Boite de vitesse

Objectifs	Démonter, observer et étudier le fonctionnement de la boîte de vitesse.
Compétences et savoirs évalués	CO4.1 - Identifier et caractériser les fonctions et les constituants d’un système ainsi que ses entrées/sorties. CO4.2 - Identifier et caractériser l’agencement matériel et/ou logiciel d’un système. S2-2.2 - Représentation symbolique : schéma cinématique. S3-2.1 - Transformateurs et modulateurs d'énergie associé : Adaptateurs d'énergie : réducteurs mécaniques.
Compte rendu	Compte rendu papier à imprimer : .
	1h50

Mise en situation

L'automobile est aujourd'hui en quasi exclusivité mue par un moteur thermique. Ces moteurs ont des caractéristiques de fonctionnement (couple maximal et puissance) qui ne permettent pas leur couplage direct sur les roues des véhicules :

Leur rendement varie beaucoup avec le régime (en particulier aux très basses vitesses), et leur démarrage est délicat.
Ils ne tournent que dans un seul sens.
Le couple moteur est plutôt faible (600 N.m correspond à un gros moteur).

Ces caractéristiques générales imposent pour l'usage d'un véhicule :

La possibilité de dissocier le moteur des roues du véhicule, pour les vitesses proches de l'arrêt : c'est en partie le rôle de l'embrayage.
La possibilité d'inverser le sens de rotation au niveau des roues pour assurer la marche en arrière.
L'augmentation du couple disponible sur la roue (l'essieu moteur), le réducteur à engrenages étant la solution la plus commune.

De plus, les conditions d'usage : arrêt court, limitation de vitesse, ralentissement, relief, imposent des allures de fonctionnement différentes. Un véhicule doit donc disposer d'un organe de transmission de puissance proposant :

Un rapport nul (appelé point mort).
Un rapport de marche arrière.
Une ou plusieurs gammes de rapports étagés pour la marche avant.

1 - Observation

Objectif : Rechercher dans la documentation technique les éléments constituants la boîte de vitesse.

= 30 min

Consulter l'extrait de la Revue technique automobile (RTA) disponible avec l'icône du menu.

Question 1 - Identifier sur la photo 1 du DR1 à l'aide de la perspective éclatée page 33 de la RTA les pièces suivantes :

(2) - Demi-carter de pignonnerie formant cloche d'embrayage,
(7) - Demi-carter de pignonnerie.

Dévisser les 4 quatres vis qui maintiennent les deux demi-carters de pignonnerie et retirer le demi-carter (7).

Observer les éléments de la boîte de vitesse, leurs dispositions et leurs fonctionnements.

La boîte manuelle est constitué généralement de deux arbres portant des pignons :

L’arbre d’entrée (ou primaire) lié à l’arbre moteur via l'embrayage, porte les pignons primaires fixes. Il y a autant de pignons que de rapports de boîte.
L’arbre de sortie (ou secondaire) portant des pignons fous (engrenant respectivement avec un pignon de l'arbred'entrée), les systèmes de crabotage et les synchroniseurs.
Le troisième arbre n'intervient que pour la marche arrière. Il contient un pignon pouvant coulisser et s'intercaler entre un pignon de l'arbre d'entrée et un autre de l'arbre de sortie.
L'arbre de sortie est lié au couple conique du différentiel, intégré au carter de la boîte (pour les véhicules à traction avant) ou reporté sur le pont arrière (pour les véhicules à propulsion).
Le changement de rapport se fait par manipulation de coulisseaux actionnant crabots (ou moyeu bladeur) et synchroniseurs grâce aux fourchettes de commandes liées temporairement au levier de vitesses.

Question 2 - Identifier sur la photo 1 et sur la photo 2 du DR1 à l'aide de la perspective éclatée page 34 de la RTA les pièces suivantes :

(1) - Arbre primaire,
(21) - Boîtier de différentiel.

L'arbre (1) est lié à l'embrayage et au moteur, c'est l'entrée de la boîte de vitesse.

Le boitier de différentiel (21) est lié à la transmission aux roues, c'est la sortie de la boîte de vitesse.

Les roues dentées constituants la 5ième vitesse ont déjà été demontées, demandez les au professeur.

Question 3 - Identifier sur la photo 2 du DR1 à l'aide de la perspective éclatée page 34 de la RTA les éléments repérés (3), (7), (8), (10), (12) et (17).

Question 4 - Sur le DR2, donner le repère des roues dentées qui participent aux différentes vitesses.

Question 5 - Quelle est la différence entre les roues dentées des vitesses d'avance et de marche arrière ?

Question 6 - Quelle est l'intérêt de la roue (17) ?

2 - Schématisation

Objectif : Schématiser le fonctionnement de la boite de vitesse.

= 40 min

Démonter l'arbre secondaire (ne pas le remonter tout de suite, vous en aurez besoin pour la 3ième partie).

Une ébauche à compléter du schéma cinématique est donnée sur le DR2 :

en position point mort (sans aucune vitesse enclenchée).
sans la marche arrière et la 5ième vitesse.
vous respecterez la règle : 1 couleur = 1 classe d'équivalence.

Pour cette partie, vous pouvez vous rafraichir la mémoire à l'aide du cours de première sur la Représentation des liaisons entre solides disponible en cliquant ici : .

Question 7 - Observer l'arbre primaire (1). Quelle est la liaison entre l'arbre primaire et ses roues dentées ?

Question 8 - Compléter la représentation de l'arbre primaire sur le schéma cinématique.

Question 9 - Observer le mouvement des roues dentées (3), (7), (8) et (12) par rapport à l'arbre secondaire. Quelle est la liaison entre ces éléments ?

Question 10 - Compléter le schéma cinématique en ajoutant la liaison adéquate de ces roues dentées (3), (7), (8) et (12).

Question 11 - Observer le mouvement des moyeux baladeurs (5) et (10) par rapport à l'arbre secondaire. Quelle est la liaison entre ces éléments ?

Question 12 - Compléter le schéma cinématique en ajoutant la liaison adéquate de ces 2 moyeux.

3 - Cinquième vitesse

Objectif : Tracer la courbe de vitesse d'avance de la twingo fonction de la vitesse du moteur lorsque la boîte de vitesse est au 5ième rapport.

= 40 min

Pour cette partie, vous pouvez vous rafraichir la mémoire à l'aide du cours de première sur la Transmission de mouvement entre solides disponible en cliquant ici : .

Question 13 - Identifier les quatre roues de la 5ième vitesse et compter leur nombre de dents.

Question 14 - Calculer le rapport de transmission totale de la 5ième vitesse.

Question 15 - Ecrire la relation littérale permettant de calculer N_pneu fonction de N_moteur.

Question 16 - Sachant que la twingo est équipée de pneumatiques de diamètre 53,3 cm, écrire la relation littérale permettant de calculer V_twingo fonction de N_moteur avec V_twingo la vitesse d'avance de la voiture en km/h

Question 17 - Tracer la droite de cette relation littérale pour une plage de fonctionnement du moteur de 600 à 4000 tr/min.