Bibliographie & annexes
Présentation
En anglais
RÉSUMÉ
L’histoire des civilisations nous le rapporte bien, les systèmes à engrenages ont toujours servis, et servent encore, à décupler l'effort de l'homme ou de l'animal. Les transmissions automobiles n’échappent pas à cette règle et celle du moteur thermique de nos jours non plus. Cet article explique pourquoi la boîte de vitesses est nécessaire pour adapter la puissance disponible à la demande de l’essieu. Les sollicitations motrices et les différentes résistances (aérodynamiques, liées au roulement, à la pente…) qui s'appliquent au véhicule modifient les conditions de roulage rencontrées. L’étagement de la transmission, c’est-à-dire plusieurs rapports de démultiplication à la boîte de vitesses, est la réponse à cette problématique.
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The history of civilizations has shown that gear systems have always been used in order to multiply human or animal efforts. Automotive transmission also follows this rule and so does the transmission system of current heat engines. This article explains the reasons why the gearbox is essential in order to adapt the available power to the requirements of the axle. The driving stresses and the various resistances (aerodynamic, linked to the driving, slopes, etc.) which apply to vehicles modify the driving conditions. Implementing several gear ratios into the gearbox is the answer to this issue.
Auteur(s)
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Elian BARON : Ingénieur-Docteur - Expert chaîne cinématique, Renault Automobiles
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Philippe PESCAROU : Ingénieur-Docteur - Expert-Leader chaîne cinématique, Renault Automobiles
INTRODUCTION
Voilà plus de mille ans que les systèmes à engrenages sont utilisés pour décupler l'effort de l'homme ou de l'animal. Certains de ces systèmes ancestraux sont encore utilisés aujourd'hui, par exemple en Égypte où l'on trouve des oasis équipées de « roues à cuillers » chargées de récupérer l'eau de la source. Ces dernières sont actionnées par la force d'un chameau, via des engrenages perpendiculaires à dents de bois chargés de démultiplier la vitesse, tout en faisant office de renvois d'angle.
D'autres témoignages et contributions aux systèmes à engrenages existent depuis lors, théoriques, pratiques ou même artistiques : citons Dürer, Vinci, La Hire, Euler, Willis, Reuleaux...
Sur ces bases, la première déclinaison pratique d'une transmission est liée au développement de la machine à vapeur et à la nécessité d'adapter la puissance moteur disponible à l'usage requis. Les premiers véhicules à vapeur étaient équipés de roues à rochet, capables de transformer le mouvement alternatif des pistons en mouvement rotatif de l'axe des roues. Mais le besoin de franchir des pentes a vite éliminé ce type de système. En 1784, James Watt brevète une boîte de vitesses à deux rapports et prise constante munie de deux crabots, concept encore utilisé de nos jours. La transmission multirapport vient de naître.
La production d'automobiles, à vapeur d'abord, à pétrole ensuite, s'accompagne alors d'une somme de brevets rapprochant la transmission de la définition qu'elle a aujourd'hui sous sa forme manuelle (Griffith, Bodmer, Pecqueur, Selden, Anderson, Marcus, Benz, Renault...).
Si l'on devait avoir une vue très globale du développement historique des transmissions automobiles, on pourrait distinguer quatre grandes périodes :
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1780-1880 : prise en compte de la nécessité d'une transmission pour adapter la puissance motrice aux contraintes liées aux diverses configurations de roulage. Les solutions les plus communes sont alors des transmissions à deux rapports à prise constante et crabots ou à engrenages coulissants ;
-
1880-1920 : recherche des meilleures solutions pour améliorer l'adéquation entre la puissance moteur et le besoin de puissance aux roues. On assiste alors au développement de nombreuses solutions de type transmissions à engrenages, à chaîne, à courroie, à friction, pneumatiques, hydrauliques, et même électriques ;
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1920-1980 : généralisation des transmissions à engrenages, reconnues à la fois pour leur rapport puissance/masse et leur rendement élevés. Ces transmissions bénéficient de progrès constant en matière de fiabilité, d'acoustique et d'agrément de conduite ;
-
depuis 1980 : les prestations du GMP (groupe motopropulseur constitué du moteur et de la transmission) deviennent une préoccupation majeure pour les constructeurs, la réduction de consommation étant prioritaire. Le nombre de rapports des transmissions s'accroît, ainsi que leur ouverture. Dans ce contexte, les boîtes manuelles automatisées font leur apparition. Les transmissions automatiques à convertisseur voient elles aussi leur nombre de rapports augmenter, et l'usage du « lock-up » se généraliser. Les boîtes à variation continue trouvent un écho favorable en Asie, notamment sur les véhicules des segments inférieurs. Les travaux autour de l'optimisation du GMP en matière d'émissions et de consommation sont intensifs. L'électrification des chaînes cinématiques devient un axe fort des bureaux d'études des constructeurs automobiles.
Dans cet article, et pour mieux comprendre les raisons de cet historique, on explique pourquoi la boîte de vitesses est nécessaire. Sur la base d'une application exemple, on comprend quelles sont les sollicitations motrices et résistantes qui s'appliquent au véhicule et on détaille la démarche d'étagement de la transmission qui en résulte.
Dans un article ultérieur [BM 2 583], et sur la base de la même application, on montrera comment on définit les performances du véhicule et comment on peut optimiser la consommation de ce dernier.
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Choix des rapports de boîte
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2. Résistance à l'avancement du véhicule
Comme nous l'avons vu, la transmission automobile adapte la puissance délivrée par le moteur à la puissance requise à la roue, en démultipliant le couple et la vitesse de rotation du moteur. La puissance requise à la roue est fonction de la force de résistance à l'avancement du véhicule, elle-même somme de différentes composantes qui sont détaillées dans le présent paragraphe.
2.1 Résistance aérodynamique
La loi de Bernouilli indique que la résistance exercée par l'air sur un corps en déplacement est proportionnelle à la masse volumique de l'air, à la surface frontale du corps et au carré de sa vitesse d'avancement. On doit d'autre part intégrer le fait que la force que doit fournir le corps pour se déplacer dans l'air dépend de la faculté de ce même corps à « écarter » les filets d'air sur son passage. Cette aptitude à pénétrer dans l'air se traduit par un coefficient Cx dit « coefficient de forme » ou « coefficient de pénétration dans l'air », dont le tableau 2 donne quelques exemples. Le Cx peut être mesuré en soufflerie, sur véhicule réel ou modèle réduit, ou bien, comme on le montre plus loin, déterminé par une méthode expérimentale relativement simple, dite « décélération en roue libre », qui met en jeu le véhicule lui-même (on précise que les surcharges de portance aérodynamique négative sont négligées dans le cadre de notre étude).
Tenant compte de tous ces paramètres, la force de résistance aérodynamique Rair (en newtons) est donnée par :
( 2 )
avec :
- ρair :
- masse volumique de l'air. Pour une pression ambiante de 1,013 bar, une humidité relative de l'air de 60 % et une température de 20 oC, ρair = 1,2 kg · m–3,
- Sfveh :
- (m2)...
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Résistance à l'avancement du véhicule
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - BOSCH - Mémento de technologie automobile. - 3e édition (2004).
-
(2) - BARON (E.) - Notions fondamentales sur les transmissions automobiles. - Renault-ENSAM (2006).
-
(3) - WONG (J.Y.) - Theory of ground vehicles. - 4th ed., John Wiley & Sons (2008).
-
(4) - LECHNER (G.), NAUNHEIMER (H.) - Automotive transmissions. - Springer (1999).
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