Un variateur de vitesse mécanique ou transmission à variation continue est un dispositif mécanique permettant de faire varier continûment le rapport de démultiplication d'un arbre moteur à un arbre mené. Il est utilisé en remplacement d'une boîte de vitesses. Dans le monde automobile, il est connu sous son acronyme anglais : CVT (pour Continuously Variable Transmission ou Continuously Variable Torque).

Un tel dispositif permet d'utiliser un moteur à son régime de fonctionnement optimal en adaptant en continu sa vitesse de rotation à celle requise par l'arbre de sortie, dans le but de minimiser la consommation d'énergie ou maximiser la puissance et le couple disponible, ou encore d'assouplir les variations de vitesse en évitant les changements de régime dus aux paliers des boîtes de vitesses à rapport.

Principe de base de la transmission de puissance

Moteur et actionneur

Dans une chaîne d'énergie, le moteur convertit l'énergie d'entrée (électrique, chimique, hydraulique…) en énergie mécanique de rotation. Il est caractérisé par sa puissance, avec (généralement) un seul sens de marche et une vitesse de rotation optimale. L'actionneur, qui reçoit et utilise la puissance du moteur, doit pouvoir quant à lui :

tourner dans les deux sens ; tourner à différentes vitesses ; développer des couples différents.

centré|vignette|800x800px|Chaîne d'énergie simplifiée du système de propulsion d'un véhicule.

Transmission Tout élément de transmission de puissance est caractérisé par son rapport de transmission, calculé comme suit (avec ω la vitesse de rotation des arbres):

En fonction donc des données du problème (vitesses, alignement entre les arbres, efforts à transmettre, formes d'énergie en entrée et en sortie, continuité ou discontinuité du mouvement, distance entre les arbres de transmission), pour transmettre la puissance du moteur au récepteur en assurant les conditions d'utilisation de ce dernier, on intercale entre le moteur et l'actionneur l'un des éléments suivants :

rapport de transmission unique : système poulie-courroie ou pignon-chaîne, réducteur à trains de roues dentées (roues cylindriques et coniques, roue et vis sans fin, train épicycloïdal…), équipage de roues à friction ; gamme discontinue de rapports de transmission : boite de vitesses à rapports ; rapport de transmission à variation continue : variateur à friction (cônes, disques et galet…), variateur à poulies extensibles ; accouplement hydraulique : convertisseur de couple.

Choix de la transmission Dans un engin industriel (pompe, machine-outil…) dont la vitesse de travail (linéaire ou angulaire) serait constante, il suffit de calculer adéquatement le rapport de transmission entre le moteur et l'outil pour que le moteur fonctionne toujours à son régime optimal. La transmission est ensuite choisie ou conçue sur la base du rapport de transmission voulu.

Là où la vitesse de l'actionneur est variable et doit adopter un nombre n fini de valeurs, on intercale entre le moteur et l'arbre de sortie une boîte de vitesses à n rapports.

Là où la vitesse de l'actionneur doit varier en continu (comme c'est le cas sur un véhicule), il faut, pour que le moteur reste à son régime de fonctionnement optimal, un élément de transmission de puissance qui puisse adapter en continu la vitesse de rotation de l'arbre moteur à celle requise par l'arbre de sortie. Les transmissions à variation continue permettent de fixer le moteur à un régime choisi pour minimiser la consommation ou maximiser la puissance ou le couple disponible.

Historique

Variateur de vitesse continu à poulies extensibles Fouillaron En 1897, le constructeur Gustave Fouillaron, inventeur et ancien patron d'industrie textile, met au point le Variateur de vitesse continu à poulies extensibles, dont il fait sa marque distinctive. La description de son seul système de changement de vitesse occupe la moitié des notices techniques de ses voiturettes. Plus de après, on s'en souvient encore comme du type même de l'innovation :

Notons qu'à la différence de leur principale évolution ultérieure, les poulies Fouillaron sont évidées. La courroie reliant les poulies est comprise comme une chaîne. Les maillons de cette « chaîne-courroie » crantée, selon les termes mêmes de son inventeur, s'engrènent dans les parties pleines et creuses des poulies. Des 6 brevets déposés par G. Fouillaron de 1904 à 1907 en France, 1 porte sur la poulie, 2 sur le variateur lui-même et 3 sur la constitution et la géométrie même des courroies.

Autres brevets G. Fouillaron n'est pas le premier inventeur du variateur, même s'il est difficile de dire à quel point il s'est inspiré des travaux de Wales (brevet US 1876), mais surtout de Milton O Reeves (brevet US 1899) et de sa Reeves Pulley CoPhoto "variable speed transmission", la plus inventive au début du XXème siècle dans le développement des CVT à 2 poulies à entraxe fixe, pour l'industrie des scieries et l'automobile.

En 1926, George Constantinesco construit une voiture avec un CVT à masses oscillantes (brevet déposé en 1924).

En 1936, E. Foster Salsbury fabrique un scooter appelé Motor Glide; en 1938, Salsbury invente la transmission automatique à courroie en V et poulies variables (Continuously Variable Transmission ou CVT, brevet demandé en 1939, émis en 1941). La poulie menée réagit au couple appliqué grâce à ses cames; même à haute révolution du moteur, une augmentation du couple transmis, lors d'une accélération ou lorsqu'on monte une pente, force la poulie menée à se fermer ce qui fait rétrograder la transmission pour faciliter le travail du moteur. C'est le type de transmission utilisée sur les motoneiges.

En 1958, Hubertus von Doorne, cofondateur de DAF, met au point et commercialise le système de transmission continue Variomatic avec une courroie flexible. Plus que toutes les ébauches précédentes handicapées par leur manque de fiabilité et leur faible rendement, c'est lui qui popularise le concept dans le monde automobile.

