Boîtes de vitesses automatiques

Genèse et application.

L'histoire des transmissions automatiques remonte au début du XXe siècle, lorsque des ingénieurs ont commencé à expérimenter des méthodes de changement de vitesse automatique dans les voitures. Les premiers essais ont eu lieu dans les années 1920 et 1930, mais ce n'est qu'en 1939 que General Motors a introduit la première transmission véritablement automatique, connue sous le nom d'Hydra-Matic. Il s'agissait d'un développement révolutionnaire qui permettait de changer de vitesse en douceur sans intervention manuelle de la part du conducteur.

L'Hydra-Matic a rapidement gagné en popularité et sa conception a été reprise par de nombreux autres constructeurs automobiles. Dans les années 1950 et 1960, les transmissions automatiques sont devenues de plus en plus courantes aux États-Unis, devenant un symbole de modernité et de commodité. En Europe et en Asie, leur popularité a progressé un peu plus lentement, principalement en raison des préférences différentes des conducteurs et des différences dans la conception des routes et les styles de conduite.

Les années 1970 et 1980 ont été marquées par de nouveaux développements dans la technologie des transmissions automatiques. Des systèmes hydrauliques plus avancés et les premières versions de la commande électronique ont été introduits, ce qui a permis de mieux contrôler les changements de vitesse et de réduire la consommation de carburant. Au cours de cette période, les transmissions automatiques sont devenues plus fiables et disponibles dans une large gamme de véhicules, des voitures aux camions et aux autobus.

Les années 1990 ont été marquées par une véritable révolution technologique, lorsque l'informatique et l'électronique ont commencé à jouer un rôle clé dans la gestion du fonctionnement des boîtes de vitesses. Les premières boîtes de vitesses automatiques à commande électronique sont apparues, capables d'adapter leur fonctionnement aux conditions de la route et au style de conduite du conducteur. Les boîtes de vitesses automatiques sont ainsi devenues encore plus efficaces et plus conviviales.

Au XXIe siècle, la technologie des boîtes de vitesses automatiques continue d'évoluer. Les boîtes de vitesses d'aujourd'hui offrent une gamme de modes, y compris les modes sport, économie ou tout-terrain, ainsi que des systèmes qui permettent une commande manuelle par le biais de palettes au volant. Il existe également de nouvelles conceptions telles que la transmission à variation continue (CVT) et la transmission à double embrayage (DCT), qui combinent les avantages des transmissions automatiques et manuelles.

Construction et principe de fonctionnement.

Transmissions automatiques classiques (avec convertisseurs et réducteurs planétaires).

La transmission automatique classique, souvent appelée boîte de vitesses planétaire, est un mécanisme complexe composé de plusieurs éléments clés. Chacun de ces composants joue un rôle essentiel dans le transfert de la puissance du moteur aux roues, tout en permettant aux rapports de vitesse de changer en douceur sans intervention du conducteur.

Au cœur d'une transmission automatique classique se trouve un train d'engrenages planétaires. Chacun d'entre eux se compose de trois éléments principaux : une roue solaire, des roues planétaires (également appelées satellites) et une couronne. La roue solaire est au centre, les roues planétaires (satellites) tournent autour d'elle et sont reliées à la couronne. Cette disposition permet différentes combinaisons de rapports de vitesse en fonction de la roue qui est entraînée, de celle qui est arrêtée et de celle qui transmet la puissance.

Les embrayages et les freins, qui sont actionnés hydrauliquement, sont chargés de contrôler le flux de puissance et de passer les vitesses. Dans une transmission automatique classique, une pompe à huile alimente en huile sous pression les différentes parties de la transmission, y compris les embrayages et les freins. Lorsqu'un changement de vitesse est nécessaire, l'embrayage correspondant est engagé ou désengagé, ce qui permet de modifier le rapport de la boîte de vitesses planétaire.

Un élément clé de la transmission automatique classique est également le convertisseur de couple. Il est situé entre le moteur et la boîte de vitesses et agit comme un embrayage hydraulique. Le convertisseur de couple se compose de trois éléments principaux : une pompe, une turbine et un stator. La pompe est reliée au vilebrequin du moteur via le volant d'inertie, la turbine à l'arbre d'entrée de la boîte de vitesses et le stator est situé entre les deux. Lorsque le moteur tourne, la pompe met l'huile en mouvement pour transférer la puissance à la turbine, après quoi le stator dirige le flux de l'huile de retour de manière à augmenter l'efficacité de la transmission du couple.

Le fonctionnement d'une transmission automatique classique est contrôlé par un système hydraulique et un système électronique. Le système hydraulique gère le flux de fluide vers les embrayages et les freins, tandis que le système électronique surveille divers paramètres de conduite tels que la vitesse du véhicule, la charge du moteur ou la position du papillon des gaz. Sur la base de ces données, l'ordinateur de contrôle (TCU - Transmission Control Unit) décide du moment et du rapport de vitesse à sélectionner. Une TCU sans contrôleur électronique est appelée bloc de soupapes, tandis que la mécatronique est le composant qui intègre le bloc de soupapes et le contrôleur électronique de la transmission automatique.

