L'origine du Variomatic
En 1897, l'américain H.C. Spaulding est un entraînement infiniment variable composé d'une courroie et de deux poulies coniques, destiné à propulser une voiture. Au moyen d'un système de levier actionné par le cycliste, une courroie plate était forcée d'un diamètre plus grand à un diamètre plus petit sur les deux poulies et vice versa pour fonctionner comme une variation de vitesse. Pour autant que l'on sache, ce système n'a jamais été mis en production. Une invention du Français Fouillaron, qui utilisait deux paires de poulies, a été appliquée. Chaque paire de poulies se composait de deux disques à rayons coniques, dont les rayons s'emboîtaient comme des doigts écartés de mains jointes. En insérant maintenant les disques au moyen de écarter ou rapprocher un levier créait une rainure en forme de V dont le diamètre devenait plus petit ou plus grand. Une ceinture trapézoïdale était placée dans cette rainure, constituée d'épaisses tranches de cuir enfilées comme des perles sur un cordon métallique. Ils se sont avérés avoir une bonne durée de vie, ce qui a été la raison de la production en série du lecteur Fouillaron en 1900 et de son installation dans des dizaines de voitures. Les matériaux et les techniques de production de l'époque, mais aussi le fait que le mécanisme devait être actionné à la main, ont fait que cette forme de contrôle de la vitesse est tombée en désuétude. Du moins pour les voitures, car ce système a longtemps été utilisé par Lang et Flender pour l'entraînement et le contrôle de la vitesse de la broche principale de leurs tours. En plus des boîtes de vitesses manuelles conventionnelles couramment utilisées, une tentative sérieuse a été faite pour la première fois en 1925 pour automatiser les changements de vitesse au moyen d'un embrayage hydraulique et d'une boîte de vitesses à commande hydraulique. Bien que ce type de transmission se soit avéré bien fonctionner, avec une boîte de vitesses à commande hydraulique, vous devez toujours faire face à un système "étagé". Ainsi, tout comme avec la boîte de vitesses manuelle, seul un nombre limité de rapports de vitesse fixes est disponible. Le fondateur de DAF, Hub H.J. van Doorne a sorti l'invention de M. Spaulding de l'oubli avec la conviction qu'une transmission à variation continue était une solution fondamentalement meilleure par rapport aux transmissions manuelles ou automatiques conventionnelles. Sur la base de l'idée de Spaulding, un système de transmission entièrement automatique a été développé, qui a été introduit en 1958 sous le nom de Variomatic sur la voiture de tourisme Daf 600. Dans les années qui suivirent, il s'avéra que ce Variomatic, tel qu'il fut plus tard produit et utilisé par Volvo sous le nom de CVT, était le moyen idéal pour propulser une voiture aussi bien en ville que sur autoroute.
Théorie de base Variomatic
Chaque groupe motopropulseur a pour tâche d'adapter la puissance fournie par le moteur aux conditions de conduite et de la transférer aux roues motrices de manière à ce que la voiture puisse développer sa puissance maximale à différentes vitesses, avec les deux extrêmes de l'effort de traction maximal ou du couple maximal. .vitesse maximale. La figure 1 montre comment cet objectif est atteint en utilisant des réductions fixes. Lors de l'accélération, vous devez vous assurer qu'en choisissant le bon rapport de transmission (le « rapport »), la vitesse du moteur reste entre les valeurs susmentionnées (voir figure 2).
Le Variomatic a une caractéristique de changement de vitesse complètement différente (figure 3). Cela signifie que tout rapport de vitesse entre une limite supérieure et une limite inférieure est automatiquement réglé en fonction de la puissance moteur sélectionnée et de la résistance à la conduite qui se produit. Pour mieux comprendre cette propriété, nous distinguons deux modes de conduite différents :
1 : démarrer à plein régime depuis l'arrêt ; vous essayez d'atteindre la vitesse maximale le plus rapidement possible. Cela nécessite la plus grande accélération possible (ou force motrice sur les roues), à la puissance maximale du moteur. Le Variomatic répond largement à cette exigence. La première partie de la courbe est parcourue à plein régime comme avec une boîte de vitesses manuelle. L'embrayage automatique s'enclenche et la vitesse et le régime augmentent en fonction du rapport de démultiplication le plus élevé (ligne imax). Lorsque la puissance maximale est presque atteinte, le régime moteur reste approximativement constant et chaque rapport de vitesse est engagé automatiquement jusqu'à ce que le rapport de vitesse le plus petit (ligne imin) soit atteint (figure 3, ligne A).