Dans les années 1990, le Variateur de vitesse sous toutes ses formes se répand chez les constructeurs automobiles : Subaru (1987), Nissan (1992), Honda (1995), Toyota (1997), Audi (2000), Ford (2005)…

Variateur de vitesse à courroie trapézoïdale

Le rapport de transmission d'un système poulie-courroie classique est fixé par les diamètres des poulies motrice et réceptrice:

Pour obtenir une variation continue du rapport de transmission, il faut une variation continue du diamètre des poulies, c'est-à-dire des poulies « coniques ». Presque tous les variateurs à courroie tirent profit de la géométrie particulière de la courroie trapézoïdale, dont la section en trapèze vient se positionner dans la gorge d'une poulie aux parois coniques.

Dans les poulies classiques, ces 2 parois sont solidaires de l'axe autour duquel elles tournent et ne forment qu'une seule pièce. Dans les variateurs, elles sont disjointes et formées de 2 flasques coaxiaux d'écartement variable, montés avec une liaison glissière sur le même arbre qu'ils entraînent en rotation. Le diamètre primitif d'enroulement de la courroie autour de la poulie augmente à mesure que diminue l'écartement des flasques et inversement.

Poulies à entraxe fixe

Principe

Le variateur de vitesses à courroie est composé d'une courroie, métallique ou synthétique, et de deux poulies dont les gorges sont à écartement variable. En fonction de l'écartement des parois des poulies, la courroie pénètre plus ou moins près du centre ce qui a pour effet de changer le rapport de démultiplication. vignette|Schéma de principe du positionnement des poulies motrice et réceptrice dans un variateur à poulies à entraxe fixe Les écartements respectifs des poulies motrice et réceptrice sont inversement proportionnels : l'une augmente quand l'autre diminue. Les poulies motrice et réceptrice sont formées chacune d'un flasque encastré sur l'arbre et d'un autre en liaison glissière avec le même arbre. L'utilisateur agit sur l'écartement de la poulie motrice au moyen d'une vis de pression, d'un volant ou système hydraulique, d'une pompe à vide, d'un ensemble pignon-crémaillère…La tension de la courroie entraîne alors une variation inverse sur la poulie menée. Un ressort de rappel sur celle-ci permet de minimiser l'écartement des flasques. Les poulies sont auto-alignées : les plans milieu des poulies motrice et réceptrice coïncident à tout instant avec celui de la courroie, mais leur position varie en fonction de la translation des flasques glissants.

Si les 2 poulies ont des caractéristiques semblables, ce type de positionnement permet d'étendre au maximum la plage des rapports possibles:

Utilisation vignette|redresse|Toyota Super CVT - iCe système reste le plus populaire chez les constructeurs de boîtes de vitesses CVT : X-Tronic (Nissan-Jatco), Multitronic (Audi), Variomatic (DAF), Lineartronic (Subaru), Multimatic (Honda), CVT-i et e-CVT (Toyota), Invecs-III (Mitsubishi)… En sont équipés (liste non exhaustive) : Ford Fiesta, Ford Focus, Fiat Uno Selecta, Fiat Punto, Lancia Y, Mercedes-Benz Classe A et Classe B, Honda Jazz (~2007), Honda Civic Hybrid et Honda Insight, Nissan Micra K11, Nissan Murano, Nissan Altima, Nissan Juke, Nissan Tiida, Nissan Qashqai, Nissan X-Trail (2014), Dodge Caliber, Renault Scenic III, Renault Mégane III, Daf 600 à Daf 55, Volvo 66 et Volvo 343.

Poulies à entraxe variable Ce système reprend le principe de base, mais seule la motrice est formée de 2 flasques coulissant symétriquement sur un moyeu. La menée, de diamètre fixe, est encastrée sur son arbre. Une augmentation de l'entraxe (généralement en déplaçant le moteur positionné sur un plateau en liaison glissière avec le bâti) entraîne une diminution du diamètre de la poulie motrice et donc du rapport de transmission (puisque le diamètre de la menée est fixe). Ce type de système permet une plage de rapports plus réduite :

La poulie motrice, auto-centrée, est cette fois-ci formée de 2 flasques en liaison glissière avec l'arbre, symétriques par rapport au plan milieu de la courroie. Deux ressorts de rappel permettent de minimiser l'écartement des flasques. Les plans milieu des poulies motrice et réceptrice ainsi que de la courroie sont alors identiques et invariants, de façon à toujours maintenir la courroie dans l'axe des poulies.

Poulies à entraxe fixe et galet presseur Là encore, seule la poulie motrice est formée de 2 flasques coulissant symétriquement sur un moyeu. La menée, de diamètre fixe, est encastrée sur son arbre et l'entraxe reste fixe. L'utilisation d'un ou plusieurs galets presseurs permet de « diminuer artificiellement » la longueur de la courroie et de la faire pénétrer dans la poulie motrice, entraînant une augmentation de l'écartement des flasques et une diminution importante du diamètre de la poulie motrice et du rapport de transmission.

Deux cas particuliers

Le variateur de vitesse vignette|Graphique de la vitesse en fonction du régime moteur d'un véhicule équipé d'un variateur |alt= Ce qu'on appelle le variateur de vitesse en langage courant est ce type de transmission installé sur de nombreux engins motorisés de petite cylindrée tels que cyclomoteurs, scooters (y compris de forte cylindrée), voiturettes, motoneigesVoir « pas d'hier », sur le site guideautoweb.com, consulté le 24 janvier 2016, quads… Dans toutes les transmissions à variation continue présentées ci-dessus, le rapport est fixé par l'utilisateur (via l'ordinateur de bord) en fixant la position de l'arbre ou de l'élément de transmission intermédiaire, c'est lui qui fixe directement le rapport de transmission voulu.