Transmissions — Comparaison des boîtes de vitesses manuelles, automatiques, à variation continue (CVT) et à double embrayage (DCT)

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0. Ce que cet article explique

Pourquoi une roue ne peut pas être simplement couplée à un moteur et pourquoi un rapport de réduction est nécessaire.
Les différences en matière d'éléments mécaniques, de rendement, de chaleur et de contrôle entre les boîtes de vitesses manuelles (MT), les boîtes automatiques à convertisseur de couple (AT), les boîtes à variation continue (CVT) et les boîtes à double embrayage (DCT).
Des exemples, notamment la boîte ZF 8HP, le système de répartition de puissance planétaire THS de Toyota et les boîtes DCT, ainsi que la raison pour laquelle les véhicules électriques sont souvent équipés d'un réducteur.

1. En résumé : qu'est-ce qu'une transmission ?

Une transmission convertit la vitesse et le couple du moteur principal pour les adapter à la vitesse, à la pente et à la charge du véhicule. Définissons ici le rapport de réduction $i$ comme le rapport entre l'entrée et la sortie. Pour le couple d'entrée $T_i$ , le couple de sortie $T_o$ , la vitesse d'entrée $\omega_i$ et la vitesse de sortie $\omega_o$ ,

i=\frac{\omega_i}{\omega_o},\qquad \left.\frac{T_o}{T_i}\right|_{\eta_g=1}=i,\qquad \frac{T_o}{T_i}=\eta_g i,\qquad P_o=\eta_g P_i

La relation intermédiaire correspond au cas idéal sans perte ; Le rapport de réduction inclut les pertes dues aux engrenages, aux roulements et à l'huile, ce qui influe sur le rendement ( $\eta_g$ ). Un rapport de réduction plus élevé ( $i$ ) augmente le couple aux roues, mais diminue leur vitesse de rotation.

2. Pourquoi un rapport de réduction est-il nécessaire ?

Un moteur à combustion interne n'est efficace et coupleux que sur une plage de régimes limitée et ne peut pas tourner à l'arrêt. Les roues doivent pouvoir atteindre la vitesse de croisière, depuis l'arrêt complet jusqu'à la vitesse autoroutière. Le démarrage nécessite donc une réduction importante, tandis que la vitesse de croisière en nécessite une plus faible. Les moteurs électriques offrent un couple élevé à bas régime et une large plage de puissance constante, ce qui leur permet de se passer de plusieurs rapports. Cependant, les véhicules lourds, les vitesses élevées et le remorquage peuvent justifier deux rapports, voire plus.

Un embrayage absorbe la différence de vitesse et la déconnecte ; un différentiel permet une différence de vitesse entre les roues gauche et droite. Le rendement de la transmission inclut donc les interruptions de changement de vitesse, les pertes de la pompe hydraulique, le refroidissement et le logiciel de commande, et pas seulement les pertes dues à l'engrènement.

3. Architecture de base

Que se passe-t-il lorsqu'on double un rapport de réduction ?

Idéalement, la vitesse de sortie est divisée par deux et le couple est doublé. Il n'y a pas de création de puissance ; les transmissions réelles subissent également des pertes.

4. MT : le passage de vitesse le plus direct

Une boîte de vitesses manuelle (MT) demande au conducteur de débrayer, de synchroniser la vitesse de l'arbre et d'engager une vitesse. Les engrenages à prise constante sont courants : même les engrenages non utilisés tournent, tandis que les bagues de synchronisation et les crabots… Connectez celui sélectionné. La conception est mécaniquement transparente avec un minimum de contrôle hydraulique, mais le démarrage, les démarrages en côte et les changements de vitesse dépendent du conducteur.

5. Boîte automatique : convertisseur de couple et train épicycloïdal

Une boîte automatique classique à plusieurs rapports combine un convertisseur de couple hydraulique, des trains épicycloïdaux, des embrayages hydrauliques et un calculateur. La différence de vitesse entre la pompe, la turbine et le stator peut multiplier le couple au démarrage ; un embrayage de verrouillage réduit le patinage en vitesse de croisière. Un train épicycloïdal modifie le rapport en sélectionnant lequel de ses pignons (solaire, porte-satellites et couronne) est maintenu, entraîné ou en sortie.

ZF propose une conception 8HP qui sélectionne quatre trains d'engrenages avec cinq éléments de changement de vitesse, illustrant que plus de rapports ne signifient pas simplement plus de vitesses. Les variantes actuelles de la 8HP sont modulaires pour les véhicules thermiques, hybrides légers et hybrides rechargeables.