2 : conduite à vitesse constante, où aucune puissance maximale n'est demandée au moteur, mais seulement ce qui est nécessaire pour continuer à rouler à la même vitesse dans les conditions de conduite actuelles (charge partielle). Le moteur doit être le plus économique possible, ne pas faire de bruit et produire des gaz d'échappement aussi propres que possible. Ces exigences peuvent être satisfaites au mieux si le régime moteur reste bas. Les points obtenus en roulant à charge partielle (certaine position de la pédale d'accélérateur) se situent donc sur la courbe tracée, dite courbe de charge partielle (figure 3, ligne B). Tous les réglages de réduction dans les extrêmes décrits ci-dessus sont possibles (plage de charge partielle). En résumé, on peut dire que grâce au Variomatic un réglage idéal est obtenu entre la puissance disponible d'une part et la puissance requise d'autre part, tandis que le réglage est également entièrement automatique. Un embrayage automatique en conjonction avec un arbre d'entraînement amortisseur assure ainsi une transmission en douceur des forces motrices.
Principe du Variomatic
La puissance du moteur (1) est transmise via un embrayage automatique (2) et un arbre d'entraînement primaire (3) au premier ou boîtier primaire du Variomatic (voir figure 4). Cette partie primaire est constituée d'un boîtier de distribution, dans lequel se trouve un mécanisme de commutation. Sur l'arbre de sortie de la boîte de vitesses primaire, vous trouverez 2 paires de disques (4), qui, avec 2 paires de disques sur la boîte de vitesses secondaire ou secondaire (6) et avec les courroies en V (5) montées entre eux, forment la partie essentielle du Variomatic et fournissent ensemble un rapport de vitesse variable en continu. Les paires de poulies gauche et droite de l'armoire primaire se composent chacune d'une poulie fixe et d'une poulie mobile ; le disque extérieur peut coulisser sur l'arbre sur lequel il est monté. Cela peut entraîner une variation du diamètre de défilement de la bande ; les galets écartés pour un petit diamètre orbital de courroie, et les galets l'un vers l'autre pour un grand diamètre orbital de courroie. Les paires de disques de l'armoire secondaire sont également munies chacune d'un disque fixe et d'un disque mobile. Dans le cas primaire, le disque extérieur est le disque mobile, tandis que dans le cas secondaire, le disque intérieur est le disque mobile. Ceci est important pour s'assurer que, lors du changement du diamètre de roulement de la courroie, la courroie passe toujours en ligne droite entre les poulies. L'entraxe entre poulies primaire et secondaire a été choisi de telle sorte qu'il y ait, selon les cas, deux positions extrêmes : primaire sur le plus petit diamètre, où les courroies défilent secondairement sur le plus grand diamètre, ou inversement, avec un nombre infini de positions intermédiaires entre ces deux extrêmes, qui créent donc autant de rapports de vitesse entre la partie primaire et secondaire du Variomatic. Selon le type de DAF ou de Volvo, le rapport de transmission total entre le moteur et les roues arrière est au minimum de 3,60:1 et au maximum de 28,83:1. Grâce à l'idée derrière le Variomatic, n'importe quel rapport de vitesse est possible entre ces limites, le rapport de vitesse le plus favorable étant automatiquement sélectionné pour chaque condition de fonctionnement.
