Comment fonctionne une boîte manuelle : passez les vitesses

Ce que montre le modèle

Si vous conduisez une voiture à boîte manuelle en ville, vous pouvez changer de vitesse plusieurs centaines de fois en une heure. Le moteur ne change jamais d’avis sur la vitesse à laquelle il aime tourner, et pourtant la voiture peut se faufiler sur un parking ou rouler tranquillement sur l’autoroute. C’est la boîte placée entre l’embrayage et l’arbre de transmission qui le permet, et cette exposition l’ouvre en deux.

Le modèle est une boîte à cinq vitesses pour une voiture dont le moteur est à l’avant et qui est entraînée par les roues arrière. La moitié du carter a été retirée. L’embrayage est à gauche, là où se boulonnerait le moteur, et l’arbre secondaire sort à droite. Utilisez le levier de vitesses dans le coin de la vue 3D pour changer de rapport. La séquence est jouée lentement, pour que vous voyiez l’embrayage s’ouvrir, le manchon glisser, l’anneau de synchronisation en laiton faire son travail et les dents se verrouiller. Le panneau indique la vitesse de chaque arbre et la vitesse de la voiture qui y correspond. « Passer sans embrayage » vous permet d’essayer la seule chose que tous les moniteurs d’auto-école déconseillent.

Pourquoi un moteur a besoin de plusieurs rapports

Un moteur à essence donne une puissance utile sur une plage d’environ 1500 à 6000 tr/min. En dessous, il cale ou peine ; au-dessus, il s’essouffle. Une voiture, elle, doit aller de l’allure d’un piéton à bien plus de 100 km/h. Si le moteur était relié aux roues par un seul rapport fixe, vous pourriez choisir un rapport qui fait démarrer la voiture avec vigueur ou un rapport qui permet de rouler en silence, mais pas les deux.

La boîte propose donc un choix de rapports. En première, le moteur fait de nombreux tours pour un tour des roues, ce qui multiplie le couple et permet de démarrer en côte. En cinquième, le moteur fait moins de tours que l’arbre de transmission, et la voiture avance à un régime moteur détendu. Le conducteur choisit le rapport qui maintient le moteur dans sa plage confortable pour la vitesse du moment.

Comment la puissance traverse trois arbres

Suivons la transmission, du moteur à l’arbre de transmission.

1. Embrayage. Le volant moteur est boulonné au vilebrequin. Le disque d’embrayage est serré entre le volant moteur et le plateau de pression par un ressort à diaphragme, et le disque est cannelé sur l’arbre primaire.
2. Arbre primaire. Il porte un pignon de 23 dents, toujours en prise avec un pignon de 33 dents de l’arbre intermédiaire.
3. Arbre intermédiaire. Un seul arbre d’acier sur lequel sont taillés six pignons. Il tourne dans le sens opposé à l’arbre primaire, à 23 ÷ 33 de sa vitesse.
4. Pignons de l’arbre secondaire. Chaque pignon de l’arbre intermédiaire engrène avec un partenaire sur l’arbre secondaire. Ces partenaires ne sont pas fixés à l’arbre secondaire. Ils tournent sur des roulements à aiguilles, chacun à sa propre vitesse.
5. Manchons. Trois manchons coulissants sont montés sur des moyeux cannelés sur l’arbre secondaire. Quand un manchon glisse latéralement sur les crabots situés sur le côté d’un pignon, ce pignon est verrouillé sur l’arbre et la transmission passe par lui.
6. Arbre secondaire. Il est dans le prolongement de l’arbre primaire et renvoie la transmission vers l’arbre de transmission et le pont arrière.

La quatrième est un cas particulier. Le manchon des 3e et 4e peut verrouiller le pignon d’entrée lui-même sur l’arbre secondaire, de sorte que les deux arbres tournent ensemble et que l’arbre intermédiaire est contourné. On appelle cela la prise directe, et le rapport vaut exactement 1.