En résumé, la transmission automatique classique est un dispositif de haute technologie qui combine des composants mécaniques, hydrauliques et électroniques pour assurer des changements de vitesse souples et efficaces. Le réducteur planétaire, les embrayages et les freins, le convertisseur de couple et les systèmes de commande fonctionnent ensemble pour offrir une expérience de conduite confortable et pratique.

Transmissions automatiques à variation continue (CVT).

La CVT (Continuously Variable Transmission), ou transmission à variation continue, fonctionne selon le principe de la transmission à variation continue, ce qui la distingue des transmissions manuelles et automatiques traditionnelles. Un élément clé de la conception de la CVT est une chaîne et deux jeux d'engrenages coniques (appelés variateurs).

La chaîne est fabriquée en métal durable ou en matériaux composites et transmet la puissance du moteur aux roues motrices. Chaque paire de roues coniques, l'une reliée à l'arbre d'entrée et l'autre à l'arbre de sortie, se compose de deux disques coniques qui peuvent se déplacer le long de l'axe de l'arbre. Lorsque les disques changent de distance l'un par rapport à l'autre, le diamètre actif le long duquel la chaîne se déplace change. En diminuant la distance entre les disques, la chaîne se déplace vers un diamètre plus grand, ce qui augmente le rapport de transmission, tandis qu'en augmentant la distance, la chaîne se déplace vers un diamètre plus petit, ce qui diminue le rapport de transmission.

Le mouvement des cônes les uns par rapport aux autres est contrôlé par un système hydraulique qui ajuste le diamètre actif auquel la chaîne fonctionne, ce qui permet des changements de vitesse en douceur. La transmission CVT est contrôlée par un système électronique sophistiqué qui surveille les performances du moteur, la vitesse du véhicule, la position de la pédale d'accélérateur et d'autres facteurs. Sur la base de ces données, le système détermine le réglage optimal du variateur afin d'obtenir le meilleur rapport de vitesse possible dans une situation donnée.

Les transmissions CVT sont équipées d'un réducteur planétaire qui permet des changements de vitesse supplémentaires ou la réalisation de modes de fonctionnement tels que la marche arrière. Le réducteur planétaire augmente la flexibilité et la plage de fonctionnement de la transmission CVT.

Grâce à sa conception, la transmission CVT offre des changements de vitesse souples et progressifs, ce qui se traduit par une conduite plus souple, de meilleures performances et une consommation de carburant optimisée. La CVT est particulièrement appréciée dans les véhicules hybrides et urbains où le confort et l'efficacité sont des priorités. Le système de refroidissement et de lubrification de la transmission CVT garantit que les roues coniques et la chaîne sont correctement lubrifiées et refroidies, ce qui minimise les frottements et l'usure et garantit la fiabilité et la durabilité de la transmission.

Transmissions automatiques à double embrayage (DCT/DSG).

La transmission automatique à double embrayage, également connue sous le nom de DCT (Dual-Clutch Transmission) ou DSG (Direct-Shift Gearbox), est un mécanisme avancé qui combine les caractéristiques des transmissions automatiques et manuelles. 

L'élément de base de la transmission DCT est constitué de deux embrayages : l'un responsable des rapports pairs (2, 4, 6) et l'autre des rapports impairs (1, 3, 5, 7). Ces embrayages fonctionnent selon le principe des embrayages humides (immergés dans l'huile) ou des embrayages secs, en fonction de la conception et de l'utilisation de la transmission. Le fonctionnement des embrayages est contrôlé par l'électronique, ce qui permet de les engager et de les désengager avec précision.

Un autre élément important est constitué par les deux arbres d'entrée, dont l'un est situé à l'intérieur de l'autre. Un arbre est responsable des rapports impairs et l'autre des rapports pairs. Cela permet au rapport suivant d'être préparé à l'engagement en même temps, ce qui minimise les interruptions de puissance lors des changements de rapport.

Le mécanisme de changement de vitesse du DCT consiste en un ensemble de pignons situés sur les deux arbres d'entrée. Ces engrenages sont responsables des différents rapports et leur engagement et leur désengagement sont contrôlés par un circuit hydraulique et des mécanismes de synchronisation. Le changement de vitesse s'effectue en déplaçant les fourchettes et en faisant coïncider les vitesses correspondantes, ce qui permet de sélectionner le rapport souhaité.

Le fonctionnement de la transmission à double embrayage est contrôlé par un système électronique sophistiqué appelé TCU (Transmission Control Unit). L'unité de contrôle de la transmission surveille divers paramètres de conduite tels que la vitesse du véhicule, la charge du moteur, la position du papillon des gaz et les préférences du conducteur (mode de conduite). Sur la base de ces données, le TCU décide quel embrayage engager, quand changer de vitesse et quel rapport de vitesse sélectionner pour des performances et une économie de conduite optimales.

