Pourquoi le nombre de vitesses ne cesse-t-il d'augmenter ?

L'augmentation du nombre de rapports dans la boîte de vitesses permet de maintenir le moteur dans sa plage de régime la plus efficace, ce qui multiplie le couple tout en réduisant la consommation de carburant.
L'augmentation du nombre de rapports dans la boîte de vitesses permet de maintenir le moteur dans sa plage de régime la plus efficace, ce qui multiplie le couple tout en réduisant la consommation de carburant.

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Le nombre de rapports augmente pour maintenir le moteur dans l'étroite plage de régimes où il produit sa puissance et son couple de la manière la plus efficace : Les rapports plus courts vers la première vitesse multiplient le couple au démarrage, tandis que les rapports plus longs vers les vitesses supérieures réduisent le régime moteur et la consommation de carburant à vitesse autoroutière. Alors que les automobiles typiques des années 1990 comptaient 3 à 5 vitesses avant, au cours des deux dernières années modèles ce chiffre a atteint au moins 6, et jusqu'à 10 sur certains modèles.

Points forts

  • La boîte automatique 8 rapports de ZF offre une économie de carburant 21-24 % meilleure que celle d'une automatique 3 rapports.
  • Sur le Ford F-150 de 2017, le passage de 6 à 10 rapports a réduit le temps de 0 à 60 mph de 0,2 seconde.
  • À partir de l'année modèle 2016, les boîtes automatiques ont dépassé les boîtes manuelles en efficacité énergétique.
  • Les ingénieurs de Ford et GM admettent que 10 rapports représente la limite supérieure utile.

Pourquoi le nombre de rapports augmente-t-il ? La plage de régimes efficace du moteur

Şanzımanın tek görevi, motoru hem en güçlü hem en az yakıt tükettiği o dar devir aralığında tutmak; vites sayısı arttıkça motor bu ideal bölgede daha çok vakit geçirir.

Considérez la carte de fonctionnement d'un moteur à combustion interne. Qu'il soit essence ou diesel, le moteur possède une plage de régimes (tr/min) relativement étroite dans laquelle il produit sa puissance et son couple maximaux tout en consommant le moins de carburant. C'est précisément là le rôle de la boîte de vitesses : Maintenir la vitesse de rotation transmise à la roue dans cette zone idéale du moteur. Plus le nombre de rapports augmente, plus le moteur fonctionne fréquemment dans cette plage optimale ; chaque rapport offre un rapport plus finement ajusté pour maintenir le régime moteur.

En revanche, sur un véhicule doté de peu de vitesses, le moteur doit se contenter du rapport le plus proche de la vitesse souhaitée. Le résultat est de fonctionner à des régimes plus élevés que nécessaire. Un régime élevé signifie plus de carburant consommé par unité de temps et fatigue davantage le moteur. Si l'on établit une chaîne de logique simple : Plus de régime signifie plus de travail du moteur, plus de carburant, plus de contraintes et d'usure. Inverser cette chaîne est la force motrice fondamentale de la course aux rapports.

Le rôle des basses vitesses et celui des vitesses supérieures sont totalement différents. Une première vitesse à rapport court multiplie le couple à la roue, rendant possibles le démarrage et la montée des pentes. Les vitesses overdrive à rapport long, quant à elles, réduisent le régime moteur à vitesse autoroutière, diminuant ainsi à la fois la consommation et le bruit perçu dans l'habitacle. Le problème est le suivant : Plus vous insérez de rapports intermédiaires entre ces deux extrêmes, moins le régime moteur chute et plus il reste efficace.

Étalement des rapports : La logique d'ingénierie de la boîte 10 rapports

Lorsque le nombre de rapports augmente, ce ne sont pas seulement les marches intermédiaires qui se multiplient ; la plage totale des rapports, c'est-à-dire le ratio spread, peut également s'élargir. Sur les boîtes 10 rapports modernes, la première vitesse possède un rapport bien plus court pour un démarrage agressif, tandis que la vitesse la plus haute est bien plus longue qu'auparavant pour une conduite à bas régime. Les marches intermédiaires, elles, restent petites. Un rapport numérique élevé au démarrage, une longue vitesse supérieure en croisière : Exiger à la fois performance et efficacité d'une même boîte n'est plus une contradiction, mais un objectif de conception.