Facteurs affectant le réglage de la réduction
Force centrifuge
Sur la figure 5a, la position des poulies et de la courroie est indiquée dans le plus grand rapport de transmission. C'est la position dans laquelle vous devez vous éloigner de l'arrêt. Lorsque les poulies sont déplacées principalement l'une vers l'autre, la courroie est forcée à un grand diamètre (figure 5b). Étant donné que la longueur de la courroie a une taille fixe, la courroie est tirée au niveau des poulies secondaires. Les disques primaires flottent donc au moyen de les courroies aux réas secondaires, de sorte qu'aucun glissement ne doit se produire. Pour ce faire, la courroie doit être pressée avec force entre les poulies. Côté secondaire, cette force de pincement est assurée par un ressort hélicoïdal et un ensemble de ressorts à disques ; du côté primaire par quelques éléments régulateurs, dont les forces centrifuges et de dépression sont les plus importantes. Lors des montées de rapports, l'effort de serrage sur les disques primaires devra donc être supérieur à l'effort de serrage sur les disques secondaires, alors qu'à l'inverse, lors des rétrogradages, l'effort de serrage sur les disques secondaires devra être le plus important. Les disques mobiles en forme de tambour du caisson primaire comportent 2 paires de masselottes centrifuges (figure 6). Ces poids centrifuges sont articulés sur le boîtier du pilote, qui à son tour est fixé à l'arbre de distribution. Lorsque la vitesse (du moteur) augmente, les poids centrifuges oscillent vers l'extérieur autour de leurs points de pivot. Les forces centrifuges se produisant dans ce processus sont converties en une force axiale sur le disque mobile. Lorsque cette force de serrage primaire surmonte la force de serrage secondaire, la poulie mobile est déplacée vers la poulie fixe, forçant la courroie dans les poulies primaires à un diamètre de course de courroie plus grand. Comme la longueur de la courroie ne change pas, la courroie des poulies secondaires est forcée à un diamètre plus petit, ce qui signifie une modification du rapport de transmission : le Variomatic passe les vitesses. Si la force de pincement dans les disques primaires reste supérieure à la force de pincement dans les disques secondaires, le Variomatic continuera à monter jusqu'à ce que le rapport de transmission le plus petit possible soit atteint (figure 7). Dès qu'une situation d'équilibre apparaît entre les forces dans les disques primaires et secondaires, le Variomatic ne se déplacera plus et le rapport de transmission alors atteint sera maintenu (figure 8). Lorsque le régime moteur diminue (jusqu'à ce que la voiture s'immobilise presque), la situation d'équilibre est perturbée. En raison de la force de pincement désormais plus importante sur les disques secondaires, ils se rapprochent et les disques primaires s'écartent (figure 9). Le Variomatic rétrograde jusqu'à ce que le rapport de vitesse maximum soit atteint proche de l'arrêt. Car lorsque la voiture est à l'arrêt, les disques primaires doivent être "ouverts" pour que la voiture puisse repartir en douceur (à nouveau).
Tirette de ceinture
Il y a un deuxième facteur très important qui influence le réglage de la réduction, à savoir la traction de la courroie qui dépend de : la résistance à la conduite le couple moteur le rapport de transmission du Variomatic On peut dire ce qui suit à propos de la résistance à la conduite : tant que la voiture roule à vitesse constante sur une route plate, la tension des courroies se limitera à "fournir" la poussée requise aux roues arrière, ce qui est nécessaire pour garder la voiture avec maintenir la vitesse sélectionnée dans ces circonstances. Mais lorsque la résistance à la conduite augmente, par exemple lors de la montée d'une pente, lorsque la chaussée change ou lorsqu'un vent de face se lève, afin de maintenir la vitesse sélectionnée, une poussée plus importante aux roues arrière et donc un effort de traction plus important dans le les ceintures sont nécessaires. A titre d'exemple, la force de traction dans une courroie est représentée schématiquement sur la figure 10. En supposant que les poulies primaires entraînent la courroie et que la courroie entraîne les poulies secondaires, cette traction de la courroie tirera la courroie entre les poulies primaires à un diamètre plus petit, tandis que la courroie entre les poulies secondaires fonctionnera alors à un diamètre plus grand (voir figure 11). La tension des courroies est donc rarement constante et, en plus des conditions décrites ci-dessus, dépend également de l'accélération ou de la décélération. De plus, la tension des courroies est influencée par la résistance de l'air (galerie de toit), le remorquage d'une remorque et la charge de la voiture. Les situations dans lesquelles se produit l'interaction des forces entre les forces de traction de la courroie et la force centrifuge peuvent être expliquées plus en détail à l'aide des exemples suivants : À vitesse d'entraînement constante, un certain