Dans une transmission à double embrayage, le système de lubrification et de refroidissement de l'huile est également un élément très important. Dans le cas des embrayages humides, l'huile est utilisée pour lubrifier et refroidir les embrayages afin de prolonger leur durée de vie et leur fiabilité. L'huile circule dans un circuit fermé, et une pompe et un refroidisseur maintiennent sa pression et sa température appropriées.

Processus de régénération.

La boîte de vitesses automatique est d'abord pré-nettoyée, puis démontée. Après le démontage, ses composants sont nettoyés dans des équipements spéciaux tels que des laveurs chimiques et à ultrasons. Les pièces nettoyées sont ensuite soigneusement inspectées pour détecter l'usure, les dommages et autres défauts. Les composants qui ne répondent pas aux exigences sont remplacés par des pièces neuves ou remises à neuf.

L'étape suivante consiste à remplacer les pièces usées ou endommagées. Dans une transmission automatique classique, il s'agit généralement des disques d'embrayage et de frein, des bandes de frein, des joints, des bagues d'étanchéité, des soupapes hydrauliques et des roulements. Dans certains cas, la pompe à huile doit être rénovée ou remplacée, de même que les composants de la transmission de couple.

Dans les boîtes de vitesses de type DCT/DSG, le double embrayage est toujours remplacé par un tout nouveau. Les dommages mécaniques ou électroniques à la mécatronique, les dommages aux roulements sont également des problèmes courants. Plus rarement, les synchroniseurs, les engrenages et d'autres composants mécaniques doivent être remplacés. Au cours du processus de reconditionnement, tous les filtres à huile utilisés dans une transmission donnée sont toujours remplacés. Il convient de noter qu'en plus des filtres à huile accessibles de l'extérieur, certains modèles de boîtes de vitesses possèdent également des filtres situés à l'intérieur du carter, dont le remplacement n'est pas possible sans démonter la boîte de vitesses.

L'unité de commande hydraulique (bloc de soupapes/mécatronique) retirée de la transmission automatique est également démontée en ses éléments constitutifs et nettoyée à fond. Après remplacement des joints et autres composants usés ou endommagés, elle est remontée et testée sur un banc d'essai spécial. Sur le plan dynamique, les paramètres du contrôleur sont testés dans le cadre d'un essai reproduisant son fonctionnement dans la boîte de vitesses - en particulier, la pression de l'huile atteignant les différents actionneurs qui commandent les changements de vitesse. 

Le convertisseur, qui fait partie d'une transmission automatique classique (et de certains modèles de transmission CVT), fait également l'objet d'un processus de reconditionnement. Il s'agit de démonter le convertisseur, d'en nettoyer tous les composants et de les inspecter. Tous les joints sont remplacés, ainsi que les pièces usées ou endommagées, telles que les garnitures d'embrayage ou les disques de l'embrayage de verrouillage, les roulements, l'embrayage unidirectionnel du stator, etc. Après l'installation des nouveaux composants, le convertisseur est préparé pour le soudage, qui est effectué sur une station automatisée spéciale. Le contrôle de l'étanchéité du convertisseur est ensuite effectué, suivi de la mesure et, le cas échéant, de la correction de l'équilibre.

L'étape finale de la remise à neuf d'une transmission automatique est son achèvement et l'évaluation de l'étanchéité et du fonctionnement des composants, ainsi qu'un contrôle final de la qualité.

Causes et types de dommages

Symptômes pouvant indiquer une transmission automatique défectueuse :

1. Manque de fluidité des changements de vitesse - retards, à-coups ou changements de vitesse trop brusques.
2. Pas de changement de vitesse ou changement de vitesse limité, pas de vitesse.
3. Pas de réponse ou réponse retardée lors du passage d'un mode à l'autre (P-R-N-D).
4. Secousses ou bosses lors du passage d'un mode à l'autre (P-R-N-D).
5. Glissement de la conduite - le moteur augmente la vitesse, mais le véhicule n'augmente pas la vitesse en fonction du régime moteur.
6. Absence de transmission - le moteur tourne mais le véhicule ne démarre pas.
7. Bruit, vibrations audibles/perceptibles pendant la conduite.
8. Fuite d'huile au niveau de la boîte de vitesses.

Les défauts les plus courants des transmissions automatiques sont les suivants :

1. Usure des disques de friction, dommages aux embrayages et aux freins
2. Dommages au convertisseur
3. Pompe à huile usée ou endommagée
4. Dommages aux joints
5. Endommagement du bloc de vannes/de la mécatronique
6. Roulements usés ou endommagés
7. Dysfonctionnement de l'unité de commande électronique de la boîte de vitesses