Rapports et vitesse de la voiture à 3000 tr/min

Les chiffres du modèle sont des valeurs de modèle choisies pour ressembler à une boîte à cinq vitesses courante, et non copiées d’une voiture précise. Chaque paire avant compte 56 dents au total, de sorte qu’elles s’adaptent toutes à la même distance entre les arbres. Le rapport de chaque vitesse est le rapport de la prise constante multiplié par le rapport de sa propre paire :

rapport = (33 ÷ 23) × (pignon de l’arbre secondaire ÷ pignon de l’arbre intermédiaire)

Pour convertir le régime moteur en vitesse de la voiture, il faut deux autres nombres. Le rapport de pont dans le pont arrière est de 43 : 11, soit 3,909. Les pneus sont des 205/55 R16, c’est-à-dire une jante de 16 pouces (406,4 mm) plus deux flancs hauts chacun de 55 % de 205 mm. Le pneu mesure ainsi 631,9 mm de diamètre et 1,985 m de circonférence. En troisième :

vitesse de roue = 3000 ÷ (1,435 × 3,909) = 534,9 tr/min

vitesse de la voiture = 534,9 × 1,985 m × 60 ÷ 1000 = 63,7 km/h

Les autres lignes suivent les mêmes étapes. D’un rapport au suivant, le rapport diminue d’un facteur de 1,77, 1,55, 1,44 et 1,26. Les écarts se resserrent vers le haut, ce qui est habituel : à grande vitesse, la traînée de l’air augmente fortement, et un petit écart entre la quatrième et la cinquième garde le moteur près de son meilleur régime quand on monte un rapport. L’étagement de la première à la cinquième est de 4,92.

Ce que les rapports font au couple et à la force aux roues

Le modèle ne simule pas le couple du moteur ; cet exemple emprunte donc un chiffre. Admettons que le moteur fournisse 150 N·m à 3000 tr/min. C’est une valeur supposée pour un petit moteur à essence, pas une mesure. À ce régime, il produit 150 × 2π × 3000 ÷ 60 = 47,1 kW, et une boîte ne peut rien y ajouter. Ce qu’elle fait, c’est échanger de la vitesse contre de la force. Le couple aux roues est le couple du moteur multiplié par le rapport total, et la poussée sur la route est ce couple divisé par le rayon de roulement du pneu, 0,316 m pour le pneu 205/55 R16 du modèle.

Deux vérifications montrent que le tableau est cohérent. En première, 7278 N à 23,3 km/h (6,47 m/s) donnent 47,1 kW, la puissance du moteur. En cinquième, 1479 N à 31,9 m/s donnent aussi 47,1 kW. La force tombe au cinquième de sa valeur pendant que la vitesse est multipliée par le même facteur. La colonne à 4 % reprend le chiffre de l’examen des technologies d’économie de carburant des National Academies, qui estime la perte d’une transmission manuelle à environ 4 % de la puissance brute du moteur, contre environ 13 % pour une boîte automatique classique. Pour une voiture de 1200 kg, 7278 N donneraient 6,1 m/s² d’accélération en première si les pneus pouvaient l’encaisser, ce qui est rarement le cas. C’est l’adhérence, et non la boîte, qui fixe la limite au démarrage.

Les rapports décident aussi de la chute du régime moteur quand on monte un rapport. À 3000 tr/min, le moteur retomberait à 1696 tr/min après le passage de 1re en 2e, à 1941 tr/min après 2e en 3e, à 2091 tr/min après 3e en 4e et à 2391 tr/min après 4e en 5e. Ce sont les mêmes valeurs que l’anneau de synchronisation doit atteindre, mais dans l’autre sens. Le premier écart est grand parce que la première est un rapport court pour démarrer, et le dernier est petit parce que la cinquième est longue. Un autre chiffre est utile pour préparer un trajet : en cinquième, la voiture du modèle parcourt 38,2 km/h pour 1000 tr/min, en quatrième 30,5 km/h et en première 7,8 km/h.

Pourquoi les pignons ne sortent jamais de prise

Dans le modèle, tous les pignons tournent en permanence, même ceux qui ne transmettent pas la puissance. En troisième, par exemple, le pignon libre de cinquième sur l’arbre secondaire tourne à 3764 tr/min alors que l’arbre qu’il entoure tourne à 2091 tr/min. Cela paraît du gaspillage, mais cela résout un vieux problème. Dans les premières boîtes « crash », les pignons eux-mêmes glissaient latéralement pour entrer en prise, et leurs dents devaient se rencontrer par la tranche. Dans une boîte à prise constante, les dents de chaque paire restent engagées toute leur vie, et seuls les petits crabots situés sur le côté d’un pignon doivent trouver leur chemin.

