Le convertisseur de couple : que met-il à la place de l'embrayage dans les boîtes automatiques ?

Le convertisseur de couple remplit les trois fonctions de l'embrayage dans un seul boîtier : il désaccouple, relie en douceur et multiplie le couple du moteur jusqu'à 2,5 fois au démarrage.
Le convertisseur de couple remplit les trois fonctions de l'embrayage dans un seul boîtier : il désaccouple, relie en douceur et multiplie le couple du moteur jusqu'à 2,5 fois au démarrage.

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Le convertisseur de couple est un élément de transmission de puissance hydrodynamique qui remplace l'embrayage mécanique dans une boîte automatique classique et qui s'interpose entre le moteur et la boîte de vitesses ; il transmet le couple sans faire caler le moteur à l'arrêt, et au démarrage il multiplie le couple produit par le moteur dans un rapport de 1,8:1 à 2,5:1 et établit en croisière une liaison mécanique sans pertes grâce à son embrayage de verrouillage. En somme, il accomplit à lui seul, en un seul corps, les trois fonctions de l'embrayage : désaccoupler, accoupler en douceur et augmenter le couple lorsque nécessaire.

Points clés

  • Le taux de calage (stall) des convertisseurs de couple automobiles typiques se situe entre 1,8:1 et 2,5:1 .
  • Le trio pompe, turbine et stator crée l'effet de multiplication du couple ; la capacité de couple est proportionnelle à la cinquième puissance du diamètre.
  • Le premier embrayage de verrouillage produit en série est apparu en 1949 sur la Packard Ultramatic ; l'usage moderne s'est généralisé à la fin des années 1970 sous la pression des exigences d'économie de carburant.
  • En phase d'embrayage, la turbine tourne à environ 90% du régime de la pompe ; le glissement résiduel représente de la chaleur et une perte de rendement.
  • Une courte vibration ressentie dans la plage des64-72 km/h est généralement le signe d'un tremblement (shudder) de l'embrayage de verrouillage au moment de son engagement.

Que met-on à la place de l'embrayage, et pourquoi pas un embrayage complet ?

Dans une boîte manuelle, le conducteur établit et interrompt la liaison entre le moteur et la boîte grâce à la pédale d'embrayage. En automatique, ce travail n'est pas effectué par un conducteur mais par un sac fermé boulonné au moteur (monté sur le volant moteur ou le flexplate) : le fluide qu'il contient transmet au à l'arbre d'entrée de la boîte le mouvement de rotation reçu du moteur. Ce dispositif permet au véhicule enclenché de rester immobile lorsque le moteur est arrêté ; tandis que le moteur continue de tourner, la boîte reste librement désaccouplée.

Alors, pourquoi un fluide plutôt qu'un embrayage à sec ? Parce qu'un embrayage mécanique est soit complètement verrouillé, soit patine tant qu'il y a contact - et en patinant, la garniture chauffe et s'use. Avec un accouplement hydraulique, il n'existe pas de point de contact ; le glissement est l'environnement de fonctionnement naturel de la conception et il absorbe naturellement les vibrations du moteur. De plus, un simple accouplement hydraulique ne transmet le couple qu'en le réduisant quelque peu. Ce qui distingue le convertisseur de couple, c'est qu'il grâce au stator, peut augmenter le couple lorsque le régime de sortie est bas ; autrement dit, c'est un élément qui, à basse vitesse de rotation, se force à se comporter comme une boîte de vitesses adaptative.

C'est là aussi le secret de la capacité d'une automatique à commandes électroniques de décider indépendamment de la pédale du conducteur : le convertisseur offre une fenêtre de glissement contrôlée et sûre, à un degré que l'embrayage ne peut atteindre ; la boîte de vitesses ne se heurte jamais à un choc mécanique inattendu.

Pompe, turbine et stator : comment multiplie-t-on le couple ?

Stator, geri dönen akışkanın enerjisini yeniden yönlendirerek motorun torkunu çoğaltan sessiz zekadır.

