Bienvenue dans Gearhead 101 – une série sur les bases du fonctionnement des voitures pour les néophytes de l'automobile.
Parce que vous avez lu l'Art de la virilité, vous savez comment conduire un levier de vitesse. Mais savez-vous ce qui se passe sous le capot lorsque vous changez de vitesse ?
Non ?
Eh bien, c'est aujourd'hui votre jour de chance !
Dans cette édition de Gearhead 101, nous examinons les tenants et les aboutissants du fonctionnement d'une transmission manuelle. Au moment où vous aurez fini de lire cet article, vous devriez avoir une compréhension de base de cette partie essentielle de la transmission de votre véhicule.
Retroussons nos manches et commençons.
Remarque :Avant de lire le fonctionnement d'une transmission, je vous recommande vivement de consulter nos Gearhead 101 sur les tenants et les aboutissants des moteurs et des transmissions.
Avant d'entrer dans les détails du fonctionnement d'une transmission manuelle, parlons de ce que font les transmissions en général.
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 le groupe motopropulseur de la voiture, dont la transmission fait partie.
Mais il y a quelques problèmes avec la puissance produite par un moteur à combustion interne. Tout d'abord, il ne fournit de la puissance utilisable, ou du couple, que dans une certaine plage de régime moteur (cette plage est appelée plage de puissance d'un moteur). Allez trop lentement ou trop vite, et vous n'obtenez pas le couple optimal pour faire avancer la voiture. Deuxièmement, les voitures ont souvent besoin de plus ou moins de couple que ce que le moteur peut fournir de manière optimale dans sa plage de puissance.
Pour comprendre le deuxième problème, vous devez comprendre le premier problème. Et pour comprendre le premier problème, vous devez comprendre la différence entre la vitesse du moteur et le couple du moteur .
La vitesse du moteur est la vitesse à laquelle le vilebrequin du moteur tourne. Ceci est mesuré en tours par minute (RPM).
Le couple moteur est la force de torsion que le moteur génère sur son arbre pour une vitesse de rotation particulière.
Un mécanicien automobile a donné cette belle analogie pour comprendre la différence entre le régime moteur et le couple moteur :
Imaginez que vous étiez un moteur et que vous essayez d'enfoncer un clou dans un mur :
Vitesse =Combien de fois vous frappez la tête du clou en une minute.
Torque =la force avec laquelle vous frappez le clou à chaque fois.
Repensez à la dernière fois que vous avez planté des clous. Si vous marteliez très vite, vous avez probablement remarqué que vous ne frappiez pas le clou avec beaucoup de force. De plus, vous vous êtes probablement épuisé à cause de tant de swings frénétiques.
À l'inverse, si vous preniez votre temps entre chaque swing, mais que vous vous assuriez que chaque swing que vous faisiez était aussi dur que possible, vous enfonceriez le clou avec moins de swings, mais cela pourrait vous prendre un peu plus de temps car vous n'êtes pas se balançant à un rythme régulier.
Idéalement, vous trouveriez un rythme de martèlement qui vous permettrait de frapper plusieurs fois la tête du clou avec une bonne force à chaque swing sans vous fatiguer. Ni trop rapide, ni trop lent, mais juste à droite.
Eh bien, nous voulons que le moteur de notre voiture fasse la même chose. Nous voulons qu'il tourne à la vitesse qui lui permet de fournir le couple nécessaire sans travailler si fort qu'il se détruise. Nous avons besoin que le moteur reste dans sa plage de puissance.
Si un moteur tourne en dessous de sa plage de puissance, vous n'aurez pas le couple nécessaire pour faire avancer la voiture. S'il dépasse sa plage de puissance, le couple commence à chuter et votre moteur commence à sonner comme s'il était sur le point de se casser à cause du stress (un peu comme ce qui se passe lorsque vous essayez de marteler trop vite :vous frappez le clou avec moins de puissance et vous obtenez vraiment, vraiment fatigué). Si vous avez fait tourner votre moteur jusqu'à ce que le tachymètre passe dans le rouge, vous comprenez viscéralement ce concept. Votre moteur sonne comme s'il était sur le point de mourir, mais vous n'allez pas plus vite.
D'accord, vous comprenez donc la nécessité de faire fonctionner un véhicule dans sa plage de puissance afin qu'il fonctionne efficacement.
Mais cela nous amène à notre deuxième problème :les voitures ont besoin de plus ou moins de couple dans certaines situations.