Comme les pignons n’ont jamais à glisser pour entrer en prise, ils peuvent avoir des dents hélicoïdales, taillées en biais par rapport à l’arbre. Dans le modèle, l’angle est de 25°. Une dent hélicoïdale entre en contact progressivement sur sa largeur au lieu de le faire d’un seul coup, de sorte que la boîte est bien plus silencieuse qu’une boîte à dents droites. Le prix à payer est une poussée latérale : pour une hélice de 25°, la force le long de l’arbre vaut tan 25° = 0,47 fois la force qui fait tourner le pignon. Les boîtes la reprennent par des roulements à rouleaux coniques ou à billes. Les dents de l’arbre intermédiaire sont taillées avec le sens opposé à celui de leurs partenaires, comme il se doit pour que deux pignons hélicoïdaux parallèles engrènent.

Ce que fait l’anneau de synchronisation pendant un passage

Voici la difficulté. Quand vous passez de la deuxième à la troisième à 41 km/h, l’arbre secondaire continue de tourner à 1353 tr/min parce que la voiture roule toujours. Embrayage enfoncé, l’arbre primaire, le disque d’embrayage, l’arbre intermédiaire et tous les pignons libres forment un ensemble lâche qui tourne encore à environ 3000 tr/min depuis l’instant précédent. Le pignon de troisième sur l’arbre secondaire fait partie de cet ensemble. Pour le verrouiller sur l’arbre sans craquement, le côté primaire doit ralentir à 3000 × 1,435 ÷ 2,217 = 1941 tr/min.

L’anneau de synchronisation fait ce travail. C’est un anneau de laiton à l’intérieur conique, placé entre le moyeu et le pignon. Le pignon porte un cône en acier correspondant. Quand le levier commence à bouger, le manchon presse l’anneau sur le cône, et la friction entre les deux entraîne le pignon, et avec lui tout l’ensemble lâche, vers la vitesse de l’arbre. Dans le modèle, la barre d’écart de régime passe de quelques centaines de tr/min à zéro.

Tant qu’il reste une différence de vitesse, la friction fait tourner un peu l’anneau contre ses clavettes dans le moyeu. Dans cette position, les dents de blocage de l’anneau se placent devant les dents du manchon et l’empêchent d’aller plus loin. C’est pourquoi un passage précipité donne une sensation de point dur : vous poussez contre un anneau qui n’a pas fini. Quand les régimes sont égaux, la friction se relâche, l’anneau tourne en arrière d’une demi-dent, et les chanfreins des dents guident le manchon. Un instant plus tard, il glisse sur les crabots du pignon et le pignon est verrouillé sur l’arbre. Dans une vraie voiture, toute la séquence dure une fraction de seconde.

Les chiffres derrière un passage synchronisé

Les concepteurs ne traitent pas un passage comme un événement unique. Un article de S. Razzacki, de DaimlerChrysler, présenté au congrès mondial de la SAE en 2004, décompose un passage de synchroniseur en six événements. Le premier est le contact du poussoir, une petite clavette à ressort, avec l’anneau de blocage. Le troisième est la rencontre de la pointe d’une dent du manchon avec la pointe d’une dent de l’anneau, ce qui fait tourner (« indexer ») l’anneau du petit jeu qu’il a dans le moyeu. Les événements suivants concernent le passage du chanfrein du manchon à travers le chanfrein de l’anneau, puis l’arrivée de la dent du manchon sur les crabots du pignon. L’article dimensionne chaque pièce pour que ces événements se produisent dans l’ordre, et il trace une zone de claquement face à une zone de passage dur. Si le cône en fait trop peu, le conducteur entend un claquement. Si l’anneau bloque trop fermement, le levier semble coincé.

Deux couples décident de l’endroit où un dessin se place. Le couple de synchronisation est celui que le cône produit par friction. Le couple d’indexage est celui qui fait tourner l’anneau jusqu’à sa position de blocage, et il dépend de l’angle des dents de l’anneau (l’« angle de pointe »). Un article SAE de 2007 de Razzacki et J. Hottenstein sur les synchroniseurs des boîtes à double embrayage énonce clairement la règle : le couple de synchronisation doit rester supérieur au couple d’indexage à chaque instant du passage pour éviter les claquements ou le bruit de grattement, tandis que le couple d’indexage doit dépasser la traînée totale de la transmission pour que l’anneau bloque encore dans une boîte froide à l’huile épaisse. Un angle de pointe plus raide réduit le couple d’indexage ; un concepteur qui le raidit pour réduire l’effort peut donc avoir besoin de plus de friction au cône pour que la première condition reste vraie.

