Comment fonctionnent les transmissions automatiques : convertisseurs de couple, engrenages et changements expliqués

Les conducteurs qui n'ont jamais touché une pédale d'embrayage dépendent toujours d'une chaîne de pièces mécaniques et hydrauliques qui fonctionnent chaque fois que la voiture démarre ou change de vitesse. Au cœur de n'importe quelle boîte de vitesses automatique se trouvent deux tâches : permettre au moteur de tourner au ralenti sans caler la voiture et modifier le rapport entre la vitesse du moteur et la vitesse des roues sans que le conducteur sélectionne une vitesse.

Le convertisseur de couple remplace l'embrayage

Dans le type le plus courant de transmission automatique, un embrayage mécanique est remplacé par un carter scellé rempli de fluide appelé convertisseur de couple. Selon le site de référence en mécanique automobile How a Car Works, il contient trois parties principales : une turbine motrice boulonnée au volant du moteur, une turbine connectée à l'arbre d'entrée de la boîte de vitesses et un réacteur central équipé d'un embrayage unidirectionnel.

Au fur et à mesure que la turbine motrice tourne avec le moteur, elle projette le fluide de transmission vers la turbine, ce qui fait tourner l'arbre d'entrée de la boîte de vitesses. À bas régime moteur, le réacteur reste immobile et redirige le fluide vers la turbine motrice, ce qui amplifie le couple et aide la voiture à démarrer de l'arrêt. Une fois que le régime moteur augmente, le réacteur tourne librement et le convertisseur agit simplement comme un volant hydraulique, explique How a Car Works.

Le magazine australien CarsGuide rapporte que ce couplage fluide est la raison pour laquelle les transmissions automatiques à convertisseur de couple semblent lisses et offrent une forte puissance de traction à bas régime. L'inconvénient, historiquement, a été une efficacité inférieure à celle d'un lien mécanique direct, ce qui explique pourquoi la plupart des convertisseurs de couple modernes ajoutent une fonction de « verrouillage » une fois que la voiture se déplace, en accouplant mécaniquement la turbine motrice et la turbine pour réduire les pertes de puissance, selon CarsGuide.

Les engrenages planétaires changent de rapport sans changer de vitesse

Une fois que la puissance atteint la boîte de vitesses, elle traverse un ou plusieurs trains d'engrenages planétaires (épicycloïdaux). How a Car Works les décrit comme un engrenage soleil central, un engrenage annulaire extérieur avec des dents internes et un ensemble de plus petits engrenages planétaires qui s'engrènent avec les deux. Les trois parties sont toujours en contact, de sorte que la transmission n'a jamais à engrener ou désengrener physiquement une paire d'engrenages comme le ferait une boîte manuelle.

À la place, des bandes de frein actionnées hydrauliquement et des embrayages multidisques maintiennent différentes parties du train d'engrenages immobiles ou les laissent tourner librement. How a Car Works énumère les combinaisons de base : bloquer l'engrenage soleil tandis que le porte-satellite entraîne les planétaires produit une augmentation de vitesse ; bloquer l'engrenage annulaire et entraîner l'engrenage soleil produit une réduction de vitesse ; envoyer la puissance à l'engrenage soleil tout en freinant le porte-satellite des planétaires produit la marche arrière ; et bloquer ensemble les engrenages soleil et annulaire produit un entraînement direct, un rapport de un à un.

Un seul train planétaire utilisé de cette manière peut déjà fournir plusieurs rapports. Associer deux trains épicycloïdaux, la disposition classique la plus simple, peut produire trois vitesses avant, note How a Car Works ; les fabricants enchaînent plus de trains et d'embrayages pour atteindre les transmissions à cinq, six, huit, neuf et dix vitesses courantes dans les voitures d'aujourd'hui.

L'hydraulique et l'électronique décident quand faire un changement

La séquence de verrouillage à l'intérieur de la boîte de vitesses est déclenchée par la pression hydraulique agissant sur les bandes de frein et les embrayages, acheminée via ce que How a Car Works appelle un arrangement complexe de soupapes hydrauliques. Dans les conceptions plus anciennes, ces soupapes réagissent mécaniquement à la charge du moteur, la vitesse de la route et la position de l'accélérateur ; un mécanisme de « kickdown » force un rétrogradage pour une accélération supplémentaire lorsque l'accélérateur est enfoncé à fond. Dans les voitures modernes, des capteurs électroniques et un ordinateur de contrôle effectuent le même travail, en ouvrant et en fermant les soupapes de solénoïde pour chronométrer chaque changement.

Trois façons différentes de construire une transmission automatique

Toutes les boîtes de vitesses à changement automatique ne fonctionnent pas de la même manière. CarsGuide regroupe les transmissions automatiques modernes en trois familles principales, plus un quatrième type plus ancien, largement discontinué.

• Transmission automatique à convertisseur de couple — utilise le couplage fluide décrit ci-dessus ; couple puissant à basse vitesse et changements fluides, trouvés dans des marques comme Mazda et Lexus, selon CarsGuide.
• Transmission à double embrayage (DCT) — effectivement deux boîtes de vitesses manuelles partageant un carter, chacune avec son propre embrayage ; une vitesse est présélectionnée tandis que l'autre est engagée, de sorte que le système bascule les embrayages pour changer de vitesse en millisecondes avec une perte minimale de couple. CarsGuide cite la Volkswagen DSG, la Nissan GT-R, la Ferrari 488 GTB et la McLaren 650S comme exemples.
• Transmission continuellement variable (CVT) — n'a pas du tout de vitesses fixes ; une courroie ou une chaîne s'exécute entre deux poulies dont le diamètre effectif change, donnant, selon les termes de CarsGuide, une action « comme un élastique sur un cône de circulation » et un nombre théoriquement illimité de rapports pour une efficacité énergétique maximale.
• Transmission automatique à embrayage unique — une conception plus ancienne dans laquelle un ordinateur actionne un embrayage sur une boîte de vitesses manuelle conventionnelle ; CarsGuide décrit ses changements comme saccadés et retardés et dit que ce type est maintenant largement obsolète.

À titre de comparaison, CarsGuide note que les boîtes de vitesses manuelles conventionnelles ont généralement six vitesses avant, certaines voitures de sport comme la Porsche 911 en offrant sept.

Pourquoi cela compte pour la conduite quotidienne

Le type de transmission automatique sous le sol affecte la façon dont une voiture se sent plutôt que de simplement avoir ou non une pédale d'embrayage. Le couplage fluide d'une transmission automatique à convertisseur de couple est ce qui permet à une voiture d'avancer lentement au ralenti sans que le moteur ne s'éteigne, un trait que How a Car Works attribue directement à la conception du convertisseur de couple. Les deux embrayages d'une DCT sont ce qui permet aux voitures de performance de changer de vitesse sans l'interruption momentanée de puissance ressentie dans les transmissions automatiques plus anciennes, selon CarsGuide. L'absence de rapports fixes dans un CVT est ce qui permet au moteur de rester près de sa vitesse la plus efficace indépendamment de la vitesse de la route, que CarsGuide énumère comme son principal avantage, compensé par un bourdonnement moteur constant et non traditionnel que certains conducteurs remarquent.