Le resserrement des marches présente un second avantage : La dégradation lors des changements de vitesse diminue. Lorsque le régime moteur chute trop entre deux rapports, la transition se fait sentir et l'accélération est interrompue. À mesure que les intervalles se resserrent, cette transition devient à la fois plus douce et plus rapide ; les boîtes automatiques modernes à 8-10 rapports peuvent sauter quatre ou cinq rapports d'un coup grâce à des changements d'embrayage rapides et un logiciel de contrôle intelligent. Par exemple, l'ordinateur de contrôle de la boîte à 10 rapports développée conjointement par Ford et GM contient plus d'un million de lignes de code, soit plus du double de la boîte à 6 rapports précédente, et peut effectuer des rétrogradations soudaines en fonction du mouvement de la pédale d'accélérateur.

Qu'est-ce qui a changé en chiffres ?

Des exemples concrets rendent l'effet du nombre de rapports mesurable. Le Ford F-150 modèle 2017 a obtenu avec la boîte à 10 rapports une économie de carburant supérieure d'un mpg en ville et sur autoroute, et de deux mpg sur la version 4x4, par rapport à la version à boîte 6 rapports de l'année précédente ; le temps de 0 à 60 mph a été réduit de 0,2 seconde. La même année-modèle, les versions de remorquage ont atteint une capacité de traction de 12 200 pounds avec 375 hp de puissance et 470 lb-ft de couple. Un tableau similaire existe du côté des berlines : sur la Chevrolet Malibu 2017, le passage de 8 à 9 rapports a amélioré l'efficacité énergétique d'environ 3 %.

Les données publiées par ZF en 2012 montrent à quel point la relation entre le nombre de rapports et la consommation peut être spectaculaire : la boîte automatique à 8 rapports promet une amélioration de 21-24 % par rapport à la boîte automatique à 3 rapports ; par rapport à 6 rapports, l'économie est d'environ 11 %, et de 14 % par rapport à 5 rapports. La ZF à 9 rapports vise une amélioration allant jusqu'à 16 % par rapport à 6 rapports. Les valeurs des fiches techniques de la ZF 8HP vont dans le même sens : 12 % de consommation en moins par rapport à la 6 rapports 6HP, et 14 % de moins par rapport à 5 rapports. Aux yeux d'un ingénieur, ces chiffres ne sont pas une coïncidence, mais la mathématique directe des intervalles de rapport.

Boîte de vitesses Comparaison Amélioration de l'économie de carburant
ZF 8 rapports Contre 3 rapports 21-24 %
ZF 8 rapports Contre 5 rapports 14 %
ZF 8 rapports Contre 6 rapports 11 %
ZF 9 rapports Contre 6 rapports Jusqu'à 16 %
GM 9 rapports Contre la précédente à 8 rapports (Malibu) 3 %

Le prix du multiplicité de rapports : Complexité, poids et coût

Chaque rapport supplémentaire signifie des éléments d'embrayage en plus, des composants de corps de vanne plus complexes et un contrôle informatique accru. Davantage de pièces mobiles entraîne inévitablement un plus grand potentiel de problèmes mécaniques et une unité de boîte de vitesses plus coûteuse. GM a investi 323 millions de dollars dans son usine de boîtes de vitesses à rapports multiples de Romulus, dans le Michigan ; ce chiffre mesure à quel point les automatiques à rapports multiples exigent un investissement industriel sérieux.

Le poids est également au cœur du débat. Voici un point de vue critique : le poids est l'ennemi de la performance ; au lieu d'ajouter plus de rapports, les constructeurs devraient chercher à alléger les véhicules. Cette critique n'est pas infondée, car chaque gain s'achète au prix d'une complexité mécanique. D'un autre côté, les rendements décroissants sont inévitables : bien que des bénéfices soient encore observables au-delà de 8 et 9 rapports, au-delà de 11-12 rapports entrent en jeu des rendements décroissants qui engendrent des problèmes d'architecture. Les équipes d'ingénierie de Ford et GM considèrent les 10 rapports comme le point idéal de cette courbe de bénéfices.

Il y a aussi la question de la continuité. Les 10 rapports ne sont pas la solution optimale pour chaque véhicule ; on pense que les boîtes 6 rapports resteront longtemps en place selon les marchés régionaux. De son côté, GM estime que sa boîte 9 rapports destinée aux modèles à traction peut couvrir à la fois le segment premium des vitesses élevées, et souligne que les deux boîtes sont conçues comme des unités étanches à vie et sans entretien.