6. Transmission à variation continue (CVT) : rapport à variation continue

Une transmission à variation continue par courroie fait varier les rayons effectifs de deux poulies grâce à la pression hydraulique. Son rapport est :

i_{CVT}=\frac{\omega_{in}}{\omega_{out}}=\frac{r_{driven}}{r_{drive}}

Sans patinage, ωin rdrive = ωout rdriven. Un rayon d'entraînement de 50 mm et un rayon mené de 100 mm donnent i = 2, donc la vitesse de sortie est la moitié de la vitesse d'entrée.

Ce système permet de maintenir un moteur proche de son régime optimal, mais la force de serrage de la courroie, le frottement des poulies et la pompe hydraulique consomment de l'énergie. Un convertisseur de couple au démarrage ou un étage planétaire peuvent être ajoutés, et un système hybride de répartition de puissance peut gérer le circuit électrique ; deux systèmes appelés « CVT » peuvent donc présenter des flux de puissance très différents.

7. DCT : deux embrayages en alternance

Une transmission à double embrayage attribue les rapports pairs et impairs à des embrayages distincts et présélectionne le rapport suivant. Un changement de vitesse ouvre un embrayage tout en fermant l'autre, minimisant ainsi l'interruption. Un embrayage à sec présente de faibles pertes par barbotage d'huile, mais est sujet à la chaleur et à l'usure au démarrage ; un embrayage à bain d'huile refroidit mieux, mais nécessite la puissance d'une pompe.

8. Comparaison des approches

| --- | --- | --- | --- |

| Boîte automatique (AT) à plusieurs rapports | Convertisseur de couple, trains épicycloïdaux, hydraulique | Haute performance avec verrouillage | Pertes hydrauliques/de refroidissement, masse, délai de passage des vitesses |

| Boîte à variation continue (CVT) | Poulies variables | Maintien du moteur principal proche de son point d'efficacité optimale | Couple élevé, serrage de la courroie, chaleur |

| Boîte à double embrayage (DCT) | Rapports pairs/impairs et deux embrayages | Couplage mécanique important | Chaleur de l'embrayage à basse vitesse et complexité de la commande |

| Réduction pour véhicules électriques (EV) | Réduction et différentiel généralement fixes | Peu de pertes liées au rapport de transmission | Vitesse élevée, masse, limitation de vitesse du moteur |

9. Commande et choix pratiques

La commande de passage des vitesses prend en compte la vitesse du véhicule, l'accélérateur, le régime moteur, la pente, la température d'huile et l'accélération latérale. Un coût simplifié est :

J= w_f\,\mathrm{fuel}+w_s\,\mathrm{shift\ shock}+w_d\,\mathrm{delay}+w_t\,\mathrm{temperature}

L'optimisation de la consommation de carburant seule peut entraîner des changements de vitesse fréquents ou des vibrations à basse vitesse. Les systèmes électrifiés ajoutent des limitations de vitesse du moteur, l'état de charge de la batterie, le couple de récupération et la température de l'onduleur.

Sensations de conduite et simplicité d'entretien : Boîte manuelle (MT), en tenant compte de l'usure de l'embrayage et de l'effort du conducteur.
Poids du véhicule important, remorquage et confort : Boîte automatique à plusieurs rapports, en comparant le convertisseur, le système hydraulique et le refroidissement comme un système global.
Consommation à vitesse constante : Boîte à variation continue (CVT), après vérification du couple d'entrée maximal et de la capacité thermique.
Changements de vitesse rapides et réponse sportive : Boîte à double embrayage (DCT), après vérification de la température de l'embrayage en conditions de circulation dense.
Véhicule électrique de tourisme : La réduction fixe est la solution de base ; la conduite à grande vitesse et le remorquage peuvent justifier plusieurs rapports.

10. Récapitulatif en trois points

Une transmission adapte la plage de vitesse optimale du moteur principal à la large plage de vitesse des roues.

Les boîtes manuelles (MT), automatiques (AT), à variation continue (CVT) et à double embrayage (DCT) présentent des compromis entre le fonctionnement des engrenages, du système hydraulique, de la courroie et du double embrayage, et l'efficacité, la chaleur et la complexité de la commande.

Les véhicules électriques peuvent se simplifier avec une réduction fixe, mais le nombre de rapports doit être choisi en fonction de l'efficacité du système, notamment à haute vitesse, pour le remorquage et la récupération d'énergie au freinage.

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