Vous êtes-vous déjà demandé ce que vous trouveriez à l’intérieur de votre transmission? Cet article décrit tout : l’embrayage multidisque, la roue libre, le convertisseur de couple et plus encore.
La transmission automatique des temps modernes consiste en une série de composants et de systèmes conçus pour former un ensemble harmonieux de technologie mécanique, hydraulique et électrique qui a évolué au fil du temps. Elle est maintenant considérée comme une forme d’art par nombre de mécaniciens en herbe. Nous tenterons, dans la mesure du possible, d’expliquer simplement ces systèmes, mais vu la complexité de certains de ces composants, il vous faudra parfois faire un peu de gymnastique mentale pour visualiser leur fonctionnement.
Une transmission automatique contient de nombreux engrenages en combinaisons variées. Dans le cas d’une transmission manuelle, les engrenages se déplacent le long d’un arbre de transmission lorsque l’on déplace le levier de vitesse d’un mode à l’autre, actionnant des engrenages de diverses tailles pour parvenir au rapport de vitesse recherché. Dans une transmission automatique, cependant, les engrenages sont toujours engagés dans le même ordre entre eux. Cela se produit grâce à l’utilisation de trains planétaires.
Le train d’engrenage planétaire de base se compose d’un engrenage central, d’une couronne et de deux satellites d’engrenage ou plus. Ces composants bougent toujours ensemble. Les satellites sont connectés entre eux par un porte-satellite commun leur permettant de tourner sur un arbre appelé pignon, lequel est attaché au porte-satellite.
À titre d’exemple, voyons ce qui se produit lorsque l’on connecte la couronne à l’arbre d’entrée provenant du moteur, et le porte-satellite à l’arbre de sortie, et que l’on verrouille l’engrenage central pour l’immobiliser. Dans ce scénario, lorsque l’on tourne la couronne, les satellites se déplaceront tout autour du planétaire (qui est stationnaire), faisant en sorte que le porte-satellite fera tourner l’arbre de sortie dans le même sens que l’arbre d’entrée, mais à une vitesse inférieure, causant une réduction de la vitesse (comme si la voiture roulait en première vitesse).
Si l’on déverrouille le planétaire et que l’on verrouille ensemble deux autres éléments, peu importe lesquels, les trois éléments tourneront alors à la même vitesse, faisant tourner l’arbre de sortie selon le même rapport de vitesse que l’arbre d’entrée. Comme une voiture roulant à haut régime ou en troisième vitesse. Une autre façon d’utiliser un train planétaire est de bloquer le porte-satellite, puis d’appliquer une puissance à la couronne, ce qui fera tourner le planétaire dans la direction opposée, pour faire marche arrière.
L’illustration de droite indique à quoi ressemblerait le système simple décrit ci-dessus dans une vraie transmission. L’arbre d’entrée est connecté à la couronne (gris foncé), l’arbre de sortie est connecté au porte-satellite (gris pâle), qui est également connecté à un embrayage multidisque. Le planétaire est connecté à un tambour (orange) qui est également connecté à l’autre moitié de l’embrayage multidisque. Entourant le tambour, se trouve une courroie (en bleu) qui peut être resserrée autour de celui-ci au besoin pour empêcher le tambour et le planétaire de tourner.
L’embrayage multidisque est utilisé ici pour verrouiller ensemble le porte-satellite et le planétaire, les forçant à tourner à la même vitesse. Si l’embrayage multidisque et la courroie étaient relâchés, le système se trouverait alors en mode neutre. Le fait de tourner l’arbre d’entrée ferait tourner les satellites dans le sens contraire du planétaire, mais puisque rien ne le retiendrair, il tournerait librement sans aucun effet sur l’arbre de sortie. Pour placer l’unité en première vitesse, la courroie est appliquée pour empêcher le planétaire de bouger. Pour passer de la première à la vitesse la plus élevée, la courroie est relâchée et l’embrayage est appliqué, ce qui fait tourner l’arbre de sortie à la même vitesse que l’arbre d’entrée.
De nombreuses autres combinaisons sont possibles à l’aide de deux trains planétaires ou plus connectés de différentes façons pour activer les différentes vitesses avant et la marche arrière de la transmission automatique moderne.
Certaines combinaisons astucieuses d’engrenages que l’on retrouve de nos jours dans les voitures à transmission automatique à quatre, cinq, six et même sept vitesses sont assez complexes pour étourdir tout profane, même très ingénieux, qui tente de comprendre le flux de puissance qui anime le système de transmission lorsqu’il accélère d’une vitesse à l’autre pour finalement atteindre sa vitesse de croisière sur l’autoroute. Dans les véhicules plus récents, un ordinateur surveille et contrôle ces changements de vitesse pour les rendre quasi imperceptibles.