réglage de réduction a été atteint, où l'influence de la force centrifuge des poids et la tension des courroies sont équilibrées. Avec l'augmentation de la résistance à la conduite, mais avec la même puissance moteur, la vitesse de la voiture diminue et la tension des courroies augmente. En conséquence, l'équilibre entre la force centrifuge et la force de traction est rompu, avec pour résultat que les courroies dans les poulies primaires se déplacent vers un diamètre de fonctionnement de courroie plus petit ; le Variomatic rétrograde. Afin de maintenir la vitesse atteinte lorsque la résistance à l'entraînement augmente, le moteur doit faire plus de tours à la suite de ce "rétrogradage". Il suffit donc au conducteur d'appuyer un peu plus sur l'accélérateur pour que la vitesse de la voiture soit maintenue. Lors du passage de la montée d'une pente à une section plate de la route, l'inverse se produit comme sous b. a été décrit ; la vitesse augmente, la tension des courroies diminue et le Variomatic "monte". Maintenant, pour maintenir la vitesse sélectionnée, la pédale d'accélérateur doit être relâchée jusqu'à ce que la vitesse du moteur se soit ajustée au réglage de réduction modifié. Si vous souhaitez augmenter brusquement la vitesse, il suffit d'appuyer à fond sur la pédale d'accélérateur. Cela augmente la vitesse du moteur et la tension de la courroie, ce qui entraîne une plus grande poussée sur les roues arrière. Comme nous l'avons expliqué précédemment, le Variomatic rétrograde fortement dans ces conditions, permettant de fortes accélérations. Nous appelons ce phénomène l'effet "kick-down". Lorsque la pédale d'accélérateur est alors à nouveau relâchée jusqu'à ce que la vitesse augmentée par l'accélération reste constante, l'inverse se produit : la puissance du moteur, la traction de la courroie et la poussée diminuent, de sorte que le rapport passe automatiquement à un rapport de vitesse plus petit. Nous appelons cela l'effet "overdrive". C'est précisément cette force variable en continu qui joue un rôle si important dans le réglage d'un rapport de démultiplication particulier. De cette manière, un rapport de vitesse est obtenu de manière entièrement automatique, qui s'adapte en permanence aux conditions de conduite en constante évolution.
Sous pression
Un troisième facteur qui influence le réglage de la réduction du Variomatic est la pression négative qui règne dans le collecteur d'admission d'un moteur en marche. Les disques mobiles de la partie primaire du Variomatic sont tous deux divisés en deux moitiés au moyen d'un diaphragme monté sur l'arbre de distribution (figure 12). Les deux moitiés sont appelées "chambres" ; nous parlons d'une chambre extérieure et d'une chambre intérieure. Le point de départ est que la pression dans les deux chambres est atmosphérique. En créant une pression négative dans l'une de ces pièces au bon moment, vous obtenez une aide à la pression négative pour amplifier les effets "kick-down" et "overdrive" précités. En créant une dépression dans la chambre extérieure (figure 13a), le disque mobile va vouloir se déplacer vers le disque fixe. La courroie est ainsi obligée de rouler sur un diamètre de roulement de courroie plus grand ; le Variomatic embraye donc. Inversement, la création d'une pression négative dans la chambre intérieure poussera la poulie mobile vers l'extérieur (figure 13b), c'est-à-dire l'éloignera de la poulie fixe, ce qui fera tourner la courroie à un diamètre plus petit et le Variomatic rétrogradera (accéléra). En conclusion, il y a trois facteurs qui font passer le Variomatic :
- La force centrifuge (en fonction du régime moteur)
- La traction de la courroie (qui est principalement influencée par la résistance du véhicule)
- La pression négative, qui prend en charge la commutation du Variomatic.
Conditions de fonctionnement Variomatic
En pratique, les trois facteurs susmentionnés ne se produiront jamais seuls. Ci-dessous, nous discuterons plus en détail des influences que ces facteurs exercent les uns sur les autres.
1. Accélérer
En partant de l'arrêt à pleins gaz jusqu'à, par exemple, 80 km/h, il se produit (figure 14) : en augmentant le régime moteur, les masselottes centrifuges des disques de la partie primaire du Variomatic oscillent vers l'extérieur, provoquant le disque mobile est imprimé sur le disque dur. Cependant, la résistance du véhicule à vaincre est importante ; toute la masse de la voiture doit être mise en mouvement à partir d'un arrêt, de sorte que la tension dans les courroies soit grande. L'influence de cette force de traction étant opposée à celle de la force centrifuge, la transmission sera donc maintenue dans une position quelque peu rétrogradée. Malgré le fait que les chambres extérieures du variomatic primaire sont reliées au collecteur d'admission dans cette position, aucun support de sous-pression notable n'aura lieu, car dans cette position du papillon des gaz (accélération), il n'y a pratiquement pas de sous-pression dans le collecteur d'admission.
