histoire par paul van valkenburgh – photos créditées
Parfois, la question la plus simple et la plus anodine nécessite une explication complexe et exigeante. Ou pas. Par exemple, disons qu’un enfant de 7 ans demande : « Papa, d’où est-ce que je viens ? ». Et après avoir enduré une longue explication tendue sur les oiseaux et les abeilles, l’enfant répond : « Non, je veux dire quel pays ! » Récemment, la question d’un coureur concernant le choix des rapports de vitesse a conduit à cette analyse des considérations techniques. La réponse varie vraiment beaucoup, en fonction des besoins et des ressources spécifiques de chaque individu, de l’autocrosser amateur occasionnel aux coureurs professionnels sur route – ou des berlines stock à traction avant avec peu d’options d’engrenage aux coureurs à moteur V8 avec des transmissions à changement rapide.
Si vous faites souvent le même parcours, et que votre voiture est exactement comme vous l’avez achetée, vous avez probablement constaté que les rapports ne correspondent pas très bien aux sorties de virage ou aux lignes droites. Peut-être que le deuxième rapport est trop bas et que vous devez passer tout de suite en troisième, ou peut-être que ce rapport est trop haut et que vous n’avez pas assez de couple. Ou peut-être que juste au bout de la ligne droite, vous devez soit suralimenter le moteur, soit passer au rapport supérieur juste un instant avant de freiner.
Vous avez trois options pour améliorer la situation, bien que vos voies puissent être limitées par le budget, l’équipement disponible ou les règles dictées par l’organisme de sanction. Vous pouvez changer le diamètre des pneus, mais cela a généralement un effet mineur sur le rapport de vitesse et un effet majeur sur la maniabilité et la hauteur de caisse. (N’oubliez pas que le fait de surélever la voiture affectera également l’aérodynamisme.) Votre deuxième option est d’équiper votre voiture d’une transmission à changement rapide avec de nombreux rapports disponibles dans chaque vitesse.
En prime, cela pourrait vous permettre de vous en sortir avec un seul rapport de différentiel pour la plupart des pistes. Enfin, s’il y a peu ou pas d’options pour la transmission, alors avec un peu de chance, au moins la transmission finale peut être changée pour convenir à différentes pistes. Cependant, cela changera le rapport de chaque vitesse par le même multiple, ce qui vous contrariera probablement dans un autre virage. Comme nous l’avons dit, les réalités de la situation peuvent limiter les choix que vous pouvez faire. Beaucoup d’entre nous peuvent être limités à un simple changement de l’engrenage de la transmission finale ou peut-être le choix entre quelques pignons de transmission différents. Malgré tout, il y a toujours de l’espoir.
Economie contre puissance
Le rapport idéal du différentiel de production – ces engrenages que l’on trouve aux roues motrices de la voiture – pour la rue est aussi élevé que possible pour l’économie de carburant, avec un nombre croissant de rapports de transmission pour obtenir une bonne accélération à partir d’un arrêt mort. C’est pourquoi certaines boîtes manuelles peuvent désormais comporter jusqu’à six vitesses, le rapport supérieur pouvant être un overdrive. Mais que vous soyez débutant ou pro, la solution optimale pour la compétition sera toujours la même :
Premièrement, identifiez les rapports qui créent la surface maximale sous la courbe de couple de votre moteur entre le régime minimum et maximum dans chaque segment d’accélération ou ligne droite ; et deuxièmement, réduisez la charge de travail de changement de vitesse pour le conducteur. Le changement de vitesse est généralement la dernière étape de la configuration d’une voiture de course, car il dépend de toutes les vitesses de sortie de virage et des vitesses de pointe en ligne droite, qui dépendent du développement final de la puissance en virage, du freinage et de l’aérodynamique. Non seulement le rapport de vitesse a peu d’influence en retour sur ces facteurs, mais c’est une chose qui est relativement facile à ajuster à la dernière minute – dans les voitures de course qui ont des rapports à changement rapide.