Un embrayage multidisque est formé d’une série de disques insérés à l’intérieur d’un tambour d’embrayage. La moitié de ces disques sont en acier et sont dotés de cannelures qui s’insèrent dans des gorges sur la face intérieure du tambour. Les autres disques sont recouverts d’un matériau de friction et leur bord intérieur comporte des cannelures qui s’insèrent dans des gorges sur la surface extérieure du moyeu voisin. À l’intérieur du tambour se trouve un piston activé par pression d’huile au moment opportun pour resserrer l’embrayage multidisque de manière à verrouiller les deux composants et les faire tourner ensemble.
Une roue libre (également connue sous le nom d’embrayage « à béquille ») est un dispositif qui permet à un composant, comme une couronne à denture intérieure, de tourner librement dans une seule direction. Cet effet est le même que pour une bicyclette, lorsque les pédales font tourner la roue si elles sont actionnées vers l’avant, mais n’ont aucun effet si on pédale vers l’arrière.
Une des applications de la roue libre est en première vitesse, lorsque le levier de vitesse se trouve en mode « Drive ». Lorsque l’on commence à accélérer après avoir été à l’arrêt, la transmission s’enclenche en première. Cependant, avez-vous déjà remarqué ce qui se produit si vous relâchez l’accélérateur alors que vous avancez toujours en première vitesse? Le véhicule continue d’avancer doucement, comme si vous étiez en mode neutre. Maintenant, passez du mode « Drive » au mode « Low ». Si vous relâchez l’accélérateur dans ce cas, vous pourrez sentir que le moteur ralentit, comme le ferait une voiture à transmission manuelle. La raison pour laquelle cela se produit est qu’en mode « Drive », l’embrayage est en roue libre, alors qu’en mode « Low », on utilise un embrayage multidisque ou une courroie.
Une courroie est une bride en acier à laquelle on a contrecollé un matériau de friction sur la face intérieure. Une extrémité de la courroie est fixée au carter de boîte de vitesses alors que l’autre est liée à un servo. Au moment opportun, du liquide hydraulique est envoyé sous pression au servo afin de resserrer la courroie autour du tambour pour arrêter ce dernier de tourner.
Dans la transmission automatique, le convertisseur de couple remplace l’embrayage que l’on retrouve dans les véhicules à transmission manuelle. Son rôle est de permettre au moteur de continuer de tourner lorsque le véhicule est à l’arrêt. Le convertisseur de couple est un peu comme un ventilateur branché au mur qui souffle de l’air dans les pales d’un autre ventilateur qui, lui, n’est pas branché. Si on saisit la pale du ventilateur non branché, on pourra l’empêcher de tourner, mais dès qu’on la lâchera, elle commencera à accélérer jusqu’à atteindre une vitesse proche de celle qui est branchée. La différence dans le cas d’un convertisseur de couple est qu’au lieu d’utiliser l’air, il utilise de l’huile à transmission automatique.
Un convertisseur de couple est un coupleur hydraulique en forme de beigne (de 10 po à 15 po de diamètre) logé entre le moteur et la transmission. Il se compose de trois éléments internes qui travaillent ensemble pour acheminer la puissance à la transmission : l’impulseur, la turbine et le réacteur. L’impulseur est monté directement sur le boîtier du convertisseur, lequel est à son tour verrouillé sur le vilebrequin du moteur et tourne à la même vitesse que ce dernier. La turbine se trouve à l’intérieur du boîtier et est reliée directement à l’arbre d’entrée de la transmission, lui donnant la puissance nécessaire pour déplacer le véhicule. Le réacteur, pour sa part, est assemblé à une roue libre pour lui permettre de bouger librement dans une direction, mais pas dans l’autre. Chacun de ces trois éléments comporte des ailettes visant à diriger le flux de liquide dans le convertisseur.
Lorsque le moteur tourne, l’huile est tirée dans l’impulseur et poussée vers l’extérieur par la force centrifuge jusqu’à ce qu’elle atteigne la turbine, qui commence alors à tourner. L’huile poursuit son trajet en cercle jusqu’à retourner vers le centre de la turbine où elle pénètre dans le réacteur. Si la turbine bouge beaucoup plus lentement que l’impulseur, l’huile entrera en contact avec le devant des ailettes du réacteur qui pousseront ce dernier en roue libre et l’empêcheront de tourner. Lorsque le réacteur est à l’arrêt, ses ailettes dirigent l’huile pour la réintroduire dans l’impulseur, à un angle favorable à une augmentation du couple. Alors que la vitesse de la turbine se rapproche de celle de l’impulseur, l’huile commence à frapper l’arrière des ailettes du réacteur, le faisant tourner dans la même direction que l’impulseur et la turbine. Au fur et à mesure que la vitesse augmente, les trois éléments en viennent à tourner à environ la même vitesse.