Le modèle laisse de côté les poussoirs, mais on peut quand même estimer ce que le cône doit faire. Prenons le passage de 2e en 3e. Le côté primaire doit ralentir de 3000 à 1941 tr/min, soit 110,9 rad/s. Supposons, à titre d’illustration, que le disque d’embrayage, l’arbre primaire, l’arbre intermédiaire et les pignons libres aient ensemble un moment d’inertie de 0,05 kg·m². L’énergie à retirer est ½ × 0,05 × (314,2² − 203,3²) = 1,43 kJ. Si le passage dure 0,1 s, le cône doit fournir un couple moyen de 0,05 × 110,9 ÷ 0,1 = 55 N·m sur cet ensemble et dissiper 14 kW sous forme de chaleur pendant un dixième de seconde. Un anneau de laiton ne peut pas le faire longtemps, et c’est pourquoi les rapports bas, où les écarts de vitesse sont les plus grands, reçoivent des synchroniseurs à cônes multiples dans de nombreuses boîtes de série.

Pourquoi un passage sans embrayage fait craquer la boîte

Activez maintenant « Passer sans embrayage » et essayez de passer de la troisième à la quatrième. Embrayage engagé, l’arbre primaire est en fait toujours boulonné à un moteur en marche. Le moteur tourne à 3000 tr/min, donc le pignon d’entrée, qui est le pignon de la quatrième, tourne lui aussi à 3000 tr/min. L’arbre secondaire tourne à 2091 tr/min. L’anneau de synchronisation devrait ralentir tout le moteur et le volant de 909 tr/min, alors que le moteur résiste, par un cône large de quelques centimètres. Il en est incapable.

L’anneau reste donc en position de blocage, et si le conducteur pousse assez fort, les dents du manchon atteignent les crabots alors qu’ils défilent encore l’un devant l’autre. À un rayon de 30 mm, un écart de 909 tr/min fait passer les faces à 2,9 m/s, et 424 crabots défilent chaque seconde. Chacun heurte les chanfreins du manchon et le repousse. Ce cliquetis est le bruit de craquement, et chaque série de chocs arrondit les arêtes qui sont censées guider le manchon.

Le même calcul explique pourquoi les conducteurs des anciennes boîtes « crash » pratiquaient le double débrayage. Embrayage enfoncé, levier au point mort, embrayage relâché, coup d’accélérateur ou attente pour amener le côté primaire à la bonne vitesse avec l’aide du moteur, embrayage de nouveau enfoncé, et seulement alors on choisit la vitesse. Le conducteur faisait à l’oreille ce que l’anneau de synchronisation fait maintenant par friction.

La marche arrière et le pignon inverseur

Deux pignons en prise tournent en sens inverse. L’arbre intermédiaire tourne déjà dans le sens opposé à l’arbre primaire, et chaque paire avant l’inverse de nouveau, de sorte que l’arbre secondaire tourne dans le même sens que le moteur. Pour faire reculer la voiture, on place un pignon de plus sur le trajet. Dans le modèle, le pignon de 13 dents de l’arbre intermédiaire entraîne un pignon intermédiaire de 17 dents, qui entraîne un pignon de marche arrière de 38 dents sur l’arbre secondaire. Le pignon intermédiaire ne change pas le rapport, seulement le sens.

Les pignons de marche arrière du modèle ont des dents droites. C’est la pratique courante, et c’est pourquoi une voiture en marche arrière émet un sifflement qu’on n’entend jamais aux rapports avant. De nombreuses boîtes enclenchent la marche arrière en faisant glisser le pignon intermédiaire en prise, ce qui ne fonctionne que pignons à l’arrêt ; c’est pourquoi il faut d’abord arrêter la voiture. Dans le modèle, le manchon 5-R et son synchroniseur amènent le côté primaire à l’arrêt avant que la marche arrière s’enclenche.

