Bienvenue à Gearhead 101 :une série sur les bases du fonctionnement des voitures pour les néophytes de l'automobile.
Si vous avez suivi Gearhead 101, vous savez comment fonctionne un moteur de voiture, comment le moteur transfère la puissance qu'il génère via la transmission et comment une transmission manuelle fonctionne comme une sorte de tableau électrique entre le moteur et la transmission.
Mais la plupart des gens de nos jours (du moins si vous vivez aux États-Unis) conduisent des voitures avec automatique transmissions. Vous êtes-vous déjà demandé comment votre voiture peut passer la vitesse appropriée sans que vous ayez à faire quoi que ce soit d'autre qu'appuyer sur la pédale d'accélérateur ou freiner ?
Eh bien, accrochez-vous à vos fesses. Nous sommes sur le point de vous présenter l'une des pièces les plus étonnantes de l'ingénierie mécanique (et fluide) de l'histoire de l'humanité :la transmission automatique.
(Sérieusement, je n'exagère pas :une fois que vous comprendrez comment fonctionnent les transmissions automatiques, vous serez impressionné que les gens aient pu proposer ce truc sans ordinateurs.)
Avant d'entrer dans les détails du fonctionnement d'une transmission automatique, examinons rapidement pourquoi les véhicules ont besoin d'une transmission, quelle qu'elle soit, en premier lieu.
Comme indiqué dans notre introduction sur le fonctionnement d'un moteur de voiture, le moteur de votre véhicule crée une puissance de rotation. Pour déplacer la voiture, nous devons transférer cette puissance de rotation aux roues. C'est ce que fait la transmission de la voiture, dont la transmission fait partie.
Mais voici le problème :un moteur ne peut tourner qu'à une certaine vitesse pour fonctionner efficacement. S'il tourne trop bas, vous ne pourrez pas faire bouger la voiture à l'arrêt; s'il tourne trop vite, le moteur peut s'autodétruire.
Ce dont nous avons besoin, c'est d'un moyen de multiplier la puissance produite par le moteur lorsque cela est nécessaire (démarrer à l'arrêt, monter une côte, etc.), mais aussi de diminuer la quantité de puissance envoyée par le moteur lorsqu'elle n'est pas nécessaire ( en descente, aller très vite, claquer sur les freins).
Entrez la transmission.
La transmission garantit que votre moteur tourne à un rythme optimal (ni trop lent ni trop rapide) tout en fournissant simultanément à vos roues la bonne quantité de puissance dont elles ont besoin pour déplacer et arrêter la voiture, quelle que soit la situation dans laquelle vous vous trouvez. entre le moteur et le reste de la transmission et agit en quelque sorte comme un tableau électrique pour la voiture.
Nous avons précédemment expliqué en détail comment les transmissions manuelles accomplissent cela grâce aux rapports de démultiplication. En connectant des engrenages de différentes tailles les uns aux autres, vous pouvez augmenter la quantité de puissance délivrée au reste de la voiture sans trop modifier la vitesse de rotation du moteur. Si vous ne comprenez pas encore l'idée des rapports de démultiplication, je vous recommande de regarder la vidéo que nous avons incluse la dernière fois avant de continuer ; rien d'autre n'aura de sens si vous ne comprenez pas ce concept.
Avec une transmission manuelle, vous contrôlez les vitesses engagées en appuyant sur l'embrayage et en mettant les vitesses en place.
Sur une transmission automatique, une ingénierie brillante détermine quel rapport est engagé sans que vous ayez à faire quoi que ce soit d'autre que d'appuyer sur la pédale d'accélérateur ou de frein. C'est la magie automobile.
Donc, à présent, vous devriez avoir une compréhension de base du but d'une transmission :elle garantit que votre moteur tourne à une vitesse optimale (ni trop lente ni trop rapide), tout en fournissant simultanément à vos roues la bonne quantité de puissance pour déplacer et arrêter le moteur. voiture, peu importe la situation.
Examinons les pièces qui permettent cela dans le cas de la transmission automatique :
Carter de transmission
Un carter de transmission abrite toutes les pièces de la transmission. Cela ressemble en quelque sorte à une cloche, vous l'entendrez donc souvent appelé "boîtier de cloche". Le carter de transmission est généralement en aluminium. En plus de protéger tous les engrenages mobiles de la transmission, le carter de cloche des voitures modernes possède divers capteurs qui suivent la vitesse de rotation d'entrée du moteur et la vitesse de rotation de sortie vers le reste de la voiture.