Depuis les années 80, dans le but d’améliorer l’économie d’essence, les convertisseurs de couple sont munis d’un embrayage de verrouillage (non montré), lequel verrouille la turbine à l’impulseur lorsque le véhicule atteint une vitesse approximative de 45 à 50 milles à l’heure. Ce verrouillage est contrôlé par ordinateur et ne sera habituellement pas actionné à moins que la transmission soit en troisième ou en quatrième vitesse.
Le système hydraulique est un labyrinthe complexe de passages et de tubes qui fait circuler l’huile à transmission sous pression à toutes les parties de la transmission et du convertisseur de couple. Le diagramme de gauche est une représentation simple d’un système hydraulique pour véhicule à 3 vitesses des années 60. Les systèmes plus récents sont beaucoup plus complexes et jumelés à des composants électriques informatisés. L’huile à transmission a plusieurs fonctions, notamment : le contrôle du changement de vitesse, la lubrification générale et le refroidissement de la transmission. Contrairement au moteur, qui utilise l’huile principalement pour la lubrification, tous les aspects des fonctions de transmission dépendent d’un apport constant d’huile à transmission sous pression. Cela ressemble un peu au système circulatoire chez l’être humain (même la couleur du liquide est semblable); même quelques minutes de fonctionnement à un niveau défaillant de pression peuvent être nuisibles, voire fatales, à la transmission. Afin de maintenir la température de la transmission à un niveau normal, une portion du liquide est acheminée dans l’un des deux tubes d’acier menant à un compartiment particulier qui est immergé dans de l’antigel, dans le radiateur. Le liquide qui traverse ce compartiment est refroidi et réacheminé à la transmission par le deuxième tube. Une transmission typique contient en moyenne dix litres de liquide répartis entre la transmission, le convertisseur de couple et le réservoir de refroidissement. En fait, la plupart des composants de la transmission sont constamment lubrifiés par le liquide, y compris l’embrayage multidisque et les courroies. Les surfaces de friction de ces pièces sont conçues pour fonctionner correctement uniquement lorsqu’elles sont recouvertes d’huile.
La pompe hydraulique de la transmission (à ne pas confondre avec l’impulseur à l’intérieur du convertisseur de couple) fournit la pression nécessaire au fonctionnement de la transmission. Elle est installée à l’avant du carter de boîte de vitesses et directement reliée au moyeu du boîtier du convertisseur de couple. Puisque le boîtier du convertisseur de couple est directement branché au vilebrequin du moteur, la pompe produira une pression chaque fois que le moteur tourne, à condition qu’une quantité suffisante de liquide de transmission soit disponible. Le liquide pénètre dans la pompe en passant à travers un filtre situé dans le fond du carter d’huile et remonte dans un tube jusqu’à atteindre la pompe. Il est ensuite poussé sous pression vers le régulateur de pression, le boîtier de soupapes, et les autres composants, au besoin.
Le boîtier de soupapes est le centre de contrôle de la transmission automatique.
Le boîtier de soupapes contient un labyrinthe de canaux et de passages qui dirigent l’huile à transmission vers les diverses soupapes qui actionnent ensuite, au besoin, l’embrayage multidisque ou le servo de la courroie pour activer les engrenages appropriés à toutes les situations de conduite. Chacune des nombreuses soupapes dans le boîtier a une fonction précise et porte le nom de cette fonction. Par exemple, la soupape de changement de vitesse 2-3 active le changement de la deuxième à la troisième vitesse en accélération, ou de la troisième à la deuxième en décélération.
La soupape la plus importante, la seule dont vous avez la commande directe, est la soupape à commande manuelle. Celle-ci est directement reliée au levier de changement de vitesse et ouvre ou referme divers passages en fonction de sa position. Par exemple, lorsque le levier est en position « Drive », la soupape à commande manuelle dirige le liquide à l’embrayage multidisque qui contrôle la première vitesse. Elle surveille également la vitesse du véhicule et la position du papillon pour déterminer la force et le moment optimaux pour le passage de la première à la deuxième vitesse. Dans le cas des transmissions contrôlées par ordinateur, des solénoïdes électriques seront également installés dans le boîtier de soupapes pour diriger correctement le liquide vers les embrayages multidisques ou les courroies gérés par ordinateur afin de contrôler plus précisément les points de changement de vitesse.
L’ordinateur se sert de capteurs sur le moteur pour détecter la position du papillon, la vitesse du véhicule, le régime du moteur, la charge du moteur, la position de l’interrupteur des feux d’arrêt, etc., pour contrôler le point exact de changement de vitesse ainsi que pour déterminer la fermeté du changement de vitesse. Certaines transmissions informatisées apprennent même à déterminer votre style de conduite et s’adaptent constamment pour que chaque changement de vitesse se fasse au moment exact où vous en avez besoin.
