vignette|droite|Écorché d'une boîte de vitesses automatique d'une Lexus IS.
Une boîte de vitesses (ou boîte à vitesses) est un dispositif mécanique, souvent mécatronique sur les véhicules récents, permettant d'adapter la transmission d'un mouvement entre un arbre moteur et un arbre récepteur. Utilisée dans de multiples contextes (machine-outil, véhicule automobile terrestre), elle est le plus fréquemment utilisée pour la transmission de la puissance d'un moteur. Le couple moteur peut alors être adapté au besoin de l'arbre récepteur, en augmentant la démultiplication, les pièces entraînées tournant alors moins vite que l'axe moteur.
En proposant plusieurs coefficients de réduction (ou de démultiplication), dénommés rapports de transmission, la boîte de vitesses est ainsi l'élément central qui adapte de manière très variable en fonction des différentes situations dynamiques, pour vaincre la résistance à l'avancementCes efforts sont la somme de l'adhérence des pneus sur la chaussée, des forces de résistances aérodynamiques liés aux Cx du véhicule et ceux liés au poids du véhicule dans une pente. au démarrage, ou à l'avancement (variant suivant les conditions de roulage) du véhicule.
À la différence des variateurs de vitesse, la plupart des boîtes de vitesses offrent des rapports déterminés, qui dépendent de chaque couple d'engrenages constituant l'ensemble de la boîte, assurant autant de démultiplications prédéfinies.
vignette|Boîte Speedhub 500/14 pour vélo intégrée au moyeu de la roue arrière.
Intérêts d'une boîte de vitesses vignette|Usine dans laquelle on distingue, dans le coin inférieur gauche, un arbre muni d'une poulie étagée constituant une boîte de vitesses à quatre rapports. Dans de nombreuses applications, la puissance d'une machine motrice est fournie par un couple qui présente en général une vitesse de rotation inadaptée au fonctionnement du système récepteur. Une adaptation du couple ou de la vitesse de rotation est donc nécessaire afin d'exploiter, au mieux, les performances de cette machine selon les conditions de son utilisation (par abaissement de la vitesse de rotation et élévation du couple transmis, ou plus rarement, par élévation de la vitesse de rotation et abaissement du couple transmis). Les machines industrielles à moteurs électriques asynchrones telles qu'un tour, par exemple, dont la fréquence de rotation est liée à la fréquence du secteur, ne permettent pas ainsi d'obtenir plusieurs vitesses de fonctionnement sans une boîte de vitessesL'utilisation étoile/triangle sur un moteur triphasé permet seulement deux vitesses fixes..
C'est d'ailleurs sans doute cette application, qui date de la révolution industrielle, qui a donné cette dénomination au dispositif. Elle est liée aux premières machines industrielles qui recevaient l'énergie motrice d'un arbre moteur commun, animé par un moulin à eau ou une machine à vapeur tournant à vitesse constante. Des systèmes de pignons, ou de poulies, permettaient le choix d'une vitesse de fonctionnement. L'arbre moteur tournait à vitesse quasi constante, tant que le couple demandé restait inférieur à celui qui était disponible.
Dans le cas des véhicules, où il y a plus généralement inadéquation entre le couple fourni et le couple nécessaire à la roue pour vaincre les résistances inertielles, la boîte de vitesses permet de pallier cet inconvénientVoir « Puissance d'un couple », montrant qu'à puissance identique le couple est inversement proportionnel à la vitesse de rotation.. Le couple par exemple qu'un cycliste exerce sur les pédales de son vélo est suffisant pour rouler sur terrain horizontal. Mais lorsqu'il aborde une côte, le couple résistant à la roue augmente. Le dérailleur (ou les moyeux à vitesses intégrées sur les modèles haut de gamme) permet alors d'augmenter le couple à la roue au détriment de la vitesse de rotation, en faisant passer la chaîne d'un pignon de la cassette à un autre plus grand.