Lire le graphique en dents de scie

À un rapport donné, le régime moteur est lié à la vitesse de la voiture par une droite : régime moteur égal vitesse divisée par la circonférence du pneu, multipliée par le rapport de boîte, multipliée par le rapport de pont. Le graphique de vitesse et de régime, sous Réglages, trace une droite par rapport. Choisissez un régime de passage et le trajet monte le long d’une droite jusqu’à ce régime, puis retombe à la verticale sur la droite suivante, à la même vitesse. Les chutes forment les dents de scie.

La taille de chaque chute se calcule facilement. Après un passage au rapport supérieur, le moteur tourne au régime de passage multiplié par le rapport entre le nouveau rapport et l’ancien, donc la chute vaut le régime de passage multiplié par un moins ce rapport. Dans la Honda Civic Type R, la 2e est à 2,115 et la 1re à 3,625, donc le moteur conserve 0,5834 de sa vitesse. Passez à 7000 tr/min et il retombe à 4084 tr/min. Aux rapports élevés, les rapports sont plus proches, donc les dents se réduisent : dans la boîte du modèle, les chutes à 6500 tr/min sont de 2826, 2293, 1970 et 1320 tr/min.

Le rapport de pont et la taille des pneus étirent le graphique horizontalement sans changer les chutes. C’est pourquoi le catalogue peut montrer sur le même graphique les jeux de rapports Tremec TR-6060, livrés sans pont ni pneu : les vitesses utilisent alors le rapport de pont de 3,909 et le pneu 205/55 R16 du modèle et sont signalées comme valeurs du modèle, alors que les chutes de régime sont exactes.

Force aux roues à chaque rapport

La force qui pousse la voiture est le couple moteur multiplié par le rapport total et par le rendement des pignons, divisé par le rayon du pneu. Le graphique de force aux roues la trace pour chaque rapport en fonction de la vitesse, à côté d’une ligne en tirets qui représente ce que la route et l’air opposent. L’écart entre la courbe d’un rapport et la ligne en tirets est ce qui reste pour accélérer la voiture ; le tableau sous le graphique le convertit en mètres par seconde carrée.

Les constructeurs publient deux points de la courbe de couple, pas la courbe entière : le couple maximal et la plage de régime où il se maintient, puis la puissance maximale et son régime. Le graphique relie ces points par des segments droits et garde la puissance presque constante jusqu’à la ligne rouge. C’est une approximation, et l’écran le dit. La résistance à l’avancement est celle d’une voiture modèle pour toutes les entrées : 1400 kg, une résistance au roulement de 0,012 et une surface de traînée de 0,65 m².

Deux choses apparaissent aussitôt. D’abord, à 100 km/h, le rapport le plus fort de la Civic Type R est la 2e, à 6719 tr/min, avec environ 7,6 kN aux roues, soit environ 1,5 fois ce que donne la 4e. Ensuite, la courbe du rapport suivant ne passe presque jamais au-dessus de l’actuel avant la ligne rouge. Pour l’accélération la plus vive, on tient chaque rapport jusqu’à la ligne rouge. Une voiture dont la puissance reste constante sur une plage de régimes fait exception : sur la GR Supra, les courbes de la 4e et de la 5e se croisent vers 5900 tr/min.

Égalisation des régimes et double débrayage

Quand on rétrograde, le moteur doit tourner plus vite. À 80 km/h, le moteur du modèle tourne à 2625 tr/min en 4e et il lui faut 3768 tr/min en 3e. Si l’embrayage est relâché alors que le moteur est encore au régime inférieur, l’embrayage doit entraîner seul le moteur vers le haut, et la voiture est freinée un instant. Un bref coup d’accélérateur embrayage enfoncé, appelé « coup de gaz », fait d’abord monter le moteur ; c’est l’égalisation des régimes. Le laboratoire d’égalisation des régimes, sous Réglages, vous permet d’effectuer les étapes et montre l’écart manqué, la chaleur reçue par l’embrayage et l’ampleur de l’à-coup. Avec une inertie moteur de 0,15 kg·m² (valeur du modèle), manquer la totalité des 1142 tr/min injecte environ 1,1 kJ dans l’embrayage.