Grâce aux commandes par ordinateur, certains modèles de voitures sport sont conçus de manière à reproduire des fonctions d’un véhicule à transmission manuelle, permettant au conducteur de changer les vitesses manuellement. Dans certains véhicules, cela s’accomplit en faisant passer le levier de vitesses dans un secteur spécialement conçu, puis en le poussant dans la direction voulue pour passer d’une vitesse à l’autre. L’ordinateur surveille alors l’activité pour assurer que le conducteur ne choisit pas une vitesse plus élevée que celle du régime du moteur, pour éviter de l’endommager.
Un autre avantage de ces transmissions « intelligentes » est qu’elles sont dotées d’un mode d’autodiagnostic permettant de détecter les problèmes rapidement et d’aviser le conducteur au moyen d’un voyant sur le tableau de bord. Un technicien peut ensuite brancher le véhicule à un appareillage d’essai et en tirer une liste de codes qui lui permettront de déterminer précisément où se trouve le problème.
Ces trois composants sont importants dans le cas de transmission non informatisée. Ils indiquent à la transmission à quel moment doit se produire le changement de vitesse.
Le régulateur centrifuge est relié à l’arbre de sortie et régularise la pression hydraulique en fonction de la vitesse du véhicule. Pour ce faire, il utilise la force centrifuge pour faire tourner une paire de poids munis de charnières contre des ressorts de traction. Lorsque les poids sont tirés, une plus grande quantité d’huile peut entrer dans le régulateur pour actionner les soupapes de changement de vitesse se trouvant dans le boîtier de soupapes, ce qui indique le changement de vitesse approprié.
Évidemment, la vitesse d’un véhicule n’est pas le seul facteur qui détermine à quel moment la transmission doit effectuer un changement de vitesse; la charge à laquelle le moteur est soumis est également importante. Plus la charge du moteur est élevée, plus la transmission conservera longtemps une certaine vitesse avant de passer à la suivante.
Il existe deux types de dispositifs conçus pour surveiller la charge du moteur : le câble de commande des gaz et le modulateur de dépression. Une transmission utilisera habituellement l’un ou l’autre de ces dispositifs. Chacun s’y prend de manière distincte pour surveiller la charge du moteur.
Le câble de commande des gaz surveille simplement la position de la pédale d’accélérateur au moyen d’un câble installé entre celle-ci et la soupape de pression d’accélération dans le boîtier de soupapes.
Le modulateur de dépression surveille la dépression du moteur au moyen d’un tuyau à dépression relié au moteur. La dépression du moteur réagit très précisément à la charge du moteur : un vide poussé se produit lorsque le moteur est soumis à une faible charge, et un vide décroissant jusqu’à zéro se produit lorsqu’il subit une charge élevée. Le modulateur est relié à la partie extérieure du boîtier de transmission et est doté d’un arbre passant à travers celui-ci pour se fixer à la soupape de pression d’accélération qui se trouve à l’intérieur. Lorsqu’un moteur est soumis à une faible charge, une dépression poussée agit sur le modulateur, lequel actionne la soupape de pression d’accélération dans une direction donnée pour permettre à la transmission de changer de vitesse rapidement et doucement. Au fur et à mesure que la charge augmente, la dépression diminue, ce qui déplace la soupape dans l’autre direction, causant un changement de vitesse moins rapide et plus ferme.
Une transmission automatique comporte de nombreux joints et garnitures permettant de contrôler le flux de l’huile à transmission et d’empêcher celle-ci de s’échapper. Il existe deux joints principaux : le joint avant et le joint arrière. Le joint avant scelle le point où le convertisseur de couple se fixe au carter de boîte de vitesses. Il permet au liquide de se déplacer librement du convertisseur à la transmission, tout en l’empêchant de fuir. Le joint arrière empêche les fuites de liquide à l’arbre de sortie.
Un joint est habituellement fait de néoprène (semblable à celui utilisé pour fabriquer les lames d’essuie-glace) et a pour fonction d’empêcher l’huile de fuir des pièces mobiles, comme un arbre qui tourne. Dans certains cas, le composé de néoprène est aidé d’un ressort qui le maintient en contact serré avec l’arbre tournant.
Une garniture est un joint qui scelle deux pièces fixes entre elles. Certaines matières sont communément utilisées pour fabriquer les garnitures, notamment, le papier, le liège, le caoutchouc, le silicone et le métal mou.
En plus des joints principaux, il existe certaines garnitures variant d’une transmission à l’autre. À titre d’exemple, notons le joint torique qui scelle l’arbre du levier de commande de vitesses. Il s’agit du levier que l’on déplace pour faire bouger le véhicule. Un autre exemple de pièce commune à la plupart des transmissions est le joint de carter. En fait, des joints sont nécessaires à n’importe quel endroit où un dispositif doit traverser le carter de boîte de vitesses, et chacun pourrait être une source de fuites.
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