Convertisseur de couple
Vous êtes-vous déjà demandé pourquoi vous pouvez allumer le moteur de votre voiture, mais ne pas faire avancer la chose ? Eh bien, c'est parce que le flux de puissance du moteur à la transmission est déconnecté. Cette déconnexion permet au moteur de continuer à fonctionner même si le reste de la transmission de la voiture ne reçoit aucune puissance. Sur une transmission manuelle, vous déconnectez l'alimentation du moteur vers la transmission en appuyant sur l'embrayage.
Mais comment déconnecter l'alimentation du moteur du reste de la transmission sur une transmission automatique sans embrayage ?
Avec un convertisseur de couple, bien sûr.
C'est là que commence la magie noire des transmissions automatiques (nous n'avons même pas encore atteint les engrenages planétaires).
Le convertisseur de couple se situe entre le moteur et la transmission. C'est une chose en forme de beignet qui se trouve à l'intérieur de la grande ouverture du boîtier de cloche de la transmission. Il a deux fonctions principales en termes de transmission de couple :
Il remplit ces deux fonctions grâce à la puissance hydraulique fournie par le liquide de transmission à l'intérieur de votre transmission.
Pour comprendre comment cela fonctionne, nous devons savoir comment fonctionnent les différentes parties d'un convertisseur de couple.
Parties d'un convertisseur de couple
Il existe quatre parties principales d'un convertisseur de couple dans la plupart des véhicules modernes :1) la pompe, 2) le stator, 3) la turbine et 4) l'embrayage du convertisseur de couple.
La turbine peut tourner grâce au fluide de transmission envoyé par la pompe. Les aubes de la turbine sont conçues de manière à ce que le fluide qu'elle reçoit soit déplacé vers le centre de la turbine et de retour vers la pompe.
Il y parvient grâce à une ingénierie intelligente. Tout d'abord, les aubes du réacteur sont conçues de manière à ce que lorsque le fluide de transmission sortant de la turbine frappe les aubes du stator, le fluide est dévié dans le même sens que la rotation de la pompe.
Deuxièmement, le stator est relié à un arbre fixe sur la transmission via un embrayage unidirectionnel. Cela signifie que le stator ne peut se déplacer que dans une seule direction. Cela garantit que le fluide de la turbine est dirigé dans une direction. Le stator ne commencera à tourner que lorsque la vitesse du fluide de la turbine atteindra un certain niveau.
Ces deux éléments de conception du stator facilitent le travail de la pompe et génèrent plus de pression de fluide. Ceci, à son tour, crée un couple amplifié à la turbine et parce que la turbine est connectée à la transmission, plus de couple peut être envoyé à la transmission et au reste de la voiture. Ouf.
Pour annuler cette perte d'énergie, la plupart des convertisseurs de couple modernes ont un embrayage de convertisseur de couple qui est connecté à la turbine. Lorsque la voiture atteint une certaine vitesse (généralement 45 à 50 mph), l'embrayage du convertisseur de couple s'enclenche et fait tourner la turbine à la même vitesse que la pompe. Un ordinateur contrôle quand l'embrayage du convertisseur est engagé.
Ce sont donc les pièces du convertisseur de couple.
Réunissons tout cela et regardons à quoi ressemblerait l'action du convertisseur de couple lorsque vous passez d'un arrêt à une vitesse de croisière :
Vous allumez la voiture et elle tourne au ralenti. La pompe tourne à la même vitesse que le moteur et envoie du liquide de transmission vers la turbine, mais comme le moteur ne tourne pas très vite à l'arrêt, la turbine ne tourne pas aussi vite, donc elle ne peut pas livrer couple à la transmission.
Vous mettez le gaz. Cela fait tourner le moteur plus rapidement, ce qui fait tourner la pompe du convertisseur de couple plus rapidement. Parce que la pompe tourne plus vite, le liquide de transmission se déplace assez rapidement de la pompe pour commencer à faire tourner la turbine plus rapidement. Les aubes de turbine envoient le fluide au stator. Le stator ne tourne pas encore car la vitesse du liquide de transmission n'est pas assez élevée.