Une boîte sans synchroniseurs, ou boîte « crash », pose un second problème. L’arbre primaire doit être à la bonne vitesse avant que la vitesse puisse s’enclencher, et embrayage enfoncé, rien d’autre que la friction ne le ralentit. Les conducteurs de vieux camions et des premières voitures enfonçaient donc deux fois l’embrayage : embrayage enfoncé et vitesse retirée, embrayage relâché au point mort pour que le moteur entraîne l’arbre primaire, coup de gaz pour l’amener à la nouvelle vitesse, embrayage de nouveau enfoncé et vitesse enclenchée. Dans le laboratoire, la boîte sans synchroniseurs n’accepte la vitesse que si l’arbre est à moins de 150 tr/min (valeur du modèle) de la vitesse requise ; sinon elle craque.

Le démarrage : où va la chaleur de glissement

À l’arrêt, l’embrayage doit patiner, parce que le moteur tourne et pas les roues. Tant que l’embrayage n’est pas verrouillé, le couple d’embrayage multiplié par l’écart de vitesse se transforme en chaleur. Le laboratoire du démarrage vous laisse choisir le régime moteur que vous maintenez et le couple que transmet l’embrayage, puis fait rouler la voiture modèle en première, milliseconde par milliseconde.

Un joli résultat s’y cache. Si le moteur est maintenu à un seul régime pendant que l’embrayage patine, l’embrayage transforme en chaleur à peu près autant d’énergie que la voiture en gagne en mouvement. À partir de 3000 tr/min avec 200 N·m, l’embrayage absorbe environ 32,5 kJ pendant que la voiture gagne environ 29,3 kJ ; le reste va dans la résistance à l’avancement. Démarrez plutôt à 2000 tr/min avec 180 N·m et la chaleur tombe à environ 14,5 kJ. Demandez à l’embrayage plus de couple que le moteur n’en fournit à ce régime et le moteur ralentit, puis cale sous 650 tr/min (la limite du modèle). Un bon départ se place entre les deux : assez de tours pour que le moteur continue de tourner, pas assez pour que l’embrayage cuise.

De vraies boîtes dans le catalogue

Le catalogue compte 31 entrées. 18 sont des voitures avec leurs rapports de boîte publiés : la Honda Civic Type R et la Civic Si, l’Acura Integra Type S et l’Integra 6MT, les Toyota GR86, GR Corolla et GR Supra 3.0, la Mazda MX-5, la Nissan Z, la Subaru WRX, deux Ford Mustang, et six voitures qui utilisent la Tremec TR-6060. Douze sont des jeux de rapports de boîte de Tremec, et la dernière est le modèle de cette page. Les chiffres viennent du dossier de presse, de la brochure ou de la fiche produit du constructeur ; le lien vers la source est sous chaque entrée.

Quelques points se remarquent. La Civic Type R et l’Integra Type S partagent tous leurs rapports et le rapport de pont de 3,842. La GR Corolla a deux rapports de pont, 4,058 de la 1re à la 4e et 3,450 pour la 5e, la 6e et la marche arrière. La MX-5 a une 6e en prise directe (1,000) et la Nissan Z une 5e en prise directe, comme la 4e du modèle. La Camaro SS a une sixième à 0,50, donc à vitesse de croisière le moteur tourne deux fois moins vite que l’arbre de transmission. Tremec donne à la TR-6060 un entraxe de 85 mm et des synchroniseurs à double et triple cône sur chaque rapport, là où le modèle a un cône par rapport.

Où le modèle est plus simple qu’une vraie boîte

• Les rapports sont des valeurs de modèle, et chaque paire compte exactement 56 dents. Les vraies boîtes ajustent le nombre de dents et utilisent des angles d’hélice et des modules légèrement différents pour chaque paire.
• Les vrais synchroniseurs ont souvent deux ou trois cônes sur les rapports bas, parce que ceux-ci subissent les plus grands écarts de vitesse. Le modèle a un cône par rapport.
• Les clavettes, ressorts et billes de verrouillage qui maintiennent les manchons au point mort et empêchent deux tringles de bouger à la fois (l’interverrouillage) sont omis.
• Les roulements, les joints d’étanchéité et l’huile elle-même manquent. Dans une vraie boîte, les pignons des rapports bas trempent dans l’huile et la projettent partout.
• L’écart d’embrayage est dessiné environ deux fois plus grand que dans la réalité pour que vous le voyiez s’ouvrir. Le moteur retombe à 900 tr/min quand vous maintenez la pédale enfoncée, comme si votre pied droit avait quitté l’accélérateur.
• Les vitesses de la voiture utilisent la taille nominale du pneu et ignorent le glissement du pneu. Un pneu chargé roule sur un diamètre inférieur de quelques pour cent à sa taille nominale.

