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LA BOÎTE DE VITESSES

LPO G. Monge - P. Mohen

Nom Prénom Classe


2 LPO G. Monge - P. Mohen

1/ Mise en situation

2/ Nécessité du système

La boite de vitesses est indispensable en raison des caractéristiques du moteur à combustion interne.

Tout moteur à combustion interne a une fréquence de rotation minimum et maximum. La zone favorable

d’utilisation du moteur se situe entre ces deux limites. Le véhicule doit toujours pouvoir être entraîné,

malgré les variations de charge et des conditions de circulation, avec le régime le plus favorable. On y

parvient grâce aux différents rapports (ou vitesses) de la boite.

La boite de vitesses est également indispensable pour la marche arrière.

Rôle :

• Permet d’adapter le couple moteur au couple résistant

• Permet d’effectuer la marche arrière

• Permet d’assurer le point mort du véhicule, moteur tournant et sans débrayer

3/ Rappel des notions de couple et de puissance

Rappelons que la puissance d’un couple est donnée par la relation :

P = C . ω

ω =Π . N

30avec :

P : Puissance en watts (W)

C : Couple en newton mètre (N.m)

ω : Vitesse angulaire en radians par seconde (rad/s)

N : Vitesse de rotation en tours par minute (tr/min)



La puissance est calculée pour une fréquence de rotation du moteur déterminée que l’on appelle :

vitesse de régime. Si cette vitesse diminue, le moteur ne donne plus sa puissance.

En conséquence, la boite de vitesses d’un véhicule a pour rôle principal de permettre une multiplication

du couple moteur afin d’obtenir, sur les roues motrices, l’effort de traction ou de propulsion nécessaire

au déplacement.

ex : Courbe de couple et de puissance

La multiplication du couple s’effectue par démultiplication du mouvement ; c’est à dire de la fréquence

de rotation des organes de transmission. Ce résultat est obtenu par combinaisons d’engrenages qui

démultiplient, à la volonté du conducteur, le mouvement transmis du moteur aux roues motrices.

Cette démultiplication donne aussi la possibilité d’obtenir des allures réduites, tout en laissant tourner le

moteur dans les limites de son régime normal.



5/ La boîte de vitesses mécanique

5.1/ Constitution et fonctionnement

1 Arbre primaire 17 Baladeur - synchroniseur de 2ème / 1ère / MA

15 Pignon mené de 3ème 4 Carter d’embrayage

7 Arbre de commande 21 Bride d’arbre de transmission

10 Fourchette de 5ème 2 Butée d’embrayage

19 Couronne de différentiel 20 Couple tachymétrique

3 Fourchette d’embrayage 11 Baladeur de 5ème

22 Boîtier différentiel 9 Couvercle arrière

23 Arbre secondaire 5 Fourchette 1ère / 2èème

6 Fourchette 3ème / 4ème 16 Pignon mené de 2ème

14 Baladeur - synchroniseur de 3ème / 4ème 13 Pignon mené de 4ème

18 Pignon mené de 1ère 8 Carter de boîte de vitesses

12 Pignon mené de 5ème



5.2/ Constitution et fonctionnement

a/ Les engrenages

Ils sont constitués de pignons à denture droite ou hélicoïdale :

Les pignons à dentures droites ne sont pratiquement plus utilisés en construction automobile sauf

sur quelques véhicules lourds. Ils ont l’inconvénient d’être bruyants et de manquer de progressivité dans

l’entraînement ; une seule dent est en prise, l’effort moteur passe brusquement d’une dent à l’autre.

Les pignons à denture hélicoïdale assurent un fonctionnement silencieux avec un entraînement

progressif mais créent des actions de poussées axiales importantes, nécessitant le montage de

roulements à billes à contact oblique, ou des roulements à rouleaux coniques. L’engagement d’une dent

se produit alors que la précédente est encore en contact.

A diamètre, largeur et nombre de dents égaux, la denture hélicoïdale permet une longueur de

dent plus importante.

Fe : Force d’entraînement (provoquée par l’autre pignon)

Fr : Force radiale (c’est l’effort moteur)

Fa : Force axiale (c’est la composante nuisible)

Les pignons d’une boite de vitesses sont montés sur deux organes essentiels :

• l’arbre primaire

• l’arbre secondaire

L’arbre primaire reçoit le mouvement moteur par

l’intermédiaire de l’embrayage (arbre d’entrée). Il porte les

pignons menant. Ceux-ci sont solidaires de l’arbre et sont

disposés face à leur correspondant. On dit qu’ils sont

constamment en prise.

