La boîte de vitesses robotisée

Quand les vitesses passent toutes seules

Préoccupations environnementales et évolution des normes obligent, la boîte automatique de nos voitures est condamnée par son faible rendement. La boîte de vitesses robotisée, qui s'y substitue peu à peu, pourrait même séduire les aficionados de la boîte manuelle.

En France, la boîte automatique n'a jamais eu la faveur des conducteurs. À cela deux raisons : tout d'abord, embrayage et levier au plancher sont perçus comme plus virils, style Fangio sur Mercedes (années cinquante) ; ensuite, et surtout, la boîte automatique s'accompagne d'une majoration de prix et de consommation. Vu le tarif du carburant, le moindre litre compte.

Aux États-Unis, la conduite sportive ne suscite aucune nostalgie, et l'essence est bon marché : la boîte automatique y est la règle depuis plus de cinquante ans. Mais, même chez nous, il faudra se rendre à l'évidence :

Schumacher a succédé à Fangio ! Or, il y a bien longtemps que Schumacher n'a plus de levier au plancher, mais des palettes sur le volant qui commandent une boîte robotisée, sorte d'hybride de boîte manuelle et de boîte automatique.

La présence d'un embrayage suivi d'une boîte de vitesses découle du fait que le moteur à essence (ou diesel) n'a aucun couple à l'arrêt. Il ne commence à avoir quelque force qu'au-delà d'un certain régime, de l'ordre de 1 000 à 2 000 tours par minute. Or, au départ, les roues de la voiture sont, elles, à l'arrêt, et il est impossible de les faire passer subitement de 0 à seulement 100 tours par minute.

On interpose donc un système à frottement qui, par glissement progressif, fera le lien entre moteur et roues : c'est l'embrayage. Puis on y ajoute des jeux d'engrenages à rapport variable parce que l'embrayage ne peut compenser que de petites différences de régime entre moteur et roues.

Très tôt, on a cherché à automatiser l'ensemble pour libérer le conducteur des contraintes qu'engendre le passage des rapports.

Le système retenu fut celui du « train épicycloïdal », un jeu d'engrenages de disposition particulière associé à un convertisseur de couple hydraulique, constitué lui-même de deux turbines placées face à face dans un bain d'huile [fig. 1]. On peut comparer le fonctionnement de ce convertisseur à celui d'un ventilateur qui, en soufflant sur un autre, le fait tourner : plus le souffle du premier est fort, plus le second est entraîné à vive allure. Il en va de même avec les roues à ailettes dans l'huile : à bas régime le couplage est très faible, alors qu'il devient important à régime élevé.

Seul inconvénient : contrairement à un embrayage mécanique où, au final, les deux plateaux sont bloqués l'un sur l'autre par pression, le couplage n'est jamais total. Il reste toujours un certain glissement entre la turbine motrice et la turbine entraînée, ce qui se traduit par une perte limitant le rendement à 85 ou 90 % dans le transfert de la puissance. Cette limitation, qui entraîne une consommation accrue, va à l'encontre des contraintes écologiques actuelles : tous les constructeurs cherchent maintenant à limiter la consommation.

Il fallait donc trouver un successeur au convertisseur hydraulique, et c'est ainsi que naquit le concept de boîte robotisée. L'idée de base était de remplacer le conducteur par un calculateur qui passerait les vitesses à sa place par le biais de servocommandes. Il s'agit donc d'un ensemble boîte et embrayage conventionnels au rendement mécanique très élevé, mais dont les manœuvres sont assurées par des actionneurs eux-mêmes commandés par le calculateur, et non plus par la main et le pied du conducteur.

Dans un premier temps, ces actionneurs étaient de petits vérins hydrauliques qui étaient commandés depuis le calculateur via un circuit d'huile à haute pression et des électrovannes. La tendance actuelle est de les remplacer par des moteurs électriques gérés électroniquement, qui développent des couples et des puissances plus importants, ainsi qu'une plus grande longévité. Outre le haut rendement qu'offre d'emblée la boîte robotisée, puisque directement dérivée de la boîte manuelle, il est beaucoup plus simple de la doter de rapports multiples qu'une boîte automatique à trains épicycloïdaux. On trouve couramment des ensembles à cinq ou six rapports qui permettent de tirer le meilleur parti des plages de fonctionnement à rendement élevé du moteur.

Associée à un calculateur embarqué, la boîte robotisée devient ainsi une source d'économies d'énergie en adaptant en permanence, et au mieux, le régime moteur à la puissance demandée. Par exemple, sur la C3 Sensodrive de Citroën, le passage en mode automatique permet une économie de carburant atteignant 0,2 litre aux 100 kilomètres.

Pour gérer au mieux le passage des vitesses, le calculateur traite les données provenant de nombreux capteurs. Outre le régime moteur et celui de l'axe de la boîte, il prend en compte le couple transmis et la vitesse de la voiture, d'où il déduit si le véhicule est en accélération ou en décélération. Dès qu'il considère qu'un changement de rapport est opportun, il agit conjointement sur l'actionneur de l'embrayage, sur ceux de la boîte et sur le moteur lui-même.

En effet, contrairement au convertisseur de couple hydraulique qui permet de changer de rapport en charge, tout changement de vitesse sur une boîte robotisée passe par une phase de point mort en raison de l'indispensable débrayage. Lorsque le calculateur engage le changement de rapport, il intervient donc sur l'accélérateur, exactement comme le fait tout conducteur, afin d'éviter l'emballement du moteur à l'instant du débrayage.

Lorsqu'il s'agit de passer à la vitesse supérieure, le calculateur agit aussi, avec certains modèles, sur l'allumage électronique. En le coupant temporairement, il entraîne une baisse de régime du moteur, ce qui lui permet de l'adapter plus rapidement à celui que requiert le nouveau rapport. Inversement, en phase de rétrogradation, le calculateur donne un petit coup d'accélérateur au point mort, afin, ici encore, d'adapter le régime moteur.

Le calculateur gère ainsi l'ensemble des changements de vitesse. Un point particulièrement intéressant puisque les critères qui dictent le choix des rapports sont contenus dans un logiciel stocké en mémoire. Il est donc possible de faire cohabiter plusieurs logiciels et de les activer à la demande de l'utilisateur. De ce fait, le conducteur peut choisir un comportement sportif ou, à l'opposé, économique, avec toutes les variantes que l'on peut imaginer. Un simple sélecteur permet alors de choisir le type de conduite désiré.

Enfin, toute boîte robotisée se transforme à la demande en boîte manuelle séquentielle : celle qu'utilise par exemple Schumacher, soucieux de contrôler lui-même l'enclenchement des différents rapports, et qui équipe aussi de plus en plus de véhicules commercialisés. Généralement, des commandes placées sur le volant permettent de monter ou de descendre les rapports. Dès que le conducteur les actionne, le calculateur prend l'ordre en compte et, en ce cas, il joue le rôle de sécurité mécanique. Avant de commander le changement de vitesse, il vérifie que cela ne va pas conduire à un sous-régime ou à un surrégime risquant d'endommager le moteur. Si l'opération est possible, ce qui est le plus souvent le cas, il la réalise dans les mêmes conditions que celles d'un passage de vitesse en mode automatique.

Gabriel Martin,

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