Il est possible de résoudre la question du rapport de vitesse optimal pour chaque circuit de course par des suppositions et des tests – à moins que le parcours soit nouveau ou ne puisse pas être pré-testé, comme dans le cas de l’autocross, que nous examinerons dans un encadré séparé. Mais avec les nombreux rapports disponibles dans certaines des transmissions de course qui peuvent être montées sur les grosses voitures à moteur avant et à propulsion arrière, le nombre de choix et le coût du temps de piste rendent important l’utilisation d’une méthode rationnelle. Examinons d’abord l’approche professionnelle, puis réduisons-la à un niveau pratique.
Approche professionnelle
Figure 1
L’information de départ idéale serait un enregistrement des vitesses tout autour de chaque piste spécifique pour un véhicule similaire. A partir de celles-ci, on peut trouver toutes les vitesses minimales en virage et les vitesses maximales en ligne droite. C’est l’une des justifications les plus précieuses pour les systèmes d’acquisition de données électroniques – même les plus simples avec seulement quelques canaux.
Au contraire, le conducteur doit observer tous ces points de régime en ligne droite, éventuellement par un enregistreur vocal ou vidéo. Les plages d’accélération minimales et maximales pour chaque ligne droite peuvent alors être tracées sous forme de diagramme à barres, comme indiqué au bas de la figure 1. En supposant qu’il n’y aura pas de départs arrêtés, ces barres vous permettent de calculer la plage totale de régime moteur à prendre en compte. Parfois, il peut n’y avoir que deux options, les choix se limitant à une transmission à rapport serré ou à rapport large.
La différence fondamentale dans les applications est entre la course de dragster, avec ses départs arrêtés, et la course sur route, où les vitesses minimales sont éventuellement autour de 40 mph. Pour de bons lancements en drag, vous voulez souvent le premier rapport de vitesse le plus bas possible et des étapes soigneusement espacées à partir de là. Mais pour les courses sur route, s’il n’y a pas de départs arrêtés ou d’arrêts au stand, vous pouvez moins vous préoccuper d’un premier rapport bas et le rendre plus élevé et éventuellement utilisable sur le parcours. Vous voulez donc que les rapports soient échelonnés du virage le plus lent à la vitesse maximale en ligne droite. Dans un cas comme dans l’autre, l’usine aura probablement déjà sélectionné ces rapports, en fonction de sa connaissance de la courbe de couple du moteur. Cependant, lorsque les rapports doivent être sélectionnés pour s’adapter au couple d’un moteur modifié, ou pour répondre aux exigences des vitesses de virage d’un parcours routier particulier, alors il est utile d’avoir une sélection plus large.
Par exemple, la transmission à quatre vitesses BorgWarner T10 bien connue a été rachetée par Richmond Gear et est disponible par le biais de (http://www.texracing.com/). Elle a huit combinaisons possibles de rapports de vitesse. (http://www.richmondgear.com/) a également acheté les droits des anciennes transmissions à cinq et six vitesses de Doug Nash, qui ont au moins huit possibilités de rapport dans chaque vitesse pour un nombre presque illimité de combinaisons.
Cependant, elles sont beaucoup plus chères et donc d’un coût prohibitif pour tous sauf les coureurs professionnels. À ce stade, le coureur sérieux pourrait prendre sa courbe de couple du dynamomètre et utiliser un ordinateur pour la convertir en poussée aux roues arrière dans chaque rapport de vitesse possible, puis la tracer en fonction de la vitesse avec les graphiques à barres de la vitesse sur la piste. C’est ce que l’on peut voir en haut de la figure 1. Les étiquettes numériques sur ces courbes indiquent le rapport de différentiel multiplié par le rapport de transmission dans chaque sélection de rapport possible. On commence par sélectionner le rapport utilisable le plus bas qui ne dépasse pas de loin la limite de patinage (comme le fait évidemment le 6.87), puis on le fait tourner jusqu’à sa vitesse maximale en tr/min (ou jusqu’au point où sa poussée croise la courbe de rapport suivante), puis on le fait descendre à un autre rapport plus élevé. Visuellement, vous pouvez voir le problème sur le graphique.