2. Position surmultipliée
Maintenant lorsque la voiture a atteint une vitesse de 80 km/h, vous souhaitez maintenir cette vitesse. Ensuite vous relâchez légèrement la pédale d'accélérateur et comme la vitesse, et donc la puissance, n'augmente plus, la traction de la courroie va diminuer. Les masselottes centrifuges ont maintenant la possibilité de s'écarter davantage : le Variomatic passe les vitesses vers le haut (figure 15). Pour renforcer cet effet, une dépression est désormais simultanément créée dans la chambre extérieure du disque mobile, ce qui accompagne considérablement le passage à la vitesse supérieure du Variomatic. Nous appelons cela la position d'overdrive.
3. Position de coup de pied
Lorsque vous augmentez ensuite la vitesse de 80 à 110 km/h, il se passe ce qui suit (figure 16) : pour accélérer à nouveau la masse de la voiture, une plus grande traction de la courroie est nécessaire. Par conséquent, la pédale d'accélérateur est complètement enfoncée. En raison de la tension croissante de la courroie, le Variomatic rétrogradera légèrement. Pour renforcer cet effet, le support de pression négative de la chambre externe est désactivé et la chambre externe est également mise en communication ouverte avec l'air extérieur en appuyant à fond sur la pédale d'accélérateur. La chambre extérieure est "aérée". Nous appelons cela l'effet kick-down. Si l'accélérateur est légèrement réduit à 110 km/h, ce qui réduit la force de traction dans les courroies et crée également une dépression dans la chambre extérieure, le Variomatic reviendra en position de surmultiplication.
4. Freinage avec la pédale de frein
Lors d'une forte décélération de 110 km/h à l'arrêt, les masselottes et courroies centrifuges (figure 17), qui ont une certaine inertie, mettent un certain temps à revenir en position d'arrêt. La traction de la courroie, comme discuté précédemment dans l'accélération, fonctionne maintenant en sens inverse : les poulies secondaires (roues arrière) entraînent désormais les poulies primaires. En raison de la traction de la courroie, la courroie veut fonctionner sur un diamètre plus grand dans les poulies primaires et un diamètre plus petit dans les poulies secondaires. Les deux raisons évoquées ci-dessus ne feront certainement pas accélérer les rétrogradages du Variomatic. Pour éviter que le Variomatic ne soit dans une position légèrement supérieure lorsque la voiture s'arrête, une dépression est créée dans la chambre intérieure lors du freinage. Cette pression négative génère une force axiale qui écarte le disque mobile du disque fixe (Figure 17). La distance entre les poulies primaires augmente et la force de pincement dans les poulies secondaires tirera la courroie plus profondément entre les deux poulies primaires, accélérant le Variomatic jusqu'à la position de rétrogradation complète. Ce rétrogradage rapide provoque également une augmentation du régime moteur, ce qui entraîne un fort freinage moteur.
5. Frein moteur
Un rapport de démultiplication aussi grand que possible est souhaitable à la fois lors de la montée d'une montagne et lors de la descente. En montée, la traction de la courroie est si importante que le Variomatic sera maintenu en position rétrogradée. Mais lors de la descente, ce n'est pas le cas ; avec la pédale d'accélérateur complètement retirée et descendant la montagne, les roues arrière (disques secondaires) entraîneront les disques primaires et le Variomatic aura tendance à passer les vitesses comme avec la position "freins". En créant maintenant une dépression dans la chambre intérieure, une force axiale est générée dans le disque mobile, qui contrecarre l'influence de la force centrifuge et éloigne le disque mobile du disque fixe (figure 18). En conséquence, la courroie fonctionne "principalement" sur un diamètre plus petit et est ensuite maintenue au diamètre le plus petit possible. Le régime moteur reste donc élevé et un fort freinage moteur est possible.
Conclusion
Trois forces, la force centrifuge, la traction de la courroie et la force en faveur de la dépression, assurent le réglage de la réduction. Ces forces sont régulées et contrôlées par un simple mouvement de la pédale d'accélérateur, faisant du Variomatic une transmission entièrement automatique qui garantit que la poussée correcte est disponible pour les roues arrière dans toutes les conditions de conduite.