou une BVA. Ce dispositif permet le décollage du véhicule, le transfert de la puissance du moteur aux roues motrices, vers l’avant et en marche arrière, en fonction de la demande du conducteur et il permet d’obtenir une répartition adéquate du couple et de la vitesse de rotation entre les roues motrices droite et gauche.

Pour réaliser ces fonctions, le dispositif de transmission est composé de :

  • Un dispositif de couplage découplage du moteur (p.ex. embrayage ou convertisseur hydraulique)
  • Plusieurs rapports de réductions (p.ex. roues dentées ou poulies)
  • Un système permettant de changer de rapport (p.ex. synchroniseurs, actionneurs hydrauliques, …)
  • Un système de distribution du couple (différentiel)
  • Une connexion avec les roues respectant leurs degrés de liberté (articulations et arbres de transmission)
  • Une connexion avec le conducteur (levier de vitesses, palettes au volant, affichage…)

Un exemple de transmission est présenté dans l’image ci-dessous (ici une boîte manuelle Renault PK4) :

Boîte de vitesses manuelle Renault PK4

Concentrons-nous maintenant sur les demandes fonctionnelles de la boîte de vitesses manuelle.

Demandes fonctionnelles de la transmission manuelle

Les demandes fonctionnelles sont divisées en 5 parties :

  • Consommation de carburant et performances
  • Intégration au véhicule et architecture
  • Acoustique
  • Qualité du passage de rapports
  • Fiabilité

Cet article ne portera que sur le premier item. Les autres points seront abordés dans un prochain article dédié.

Consommation de carburant et performances

Les véhicules sont généralement équipés d’un moteur à combustion interne qui délivre son couple ou sa puissance maximale sur une plage limitée de régime. Ainsi, avec seulement une démultiplication entre le moteur et les roues, le conducteur atteindrait les limites du moteur sur une petite plage de vitesse véhicule. En outre, il est nécessaire d’atteindre la puissance maximale du moteur dans différentes conditions de vitesse véhicule :

  • Basse vitesse : Démarrages, montée de pente
  • Haute vitesse : Autoroutes
  • Vitesse moyenne : Dépassements, montée de pente

Il est alors nécessaire d’interposer entre le moteur et les roues motrices un système de transmission qui offre différents rapports de réduction de vitesse et de couple. Cette variation de vitesse permet une utilisation rationnelle du moteur grâce à un étagement adapté des rapports dans la transmission.

La méthodologie pour la conception des rapports de réduction selon les spécifications du véhicule et du moteur peuvent être trouvées dans l’article Méthodologie pour la conception de rapports de boîte manuelle.

Les critères d’évaluation pour la conception des rapports de boîte sont les suivants :

  • Consommation de carburant à vitesse stabilisée (90 km/h, 120 km/h et 150 km/h)
  • Consommation de carburant sur cycles de conduite (NEDC, cycle client, …)
  • Indice de performance (Par exemple, Renault tient en compte la masse du véhicule, la puissance max et le couple du moteur, le S.Cx et la vitesse du véhicule à 1000 tr/min sur les 2 rapports les plus élevés)
  • Performances du véhicule:
    • Capacité de démarrage et agrément
    • Accélération au démarrage (0 à 100 km/h, 0 à 400 m ou 0 à 1000 m)
    • Vitesse max sur le dernier rapport
    • Accélération en roulant (30 à 60 km/h en 3ème, 80 à 120 km/h en 4ème, en 5ème ou en 6ème)

Lors du choix du premier rapport de transmission, il est nécessaire de considérer la capacité de décollage, y compris dans des conditions de remorquage. Les valeurs classiques pour un rapport de première vitesse sont de 18 à 12 impliquant que le véhicule soit approximativement entre 6,5 et 10 km/h à 1000 tr/min.

Pour concevoir le rapport de démultiplication final, la vitesse maximale, la consommation de carburant et les émissions sur les cycles d’homologation sont pris en considération. Les valeurs classiques pour le rapport de démultiplication final sont de 3 à 2,2, soit entre 40 et 55 km/h à 1000 tr/min.

Pour le choix des rapports intermédiaires, les ingénieurs tiennent compte de l’agrément et de l’accélération en roulant mais aussi la consommation de carburant sur cycle.

Lorsque tous les rapports de démultiplication sont choisis, « l’ouverture » est calculée comme étant le premier rapport de démultiplication divisé par le rapport de démultiplication final. Cet indicateur exprime le typage de la boîte de vitesses manuelle. Les valeurs classiques sont généralement comprises entre 4 (Boîte orientée performances) et 7 (Boîte orientée économie de carburant). Un exemple de valeurs de rapports de démultiplication pour la boîte de vitesses PK4 Renault est présenté dans le tableau ci-dessous :

Caractéristiques de la boîte PK4

Outre la conception des rapports, deux autres facteurs influent sur la consommation de carburant du véhicule : la masse de la boîte de vitesses et son efficacité. En ce qui concerne la masse, elle est plus ou moins proportionnelle au couple que la boîte de vitesses peut transmettre. Il est dit que la relation est d’environ 1 kg / 10 Nm. Le rendement de la boîte dépend principalement des pertes dues aux frottements des engrenages et des roulements. L’évaluation de ces pertes permet de calculer la consommation de carburant du véhicule qui est due à la boîte.

Le graphique ci-dessous présente le couple de traînée en fonction de la capacité de couple de la boîte (en 5ème à 2000 tr/min avec 30 Nm de couple à 50 ° C) :

Couple de trainée pour les BVM

On peut dire que le couple de traînée augmente proportionnellement avec la capacité de couple. Pour les BVM actuelles, la partie de la consommation de carburant due aux pertes de la boîte est entre 3 et 5%, et son efficacité est comprise entre 85 à 90%. A titre de comparaison, une BVA classique peut représenter jusqu’à 20% de la consommation totale de carburant.

Conclusion

La technologie de transmission manuelle est connue depuis le 18ème siècle et est maintenant maîtrisée par les constructeurs automobiles. C’est un moyen peu onéreux et efficace pour assurer les fonctions de transmission. Pour sa conception, plusieurs paramètres sont pris en compte tels que l’économie de carburant, les performances, l’acoustique ou le packaging. Le choix des rapports de démultiplication est le moyen d’atteindre la consommation de carburant et les performances recherchées. En effet, les premiers et derniers rapports de boîte sont d’une grande importance pour la vitesse maximale, le décollage et l’économie de carburant qu’atteindra le véhicule Et enfin, l’efficacité de la boîte de vitesses est évaluée et optimisée car c’est également un contributeur à l’efficacité énergétique du groupe motopropulseur.

Source: Renault
L’avis de Romain Nicolas :

La transmission manuelle est aujourd’hui la meilleure solution pour le transfert de couple / puissance d’un moteur. Je veux dire que ce n’est peut-être pas le plus confortable, peut-être pas le plus économe en carburant ni la plus facile à intégrer dans un véhicule, mais c’est le meilleur compromis entre ces paramètres et le coût. En effet, la DCT offre une meilleure économie de carburant, la BVA offre un meilleur confort, mais ils sont à la fois plus coûteux et lourd qu’une BVM. Bien sûr, cela dépend clairement du marché et des habitudes des clients, car par exemple, la BVM n’est pas acceptée sur le marché américain, même si elle est plus économe en carburant que la BVA. Je pense que même si la BVM est une technologie ancienne, elle a encore un fort potentiel de croissance sur les marchés axés sur les coûts comme l’Inde ou la Chine. Pensez-vous que la part de BVM dans le mix restera la même en 2020? Comment pensez-vous que client final influe sur ce mix?

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