Si vous avez une boîte à cinq vitesses, alors vous voulez sélectionner les cinq rapports qui vous donneraient le maximum de surface sous leurs courbes dans la zone ombrée. S’il était possible d’avoir un nombre illimité de rapports, ou une transmission à variation continue, alors le régime pourrait rester au couple maximal et la poussée disponible serait une courbe lisse. Ces courbes illustrent également pourquoi il est si important d’avoir une courbe de couple moteur relativement plate sur une plage de régime aussi large que possible. Si le couple du moteur chute brusquement ou présente des baisses notables en raison de la sélection des cames ou des effets du réglage de la rampe d’admission ou de l’échappement, il sera plus difficile d’éviter les baisses de la courbe de poussée en utilisant la sélection des rapports. Ce processus montre également à quel point la pratique courante consistant à évaluer les moteurs en fonction de la puissance de pointe est relativement peu importante.
Une méthode plus simple
Mais il existe une façon moins coûteuse et plus simple de sélectionner les ratios : en utilisant l’expérience et l’expérimentation, comme le montre notre tableau de la méthode plus simple. Dans notre exemple, nous n’allons considérer que trois options de rapports et nous allons dire que la piste ne comporte que quatre lignes droites principales. Bien qu’il s’agisse d’un exercice limité, nous pouvons toujours étudier les compromis à l’infini sans parvenir à la solution optimale, ce qui explique pourquoi les pros veulent une boîte de vitesses à changement rapide avec de nombreuses options dans chaque rapport.
D’emblée, vous pouvez voir que l’option à large rapport est « surmultipliée » pour la vitesse de pointe de cette piste et qu’elle présente également une grande chute de régime entre la deuxième et la troisième. (Plus vous allez vite, plus vous voulez que les rapports de changement de vitesse soient rapprochés, mais c’est une autre histoire, plus complexe). Le différentiel de 3,07:1 avec la boîte de vitesses à rapports rapprochés augmente tellement le deuxième rapport que le moteur s’embourbe à la sortie des virages les plus lents – et vous ne voulez pas rétrograder en première. Cela nous donne une autre raison d’abaisser le rapport de différentiel de 3,07:1. (Rappelez-vous que l’abaissement du rapport produit un nombre plus élevé.)
Pour trouver la sélection idéale, multipliez le rapport de transmission final par la vitesse de la ligne rouge en quatrième vitesse (152 mph) et divisez cela par la vitesse maximale de la piste (140 mph). Cela donnerait un rapport théorique de 3,33, ce qui est assez proche du rapport de transmission final disponible le plus proche, soit 3,36:1. En combinant ce rapport final de 3,36:1 avec la transmission à rapports rapprochés, on obtient un seul point de changement de vitesse dans les trois premières lignes droites, et deux dans la dernière, la plus longue. Il existe un moyen encore plus simple de déterminer les bons rapports de vitesse : Il suffit de baser votre décision uniquement sur les réactions du conducteur. Disons que dans la plupart des lignes droites, ou dans les plus importantes, vous avez tendance à être en surrégime ou à devoir passer au rapport supérieur juste avant de freiner. Dans ce cas, ce que vous pourriez vouloir faire, c’est installer un rapport de différentiel légèrement plus élevé (ou un nombre inférieur – voir l’encadré sur la sémantique).
Vous pourriez même calculer quel changement serait idéal, si vous saviez à quel point vous êtes en surrégime. Disons que vous alliez 500 tr/min au-dessus d’une limite recommandée de 6000 tr/min. Vous voudriez alors un rapport de différentiel plus élevé, soit 6000 divisé par 6500, multiplié par votre rapport existant. Le fait d’opter pour un différentiel plus élevé comme celui-ci ou pour un différentiel plus bas et de passer plus tôt au rapport supérieur n’a pas beaucoup d’importance – sauf si vous pouvez utiliser votre rapport supérieur, qui sera probablement direct (ou 1:1), et aura une perte de puissance de la chaîne cinématique légèrement inférieure. Il y a quelques raisons de minimiser le besoin de changement de vitesse, parmi elles, réduire la charge de travail du conducteur et minimiser la possibilité de faire sauter un changement de vitesse (et le mauvais rapport qui l’accompagne, l’usure des pièces, etc.).
Moins de changement de vitesse permet également d’éviter le dixième de seconde environ de perte d’accélération due au « temps d’arrêt » entre les vitesses. Mais ne laissez pas cela surmonter la valeur d’accélération d’un plus grand nombre de vitesses pour maintenir le moteur dans son pic de couple. La réponse simple pour sélectionner les meilleurs rapports de vitesse est de trouver ceux qui rendent le conducteur heureux, en partie en minimisant le nombre de changements de vitesse, mais surtout en minimisant les temps au tour.