L’arbre secondaire porte les pignons menés ou récepteurs

qui sont montés fous et arrêtés latéralement. Il transmet le mouvement au pont : c’est l’arbre de sortie

de la boite de vitesses.

Ces deux arbres sont le plus souvent montés sur roulements.

b/ Le baladeur - synchroniseur

Pour que le couple soit transmis à l’arbre secondaire, il faut un dispositif permettant de le rendre

solidaire avec un des pignons fous selon le rapport choisi. Ce dispositif est appelé CRABOTAGE. Il est

constitué d’un balladeur-craboteur et d’un synchroniseur situés entre deux pignons.

Le balladeur-craboteur est lié en rotation à l’arbre par des cannelures ; il peut donc coulisser

latéralement sur cet arbre. Il possède de part et d’autre des créneaux qui peuvent s’emboiter avec des

créneaux similaires taillés dans un des flancs des pignons fous, réalisant la liaison en rotation avec

l’arbre.

Le synchroniseur a pour rôle d’amener le pignon et le baladeur à la même vitesse de rotation avant le

crabotage. Le synchroniseur est un embrayage à friction conique, de faible pente, car il permet pour un

faible effort de transmettre un couple important.



Fonctionnement du synchroniseur simple

La synchronisation est réalisée par le pignon à craboter, le baladeur et le moyeu.

En position repos ou “point mort”, le pignon est fou sur l’arbre.

L’anneau baladeur et le moyeu sont solidaires et tournent à la vitesse

de l’arbre.

1er temps : Synchronisation

Le conducteur sollicite, par l’intermédiaire du levier de

sélection, le déplacement de l’anneau baladeur. Mais

celui-ci entraîne, grâce à la pression des billes, le

moyeu jusqu’au contact de son cône femelle sur le

cône mâle du pignon .La friction des deux cônes a

pour effet d’amener progressivement le pignon à la

même vitesse de rotation que celle de l’ensemble

moyeu-baladeur.

2ème temps : Crabotage

Le pignon et le baladeur tournent maintenant à la

même vitesse. Le conducteur, en exerçant un effort

plus important sur le levier de sélection, dégage les

billes. Le baladeur s’engage alors dans les crabots du

pignon fou.



c/ La commande :

Le déplacement des baladeurs s’obtient par des fourchettes

qui pénètrent dans des gorges disposées sur chacun d’eux.

Ces fourchettes sont fixées chacune sur un axe. Chaque axe

est pourvu d’une encoche dans laquelle s’engage l’extrémité

du levier à main.

Lorsqu’il y a deux baladeurs, il y a deux arbres de

commande placés côte à côte. Au point mort (aucune

vitesse en prise), les encoches correspondent et

l’extrémité du levier peut, par simple oscillation

latérale, passer de l’une à l’autre. En déplaçant le

levier, on obtient le déplacement du baladeur

correspondant.

Pour être complètes, les commandes internes doivent comporter deux dispositifs de sécurité :

• l’interdiction

• le verrouillage

L’interdiction :

Si la manœuvre du doigt n’est pas effectuée de façon correcte, il est possible d’engager deux rapports à la fois. La conséquence serait

désastreuse pour la B.V.

Il faut donc un système qui empêche de manœuvrer simultanément deux axes :

Le verrouillage à disque :

Les trois axes reçoivent chacun une encoche. Elles sont face à

face quand la B.V. est au point mort.

Dans les encoches se loge un disque métallique.

Le diamètre du disque est tel que, si le disque entre

complètement dans deux encoches, la troisième encoche est

libérée.

En manœuvrant un axe, le disque est forcé de s’introduire dans les encoches des deux autres.

Le disque étant prisonnier du carter, les axes non utilisés sont

verrouillés.



L’interdiction par bonhomme :

ex : axes alignés

Le petit bonhomme au travers de l’axe B

permet de verrouiller C quand A est déplacé.

ex : axes en triangle

Ce type de verrouillage est très utilisé, car il peut

s’adapter à pratiquement toutes les dispositions d’axes.