8 rapports ou 10 rapports ? L'alternative à l'étalement des rapports

La boîte 10 rapports n'est pas le seul point de vue en compétition. L'école ZF défend une boîte 8 rapports dotée d'un étalement de rapports plus large plutôt que des pas courts, et la 8HP jouit d'une large reconnaissance en tant qu'unité suffisamment rapide et raffinée pour servir aussi bien les voitures de sport que les berlines de luxe. Une comparaison pratique le confirme : Dans la comparaison des versions à boîte 8 rapports et 10 rapports réalisée sur un Chevrolet Silverado Z71 de 2020, aucun avantage clair du 10 rapports face au 8 rapports n'a été constaté ; le large étalement des rapports de ZF faisait son travail.

La leçon à en tirer, c'est que c'est l'étalement des rapports et l'étroitesse des pas qui comptent, bien plus que le nombre de rapports lui-même. Les 10 rapports s'imposent comme un choix fort, notamment dans les scénarios de remorquage et de transport de charges lourdes ; pour les véhicules légers et l'usage quotidien, une boîte 6 à 8 rapports bien réglée suffit souvent. La formule « plus de rapports, mieux c'est » fonctionne rarement dans le monde de l'ingénierie.

CVT et DCT : Les alternatives au nombre de rapports

Les automatiques à plusieurs rapports ne sont pas la seule voie. La CVT, grâce à son système de courroie et de poulies, offre une infinité de rapports et peut maintenir le moteur à son point de rendement idéal sans passer les vitesses ; dans la plupart des cas, elle offre une meilleure économie de carburant qu'une automatique classique. En contrepartie, le caractère de conduite imposé par la structure courroie-poulies ne plaît pas à tout le monde, et la question de la durabilité se pose dans les applications à couple élevé. Les boîtes à double embrayage (DCT) offrent une voie valable non seulement pour les véhicules axés sur la performance, mais aussi pour les modèles cherchant à équilibrer rapidité et rendement.

Un tournant intéressant : la supériorité historique des automatiques face aux boîtes manuelles : À partir de l'année-modèle 2016, les boîtes automatiques ont dépassé - ou du moins égalé - les boîtes manuelles en efficacité énergétique. Alors que l'hypothèse « la manuelle consomme moins » était valable dans presque toutes les catégories il y a dix ans, les rapports serrés des automatiques à plusieurs rapports ont inversé cette équation. Le véritable objectif de la course aux rapports n'était pas la performance mais l'efficacité énergétique ; il est évident que les normes CAFE (économie moyenne de carburant des entreprises) aux États-Unis ont été le moteur de cette tendance. Le gain de performance, lui, arrive comme un sous-produit des premiers rapports courts et des changements rapides.

Pourquoi les véhicules électriques ne comptent-ils pas les rapports ?

Les moteurs électriques possèdent une caractéristique qui invalide entièrement ce débat : ils produisent un couple quasi constant du point zéro jusqu'au régime maximal. Il n'est pas nécessaire de chercher une plage de régimes étroite dite "efficace" ; le moteur affiche un caractère presque identique partout. C'est pourquoi les véhicules électriques se contentent d'une boîte à vitesse unique. L'augmentation du nombre de rapports était une solution à la plage de rendement étroite du moteur à combustion interne ; lorsque la plage de rendement étroite disparaît, le besoin de multiplication des rapports disparaît aussi. La comparaison avec le levier est également éclairante : Sur les vélos à pédales, la force humaine est produite dans une plage très étroite, d'où la nécessité de 18 vitesses voire plus ; les camions peuvent aussi avoir 18 rapports en raison des charges lourdes. Le nombre de rapports comble l'écart entre le caractère du moteur et la mission du véhicule.

Combien de rapports suffisent ? Le taux de rendements décroissants

Alors, quel est le nombre idéal ? Il n'y a pas de réponse claire et mesurable, mais les limites sont connues. Sur les véhicules peu puissants et légers, 5 rapports peuvent encore suffire, tant en coût de production qu'en potentiel de performance. Pour les camions lourds, 18 rapports sont logiques car l'écart de rapport nécessaire entre chargé et à vide est un abîme. Sur les voitures particulières, 6 à 8 rapports couvrent la plupart des scénarios ; 10 rapports prennent sens sur les véhicules à gros moteur visant à la fois le remorquage à pleine charge, l'accélération rapide et une consommation de croisière basse. Côté constructeurs, Ford et GM considèrent la 10 vitesses comme le point idéal, tandis que l'opinion opposée juge le poids et la complexité d'une boîte à nombreux rapports inutiles. Les deux parties ont partiellement raison : La bonne réponse dépend de la mission du véhicule, et le gain en économie de carburant doit justifier le coût de chaque rapport supplémentaire. Sinon, le nombre de rapports devient une caractéristique qui en jolie sur le papier mais qui coûte cher sur la route.

Sources