Le même principe est utilisé en automobile où le couple fourni par le moteur thermique, souvent limité et variable sur une plage de régime de rotation limitée, ne permet pas de faire face aux différentes conditions de roulage du véhicule (démarrage, accélération, roulage, marche arrière). La boîte de vitesses offre ainsi la possibilité d'augmenter le couple disponible sur l'essieu moteur, le réducteur à engrenages étant la solution la plus commune pour réaliser cette fonction. La boîte dispose ainsi : d'une position dite « point mort » (aucune vitesse n'est engagée) pour, entre autres, démarrer le moteur sans entraîner le véhicule, et permettre le régime de ralenti ; de plusieurs rapports étagés pour la marche avant ; d'un rapport de marche arrière pour inverser le sens de rotation des roues.
Historique de l'évolution Louis Renault, inventeur et entrepreneur de l'industrie automobile française, fait breveter la boîte de vitesses à prise directe en 1898Renault Louis (1877-1944), Encyclopædia Universalis (consulté le 17 juin 2019)..
La part des ventes en France de véhicules neufs équipés de boîte automatique est de 8 % en 2004, puis de 54 % en 2021..
Architecture vignette|Configuration à moteur central avant et roues arrière motrices ; le moteur et la boîte sont donc placés longitudinalement.
Le cas d'utilisation le plus fréquent d'une boîte de vitesses est la transmission de la puissance du moteur thermique d'un véhicule avec le couple et la vitesse de rotation adaptés à la situation (couple élevé avec faible vitesse ou l'inverse). Les boîtes, utilisées dans ce cas, se distinguent selon la technologie de leurs réducteurs (engrenages, train épicycloïdal, chaîne ou courroie) et leur système de commande (manuelle, pilotée/robotisée, séquentielle ou automatique).
Généralement, on distingue les boîtes selon : leur disposition, transversale ou longitudinale, généralement choisie selon que le moteur est lui-même implanté transversalement (l'axe de rotation du vilebrequin est parallèle à l'axe de rotation des roues) ou longitudinalement ; la position (avant ou arrière) du moteur et le choix du (ou des) essieu(x) moteur(s) (transmission aux roues avant, arrière ou intégrale) ; ce dernier critère influence l'intégration - ou non - du pont à la boîte.
Boîte manuelle à engrenages parallèles Synchronisation et crabotage vignette|Sous-système d'une boîte constitué de deux rapports synchronisés. La fourchette déplace le baladeur pour craboter un pignon fou. La manœuvre pour rendre un pignon fou solidaire de l'arbre de sortie est assurée par le déplacement horizontal du baladeur sur les cannelures de l'arbre – le baladeur est donc en liaison glissière –, ce qui a pour but d'accoupler le crabot et le pignon correspondant au moyen de petites dents ; ces dents, appelées « dents de chien » ou « crabots », peuvent être frontales (créneaux) ou périphériques (cannelures)Ce sont eux, et non les engrenages, qui « protestent » lorsqu'on manque la manœuvre de passage d'un rapport.. Les formes complémentaires des deux éléments devenus solidaires assurent ainsi la transmission de la puissance.
Boîte synchronisée vignette|Schéma cinématique de principe d'une boîte de vitesses à quatre rapports et marche arrière. Sur les boîtes synchronisées, en complément des crabots est installé un synchroniseur qui, comme son nom l'indique, permet, préalablement au crabotage, de synchroniser la vitesse de rotation d'un pignon avec celle du pignon dont il devient solidaire lors de l'engagement du nouveau rapport sélectionné. En effet, au démarrage ou au passage d'un rapport à un autre, la vitesse relative entre les deux arbres n'est pas nulle, ce qui complique l'accouplement des dents de chien. En mettant en contact des surfaces de frottements liées d'une part au synchroniseur et d'autre part au pignon fou, le synchroniseur annule cette vitesse relative et assure un passage du rapport sans effort ni bruit.