Par exemple, lorsque vous démarrez une voiture à l'arrêt, vous avez besoin de beaucoup de puissance, ou de couple, pour faire démarrer le véhicule. Si vous appuyez sur la pédale d'accélérateur, vous allez faire tourner le vilebrequin du moteur très rapidement, ce qui fera que le moteur dépassera sa plage de puissance et se détruira peut-être au cours du processus. Et le plus important, c'est que vous ne déplacerez même pas beaucoup la voiture car le couple diminue sur un moteur lorsqu'il dépasse sa plage de puissance. Dans cette situation, nous avons besoin de beaucoup plus de couple, mais pour cela, nous devons sacrifier un peu de vitesse.
D'accord, et si vous appuyez un tout petit peu sur le gaz ? Eh bien, cela ne fera probablement pas tourner le moteur assez vite pour entrer dans sa plage de puissance en premier lieu afin qu'il puisse fournir le couple nécessaire pour faire avancer la voiture.
Jetons un coup d'œil à un autre scénario :supposons que la voiture se déplace très rapidement, comme lorsque vous roulez sur l'autoroute. Vous n'avez pas besoin d'envoyer autant de puissance du moteur aux roues, car la voiture roule déjà à vive allure. L'élan pur fait beaucoup de travail. Ainsi, vous pouvez laisser le moteur tourner à une vitesse plus élevée sans vous soucier autant de la quantité de puissance transmise aux roues. Nous avons besoin de plus de vitesse de rotation allant aux roues, et moins de puissance de rotation .
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 ou très vite).
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.
Il est capable de faire cette transmission efficace de puissance à travers une série d'engrenages de différentes tailles qui tirent parti de la puissance du rapport d'engrenage.
À l'intérieur de la transmission se trouvent une série d'engrenages dentés de différentes tailles qui produisent un couple. Étant donné que les engrenages qui interagissent les uns avec les autres sont de tailles différentes, le couple peut être augmenté ou diminué sans trop modifier la vitesse de rotation du moteur. C'est grâce aux rapports de démultiplication.
Les rapports de démultiplication représentent la relation des engrenages les uns aux autres en taille. Lorsque des engrenages de tailles différentes s'engrènent, ils peuvent tourner à des vitesses différentes et fournir différentes quantités de puissance.
Regardons une version stupide des engrenages en action pour expliquer cela. Supposons que vous ayez un engrenage d'entrée à 10 dents (par engrenage d'entrée, je veux dire un engrenage qui génère la puissance) connecté à une sortie plus grande avec 20 dents (par engrenage de sortie, je veux dire un engrenage qui reçoit la puissance). Pour faire tourner cet engrenage à 20 dents une fois, l'engrenage à 10 dents doit tourner deux fois car il est deux fois moins gros que l'engrenage à 20 dents. Cela signifie que même si l'engrenage à 10 dents tourne rapidement, l'engrenage à 20 dents tourne lentement. Et même si l'engrenage à 20 dents tourne plus lentement, il fournit plus de force ou de puissance, car il est plus grand. Le rapport dans cet arrangement est de 1:2. Il s'agit d'un faible rapport de démultiplication.
Ou disons que les deux engrenages reliés l'un à l'autre sont de la même taille (10 dents et 10 dents). Ils tourneraient tous les deux à la même vitesse et fourniraient tous les deux la même quantité de puissance. Le rapport de démultiplication est ici de 1:1. C'est ce qu'on appelle un rapport "d'entraînement direct" car les deux engrenages transfèrent la même quantité de puissance.
Ou disons que l'engrenage d'entrée était plus grand (20 dents) et l'engrenage de sortie était plus petit (10 dents). Pour faire tourner l'engrenage à 10 dents une fois, l'engrenage à 20 dents n'aurait qu'à tourner à mi-chemin. Cela signifie que même si l'engrenage d'entrée à 20 dents tourne lentement et avec plus de force, l'engrenage de sortie à 10 dents tourne rapidement et fournit moins de puissance. Le rapport de démultiplication est ici de 2:1. C'est ce qu'on appelle un rapport de démultiplication élevé.
Ramenons ce concept au but de la transmission.
Vous trouverez ci-dessous un diagramme du flux de puissance lorsque les différentes vitesses d'un véhicule à transmission manuelle à 5 vitesses sont engagées.
