8-boites de vitesses

L B it d itLes Boites de vitesses

1Cours ‐ Chapitre n°8 : Boites de vitesses

1. Généralités

• La capacité du moteur ( couple moteur) doit être supérieure à la charge (couple résistant) pour les vitesses pluspetites que celle du point de fonctionnement et inférieure pour les vitesses plus grandes.

• A, B, C et D représentent 4 types de courbes de couplerécepteur• a, b, c et d représentent les points de fonctionnements de, , p pl'ensemble moteur‐récepteur• Le couple moteur est bien adapté aux cas des charges A etB mais inadapté aux cas des charges C et D.

• Pour des machines fonctionnant à des régimes variables l’utilisation d’uneb i d i é i j l i é d ( lboite de vitesses est nécessaire pour ajuster la capacité du moteur ( couplemoteur) à la charge (couple résistant) en faisant continuellementfonctionner son moteur dans sa plage optimale de fonctionnement

Il ' i d d' bl d éd di é d ê b î• Il s'agit donc d'un ensemble de réducteurs disposés dans une même boîte.

• La dénomination "boîte de vitesses" est en partie erronée, puisque, enréalité, son rôle est d'adapter le couple.


2. Fonction

La boite de vitesses permet, en utilisant le moteur à son régimeoptimum :• de réduire la vitesse de la transmission tout en multipliant le couple;• d’inverser le sens de rotation;• de mettre au point mort, c’est‐à‐dire de supprimer toute liaisonentre le moteur et le récepteur.

3. Caractéristiques cinématiques et dynamiques d’une boite de vitesses

Rendement

Le rendement d’une boite de vitesses est le rapport entre la puissance

11

22

1

2

ωωη

CC

PP

==

Le rendement d une boite de vitesses est le rapport entre la puissancede sortie et la puissance d’entrée:

- η est le rendement de la boîte compris entre 0 et 1, - ω la vitesse angulaire

où :

Dans une boite de vitesses à engrenages (transmission par obstacle), la perte de puissance n’affecte pas lavitesse

Rapport des vitesses- C le couple.

2

12,1 ω

ω=i où i1,2 est le rapport de transmission du train d’engrenages actif

de la boite de vitessesRapport des couplesRapport des couples

Dans une boite de vitesses à engrenages c’est le couple qui sera affecté par la perte de puissance. Le rapportdes couples s’écrit:

PC ω


2,12

1

1

2

1

2 .iPP

CC η

ωω

==

4. Classification

On pourra distinguer les boîtes de vitesses selon:

• la technologie des réducteurs: par engrenages classiques, train épicycloïdal, courroie... • le système de commande : manuelle, semi‐automatique, automatique, séquentielle... • la synchronisation : permettant de changer de rapport en marche ou à l'arrêt. •l'orientation (longitudinale ou transversale) qui n'a d'influence que sur les liaisons avec l'arbre moteur et le différentiel.

Type de trains mis en œuvre

Nombre d’arbres

Configuration Mécanismes intervenantdans le fonctionnement

Ordinaires 2 1: arbre primaire • Levier de manœuvreOrdinaires(boite deVitesses manuelle)

2 1: arbre primaire2 : arbre secondaire

• Levier de manœuvre• Fourchettes et coulisseaux• Systèmes de verrouillage

clavette coulissante (ou équivalent)

( ) b l d ( )3 1 b i i

1

2

ou pignon(s) baladeur(s)ou crabotsou synchroniseurs

3 1: arbre primaire2 : arbre secondaire2’ : arbre intermédiaire

1

2’

2

Epicycloïdal(aux) (boite de vitesses automatique’)

Valable(coaxiaux)

1: arbre primaire2 : arbre secondaire

Levier de sélectionPédale d’accélérateur (kick‐down)Capteurs diversCentrale électroniqueCircuit de puissance hydraulique

1 2Circuit de puissance hydrauliqueFreins Embrayages pour engrenagesRoues libresTrain(s) épicycloïdal(aux) simple (s)T i à d bl t llit


Train à double satelliteConvertisseur de couple

5. Organes communs aux boites de vitesses

5.1 Crabots

Crabotage à plat ou à bossage

• Le baladeur craboteur est cannelé intérieurement. De cette façon, il tourne avec l'arbrequi le porte et peut coulisser sur lui.•Il porte des crabots (bossages) sur ses faces latérales, en regard des deux pignons qu'ilaura à craboteraura à craboter.•On le déplace latéralement grâce à une fourchette de commande venant s'engager dansune gorge circulaire extérieure G.•On sait que les pignons situés de part et d'autre du baladeur sont fous sur l'arbre, maissans déplacement latéral Ils sont toujours en prise sur leur correspondant de l'arbresans déplacement latéral. Ils sont toujours en prise sur leur correspondant de l arbresecondaire.• Ces pignons portent, sur leur face, en regard du baladeur, des encoches dans lesquellesviennent s'engager les crabots du baladeur. Ceci les rendent solidaires en rotation avecl’arbrel arbre .

