Variateur de vitesse mécanique

Animation du fonctionnement d'un variateur.

Un variateur de vitesse ou Transmission à variation continue est un dispositif mécanique permettant de faire varier continûment le rapport de démultiplication d'un arbre moteur à un arbre mené. Dans les transports, il est utilisé en remplacement d'une boîte de vitesses, il est alors connu sous son acronyme anglais: CVT (pour Continuously Variable Transmission ou Continuously Variable Torque).

Principe de base de la transmission de puissance

Moteur et actionneur

Dans une chaîne d'énergie, le moteur convertit l'énergie d'entrée (électrique, chimique, hydraulique...) en énergie mécanique de rotation. Il est caractérisé par sa puissance, avec (généralement) un seul sens de marche et une vitesse de rotation optimale. L’actionneur, qui reçoit et utilise la puissance du moteur, doit pouvoir quant à lui :

• Tourner dans les deux sens ;
• Tourner à différentes vitesses ;
• Développer des couples différents.

Transmission

En fonction donc des données du problème (vitesses, alignement entre les arbres, efforts à transmettre, formes d’énergie en entrée et en sortie, continuité ou discontinuité du mouvement, distance entre les arbres de transmission), pour transmettre la puissance du moteur au récepteur en assurant les conditions d’utilisation de ce dernier, on intercale entre le moteur et l'actionneur l’un des éléments suivants :

• Rapport de transmission unique :
  • Système poulie-courroie ou pignon-chaîne ;
  • Réducteur à trains de roues dentées (roues cylindriques et coniques, roue et vis sans fin, train épicycloïdal, …) ;
  • Équipage de roues à friction.
• Gamme discontinue de rapports de transmission :
  • Boite de vitesses à rapports.
• Rapport de transmission à variation continue :
  • Variateur à friction (cônes, disques et galet, …) ;
  • Variateur à poulies extensibles.

Tout élément de transmission de puissance est caractérisé par son rapport de transmission, calculé comme suit (avec ω la vitesse de rotation des arbres):

$R_{transmission}={\omega _{sortie} \over \omega _{entree}}$

Choix de la transmission

Dans un engin industriel (pompe, machine-outil…) dont la vitesse de travail (linéaire ou angulaire) serait constante, il suffit de calculer adéquatement le rapport de transmission entre le moteur et l’outil pour que le moteur fonctionne toujours à son régime optimal. La transmission est ensuite choisie ou conçue sur la base du rapport de transmission voulu.

Là où la vitesse de l'actionneur est variable et doit adopter un nombre n fini de valeurs, on intercale entre le moteur et l’arbre de sortie une boîte de vitesse à n rapports.

Là où la vitesse de l'actionneur doit varier en continu (comme c’est le cas sur un véhicule), il faut, pour que le moteur reste à son régime de fonctionnement optimal, un élément de transmission de puissance qui puisse adapter en continu la vitesse de rotation de l’arbre moteur à celle requise par l’arbre de sortie. Les transmissions à variation continue permettent de fixer le moteur à un régime choisi pour minimiser la consommation ou maximiser la puissance ou le couple disponible.

Historique

En 1897, le constructeur Gustave Fouillaron, inventeur et ancien patron d’industrie textile, met au point le principe du Variateur de vitesse continu à poulies extensibles, dont il fait sa marque distinctive. La description de son seul système de changement de vitesse occupe la moitié des notices techniques de ses voiturettes. Plus de 30 ans après, on s’en souvient encore comme du type même de l’innovation. Notons qu’à la différence de leur principale évolution ultérieure, les poulies Fouillaron sont évidées. La courroie reliant les poulies est comprise comme une chaîne. Les maillons de cette « chaîne-courroie » crantée, selon les termes mêmes de son inventeur, s’engrènent dans les parties pleines et creuses des poulies. Des 6 brevets déposés par G. Fouillaron de 1904 à 1907 en France, 1 porte sur la poulie, 2 sur le variateur lui-même et 3 sur la constitution et la géométrie même des courroies.

En réalité, G. Fouillaron n’est pas l’inventeur du Variateur, même s’il est difficile de dire à quel point il s’est inspiré des travaux de Wales (brevet US 1876), mais surtout de Milton O Reeves (brevet US 1899) et de sa Reeves Pulley Co, la plus inventive au début de XX^ème siècle dans le développement des CVT à 2 poulies à entraxe fixe, pour l’industrie des scieries et l’automobile.

En 1926, George Constantinesco construit une voiture avec un CVT à masses oscillantes (brevet déposé en 1924).

En 1958, Hubertus von Doorne, cofondateur de DAF, met au point et commercialise le système de transmission continue Variomatic avec une courroie flexible. Plus que toutes les ébauches précédentes handicapées par leur manque de fiabilité et leur faible rendement, c’est lui qui popularise le concept dans le monde automobile.