Première vitesse. C'est le plus grand engrenage de la transmission et enchevêtré avec un petit engrenage. Un rapport de démultiplication typique lorsqu'une voiture est en première vitesse est de 3,166:1. Lorsque la première vitesse est engagée, une faible vitesse, mais une puissance élevée est délivrée. Ce rapport de démultiplication est idéal pour démarrer votre voiture à l'arrêt.
Deuxième vitesse. Le deuxième engrenage est légèrement plus petit que le premier engrenage, mais est toujours enchevêtré avec un engrenage plus petit. Un rapport de démultiplication typique est de 1,882:1. La vitesse est augmentée et la puissance légèrement diminuée.
Troisième vitesse. La troisième vitesse est légèrement plus petite que la seconde, mais toujours enchevêtrée avec une vitesse plus petite. Un rapport de démultiplication typique est de 1,296:1.
Quatrième vitesse. La quatrième vitesse est légèrement plus petite que la troisième. Dans de nombreux véhicules, au moment où une voiture est en quatrième vitesse, l'arbre de sortie se déplace à la même vitesse que l'arbre d'entrée. Cet arrangement est appelé "entraînement direct". Un rapport de démultiplication typique est de 0,972:1
Cinquième vitesse. Dans les véhicules équipés d'une cinquième vitesse (également appelée "overdrive"), elle est connectée à une vitesse beaucoup plus grande. Cela permet à la cinquième vitesse de tourner beaucoup plus rapidement que la vitesse qui fournit de la puissance. Un rapport de démultiplication typique est de 0,78:1.
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 dont elles ont besoin pour se déplacer et s'arrêter. la voiture, peu importe la situation dans laquelle vous vous trouvez.
Examinons les parties d'une transmission qui permettent que cela se produise :
Arbre d'entrée. L'arbre d'entrée vient du moteur. Cela tourne à la même vitesse et à la même puissance que le moteur.
Arbre intermédiaire. L'arbre intermédiaire (alias arbre intermédiaire) se trouve juste en dessous des arbres de sortie. L'arbre intermédiaire se connecte directement à l'arbre d'entrée via un engrenage à vitesse fixe. Chaque fois que l'arbre d'entrée tourne, l'arbre intermédiaire tourne également, et à la même vitesse que l'arbre d'entrée.
En plus de l'engrenage qui prend la puissance de l'arbre d'entrée, l'arbre intermédiaire comporte également plusieurs engrenages, un pour chacun des "engrenages" de la voiture (1er à 5ème), y compris la marche arrière.
Arbre de sortie. L'arbre de sortie est parallèle au-dessus de l'arbre intermédiaire. C'est l'arbre qui fournit la puissance au reste de la transmission. La quantité de puissance fournie par l'arbre de sortie dépend des engrenages qui y sont engagés. L'arbre de sortie a des engrenages à rotation libre qui sont montés dessus par des roulements à billes. La vitesse de l'arbre de sortie est déterminée par laquelle des cinq vitesses est en "vitesse" ou engagée.
1ère-5ème vitesse. Ce sont les engrenages qui sont montés sur l'arbre de sortie par des roulements et déterminent dans quel "engrenage" se trouve votre voiture. Chacun de ces engrenages est constamment enchevêtré avec l'un des engrenages de l'arbre intermédiaire et tourne constamment. Cet arrangement constamment enchevêtré est ce que vous voyez dans les transmissions synchronisées ou les transmissions à maillage constant, que la plupart des véhicules modernes utilisent. (Nous verrons comment tous les engrenages peuvent toujours tourner alors qu'un seul d'entre eux fournit réellement de la puissance à la transmission ici dans un instant.)
La première vitesse est la plus grande vitesse, et les vitesses deviennent progressivement plus petites à mesure que vous atteignez la cinquième vitesse. Rappelez-vous, les rapports de démultiplication. Parce que le premier engrenage est plus grand que l'engrenage d'arbre intermédiaire auquel il est connecté, il peut tourner plus lentement que l'arbre d'entrée (rappelez-vous, l'arbre intermédiaire se déplace à la même vitesse que l'arbre d'entrée), mais fournit plus de puissance à l'arbre de sortie. Au fur et à mesure que vous montez en vitesse, le rapport de démultiplication diminue jusqu'à ce que vous atteigniez le point où les arbres d'entrée et de sortie se déplacent à la même vitesse et fournissent la même quantité de puissance.