Le convertisseur possède trois composants tournants/fixes. La pompe (impulseur) est reliée au moteur et fonctionne comme une pompe centrifuge : en tournant, elle projette le fluide vers l'extérieur et, en créant un vide au centre, aspire du fluide neuf. Le fluide éjecté frappe les aubes cintrées de la turbine, change de direction et, en faisant tourner la turbine, transmet la puissance à l'arbre d'entrée de la boîte de vitesses.

La vraie intelligence se cache dans le troisième élément. Le fluide sortant de la turbine se déplace dans le sens inverse de la rotation du moteur ; dans une simple transmission fluide, cette énergie de retour se transforme uniquement en chaleur. Le stator se place entre la pompe et la turbine et redirige ce fluide afin d'alimenter la pompe sous un angle optimal. Ainsi, l'énergie du fluide de retour est récupérée et le couple de sortie vient s'ajouter au couple produit par le moteur. En termes d'équilibre mécanique : le fluide sortant de la turbine exerce sur le stator, et via le stator sur le carter auquel il est fixé, un couple de direction opposée ; cette différence se traduit directement en gain de couple du côté sortie.

Deux détails sont critiques du point de vue de l'ingénierie. Premièrement, la géométrie des aubes : des aubes inclinées et incurvées sont utilisées dans la turbine et le stator, et de petites variations géométriques modifient considérablement la performance. Deuxièmement, la taille : les équations de mouvement du convertisseur reposent sur l'équation des turbomachines d'Euler datant du 18e siècle, et comme les caractéristiques dépendent de la puissance 5 du rayon, la capacité de couple est théoriquement proportionnelle à la densité du fluide, au carré du régime et à la puissance cinquième du diamètre. Augmenter un peu le diamètre augmente la capacité bien davantage.

Il est également important que le stator ne reste pas inactif : le stator est monté sur une roue libre lors du démarrage et de l'accélération, le fluide le pousse par l'arrière et le stator reste fixe ; lors du passage en phase d'accouplement, la pression du fluide diminue et le stator commence à tourner librement - sa rotation en sens inverse est empêchée par la roue libre.

Les trois phases de fonctionnement : calage, accélération et accouplement

Lire le comportement du convertisseur en trois phases est la manière la plus claire. Dans la phase de calage (stall), une vitesse est enclenchée, les freins maintiennent le véhicule, la turbine ne tourne pas mais la pompe tourne avec le moteur ; avec une puissance d'entrée suffisante, le maximum de multiplication de couple est obtenu ici, et ce rapport est appelé rapport de calage. Dans les applications automobiles, la valeur typique est de 1,8:1–2,5:1; dans les convertisseurs spéciaux à usage industriel, marin et service intensif, ce rapport monte jusqu'à 5,0:1. L'effet de démultiplication total au calage peut être surprenant : un rapport de transmission de 2,46:1 combiné à un rapport de calage de 2,2:1 donne, à l'arrêt complet, un rapport total de 5,41:1 aux roues ; au passage en phase d'accouplement, ce chiffre tombe à 2,73:1.

Dans la phase d'accélération, à mesure que la charge augmente, la différence de régime entre la pompe et la turbine est encore grande ; il y a multiplication de couple mais en dessous de la valeur de calage. Dans cette zone, le flux vortex du fluide spiralant de la pompe vers le stator, puis vers la turbine, domine - c'est le régime où la multiplication de couple atteint son zénith.

On entre dans la phase d'accouplement (coupling) lorsque la turbine atteint environ 90% du régime de la pompe : pendant que la pompe effectue 10 tours, la turbine en effectue 9, soit un glissement typique d'environ 1,11:1. À ce stade, la multiplication de couple cesse pratiquement ; le mouvement spiral du fluide laisse place au flux rotatif dans lequel les deux ailettes tournent ensemble libère et le stator passe en rotation libre. Il existe un compromis net entre le multiplicateur de couple et le rendement : les convertisseurs à taux de patinage élevé fonctionnent moins efficacement autour du régime d'accouplement. Ceux qui recherchent la performance doivent choisir un multiplicateur élevé, ceux qui recherchent l'économie un caractère à faible patinage.