Dans les années 90, le Variateur de vitesse sous toutes ses formes se répand chez les constructeurs automobiles : Subaru (1987), Nissan (1992), Honda (1995), Toyota (1997), Audi (2000), Ford (2005) …

Variateur de vitesse à courroie trapézoïdale

Le rapport de transmission d'un système poulie-courroie classique est fixé par les diamètres des poulies motrice et réceptrice:

$R_{transmission}={Diametre_{motrice} \over Diametre_{receptrice}}$

Pour obtenir une variation continue du rapport de transmission, il faut une variation continue du diamètre des poulies, c’est-à-dire des poulies « coniques ».

Poulies à entraxe fixe

Principe

Un variateur à gorges variables.

Le variateur de vitesses à courroie est composé d'une courroie, métallique ou synthétique, et de deux poulies dont les gorges sont à écartement variable. En fonction de l'écartement des parois des poulies, la courroie pénètre plus ou moins près du centre ce qui a pour effet de changer le rapport de démultiplication.

Les écartements respectifs des poulies motrice et réceptrice sont inversement proportionnels : l’une augmente quand l’autre diminue. Les poulies motrice et réceptrice sont formées chacune d’un flasque encastré sur l’arbre et d’un autre en liaison glissière avec le même arbre. L’utilisateur agit sur l’écartement de la poulie motrice au moyen d’une vis de pression, d’un volant ou système hydraulique, d’une pompe à vide, d’un ensemble pignon-crémaillère…La tension de la courroie entraîne alors une variation inverse sur la poulie menée. Un ressort de rappel sur celle-ci permet de minimiser l’écartement des flasques. Les poulies sont auto-alignées : les plans milieu des poulies motrice et réceptrice coïncident à tout instant avec celui de la courroie, mais leur position varie en fonction de la translation des flasques glissants.

Si les 2 poulies ont des caractéristiques semblables, ce type de positionnement permet d’étendre au maximum la plage des rapports possibles:

${R_{max} \over R_{min}}=({Diametre_{max} \over Diametre_{min}})^{2}$

Utilisation

Ce système reste le plus populaire chez les constructeurs de boîtes de vitesse CVT : X-Tronic (Nissan-Jatco), Multitronic (Audi), Variomatic (DAF), Lineartronic (Subaru), Multimatic (Honda), CVTi et eCVT (Toyota), Invecs-III (Mitsubishi)… En sont équipés (liste non exhaustive) : Ford Fiesta, Ford Focus, Fiat Uno Selecta, Fiat Punto, Lancia Y, les Audi version Multitronic, Mercedes-Benz Classe A et Classe B, Honda Jazz (~2007), Honda Civic Hybrid et Honda Insight, Nissan Micra K11, Nissan Murano, Nissan Altima, Nissan Juke, Nissan Tiida, Nissan Qashqai, Nissan X-Trail (2014), Dodge Caliber, Renault Scenic III, Renault Mégane III.

Le problème des courroies

Ce type de transmission a longtemps eu la réputation d’être une transmission pour petites cylindrées. Cela tenait essentiellement au fait que les courroies dont elles étaient équipées n’étaient pas en mesure de résister à de fortes tensions. Dans toute transmission à courroie, la puissance maximale transmissible par la courroie augmente en effet avec la tension (initiale) admissible par la courroie et donc avec sa résistance élastique : $P_{max}=2.T_{0}.V$

Pour augmenter la puissance transmissible par les transmissions à variation continue, une part importante des développements ont porté sur la résistance des courroies. Les premières courroies en cuir ont laissé la place au caoutchouc. Les courroies continues ou à maillons séparés ont été renforcées par une armature métallique extensible et sont maintenant en kevlar ou néoprène. Les constructeurs automobiles utilisent aujourd’hui des courroies métalliques, capables de supporter des tensions plus importantes et donc de transmettre des couples plus importants, constituées d’une suite de maillons d’acier maintenus par de fines bandes d’acier superposées qui assurent sa flexibilité et sa résistance à la traction. Ces systèmes à courroie métallique offrent l'avantage de durer longtemps et supportent beaucoup mieux les gros efforts de tension délivrés par les moteurs des automobiles modernes, la plupart d'entre eux produisant un couple important.

Poulies à entraxe variable

Ce système reprend le principe de base, mais seule la motrice est formée de 2 flasques coulissant symétriquement sur un moyeu. La menée, de diamètre fixe, est encastrée sur son arbre. Une augmentation de l’entraxe (généralement en déplaçant le moteur positionné sur un plateau en liaison glissière avec le bâti) entraîne une diminution du diamètre de la poulie motrice et donc du rapport de transmission (puisque le diamètre de la menée est fixe). Ce type de système permet une plage de rapports plus réduite :

${R_{max} \over R_{min}}={Diametre_{max} \over Diametre_{min}}$

La poulie motrice, auto-centrée, est cette fois-ci formée de 2 flasques en liaison glissière avec l’arbre, symétriques par rapport au plan milieu de la courroie. Deux ressorts de rappel permettent de minimiser l’écartement des flasques. Les plans milieu des poulies motrice et réceptrice ainsi que de la courroie sont alors identiques et invariants, de façon à toujours maintenir la courroie dans l’axe des poulies.