Le verrouillage par billage :

Il assure la position des axes pour éviter qu’ils ne se déplacent seuls, sous l’effet de leur inertie ou de

vibrations.

Il informe le conducteur de façon sensitive, de la position prise par l’axe sollicité.

Conception :

C’est une bille d’acier poussée par un ressort dans une encoche

de l’axe et qui maintient celui-ci dans la position que lui a donnée

le conducteur.

Il faut un billage par axe. Sur un axe, il y a autant d’encoches que celui-ci occupe de positions.

ex : axe de 1ère-2ème : 3 encoches = 1ère - point mort - 2ème



Les valeurs varient d’un type de

véhicule à l’autre. A titre d’exemple,

une voiture de tourisme (Zafira 1.6

16v ess) a les caractéristiques de

boite de vitesses et de pont

suivantes :

Ces résultats correspondent aux démultiplications suivantes :

démultiplication B.V. (1ère vitesse) = 3,727 (appelé rapport de démultiplication B.V.)

démultiplication pont = 3,74 (appelé rapport de démultiplication pont)

démultiplication totale = 3,727 . 3,74 = 13,94 (rapport total de démultiplication)

13,94 correspond à un rapport de transmission de 1/13,94 soit 0,0717.

Le rapport de transmission est l’inverse du rapport de démultiplication.

Combinaison des vitesses

Rapports de boîte

Rapports réducteur Rapport total

1ère ……….. 0,2683 0,2674 0,0717

2ème ………. 0,4682 0,2674 0,1252

3ème ………. 0,7072 0,2674 0,1891

4ème ………. 0,8921 0,2674 0,2385

5ème ………. 1,2315 0,2674 0,3293

M. AR ……. 0,3023 0,2674 0,0808

5.2/ Calcul des rapports de transmission

Les rapports de transmission peuvent être calculés à partir du nombre de dents des engrenages

contenus dans la B.V. Le rapport de transmission est obtenu en formant une fraction dont :

• le numérateur est le produit du nombre de dents des pignons menants (Z menants)

• le dénominateur est le produit du nombre de dents des pignons menés (Z menés)

Les rapports de démultiplication entre le moteur et les roues du véhicule sont obtenus en tenant compte

des rapports de la boite de vitesses et le rapport du pont de l’essieu moteur.

Le rapport de pont étant constant, on utilise dans les calculs de boite-pont les rapports de transmissions

1/r.

5.1/ Rapport de démultiplication (r)

Exercice :

Z1 14 Z7 32

Z2 34 Z8 38

Z3 16 Z9 42

Z4 22 Z10 44

Z5 28 Z11 46

Nombre de dents des pignons :

Z6 34



Pignons utilisés : 5 & 6

Rapport de transmission : 1,0625

Rapport de démultiplication : 0,94

Calcul :

Calcul du 1er rapport :




Calcul :

3043,04614

111 ==

ZZ

Calcul du 2ème rapport :




Calcul :

5238,04222

94 ==ZZ

Calcul du 4ème rapport :

Pignons utilisés : 2, 3 & 10



Calcul :

0625,13234

76 ==ZZ

Calcul du rapport de M. arrière :

Pour le calcul du rapport de marche arrière, il n’est pas tenu compte du pignon intermédiaire, celui-ci

étant à la fois pignon menant et pignon mené. Son nombre de dents n’intervient pas dans le rapport de

transmission. Son rôle est d’inverser le sens du mouvement de l’arbre de sortie.

3636,04416

44.3434.16

10.22.3 ===

ZZZZ



6/ Autre solution technologique : La boîte de vitesse mécanique robotisée

Ex : La boîte Sensodrive (Citroën C3)

Document Citroën

Ce système utilise une boîte de vitesses mécanique classique. L’évolution se trouve au niveau de la

commande des différents rapports. Le boîtier électronique de boîte de vitesses reçoit les informations

de différents capteurs (accélérateur, vitesse véhicule, rotation moteur, position des axes de fourchette et

embrayage…) et commande les actionneurs de boîte de vitesses et d’embrayage.

Cette gestion électronique supprime la pédale d’embrayage et évite les surrégimes en mode manuel.

Il permet aussi le fonctionnement en mode automatique du passages des différents rapports.

Autres systèmes :

Selespeed (Alfa Roméo), Boîte F1 (Ferrari), SMG (BMW), Cambiocorsa (Maserati), Quick shift

(Renault)...

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