Pedeorelha | Comment fonctionnent les CVT

Jacob Hoover
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Galerie d'images de transmission

Photo gracieuseté de Nissan Global
Moteur Nissan HR15DE avec Xtronic CVT. Voir plus d'images de transmission.

Certains disent que vous ne pouvez pas apprendre de nouveaux tours à un vieux chien. Mais la transmission à variation continue (CVT), que Léonard de Vinci a conceptualisée il y a plus de 500 ans et remplace maintenant les transmissions automatiques planétaires dans certaines automobiles, est un vieux chien qui a définitivement appris quelques nouvelles astuces. En effet, depuis le dépôt du premier brevet CVT toroïdal en 1886, la technologie a été affinée et améliorée. Aujourd'hui, plusieurs constructeurs automobiles, dont General Motors, Audi, Honda et Nissan, conçoivent leurs transmissions autour des CVT.

Dans cet article, nous explorerons le fonctionnement d'une CVT dans une voiture typique à propulsion arrière, en répondant à plusieurs questions en cours de route:

Comment une CVT se compare-t-elle à une transmission automatique planétaire conventionnelle??
Quelles sont les pièces et comment fonctionnent-elles?
Quels avantages les CVT offrent-elles par rapport aux transmissions automatiques conventionnelles? Qu'en est-il des inconvénients?
À quoi ressemble l'expérience de conduite dans une voiture avec CVT?
Quels types de marques et de modèles intègrent les CVT?
Existe-t-il d'autres applications pour les CVT autres que les automobiles?

Tout d'abord, nous verrons comment une CVT se compare à une transmission automatique traditionnelle.

Plus d'engrenages
Une chronologie de l'innovation CVT

1490 - da Vinci esquisse une transmission à variation continue en continu
1886 - premier brevet CVT toroïdal déposé
1935 - Adiel Dodge reçoit un brevet américain pour la CVT toroïdale
1939 - transmission entièrement automatique basée sur un système d'engrenage planétaire introduit
1958 - Daf (des Pays-Bas) produit une CVT dans une voiture
1989 - Subaru Justy GL est la première automobile de série vendue aux États-Unis à offrir une CVT
2002 - Saturn Vue avec une CVT fait ses débuts; première Saturn à proposer la technologie CVT
2004 - Ford commence à proposer une CVT

-Si vous avez lu sur la structure et la fonction des transmissions automatiques dans Comment fonctionnent les transmissions automatiques, vous savez que le travail de la transmission consiste à modifier le rapport de vitesse entre le moteur et les roues d'une automobile. En d'autres termes, sans transmission, les voitures n'auraient qu'un seul rapport - celui qui permettrait à la voiture de rouler à la vitesse maximale souhaitée. Imaginez un instant conduire une voiture qui n'avait que la première vitesse ou une voiture qui n'avait que la troisième vitesse. L'ancienne voiture accélérerait bien à partir d'un arrêt complet et serait capable de gravir une pente raide, mais sa vitesse de pointe serait limitée à quelques kilomètres à l'heure. Cette dernière voiture, en revanche, volerait à 80 mi / h sur l'autoroute, mais elle n'aurait presque pas d'accélération au démarrage et ne serait pas capable de gravir des collines..

Ainsi, la transmission utilise une gamme de rapports - de faible à élevé - pour utiliser plus efficacement le couple du moteur lorsque les conditions de conduite changent. Les vitesses peuvent être engagées manuellement ou automatiquement.

Photo gracieuseté de DaimlerChrysler
Transmission automatique Mercedes-Benz CLK.

Dans une transmission automatique traditionnelle, les engrenages sont littéralement des engrenages - des roues dentées imbriquées qui aident à transmettre et à modifier le mouvement de rotation et le couple. Une combinaison d'engrenages planétaires crée tous les différents rapports de démultiplication que la transmission peut produire, généralement quatre vitesses avant et une marche arrière. Lorsque ce type de transmission passe à travers ses engrenages, le conducteur peut ressentir des secousses lorsque chaque vitesse est engagée.