D’autres boîtes bâties sur les mêmes idées

La Ford T. La voiture de Ford a utilisé un train planétaire à deux vitesses de 1908 à 1927. Le musée Henry Ford note que ses pignons étaient toujours en prise, ce qui la rendait plus facile à manœuvrer que les trains coulissants non synchronisés de l’époque. C’est le même argument qui a conduit à la prise constante dans une boîte manuelle, atteint par un autre chemin.

Les motos. Une équipe d’étudiants de Princeton qui a reconstruit une Triumph Tiger Cub de 1963 décrit la même structure que le modèle : un arbre principal et un arbre intermédiaire, avec des fourchettes de sélection qui font glisser les pignons le long d’eux. La différence tient au sélecteur. Dans ce moteur, un secteur de changement actionné au pied déplace une plaque de sélection, qui écarte ou rapproche les fourchettes. Les motos plus récentes utilisent couramment un tambour rainuré à la place, comme les boîtes de course de Honda avec leur tambour de sélection. Dans les deux cas, le pilote monte ou descend un rapport à la fois, ce qui rend une boîte séquentielle. Le pilote renonce au libre choix du rapport et obtient une boîte sans grille, où une seule pièce mobile commande toutes les fourchettes.

Les voitures de course. Les ingénieurs de Honda ont écrit que les boîtes de Formule 1 utilisent depuis le début des années 1990 un crabotage et un tambour de sélection, le même principe qu’une moto. Il n’y a pas d’anneau de synchronisation. Le règlement de l’époque, tel que Honda le résume, imposait entre quatre et sept rapports avant et interdisait une transmission à variation continue. Le problème d’une boîte à crabots est la collision bord à bord d’un crabot avec un autre, qui abîmait les pignons ; l’équipe de Honda a donc mis au point un passage qui laisse le couple moteur circuler pendant le changement, ainsi qu’un contrôleur qui cale le tambour sur l’intervalle entre les crabots. En 2008, d’après Honda, toutes les équipes avaient une boîte qui change de rapport sans coupure de couple. Une boîte de F1 commerciale d’Xtrac, la P1044, est annoncée avec sept rapports, une sélection séquentielle sans coupure de la transmission et un couple d’entrée continu de 340 N·m.

Les boîtes automatiques. Une boîte automatique classique remplace l’arbre intermédiaire et les manchons par des trains planétaires commandés par des embrayages et des freins, et remplace l’embrayage à friction par un convertisseur de couple. ZF indique que sa 8HP à huit rapports n’a besoin que de cinq éléments de commande pour quatre trains, et que son étagement total est de 7,0. L’étagement du modèle à cinq rapports est de 4,92 ; l’automatique couvre donc une plage plus large avec davantage de marches. Le prix à payer est le rendement : l’examen des National Academies donne aux automatiques classiques un rendement de 86 à 94 %, et une perte d’environ 4 % de la puissance du moteur pour une boîte manuelle.

La boîte à double embrayage. Une boîte à double embrayage conserve la disposition d’une boîte manuelle, mais utilise deux embrayages sur deux arbres primaires, un pour les rapports impairs et un pour les rapports pairs. La page de Honda sur sa boîte à double embrayage pour moto, lancée en 2010, décrit exactement cela : un embrayage pour les 1re, 3e et 5e, l’autre pour les 2e, 4e et 6e. Pendant qu’un rapport entraîne, le suivant est déjà sélectionné sur l’autre arbre, et le passage est un relais entre embrayages. Le même examen des National Academies indique qu’une boîte à double embrayage humide à six rapports peut réduire la consommation de carburant jusqu’à 4,1 % par rapport à une automatique à six rapports, mais que les versions à embrayage sec ont posé des problèmes d’agrément de conduite et que la douceur du démarrage est difficile à égaler.