Deux cas particuliers

Le variateur de vitesse

Généralement, le rapport est choisi par un dispositif centrifuge, en fonction de la vitesse de rotation du moteur : plus le moteur tourne vite, plus la démultiplication augmente, ce qui permet d'augmenter la vitesse de rotation de l'arbre secondaire beaucoup plus rapidement que le régime moteur.

Ausführungen mit veränderlichen Übersetzungen

En sont équipées (liste non exhaustive) :

• Les cyclomoteurs ;
• les scooters y compris de forte cylindrée ;
• les voiturettes ;
• les anciennes Daf 600 à Daf 55 et Volvo 66 et Volvo 343 équipées du Variomatic.
• les motoneiges ;

Nissan Extroid CVT

Le Mobymatic

Sur la Mobylette, seul le diamètre de la poulie, côté moteur varie, la différence de diamètre étant ajustée par un déplacement physique du moteur (rappelé par un ressort puissant).

Les transmissions par train épicycloïdal

Contrairement à la croyance populaire, les transmission de certaines automobiles hybrides comme la Toyota Prius (moteur thermique + moteur électrique) sont à distinguer de la transmission à variation continue. Si l'impression de conduite peut-être similaire, il s'agit de transmission à partage de puissance (PST) qui utilisent un train épicycloïdal qui fait varier le rapport de la contribution des deux moteurs en vitesse de sortie et puissance. Dans le cas de la transmission HSD des Toyota (Prius, Auris, Yaris et autres) le moteur électrique de traction est relié directement aux roues motrices sans embrayage ni boîte de vitesses. Le rapport de transmission est donc fixe et unique. La marche arrière s'obtient par inversion du sens de rotation du moteur électrique.

Variation continue à double moteur et train épicycloïdal

Toyota Super CVT - i

En sont équipés (liste non exhaustive) : Toyota Prius, Toyota Auris, Yaris Hybride, Lexus RX, Nissan Altima hybride , de même que des tracteurs agricoles.

Autres technologies ===== Variateur de vitesse à roue à diamètre variable =

Variateur de vitesse à roue à diamètre variable.

Deux inventeurs français, Franck Guigan et Janick Simeray, ont annoncé en décembre 2012 un variateur de vitesses basé sur une roue dont le diamètre varie automatiquement selon le couple résistant. Les économies d'énergie sont d'autant plus importantes que les frottements sont extrêmement faibles.

Cette transmission peut comporter différents types d'engrenages classiques, mais la version recommandée joue sur le coefficient de friction statique important de certains matériaux comme l'aluminium pour s'en passer. Dans les deux cas, la puissance transférée peut être très importante.

• Variateur à pendule de George Constantinescu;

• Différents types de variateurs
• 
  Variateur de vitesse à cônes d'Evans.
• 
  Variateur de vitesse toroïdal (équipe en option les Nissan Cedric et Nissan Gloria (en)).
• 
  Variateur de vitesse à deux cônes (le variateur de Graham n'utilise qu'un cône).
• 
  Variateur de vitesse à disques.

Avantages et inconvénients d'un variateur de vitesse par rapport à une boîte de vitesse à rapports

Avantages

• possibilité de présélections pour un usage en mode manuel séquentiel (6, 7 rapports) ;
• il y a une infinité de rapports de démultiplication en mode automatique, ce qui permet l'adaptation instantanée et continue entre la charge et la vitesse minimum de rotation du moteur (confort acoustique et consommation moindre qui compense la perte de rendement mécanique) ;
• le conducteur n'a pas à se préoccuper de quoi que ce soit ;
• la sélection du rapport de démultiplication est presque simultané à l'accélération. Un avantage certain qui crée un inconvénient : celui d'une sensation de patinage excessif de la boîte lors de la prise en main. Une pression modérée et continue sur l'accélérateur va faire monter le régime moteur très calmement et la vitesse arrive en même temps. Mais là où le conducteur habitué au rapport fixe s'attend à des à-coups dus aux changements de vitesse, le véhicule ne fait que continuer à prendre de la vitesse. Sur une accélération brutale, le régime moteur augmente, mais ne redescend pas tant que la vitesse correspondant à la pression n'est pas atteinte, ce qui accentue l'effet de patinage. Mais si l'on regarde l'indicateur de vitesse, la prise de vitesse est très importante. Comme « toutes » les boîtes automatiques, pour accélérer calmement, on appuie modérément sur la pédale d'accélération ; pour un dépassement court, il faut mettre le pied au plancher.

Inconvénients

• le rendement mécanique est légèrement inférieur à celui d'une boîte de vitesses manuelle ;
• le frein moteur est moins efficace que sur un engin équipé d'une boîte de vitesses classique et sa puissance n'est pas ajustable.

Annexes

Article connexe

• Claas Xerion 5000

Liens externes

• « Un petit exposé sur le fonctionnement d'un variateur », Okapi 38
• Modèle:Fr+en Le variateur SECVT à sélection continue ou séquentielle, sur pirmil.info
• La transmission CVT des hybrides Honda, sur hybridespourtous.com