Principes de base de la CVT
Contrairement aux transmissions automatiques traditionnelles, les transmissions à variation continue n'ont pas de boîte de vitesses avec un nombre défini de vitesses, ce qui signifie qu'elles n'ont pas de roues dentées imbriquées. Le type le plus courant de CVT fonctionne sur un ingénieux système de poulie qui permet une variabilité infinie entre les rapports les plus élevés et les plus bas sans étapes ou changements discrets.

Photo gracieuseté de Ford Motor Company
Moteur Ford Freestyle Duratec avec CVT

Si vous vous demandez pourquoi le mot "engrenage" apparaît toujours dans l'explication d'une CVT, rappelez-vous qu'en gros, un engrenage fait référence à rapport de la vitesse de l'arbre moteur à la vitesse de l'arbre de transmission. Bien que les CVT modifient ce rapport sans utiliser un ensemble d'engrenages planétaires, elles sont toujours décrites comme ayant des «engrenages» bas et hauts pour des raisons de convention.

Ensuite, nous examinerons les différents types de CVT: à poulie, toroïdale et hydrostatique.

Photo gracieuseté de Nissan Global
CVT à poulie

Jetez un œil à une transmission automatique planétaire et vous verrez un monde complexe d'engrenages, de freins, d'embrayages et d'appareils de contrôle. Par comparaison, une transmission à variation continue est une étude de simplicité. La plupart des CVT ne comportent que trois composants de base:

Une ceinture en métal ou en caoutchouc haute puissance
Une poulie «motrice» à entrée variable
Une poulie de sortie "entraînée"

Les CVT ont également divers microprocesseurs et capteurs, mais les trois composants décrits ci-dessus sont les éléments clés qui permettent à la technologie de fonctionner..

Les poulies à diamètre variable sont au cœur d'une CVT. Chaque poulie est constituée de deux cônes de 20 degrés se faisant face. Une ceinture monte dans la rainure entre les deux cônes. Courroies trapézoïdales sont préférables si la ceinture est en caoutchouc. Les courroies trapézoïdales tirent leur nom du fait que les courroies ont une section transversale en forme de V, ce qui augmente l'adhérence par frottement de la courroie.

Lorsque les deux cônes de la poulie sont éloignés l'un de l'autre (lorsque le diamètre augmente), la courroie descend plus bas dans la rainure et le rayon de la boucle de courroie autour de la poulie devient plus petit. Lorsque les cônes sont rapprochés (lorsque le diamètre diminue), la courroie monte plus haut dans la rainure, et le rayon de la boucle de courroie autour de la poulie devient plus grand. Les CVT peuvent utiliser la pression hydraulique, la force centrifuge ou la tension du ressort pour créer la force nécessaire pour ajuster les moitiés de poulie.

Les poulies à diamètre variable doivent toujours être livrées par paires. L'une des poulies, connue sous le nom de poulie motrice (ou poulie motrice), est relié au vilebrequin du moteur. La poulie motrice est également appelée le poulie d'entrée car c'est là que l'énergie du moteur entre dans la transmission. La deuxième poulie s'appelle le poulie menée parce que la première poulie le fait tourner. En tant que poulie de sortie, la poulie menée transfère l'énergie à l'arbre d'entraînement.

La distance entre le centre des poulies et l'endroit où la courroie entre en contact dans la rainure est appelée rayon primitif. Lorsque les poulies sont éloignées, la courroie roule plus bas et le rayon de pas diminue. Lorsque les poulies sont rapprochées, la courroie monte plus haut et le rayon de pas augmente. Le rapport du rayon primitif de la poulie motrice au rayon primitif de la poulie menée détermine l'engrenage.

Lorsqu'une poulie augmente son rayon, l'autre diminue son rayon pour maintenir la courroie tendue. Au fur et à mesure que les deux poulies changent de rayon l'une par rapport à l'autre, elles créent un nombre infini de rapports de démultiplication - de bas en haut et tout le reste. Par exemple, lorsque le rayon de pas est petit sur la poulie motrice et grand sur la poulie menée, alors la vitesse de rotation de la poulie menée diminue, ce qui entraîne un «engrenage» inférieur. Lorsque le rayon de pas est grand sur la poulie motrice et petit sur la poulie menée, alors la vitesse de rotation de la poulie menée augmente, ce qui entraîne un «engrenage» plus élevé. Ainsi, en théorie, une CVT possède un nombre infini de "vitesses" sur lesquelles elle peut passer à tout moment, quelle que soit la vitesse du moteur ou du véhicule.

