Notions théoriques
Boîtes de vitesses

L’Homme, doté d’un potentiel d’imagination incomparable, a depuis toujours cherché à construire des outils pour pallier ses propres carences et soulager sa peine. Ainsi, avec obstination, il a tenté d’utiliser, avec le maximum d’efficacité, ce que la Nature a mis à sa disposition pour réaliser des opérations que ses seules possibilités physiques ne pouvaient lui permettre.

Par exemple, pour déplacer une grosse pierre, il a inventé le levier, puis les rouleaux, le cabestan, etc., donc des transformateurs mécaniques qui mettent sous une forme utile la force primaire à sa disposition : celle de ses bras ou d’animaux domestiqués, etc.

On découvrit par la suite la force du vent, d’une chute d’eau ; cela conduisit tout naturellement à l’invention d’un système d’engrenages, primitif certes, mais nécessaire pour adapter la vitesse de rotation des ailes ou de la roue du moulin à celle de la meule.

Au cours des deux derniers siècles, c’est l’explosion avec la naissance du moteur : machine à vapeur, moteur électrique, moteur à combustion interne, turbine à gaz, etc., toujours plus puissants, plus compacts et plus endurants. Mais cette puissance ne serait rien si elle n’était mise au service du récepteur : l’instrument utile. Et, en ce domaine, on ne voit pas de limite à l’imagination créatrice, l’Homme se voyant proposer des produits toujours plus performants dans tous les domaines : agriculture, machines-outils, levage, transport, servomécanisme, etc.

Ainsi, dans la quasi-totalité des cas, le moteur délivre sa puissance sur un arbre, donc sous forme rotative, que l’on peut écrire par la relation :

En ce qui concerne le récepteur, il est très rare qu’il puisse utiliser cette puissance dans sa forme primaire, d’où la création d’un organe de liaison, d’un transformateur d’énergie qui fera que le moteur sera bien adapté au récepteur dans tout son domaine d’utilisation.

Il en est donc ainsi de cette trilogie moteur-transformateur-récepteur depuis que l’Homme a commencé à faire des travaux mécaniques, partant du levier qui a eu besoin d’une pierre comme point d’appui, en passant par les premiers réducteurs primitifs en bois des moulins à vent, pour arriver actuellement aux boîtes de vitesses sophistiquées des tracteurs, camions ou automobiles, à commande manuelle ou automatique, en attendant pour demain l’avènement, à grande échelle, de la transformation continue du couple et donc l’accord idéal des conditions de fonctionnement du moteur avec celles du récepteur qu’il doit entraîner. Nous avons ainsi situé très globalement la place de ce transformateur, plus communément appelé suivant les applications : réducteur, multiplicateur ou boîtier relais, à un seul rapport, rencontrés dans des installations fixes, ou boîte de vitesses utilisée dans le cas où le récepteur a des conditions fonctionnelles variées, conditions rencontrées dans le transport ou les machines-outils.

Fonction secondaire à ne pas négliger, la boîte de vitesses, outre la liaison cinématique, assure aussi fréquemment la liaison physique par son carter entre le moteur et le récepteur, dont la position relative dans l’ensemble du produit peut être dictée par diverses conditions d’architecture. Nous verrons donc que ce carter est essentiel dans la transformation puisqu’il véhicule le couple de réaction, qu’il est en somme le point d’appui.

En effet, le transformateur ou convertisseur de couple ne crée aucune énergie et, au premier ordre (η = 1), il obéit donc aux lois fondamentales de l’équilibre algébrique des couples :

On voit donc qu’il y a impossibilité de transformation si la réaction n’existe pas , le couple de sortie restant égal au couple d’entrée.

« Donnez-moi un point d’appui et je soulèverai le Monde » pourrait constituer une excellente devise pour les transmissionnistes.

L’objet de cet article sera l’étude des boîtes de vitesses, le cas le plus général, et compte tenu de la complexité, nous prendrons les exemples dans l’automobile. Les réducteurs, multiplicateurs ou boîtiers relais seront traités dans l’article Réducteurs de vitesse à engrenages Réducteurs de vitesse à engrenages de ce traité.