Mais en raison de la conception des aubes du stator, lorsque le fluide les traverse, il redirige le fluide vers la pompe dans le même sens que la pompe tourne. Cela permet à la pompe de déplacer le fluide vers la turbine à une vitesse plus élevée et crée plus de pression de fluide. Lorsque le fluide retourne vers la turbine, il le fait avec plus de couple, ce qui amène la turbine à fournir plus de couple à la transmission. La voiture commence à avancer.
Encore et encore, ce cycle se poursuit à mesure que votre voiture accélère. Lorsque vous atteignez la vitesse de croisière, le liquide de transmission atteint une pression qui fait finalement tourner les aubes du réacteur. Avec le réacteur en rotation, le couple est réduit. À ce stade, vous n'avez pas besoin de beaucoup de couple pour déplacer la voiture car la voiture se déplace à un bon rythme. L'embrayage du convertisseur de couple s'enclenche et fait tourner la turbine à la même vitesse que la pompe et le moteur.
D'accord, donc le convertisseur de couple est ce qui permet ou empêche la transmission de la puissance du moteur à la transmission et ce qui multiplie le couple à la transmission pour faire démarrer la voiture à partir d'un arrêt complet. Il est temps de jeter un coup d'œil aux pièces de la transmission qui permettent à la voiture de changer de vitesse automatiquement.
Engrenages planétaires
Lorsque votre véhicule atteint des vitesses plus élevées, il a besoin de moins de couple pour faire avancer la voiture. Les transmissions peuvent augmenter ou diminuer la quantité de couple envoyée aux roues de la voiture grâce aux rapports de démultiplication. Plus un rapport de démultiplication est bas, plus le couple délivré est important. Plus un rapport de démultiplication est élevé, moins le couple délivré est important.
Sur une transmission manuelle, vous devez déplacer votre levier de vitesse pour changer les rapports de vitesse.
Sur une transmission automatique, les rapports de vitesse augmentent et diminuent automatiquement. Et cela est possible grâce à la conception ingénieuse d'un engrenage planétaire.
Un engrenage planétaire se compose de trois composants :
Un seul ensemble d'engrenages planétaires peut réaliser une marche arrière et cinq niveaux de marche avant. Tout dépend de laquelle des trois composantes de l'ensemble d'engrenages est en mouvement ou maintenue immobile.
Jetons un coup d'œil à cela en action avec les différents composants agissant soit comme l'engrenage d'entrée (l'engrenage qui génère la puissance), soit comme l'engrenage de sortie (l'engrenage qui reçoit la puissance), soit comme étant maintenus immobiles.
Pignon solaire :engrenage d'entrée / Support planétaire :engrenage de sortie / Couronne :maintenu immobile
Dans ce scénario, la roue solaire est la roue d'entrée. La couronne dentée ne bouge pas. Avec la roue solaire en mouvement et la couronne maintenue en place, les engrenages planétaires tournent sur leurs propres arbres de support et marchent autour de l'intérieur de la couronne, mais dans la direction opposée à la roue solaire. Cela fait tourner le support dans le même sens que la roue solaire. Le porteur devient ainsi l'engrenage de sortie.
Cette configuration crée un faible rapport de démultiplication, ce qui signifie que l'engrenage d'entrée (dans ce cas, le planétaire) tourne plus vite que l'engrenage de sortie (le porte-satellites). Mais la quantité de couple créée par le porte-satellites est bien supérieure à celle fournie par le planétaire.
Ce type de configuration serait utilisé lorsque la voiture ne fait que démarrer.
Pignon solaire :maintenu à l'arrêt / Support planétaire :engrenage de sortie / Couronne :engrenage d'entrée
Dans ce scénario, l'engrenage solaire est maintenu immobile, mais la couronne dentée devient l'engrenage d'entrée (c'est-à-dire qu'elle fournit de l'énergie au système d'engrenage). Parce que l'engrenage solaire est tenu, les engrenages planétaires en rotation marcheront autour de l'engrenage solaire et emporteront le porte-satellites avec eux.
Le porte-satellites se déplace dans le même sens que la couronne dentée et est un engrenage de sortie.
Cette configuration crée un rapport de démultiplication un peu plus élevé que la première configuration. Mais l'engrenage d'entrée (la couronne dentée) tourne toujours plus vite que l'engrenage de sortie (le porte-satellites). Il en résulte que l'engrenage planétaire fournit plus de couple ou de puissance au reste de la transmission. Cette configuration serait probablement en jeu lorsque votre voiture accélère à partir d'un arrêt net ou lorsque vous montez une colline.