La simplicité et la nature continue des CVT en font une transmission idéale pour une variété de machines et d'appareils, pas seulement pour les voitures. Les CVT sont utilisées depuis des années dans les outils électriques et les perceuses à colonne. Ils ont également été utilisés dans une variété de véhicules, y compris des tracteurs, des motoneiges et des scooters. Dans toutes ces applications, les transmissions se sont appuyées sur des courroies en caoutchouc haute densité, qui peuvent glisser et s'étirer, réduisant ainsi leur efficacité.

L'introduction de nouveaux matériaux rend les CVT encore plus fiables et efficaces. L'une des avancées les plus importantes a été la conception et le développement de courroies métalliques pour connecter les poulies. Ces ceintures flexibles sont composées de plusieurs bandes minces d'acier (généralement neuf ou 12) qui maintiennent ensemble des pièces de métal à haute résistance en forme de nœud papillon..

Conception de ceinture en métal

Les courroies métalliques ne glissent pas et sont très durable, permettant aux CVT de gérer plus de couple moteur. Ils sont aussi plus tranquille que les CVT à courroie en caoutchouc.

Une autre version de la CVT - le système CVT toroïdal - remplace les courroies et poulies par disques et rouleaux de puissance.

Photo gracieuseté de Nissan Global
CVT toroïdal Nissan Extroid

Bien qu'un tel système semble radicalement différent, tous les composants sont analogues à un système à courroie et poulie et conduisent aux mêmes résultats - une transmission à variation continue. Voici comment ça fonctionne:

Un disque se connecte au moteur. Ceci est équivalent à la poulie motrice.
Un autre disque se connecte à l'arbre d'entraînement. Ceci est équivalent à la poulie menée.
Les rouleaux, ou roues, situés entre les disques agissent comme la courroie, transmettant la puissance d'un disque à l'autre.

Les roues peuvent tourner selon deux axes. Ils tournent autour de l'axe horizontal et s'inclinent vers l'intérieur ou l'extérieur autour de l'axe vertical, ce qui permet aux roues de toucher les disques dans différentes zones. Lorsque les roues sont en contact avec le disque d'entraînement près du centre, elles doivent entrer en contact avec le disque entraîné près de la jante, ce qui entraîne une réduction de vitesse et une augmentation du couple (c'est-à-dire un rapport bas). Lorsque les roues touchent le disque d'entraînement près de la jante, elles doivent entrer en contact avec le disque entraîné près du centre, ce qui entraîne une augmentation de la vitesse et une diminution du couple (c'est-à-dire un engrenage de surmultiplication). Une simple inclinaison des roues modifie ensuite progressivement le rapport de transmission, permettant des changements de rapport en douceur et presque instantanés..

La CVT à poulie et à courroie trapézoïdale et la CVT toroïdale sont des exemples de CVT à friction, qui fonctionnent en faisant varier le rayon du point de contact entre deux objets en rotation. Il existe un autre type de CVT, connu sous le nom de CVT hydrostatique, qui utilise pompes à cylindrée variable pour faire varier le débit de fluide dans les moteurs hydrostatiques. Dans ce type de transmission, le mouvement de rotation du moteur actionne une pompe hydrostatique côté entraînement. La pompe convertit le mouvement de rotation en écoulement de fluide. Ensuite, avec un moteur hydrostatique situé du côté entraîné, le flux de fluide est reconverti en mouvement de rotation.

Souvent, une transmission hydrostatique est associée à un train d'engrenages planétaires et embrayages pour créer un système hybride appelé transmission hydromécanique. Les transmissions hydromécaniques transfèrent la puissance du moteur aux roues dans trois modes différents. À faible vitesse, la puissance est transmise hydrauliquement et à grande vitesse, la puissance est transmise mécaniquement. Entre ces extrêmes, la transmission utilise à la fois des moyens hydrauliques et mécaniques pour transférer la puissance. Les transmissions hydromécaniques sont idéales pour les applications lourdes, c'est pourquoi elles sont courantes dans les tracteurs agricoles et les véhicules tout-terrain.