Tableau de la méthode simple
Voici une façon terre à terre de choisir le meilleur rapport de vitesse pour une voiture particulière parmi trois choix : Une transmission finale de 3,07:1 avec une transmission à rapport large, une transmission finale de 3,07:1 avec une transmission à rapport serré, et une transmission finale de 3,36:1 avec une transmission à rapport serré. Dans notre exemple, nous supposons une ligne rouge de 6000 tr/min et des pneus de 26 pouces de diamètre. Pour trouver l’heure en vitesses, utilisez cette formule : (,003) x (tr/min) x (diamètre des pneus en pouces)/(rapport de différentiel) x (rapport de transmission). Ce calcul donne l’équation suivante : 468/(rapport de différentiel) x (rapport de transmission). (Le .003 ne fait que convertir les pouces et les minutes en mph.) En traçant des barres de vitesse à la ligne rouge dans les quatre vitesses pour nos différents rapports, on obtient cet écart.
Choix de transmission : Synchronisateurs vs « chiens »
Toutes les paires d’engrenages de transmission sont toujours en prise, mais ne sont engagées avec leurs arbres que par intermittence. Les transmissions des voitures particulières réalisent cette connexion avec des surfaces de friction qui entrent en contact en premier, afin de faire correspondre les vitesses de rotation de manière plus régulière.
En usage de course, ces synchroniseurs s’usent rapidement, ou sont sujets à des défaillances plus instantanées. Dans les boîtes de vitesses de course pure, les engrenages sont alternativement reliés à l’arbre principal par des pignons étagés, également appelés « chiens », qui sont conçus pour engager ou saisir la vitesse suivante très rapidement et fermement, une action trop dure pour la conduite quotidienne. L’angle de contre-dépouille et les rayons des coins de ces chiens sont soigneusement conçus pour s’accrocher sans s’user et pour se verrouiller fermement tant que le couple est transmis.
Beaucoup de conducteurs qui ont ce genre de boîtes passent les vitesses sous charge sans relâcher l’accélérateur, ou n’utilisent l’embrayage que pour les démarrages debout. Et à moins qu’ils ne soient très doués pour cela, les chiens se font roder, et par conséquent, soit ne passeront pas, soit ne resteront pas en vitesse.
Ces deux types de synchronisation sont grandement aidés si le conducteur apprend à faire correspondre les vitesses entre les rapports en modulant la pédale d’accélérateur – par un relâchement d’une fraction de seconde lors de la montée des rapports, ou un léger coup de pouce lors de la descente des rapports. Dans le cas contraire, les synchroniseurs ou les cosses peuvent être rapidement usés ou cassés, ce qui oblige le conducteur à faire correspondre les vitesses encore plus étroitement – ou peut-être même à maintenir le levier de vitesses en place.
Choix des dents d’engrenage
Les transmissions des voitures de tourisme utilisent des dents d’engrenage de transmission taillées en angle ou « taillées en hélice » pour réduire le bruit, tandis que les engrenages différentiels comportent des dents taillées « hypoïdes ». (Ces types d’engrenages sont également utilisés pour abaisser l’axe central de l’arbre de transmission.) Pour une résistance et une efficacité accrues, cependant, les voitures de course n’utilisent que des engrenages « droits » à coupe droite, qui ont principalement un contact roulant sur leurs faces, au lieu d’un contact glissant.
Engrenage pour l’autocross
La sélection du rapport de vitesse est beaucoup plus facile lorsque votre plage de vitesse est beaucoup plus étroite et beaucoup plus basse. La vitesse minimale de virage pour un autocrosser n’est probablement pas un critère de sélection pertinent ici, car avec beaucoup d’excès de puissance à des vitesses inférieures, vous ne pouvez pas utiliser la pleine puissance pendant une grande partie du virage, et donc le rapport de vitesse est relativement peu important.