Pignon fou. Le pignon fou (parfois appelé "pignon fou de marche arrière") se trouve entre le pignon de marche arrière sur l'arbre de sortie et un pignon sur l'arbre intermédiaire. Le pignon fou est ce qui permet à votre voiture de faire marche arrière. La marche arrière est le seul engrenage d'une transmission synchronisée qui n'est pas toujours en prise ou en rotation avec un engrenage d'arbre intermédiaire. Il ne se déplace que lorsque vous mettez réellement le véhicule en marche arrière.
Colliers/manches de synchronisation. La plupart des véhicules modernes ont une transmission synchronisée, ce qui signifie que les engrenages qui fournissent de la puissance sur l'arbre de sortie sont constamment enchevêtrés avec des engrenages sur l'arbre intermédiaire et tournent constamment. Mais vous pensez peut-être :"Comment les cinq engrenages peuvent-ils être constamment enchevêtrés et tourner constamment, alors qu'un seul de ces engrenages fournit réellement de la puissance à l'arbre de sortie ?"
L'autre problème qui se pose avec les engrenages qui tournent toujours est que l'engrenage d'entraînement tourne souvent à une vitesse différente de celle de l'arbre de sortie auquel l'engrenage est connecté. Comment synchroniser un engrenage tournant à une vitesse différente de celle de l'arbre de sortie, et d'une manière fluide qui ne cause pas beaucoup de grincement ?
La réponse à ces deux questions :les colliers synchroniseurs.
Comme mentionné ci-dessus, les engrenages 1 à 5 sont montés sur l'arbre de sortie via des roulements à billes. Cela permet à tous les engrenages de tourner librement en même temps pendant que le moteur tourne. Pour engager l'un de ces engrenages, nous devons le connecter fermement à l'arbre de sortie, afin que la puissance soit transmise à l'arbre de sortie, puis au reste de la transmission.
Entre chacun des engrenages se trouvent des anneaux appelés colliers de synchronisation. Sur une transmission à cinq vitesses, il y a un collier entre les 1ère et 2ème vitesses, entre les 3ème et 4ème vitesses, et entre la 5ème et la marche arrière.
Chaque fois que vous mettez une voiture dans une vitesse, le collier de synchronisation passe à la vitesse mobile que vous cherchez à engager. À l'extérieur de l'engrenage se trouvent une série de dents en forme de cône. Le collier de synchronisation a des rainures pour accepter ces dents. Grâce à une excellente ingénierie mécanique, le collier de synchronisation peut se connecter à un engrenage avec très peu de bruit ou de friction, même lorsque l'engrenage est en mouvement, et synchroniser la vitesse de l'engrenage avec l'arbre d'entrée. Une fois que le collier de synchronisation est en prise avec le pignon menant, ce pignon menant fournit de la puissance à l'arbre de sortie.
Chaque fois qu'une voiture est "neutre", aucun des colliers de synchronisation n'est enchevêtré avec un engrenage d'entraînement.
Les colliers synchroniseurs sont également quelque chose de plus facile à comprendre visuellement. Voici un court petit clip qui fait un excellent travail expliquant ce qui se passe (commence à environ 1:59):
Changement de vitesse. Le changement de vitesse est ce que vous déplacez pour mettre une voiture en marche.
Tige de changement de vitesse. Les tiges de changement de vitesse sont ce qui déplace les colliers de synchronisation vers le rapport que vous souhaitez engager. Sur la plupart des véhicules à cinq vitesses, il y a trois tiges de changement de vitesse. Une extrémité d'une tige de changement de vitesse est reliée au changement de vitesse. À l'autre extrémité de la tige de changement de vitesse se trouve une fourchette de changement de vitesse qui maintient le collier de synchronisation.
Fourchette de changement de vitesse. La fourchette de changement de vitesse maintient le collier de synchronisation.
Embrayage. L'embrayage se situe entre le moteur et la boîte de vitesses de la transmission. Lorsque l'embrayage est désengagé, il déconnecte le flux de puissance entre le moteur et la boîte de vitesses. Cette déconnexion de puissance permet au moteur de continuer à fonctionner même si le reste de la transmission de la voiture ne reçoit aucune puissance. Lorsque la puissance du moteur est déconnectée de la transmission, le changement de vitesse est beaucoup plus facile et évite d'endommager les engrenages de la transmission. C'est pourquoi chaque fois que vous changez de vitesse, vous appuyez sur la pédale d'embrayage et désengagez l'embrayage.
Lorsque l'embrayage est engagé - votre pied se détache de la pédale - la puissance entre le moteur et la transmission est restaurée.