Avantages CVT

Les transmissions à variation continue sont de plus en plus populaires pour une bonne raison. Ils présentent plusieurs avantages qui les rendent attractifs tant pour les conducteurs que pour les écologistes. Le tableau ci-dessous décrit quelques-unes des principales caractéristiques et avantages des CVT.

Avantages des CVT
Fonctionnalité	Avantage
Accélération constante et continue d'un arrêt complet à la vitesse de croisière	Élimine le «choc de changement de vitesse» - rend la conduite plus douce
Fonctionne pour maintenir la voiture dans sa plage de puissance optimale quelle que soit la vitesse à laquelle la voiture roule	Meilleure efficacité énergétique
Répond mieux aux conditions changeantes, telles que les changements d'accélérateur et de vitesse	Élimine la chasse aux engins lorsque la voiture ralentit, en particulier en montant une colline
Moins de perte de puissance dans une CVT qu'une transmission automatique classique	Meilleure accélération
Meilleur contrôle de la plage de régime d'un moteur à essence	Meilleur contrôle des émissions
Peut incorporer des versions automatisées d'embrayages mécaniques	Remplacer les convertisseurs de couple de fluide inefficaces

Dans la section suivante, nous verrons ce que c'est que de conduire une voiture à CVT.

Les voitures avec CVT sont courantes en Europe depuis des années. Mais il a fallu un certain temps à la technologie pour s'implanter aux États-Unis. La première automobile de série à offrir une CVT aux États-Unis était la Subaru Justy.

Photo courtoisie Subaru France
Subaru Justy

Vendue entre 1989 et 1993, la Justy n'a jamais attiré l'attention des conducteurs américains. Alors, qu'est-ce qui est différent dans les nouvelles voitures basées sur CVT - des voitures comme la Saturn Vue, les Audi A4 et A6, la Nissan Murano et la Honda Insight? La meilleure façon de répondre à cette question est d'emmener l'une de ces voitures faire un «essai routier». L'animation ci-dessous, qui compare l'accélération d'une voiture avec une CVT à une sans, vous donne une bonne idée de l'expérience.

Lorsque vous appuyez sur la pédale d'accélérateur d'une voiture à transmission à variation continue, vous remarquez immédiatement la différence. Le moteur monte en régime vers le régime auquel il produit le plus de puissance, puis il y reste. Mais la voiture ne réagit pas immédiatement. Puis, un instant plus tard, la transmission entre en action, accélérant la voiture lentement, régulièrement et sans changement de vitesse. En théorie, une voiture avec une CVT devrait atteindre 60 mph (100 km / h) 25 pour cent plus vite que la même voiture avec le même moteur et une transmission manuelle [réf]. C'est parce que la CVT convertit chaque point de la courbe de fonctionnement du moteur en un point correspondant sur sa propre courbe de fonctionnement.

Si vous regardez la courbe de puissance de sortie de la voiture sans CVT, vous pouvez voir que c'est vrai. Notez que le tachymètre dans cette situation montre le moteur qui monte et descend à chaque changement de vitesse, qui est enregistré comme un pic dans la courbe de puissance de sortie (et que le conducteur ressent comme une secousse).

Les CVT sont également efficaces sur les collines. Il n'y a pas de «chasse aux engrenages», car la CVT effectue des cycles en continu jusqu'à un rapport d'engrenage adapté aux conditions de conduite. Une transmission automatique conventionnelle fait des allers-retours en essayant de trouver le bon rapport, ce qui est beaucoup moins efficace.

Avec tous leurs avantages, les CVT présentent certaines lacunes. Aux États-Unis, ils tentent toujours de surmonter un problème d'image. La Subaru Justy, par exemple, était connue comme une micro-voiture sans tripes. Traditionnellement, les CVT à entraînement par courroie étaient limitées dans la quantité de couple qu'elles pouvaient gérer et étaient plus grandes et plus lourdes que leurs homologues automatiques et manuels. Les progrès technologiques ont placé les CVT dans le domaine de leur concurrence - la CVT du Nissan Murano peut gérer son moteur V6 de 3,5 litres et 245 chevaux - mais les premières impressions sont difficiles à surmonter.

Pour plus d'informations sur les transmissions à variation continue et les sujets connexes, consultez les liens sur la page suivante.