Les boîtes manuelles les plus utilisées de nos jours sont généralement constituées de deux arbres parallèles, dénommés arbre primaire (arbre d'entrée lié au vilebrequin par l'embrayage), et arbre secondaire (arbre de sortie de boîte) portant respectivement les pignons de vitesses et les pignons fous. Cette disposition des pignons fous et des pignons fixes sur leur arbre n'est pas universelle. Certains pignons fous peuvent se retrouver sur l'arbre primaire avec des pignons fixes et vice-versa pour l'arbre secondaire.. Outre les pignons fous, l'arbre secondaire porte également les systèmes de crabotage et les synchroniseurs, dispositifs placés sur des baladeurs, actionnés par les fourchettes de commandes liées au levier de vitesses, pouvant coulisser sur des cannelures de l'arbre.
Le principe d'une boîte manuelle repose sur le choix de plusieurs couples de pignons (ou engrenages) de diamètres différents, offrant ainsi différents rapports de transmission. Chaque couple est constitué d'un pignon fixe sur l'arbre primaire, et d'un pignon fou, en liaison pivot avec l'arbre secondaire par l'intermédiaire de roulements. Un rapport est enclenché lorsque l'un des pignons fous devient solidaire de l'arbre secondaire. Pendant ce temps, les autres pignons tournent librement, d'où le terme « pignon fou », et ne transmettent aucun couple.
Particularités : marche arrière et prise directe vignette|left|Exemple d'engrenages à denture hélicoïdale d'une boîte de vitesses manuelle. Ce type de boîte adopte généralement des engrenages à denture hélicoïdale. Ils sont en effet plus silencieux car les dents en prise sont plus nombreuses et subissent donc chacune moins de charge que les pignons à denture droite. En revanche, ces engrenages provoquent une poussée axiale qui impose l'utilisation de roulements adaptés et un renforcement des paliers. C'est également pour cette raison que la marche arrière est obtenue avec des pignons à denture droite et qu'elle émet un bruit si caractéristique lors de son usage. Ce choix est imposé par le principe même de la marche arrière ; en effet, pour inverser le sens de rotation des roues, donc de l'arbre secondaire, il est nécessaire de faire intervenir un troisième engrenage dans un couple de pignons. Ce pignon est déplacé axialement afin de s'intercaler entre un pignon de l'arbre primaire et un pignon de l'arbre secondaireIl s'agit du seul cas où l'engrenage n'est pas toujours en prise.. Si le pignon de marche arrière avait été à denture hélicoïdale, il n'aurait été possible ni de l'intercaler ni de le maintenir enclenché du fait de la poussée axiale.
Certaines boîtes, notamment les boîtes longitudinales, disposent par ailleurs d'un troisième arbre, dit « train fixe » ou « arbre intermédiaire », qui permet de placer les arbres primaire et secondaire non plus parallèlement mais en ligne. Il est alors possible de les accoupler directement pour obtenir ce qu'on appelle une prise directe pour bénéficier d'un rendement de transmission supérieurEn effet, on compte approximativement 2 % de perte par engrenage et la prise directe supprime ces pertes. : l'un des baladeurs rend l'arbre primaire solidaire de l'arbre secondaire. Historiquement, la prise directe était traditionnellement le troisième ou quatrième (et dernier) rapport avant, ainsi nommé car il correspondait à un rapport de démultiplication nul (rapport 1:1 entre les arbres). De nos jours, le dernier rapport est souvent ce que l'on appelait autrefois la « surmultipliée », c'est-à-dire avec un rapport de démultiplication supérieur à 1 (l'arbre de sortie de boîte tourne plus vite que l'arbre primaire). Le moteur n'ayant pas besoin de rester dans les hauts régimes pour une grande vitesse sur un terrain favorable, cela participe à la réduction de la consommation en carburant.
Boîte à crabots et boîte à baladeurs vignette|left|Schéma conceptuel de la différence entre des engrenages crabotés et synchronisés.