Si vous avez un système d’acquisition de données pour enregistrer votre historique de vitesse, alors il est également utile d’enregistrer la position de l’accélérateur. Ou, si vous avez même un seul canal de données, enregistrez simplement votre vitesse lorsque vous êtes à l’accélérateur grand ouvert. Le signal de vitesse pourrait être géré par un simple interrupteur sur la butée de l’accélérateur. Disons que votre plage de vitesse totale à plein régime est comprise entre 35 et 60 mph – des valeurs typiques pour un autocross moyen, quel que soit l’endroit où il se déroule. Il est alors possible que vous puissiez sélectionner un rapport de différentiel qui placerait un seul rapport de transmission – peu importe lequel – pour couvrir cette plage. Par conséquent, vous n’aurez pas de point de changement de vitesse en plein milieu d’une ligne droite.
Exercice pratique
Il est temps de ranger les règles à calcul et de voir comment les rapports de vitesse affectent les temps au tour. Nos sujets seront une paire de Porsche GT3 Cup de classe Grand American Rolex de l’équipe Sahlen, et l’exercice consistera à comparer deux boîtes de vitesses différentes, une boîte à large rapport et une boîte à rapport serré. Notre salle de classe est Watkins Glen International, et le pilote de l’équipe Wayne Nonnamaker est le professeur d’aujourd’hui.
« Le virage 5, le milieu du graphique, représente la sortie des lacets de la Botte à Watkins Glen et la direction vers le bout de la Botte », note notre pilote. Les deux lignes supérieures de l’imprimé d’acquisition de données de Pi Research représentent le régime des deux voitures. « La ligne noire est le graphique de la voiture avec les vitesses plus serrées, et la ligne rouge est celle des vitesses plus longues », explique-t-il. « Vous pouvez voir que la boîte de vitesses plus serrée doit effectuer deux changements de vitesse sur la ligne droite, alors que la boîte de vitesses plus longue n’a qu’un seul changement de vitesse. » Les deux lignes du milieu représentent la vitesse en mph des deux voitures, avec du noir pour la boîte plus serrée et du rose pour les vitesses plus longues. « La ligne du bas représente l’écart entre les deux voitures », note Wayne. « Vous pouvez voir sur la ligne droite qu’il y a un gain de quelques dixièmes de seconde une fois que la puissance est appliquée. Vous pouvez également constater que la boîte de vitesses la plus longue rattrape son retard de manière spectaculaire lorsque l’autre boîte change de rapport, mais le gain n’est pas suffisant pour compenser la perte due au fait d’être en dehors de la plage de puissance. » Sur ce circuit et avec cette application, la boîte à rapports rapprochés produit les tours les plus rapides, même si un peu plus de changements de vitesse sont nécessaires.
« Gardez également à l’esprit que la Porsche GT3 Cup est un moteur quelque peu en pointe », ajoute Wayne. « Cela signifie que le garder dans la bande de puissance est essentiel. Si vous avez une bande de puissance plus large, ce n’est pas aussi essentiel. Ainsi, lorsque vous examinez la proximité de vos rapports de vitesse, la largeur de votre bande de puissance est très importante. » Si les rapports de démultiplication font partie de l’histoire, il faut également tenir compte de la violence que peuvent subir ces unités. « Dans nos voitures Rolex, la transmission peut être changée aussi rapidement que vous pouvez physiquement le faire », explique Wayne à propos de leurs Porsche GT3 Cup. Leurs Porsche 996 de la Grand-Am Cup, bien qu’apparemment similaires, nécessitent une main un peu plus délicate. « Dans les voitures de la Grand-Am Cup, vous devez attendre un bref instant, sinon vous allez broyer la transmission et déchirer la boîte ». Wayne dit qu’il est important de regarder la voiture particulière lorsqu’on discute des rapports de vitesse. « Ainsi, si vous avez une Ford Mustang avec une large bande de puissance et une transmission qui prend un moment pour changer de vitesse, cela ne vaut probablement pas la peine de resserrer ces rapports », ajoute-t-il. « Cependant, si vous exécutez un Integra Type R où votre transmission change assez rapidement et la bande est très peaky, alors il sera probablement utile de resserrer les ratios. »
Voir les commentaires sur les forums GRM
7/16/18 13:16 p.m.
Grand article!
1/4/21 9:53 a.m.
Comment est calculée la limite de poussée en rotation des roues ?
1/4/21 4:32 p.m.
Vous pouvez aussi regarder les données vous pouvez aussi regarder l’accélération Gs. Si les G d’accélération diminuent, vous devez ajuster votre engrenage.
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