Réunissons donc tout cela et examinons ce qui se passe chaque fois que vous changez de vitesse dans un véhicule. Nous allons commencer par démarrer une voiture et passer en deuxième vitesse.
Lorsque vous démarrez une voiture à transmission manuelle, avant de tourner la clé, vous désengagez l'embrayage en appuyant sur la pédale d'embrayage. Cela déconnecte le flux de puissance entre l'arbre d'entrée du moteur et la transmission. Cela permet à votre moteur de fonctionner sans fournir de puissance au reste du véhicule.
Avec l'embrayage débrayé, vous déplacez le changement de vitesse en première vitesse. Cela provoque une tige de déplacement dans la boîte de vitesses de votre transmission pour déplacer la fourchette de changement de vitesse vers le premier engrenage, qui est monté sur l'arbre de sortie via des roulements à billes.
Ce premier engrenage sur l'arbre de sortie est en prise avec un engrenage qui est connecté à un arbre intermédiaire . L'arbre intermédiaire se connecte à l'arbre d'entrée du moteur via un engrenage et tourne à la même vitesse que l'arbre d'entrée du moteur.
Attaché à la fourchette de changement de vitesse est un collier de synchronisation . Le collier de synchronisation fait deux choses :1) il fixe fermement le pignon d'entraînement sur l'arbre de sortie afin que le pignon puisse fournir de la puissance à l'arbre de sortie, et 2) il garantit que le pignon se synchronise avec la vitesse de l'arbre de sortie.
Une fois que le collier de synchronisation est en prise avec le premier engrenage, l'engrenage est fermement connecté à l'arbre de sortie et le véhicule est maintenant en prise.
Pour faire avancer la voiture, vous appuyez légèrement sur l'accélérateur (ce qui crée plus de puissance moteur) et retirez lentement votre pied de l'embrayage (ce qui engage l'embrayage et reconnecte la puissance entre le moteur et la boîte de vitesses).
Parce que le premier rapport est grand, il fait tourner l'arbre de sortie plus lentement que l'arbre d'entrée du moteur, mais fournit plus de puissance au reste de la transmission. C'est grâce aux merveilles des rapports de démultiplication .
Si vous avez tout fait correctement, la voiture commencera lentement à avancer.
Une fois que vous aurez la voiture en marche, vous voudrez aller plus vite. Mais avec la voiture en première vitesse, vous ne pourrez pas aller très vite car le rapport de démultiplication fait tourner l'arbre de sortie à une certaine vitesse. Si vous deviez enfoncer la pédale d'accélérateur avec la voiture en première vitesse, vous allez simplement faire tourner l'arbre d'entrée du moteur très rapidement (et éventuellement endommager le moteur dans le processus), mais ne pas voir une augmentation de la vitesse du véhicule.
Pour augmenter la vitesse de l'arbre de sortie, nous devons passer en deuxième vitesse. Nous appuyons donc sur l'embrayage pour déconnecter l'alimentation entre le moteur et la boîte de vitesses et passer en deuxième vitesse. Cela déplace la tige de changement de vitesse qui a une fourchette de changement de vitesse et un collier de synchronisation vers la deuxième vitesse. Le collier de synchronisation synchronise la vitesse du deuxième rapport avec l'arbre de sortie et le fixe fermement à l'arbre de sortie. L'arbre de sortie peut maintenant tourner plus vite sans que l'arbre d'entrée du moteur ne tourne furieusement pour produire la puissance dont la voiture a besoin.
Pour le reste des cinq vitesses, il s'agit de rincer, laver et répéter.
La marche arrière est l'exception. Contrairement aux autres rapports de conduite où l'on peut monter les rapports sans arrêter complètement la voiture, pour passer en marche arrière, il faut être à l'arrêt. C'est parce que la marche arrière n'est pas constamment en prise avec un engrenage sur l'arbre intermédiaire. Pour faire glisser le pignon de marche arrière dans son pignon d'arbre intermédiaire correspondant, vous devez vous assurer que l'arbre intermédiaire ne bouge pas. Pour vous assurer que l'arbre intermédiaire ne tourne pas, vous devez arrêter complètement la voiture.
Bien sûr, vous pouvez forcer une voiture en marche arrière à passer en marche arrière, mais cela ne sonnera pas ou ne se sentira pas joli, et vous risquez d'endommager beaucoup la transmission.
Maintenant, chaque fois que vous mettez votre voiture en marche, vous saurez ce qui se passe sous le capot. Ensuite : les transmissions automatiques.