La transmission à variation continue. Une transmission à variation continue n’a aucune marche. L’unité de la CITY de Honda de 2020 utilise une courroie trapézoïdale métallique poussante entre deux poulies, et le rapport change en continu avec le diamètre effectif des poulies. Sans pignons, il n’y a rien à synchroniser, et le moteur peut garder un seul régime pendant que la voiture accélère. La Formule 1 l’a interdite, comme le montre le règlement cité plus haut.

Idées reçues

« Un rapport plus bas donne plus de puissance au moteur. » Non. La puissance aux roues est la puissance du moteur moins les pertes. Un rapport plus bas donne plus de force à basse vitesse, comme le montre le tableau, et il permet aussi au moteur de tourner plus vite, là où il fournit généralement plus de puissance.

« Un rapport plus haut économise toujours du carburant. » Seulement tant que le moteur ne peine pas. Un rapport long à basse vitesse fait travailler le moteur à forte charge et à bas régime, ce qui peut consommer plus que le rapport inférieur, et peut faire vibrer la transmission.

« L’anneau de synchronisation fait tout le travail. » Il ne fait qu’égaliser la vitesse du pignon et celle de l’arbre. La pédale d’embrayage reste nécessaire pour déconnecter le moteur, et c’est pourquoi le réglage « Passer sans embrayage » du modèle échoue.

« Dans la boîte, chaque pignon est verrouillé sur l’arbre. » Un seul l’est. En troisième dans le modèle, les pignons libres de l’arbre secondaire tournent sur des roulements à aiguilles à des vitesses allant d’environ 770 tr/min (première) à 3760 tr/min (cinquième), sans qu’aucun soit verrouillé.

« La quatrième est le rapport le plus efficace parce que rien n’engrène. » Les pignons de l’arbre intermédiaire engrènent toujours et tournent dans l’huile, donc ils causent encore un peu de traînée. La prise directe est un peu meilleure, sans être exempte de pertes.

« Le double débrayage est juste démodé. » C’est le même travail fait à la main. Les conducteurs de boîtes sans synchroniseurs le pratiquent toujours, et une boîte de course à crabots fait la même chose avec des capteurs et un contrôleur.

L’essayer à l’écran

1. Réglez Vitesse sur 2e, puis sur 3e, et regardez le panneau. L’arbre primaire doit passer d’environ 3000 à 1941 tr/min. Réduisez Ralenti pour voir la barre d’écart de régime se refermer avant que l’anneau laisse passer le manchon.
2. Activez Embrayage enfoncé, puis changez de vitesse. Le moteur retombe à 900 tr/min dans le modèle, mais le disque et l’arbre primaire continuent de tourner avec la voiture, donc l’anneau de synchronisation n’a que l’ensemble lâche à ralentir.
3. Activez Passer sans embrayage et passez de la 3e à la 4e. La ligne d’écart de régime doit afficher les 909 tr/min du texte, et le message indique que le moteur est toujours relié. Comparez ensuite avec un passage normal de 3e en 4e.
4. Mettez Démonter sur 1 et activez Voir l’intérieur et Noms des pièces. Repérez les trois manchons sur l’arbre secondaire. Ils servent 1 et 2, 3 et 4, puis 5 et la marche arrière.
5. Réglez Vitesse sur Marche arrière depuis le point mort et notez que l’arbre secondaire tourne dans l’autre sens. Le panneau affiche sa vitesse en négatif. Comptez le pignon supplémentaire sur le trajet.

Un peu d’histoire

Les premières voitures à plusieurs rapports utilisaient des boîtes à pignons coulissants, dont les pignons glissaient en prise pendant que le conducteur essayait de choisir le bon moment. C’étaient les boîtes « crash », bien nommées. Les boîtes à prise constante avec crabots ont facilité les changements, mais les vitesses devaient toujours être égalisées par le conducteur.

Earl A. Thompson, ingénieur de l’Oregon, a déposé un brevet sur un mécanisme de changement de vitesse en mars 1918 (délivré en 1922) et a passé des années à tenter d’intéresser les constructeurs de Detroit. Son synchromesh est entré en production sur la Cadillac de 1928, et Cadillac l’a nommé ingénieur en chef adjoint en 1929. Le principe du synchromesh est aujourd’hui utilisé dans presque toutes les boîtes manuelles.