L'embrayage de verrouillage : le deuxième embrayage qui annule le patinage

La transmission par flux hydraulique n'a rien de surnaturel : le patinage signifie directement perte de rendement et chaleur. C'est précisément pour cela qu'existe l'embrayage de verrouillage (lock-up clutch) à l'intérieur du convertisseur. En verrouillant mécaniquement la turbine directement sur l'impeller en régime de croisière, il transmet la totalité de la puissance par voie mécanique ; la perte hydraulique et la production de chaleur disparaissent, le régime baisse légèrement et une ligne de puissance plus directe est établie vers les roues.

Son histoire est intéressante. La première application automobile remonte à la boîte de vitesses Packard Ultramatic en 1949 : le véhicule se verrouillait une fois atteinte la vitesse de croisière, et se déverrouillait à l'accélération ou au ralentissement. On l'a vu dans certaines boîtes Borg-Warner dans les années 1950, puis il a été abandonné en raison du coût et de la complexité. Au milieu des années 1970, lorsque les priorités se sont déplacées vers l'efficacité énergétique, l'idée est revenue ; Chrysler a présenté sa version moderne en 1978. Dans la presse technique, l'usage généralisé des convertisseurs à verrouillage à l'époque moderne est parfois daté de 1981; cette différence s'explique par le fait que la première application et l'adoption massive correspondent à des périodes distinctes.

Le débat actuel porte sur le calibrage : déclencher le verrouillage au régime le plus bas possible fait économiser du carburant en conduite urbaine, mais signifie renoncer à l'avantage du multiplicateur de couple du convertisseur. Dans les véhicules de rue très performants, le verrouillage n'est généralement pas un accessoire d'économie, mais l'élément qui assure la viabilité d'un convertisseur puissant au quotidien. À mesure que le nombre de rapports augmente, la charge de multiplication du convertisseur diminue, si bien que le verrouillage précoce et fréquent est devenu la norme dans les automatiques modernes à 6 à 10 rapports ; en revanche, dans les automatiques classiques, le convertisseur reste volontairement déverrouillé pendant la majeure partie de la conduite - tandis que dans les CVT, il est presque toujours verrouillé au-dessus d'environ 8 km/h, car le travail de multiplication de couple appartient déjà au variateur.

Influence sur le caractère de conduite et modes de panne connus

Le convertisseur est le héros silencieux qui définit le caractère de la boîte automatique. L'embrayage de verrouillage assure la douceur de fonctionnement lors de son engagement ; dans les phases déverrouillées, il absorbe à travers le fluide les à-coups du moteur et les vibrations de torsion. Mais cette capacité d'amortissement n'est pas infinie : les vibrations de torsion de la ligne de transmission constituent la principale limite d'ingénierie restreignant un verrouillage trop précoce. Lorsque l'embrayage de verrouillage accroche brusquement au lieu de patiner, le comportement de type stick-slip peut propager les vibrations à toute la ligne de transmission - c'est là le phénomène qui altère la perception de confort du conducteur.

La plainte la plus fréquemment entendue est le frémissement du convertisseur (shudder): généralement autour de ~64-72 km/h bande, à la brève à-coup ressenti lorsque l'embrayage se verrouille. En cas de verrouillage partiel, il se produit lorsque l'embrayage fonctionne en adhérant plutôt qu'en patinant ; une garniture d'embrayage usée et un ATF sale/dégradé en sont les principales causes, et dans la plupart des cas, le remplacement de l'huile de transmission résout le problème. Le fait que la plainte cesse lorsqu'on appuie sur la pédale d'accélérateur ou qu'on touche le frein est un indice typique : lorsque le convertisseur se déverrouille, la zone de patinage disparaît. En pratique, la véritable origine de la plupart des pannes du convertisseur de verrouillage n'est même pas le convertisseur lui-même ; elle apparaît dans le carter de vannes, dans les commandes électroniques ou dans l'électrovanne d'engagement.