Crabotage à pignon craboteur

• Les pignons et le baladeur sont montés comme précédemment.•La différence est que l'on substitue des dents aux crabots ou encoches•La différence est que l on substitue des dents aux crabots ou encoches.• Ces dents possèdent une entrée de denture qui facilitera l'engagement.• Le baladeur porte, dans la première figure, qu'on vous présente, une denture extérieure,alors que celle du pignon est intérieure.• On peut concevoir comme sur la deuxième figure une denture extérieure sur le pignon• On peut concevoir, comme sur la deuxième figure, une denture extérieure sur le pignonet une intérieure sur le baladeur, le principe ne change pas.

5Cours ‐ Chapitre n°8: Boites de vitesses

5. Organes communs aux boites de vitesses5.2. Synchroniseurs

• Les synchro fonctionnent tous suivant le même principe malgré leurs diversification. Leurs fonction est d’égaliser deuxfréquences angulaires pour réaliser le crabotage entre les deux éléments tournants sans chocfréquences angulaires pour réaliser le crabotage entre les deux éléments tournants sans choc.

• On y arrive en adjoignant au dispositif de crabotage un petit embrayage. Celui‐ci aura pour rôle d'amenerprogressivement la vitesse du pignon à celle du baladeur. L'ensemble du dispositif constituant le "synchroniseur".

synchroniseur à billes.

• Nous allons présenter ici deux constructions différentes.

• P et H sont des pignons fous munis de crabots G et comportant une surface p g pconique mâle, ils sont montés libres sur l'arbre secondaire S.

• Ce dernier possède des cannelures sur lesquelles peut glisser le moyeu M qui est muni d'une surface conique femelle.q

• Le baladeur C possédant les dentures intérieures de crabotage F, est relié au moyeu M par les cannelures intérieures et de ce fait est entraîné par l'arbre secondaire S.

• Le baladeur C est également muni d'une gorge sur sa surface extérieure pour recevoir une fourchette de commande de vitesses.

• Des billes A poussées par des ressorts logés dans le moyeu viennent s'engager dans une gorge intérieure du baladeur C, ce qui freine son mouvement, le long de l'axe de l'arbre, par rapport au moyeu.



5.2. Synchroniseurs

synchroniseur à billes.• On suppose qu'on agisse sur le levier de commande pour déplacer le baladeur C vers lagauche.

• Étant donné que celui‐ci est solidaire du moyeu par les billes A, l'ensemble baladeur ‐ moyeuva vers la gauche en coulissant sur les cannelures de l'arbre.

• L'ensemble du synchroniseur est étudié de telle sorte que tout d'abord la surface conique dumoyeu vienne en contact avec la partie conique mâle du pignon P.

• La force de frottement entre les deux surfaces coniques produit un couple qui agit sur lepignon P et tend à égaliser sa vitesses angulaire avec celle de l'arbre S.

• Si on augmente la force sur la fourchette pour déplacer le baladeur C les billes A sontpoussées vers l'intérieur du moyeu M et le baladeur C glisse sur le moyeu M.

• Par la suite les dents F du baladeur viennent en prise sur les crabots G du pignon.Ainsi le pignon devient solidaire de l'arbre S.

•Les dentures G et F sont pourvues d'entrées prononcées pour faciliter l'engagement.

é è•Le principal inconvénient de ce système est que pour solidariser le baladeur C avec un moyeuM, les ressorts doivent être assez durs, et que pour débloquer les deux pièces, il faut un effortassez important de la part du conducteur.



5.2. Synchroniseurs

synchroniseur à clavettes

Position repos ou point mortL’anneau de synchronisation est écarté du pignon fou et le baladeur est en position milieu.

Passage du rapport: Synchronisation et crabotage

• Le baladeur (2) se déplace vers la gauche et par l’intermédiaire des 3 clavettes qui lui sontsolidaires pousse l’anneau de synchronisation (3)solidaires pousse l anneau de synchronisation (3).

• Grâce au frottement de l’anneau de synchronisation (3) , la vitesse du moyeu (1) a rejoint celledu pignon fou (4).

• Si on augmente la force sur la fourchette pour déplacer le baladeur (2) le clavettes sontpoussées vers l'intérieur du moyeu (1) et le baladeur (2) glisse sur le moyeu (1).

•Le baladeur (2) se crabote alors avec le pignon fou Le rapport est ainsi engagéLe baladeur (2) se crabote alors avec le pignon fou. Le rapport est ainsi engagé.


5.3. Fourchette


Une fourchette est destinée à commander la translation d’un pignon baladeur d’un crabot ou d’un synchroniseur. Les figures ci‐dessous proposent deux solutions différentes concernant la forme et le mouvement de celle‐ci.

Fourchette solidaire d’un coulisseau :mouvement de translation rectiligne.