Pignon solaire :engrenage d'entrée / Support planétaire :engrenage de sortie / Couronne :engrenage d'entrée
Dans ce scénario, l'engrenage solaire et la couronne agissent comme des engrenages d'entrée. Autrement dit, les deux tournent à la même vitesse et dans le même sens. This causes the planetary gears to not spin on their individual shafts. Pourquoi? If the ring gear and the sun gear are the input members, the internal teeth of the ring gear will try to rotate the planetary gears in one direction, while the external teeth of the sun gear will try to drive them in the opposite direction. So they lock into place. The whole unit (sun gear, planetary carrier, ring gear) moves together at the same speed and they transfer the same amount of power. When the input and the output transfer the same amount of torque, it’s called direct drive.
This arrangement would be in play when you’re cruising around 45-50 mph.
Sun Gear:held stationary / Planetary Carrier:input gear / Ring Gear:output gear
In this scenario, the sun gear is held stationary, and the planetary carrier becomes the input gear that delivers power to the gear system. The ring gear is now the output gear.
As the planet carrier rotates, the planetary gears are forced to walk around the held sun gear, which drives the ring gear faster. One complete rotation of the planet carrier causes the ring gear to rotate more than one complete revolution in the same direction. This is a high gear ratio and provides more output speed but less torque. This arrangement is also known as “overdrive.”
You’d be in this configuration when you’re driving on the freeway at 60+ mph.
An automatic transmission usually has more than one planetary gear set. They work together to create multiple gear ratios.
Because the gears are in constant mesh in a planetary gear system, gear changes are made without engaging or disengaging gears, like you do on a manual transmission.
But how does an automatic transmission tell which parts of the planetary gear system should act as the input gear, the output gear, or be held stationary, so we can get those varying gear ratios?
With the help of brake bands and clutches inside the transmission.
Brake Bands and Clutches
Brake bands are made of metal lined with organic friction material. The brake bands can tighten to hold the ring or sun gear stationary or loosen to let them spin. Whether a brake band tightens or loosens is controlled by a hydraulic system.
A series of clutches also connect to the different parts of a planetary gear system. Transmission clutches in automatic transmissions are made up of multiple metal and friction discs (which is why they’re sometimes referred to as a “multi disc clutch assembly”). When the discs are pressed together, it causes the clutch to engage. A clutch can cause a planetary gear part to become an input gear or it could cause it to become stationary. It just depends on how it’s connected to the planetary gear. Whether a clutch engages or not is driven by a combination of mechanical, hydraulic, and electrical design. And it all happens automatically.
Now the intricacies of how the various clutches work together to hold and drive different components is pretty complicated. Too complicated to describe it in text. It’s best understood visually. I highly recommend checking out this video that walks you through it:
As you can see, there are a lot of moving parts inside an automatic transmission. It uses a combination of mechanical, fluid, and electrical engineering to give you a smooth ride from dead stop to highway cruising speed.
So let’s walk through a big picture overview of the power flow in an automatic transmission.
The engine sends power to the torque convertor’s pump .
The pump sends power to the torque converter’s turbine via transmission fluid.
The turbine sends the transmission fluid back to the pump via the stator .
The stator multiples the power of the transmission fluid, allowing the pump to send more power back to the turbine. A vortex power rotation is created inside the torque converter.
The turbine is connected to a central shaft that connects to the transmission. As the turbine spins, the shaft spins, sending power to the first planetary gear set of the transmission.
Depending on which multiple disc clutch or brake band is engaged in the transmission, the power from the torque converter will either cause the sun gear , the planetary carrier , or the ring gear of the planetary gear system to move or stay stationary.
Depending on which parts of the planetary gear system are moving or not determines the gear ratio . Whatever planetary gear arrangement you have (sun gear acting as input, planetary carrier acting as output, ring gear stationary — see above) will determine the amount of power the transmission sends to the rest of the drive train.
That, broadly speaking, is how an automatic transmission works. There are sensors and valves that regulate and modify things, but that’s the basic gist of it.
It’s something that’s easier understood visually. I highly recommend watching the following video. The background we went through will make it much easier to understand:
What did I tell you? The automatic transmission is pretty dang amazing.
Now as you feel the car shift gears as you cruise down the freeway, you’ll have a good idea of what’s going on under the hood.