Il existe aussi des modes de défaillance plus graves :

  • Surchauffe : Les tentatives de sortie en se balançant d'avant en arrière dans la neige ou la boue maintiennent le convertisseur longtemps en régime de calage ; la géométrie moderne des ailettes réduit ce risque en minimisant la vitesse du fluide à bas régime, mais ne l'élimine pas.
  • Blocage de l'embrayage du stator : Lorsque le stator cesse de tourner librement, le convertisseur fonctionne avec un très faible rendement en phase d'embrayage ; une augmentation sérieuse de la consommation de carburant est le symptôme classique.
  • Rupture de l'embrayage du stator : Les applications de puissance soudaines (par exemple des événements comme le démarrage au point mort) peuvent briser l'embrayage unidirectionnel.

Brève histoire : comment le convertisseur a-t-il fondé l'automatique ?

L'essor du convertisseur de couple dans l'automobile s'est accéléré après la Seconde Guerre mondiale, avec l'expérience des véhicules militaires Hydra-Matic . Dans les années 1950, un équilibre s'est établi : les automatiques à trois vitesses de BorgWarner et la, avec la Buick Dynaflow , les embrayages hydrauliques ont commencé à céder la place aux convertisseurs de couple ; la Dynaflow était une conception ambitieuse qui reposait entièrement, sur son seul rapport, sur un convertisseur à cinq éléments pour la multiplication du couple. Elle fut suivie en 1949 par la Packard Ultramatic et en 1950 par la Chevrolet Powerglide : dans ces transmissions à deux vitesses, la tâche de multiplication du couple était largement assurée par le convertisseur.

L'équilibre fut trouvé dans les années 1950 : les automatiques à trois rapports de BorgWarner, basées sur le train épicycloïdal composé de Simpson, Chrysler TorqueFlite, fondée sur le train épicycloïdal composé Simpson, ont fait du convertisseur le composant incontournable des transmissions automatiques. Les essais de convertisseurs multi-éléments (Buick Triple Turbine Dynaflow, Chevrolet Turboglide) ont été abandonnés en raison de leur faible rendement ; ils ont cédé la place à des ensembles à trois vitesses plus convertisseur à trois éléments. Un détail GM intéressant de l'époque était le stator à angle variable: lors d'une forte accélération, l'angle d'attaque du stator changeait, on renonçait au rendement pour augmenter la multiplication du couple - un ancêtre mécanique de la philosophie de calibrage adaptatif actuelle.

Questions fréquentes

Comment le convertisseur de couple multiplie-t-il le couple ?

Le fluide sortant de la turbine s'écoule dans le sens inverse de la rotation du moteur ; le stator redirige ce fluide dans le sens de rotation de la pompe, récupérant ainsi son énergie. Ainsi, plus de couple que celui produit par le moteur parvient à l'arbre de sortie ; au démarrage, ce rapport se situe entre 1,8:1 et 2,5:1.

Pourquoi les boîtes automatiques ont-elles un convertisseur de couple au lieu d'un embrayage ?

Parce que le convertisseur fait du glissement non pas un défaut mais un mode de fonctionnement : il permet au véhicule de rester immobile au point mort en prise, absorbe les à-coups, multiplie le couple et accomplit ces trois tâches en continu et en toute sécurité sans intervention du conducteur. L'embrayage mécanique d'une boîte manuelle ne fait qu'une seule de ces choses : établir ou couper la liaison.

À quoi ressemble le tremblement du convertisseur ?

C'est une brève secousse ressemblant à un léger déséquilibre des roues, mais qui ne se fait sentir que dans une certaine plage de vitesse (généralement 64-72 km/h) et au moment du verrouillage. Il s'accentue à légère accélération et disparaît le plus souvent quand on appuie davantage sur l'accélérateur ; il peut être éliminé par une vidange d'huile.

Résumé : les trois tâches du convertisseur en une phrase

Dans une boîte automatique classique, le convertisseur de couple remplit la fonction de séparation de l'embrayage grâce au fluide, la fonction d'augmentation du couple grâce au stator, et l'exigence de rendement grâce à l'embrayage de verrouillage. Ce dispositif, qui multiplie le couple jusqu'à 2 fois en phase de calage, vit avec un glissement de 10 % en phase d'embrayage et ramène le glissement à zéro une fois verrouillé, est le seul composant qui porte à la fois le confort et l'économie de la boîte automatique dans un même corps.

Sources