Fourchette articuléeFourchette articulée


5.3. Le verrouillage des fourchettes


• Ce système a pour but d'immobiliser les fourchettes dans des positions définies.

• Il est constitué généralement par une bille logée dans un perçage pratiqué radicalement dans un desalésages servant au guidage de la tige. Cette bille est poussée par un ressort contre la tige sur laquelle sontfraisés les crans correspondants chacun à l'une des positions que doit occuper la tige.

• Ainsi, lorsque la bille a pénétré dans un cran, il y a verrouillage de la fourchette et il faut exercer un certaineffort sur le levier de changement de vitesses pour que la bille s'efface de son logement et libère la tige.

• La bille peut être remplacée parfois par un bonhomme d'arrêt.


5.4. Pignons et arbres


• Le silence de fonctionnement impose l’emploi de roues à denture hélicoïdales.

•Le dimensionnement des dents dépend de la résistance pratique à l’extension du matériau, (Rpe), de lapression de Hertz ( PHz) admissible et du couple transmis.

•Ce dernier change suivant le rapport sélectionné. De plus, les durées de fonctionnement pour chacun desrapports ne sont pas identiques

•Les roues et pignons sont fabriqués en aciers faiblement alliés de type 27CD4 OU 27MC5, et ils subissent untraitement de carbonitruration (traitement de surface thermochimique au carbone et à l’azote) et une trempeà l’huile.

•Une boite de vitesses comporte deux types de pignons:Les pignons en liaison encastrement ( avec l’arbre)Les pignons en liaison pivot ( avant sélection d’un rapport par crabots ou synchronisateur) par rapport àl’arbre.

•L’ensemble des pignons en liaison encastrement avec l’arbre peut former un élément monobloc (les pignonssont alors nommés, pignons arbrés). C’est une solution idéale pour conférer à l’ensemble une grande raideur.

•Quand la solution précédente est non réalisable, le pignon peut être rapporté sur l’arbre par clavettes oul f d l ’ l d’ l dé blcannelures ou par frettage ou soudure ; il s’agit alors d’une solution non démontable.

Pignon

Pignon rapporté sur l’arbre par cannelure


garbré

6. Boites de vitesses a deux et trois arbres a commande manuelle.

6.1. Boites de vitesse à deux arbres

• La figure 1 représente une boite de vitesses à deux arbres à pignonbaladeur unique.• La figure 2 représente une boite de vitesses à deux arbres à pignonbaladeurs multiples.p• La figure 3 représente une boite de vitesse â deux arbres à synchroniseurs(pignon baladeur M pour la marche arrière).

Figure 1

Figure 2


Figure 3

5. Boites de vitesses a deux et trois arbres a commande manuelle.

6.2. Boites de vitesse à trois arbres


6. Boite de vitesses manuelle

6.3. Exemple

Rapport engagé : 1ère Rapport engagé : 2ème Rapport engagé : 3ème

Rapport engagé : 4ème Rapport engagé :5ème


6. Boite de vitesses automatique• L’opérateur d’une boite de vitesses classique manœuvre le levier de changement de vitesse après avoir débrayé afin d’adapter le couple moteur au couple résistant.

• La transmission automatique assure le changement des vitesses sans l’intervention de l’opérateur.

• Les boites de vitesses automatiques se composent généralement d’une association de trains épicycloïdaux à un convertisseur de couple hydrauliqueconvertisseur de couple hydraulique.

• Une boite de vitesses peut comporter plusieurs trains épicycloïdaux; en automobile, où on utilise plus fréquemment une combinaison de quatre vitesses, il y aura deux trains épicycloïdaux.

• On obtient les différents rapports de démultiplication en solidarisant certains éléments mobiles (planétaires ou porte‐satellite) ou en immobilisant certains autres.

•Pour assurer ces opérations, on utilise en général des embrayages ou des freins à disques multiples travaillant dansPour assurer ces opérations, on utilise en général des embrayages ou des freins à disques multiples travaillant dans l’huile.


Train épicycloïdal a 2 entrées E ‐ arbre d'entrée de boîte en forme de tambour. train épicycloïdal : 1 arbre planétaire primaire (25 dents)1 ‐ arbre planétaire primaire (25 dents) 2 ‐ arbre planétaire secondaire (32 dents) 3 ‐ 3 pignons satellites primaires (15 dents) 4 ‐ 3 pignons satellites secondaires (15 dents) 5 porte satellites5 ‐ porte‐satellites 6 ‐ couronne planétaire à denture intérieure reliée à l'arbre récepteur (64 dents) 7 ‐ roue libre du train planétaire ‐ (anti‐recul en côte) 8 ‐ roue libre embrayage C ‐ (point de réaction) 9 pistons de commande des embrayages

Cours ‐ Chapitre n°8 : Boites de vitesses 16

9 ‐ pistons de commande des embrayages

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