Réducteurs et transmissions des véhicules électriques
La plupart des véhicules électriques présentés comme dotés d’une « transmission à un seul rapport » comportent tout de même des engrenages. Un réducteur fixe transforme la vitesse de rotation élevée du moteur en une vitesse de roue plus faible et un couple aux roues plus élevé ; seuls une véritable transmission directe ou des moteurs-roues permettent de se passer de cet étage de réduction.
Pourquoi un véhicule électrique a besoin d’un réducteur
Les moteurs de traction peuvent fonctionner à plusieurs milliers de tours par minute, tandis qu’une roue tourne beaucoup plus lentement. Un rapport de réduction permet à un moteur compact à haut régime de travailler dans une zone utile de sa cartographie de régime et de rendement.
En négligeant la déformation des pneus, l’action du différentiel et les pertes :
couple aux roues ≈ couple moteur × rapport de réduction × rendement de la transmission
Un rapport de réduction de 9:1 multiplie donc le couple sur l’arbre par un peu moins de neuf après les pertes mécaniques. Il signifie aussi que le moteur effectue environ neuf tours pour un tour de roue. La démultiplication ne crée pas de puissance ; elle échange de la vitesse contre du couple.
Réducteurs fixes à un seul rapport
La solution courante pour les voitures électriques consiste à utiliser un rapport fixe pour chaque essieu moteur. Le train d’engrenages peut comprendre un ou deux étages de réduction à dentures hélicoïdales ou droites, un étage planétaire, ou une combinaison de ces solutions. Le moteur peut être coaxial avec l’essieu ou disposé parallèlement à celui-ci, ce qui modifie le nombre d’arbres, les charges sur les roulements, la forme de l’ensemble et la géométrie des engrenages.
Un rapport fixe évite les actionneurs de changement de vitesse et les interruptions de couple. Les moteurs électriques peuvent démarrer à vitesse nulle, inverser leur sens électriquement et fonctionner sur une large plage à couple constant puis à puissance constante. La plupart des véhicules électriques n’ont donc pas besoin des nombreux rapports qui maintiennent un moteur thermique près d’une étroite plage de régime efficace.
L’expression « un seul rapport » décrit le nombre de rapports sélectionnables, et non le nombre d’engrènements. Un réducteur fixe à deux étages reste une transmission à un seul rapport.
Choix du rapport
Une démultiplication totale plus courte — donc numériquement plus élevée — augmente le couple aux roues au démarrage et en côte, mais fait tourner le moteur plus vite à toutes les vitesses du véhicule. Le régime maximal du moteur peut alors limiter la vitesse maximale, tandis qu’une fréquence électrique élevée peut accroître les pertes dans le fer, l’onduleur et les roulements, ainsi que les pertes par brassage d’air.
Un rapport plus long réduit le régime du moteur à une vitesse donnée et peut augmenter la vitesse maximale, mais exige davantage de couple moteur et de courant pour produire la même force aux roues. Cela peut accroître les pertes dans le cuivre et l’onduleur et nécessiter un moteur plus grand.
Les ingénieurs choisissent le rapport en tenant compte du rayon de roulement des pneus, de la masse du véhicule, de l’aptitude en côte, de l’objectif de remorquage, de la vitesse maximale, de la courbe couple-régime du moteur, de sa cartographie de rendement, de la tension, du courant de l’onduleur, du refroidissement et du bruit. Une modification du diamètre des roues ou des pneus change également le rapport effectif à la route.
Le différentiel
Dans un virage, un différentiel ouvert classique permet aux roues gauche et droite de tourner à des vitesses différentes tout en transmettant des couples pratiquement égaux par ses pignons latéraux. Il ne garantit pas une puissance égale et, lorsqu’une roue a très peu d’adhérence, l’égalité du couple sur les demi-arbres peut limiter la force motrice utile.
Un différentiel à glissement limité ou à commande électronique peut répartir mécaniquement le couple de manière asymétrique. Un antipatinage agissant sur les freins peut ralentir une roue qui patine. Un essieu équipé de deux moteurs indépendants peut commander électriquement les couples gauche et droit, mais il nécessite toujours des réducteurs et peut employer des chaînes de réduction finale distinctes.
Transmissions à plusieurs rapports pour véhicules électriques
Un second rapport sélectionnable peut associer un premier rapport court pour le démarrage à un rapport plus long pour les vitesses élevées. Les avantages potentiels sont un couple aux roues supérieur sans moteur surdimensionné, une plage de vitesse maximale plus étendue et la possibilité de déplacer les points de fonctionnement vers une zone plus efficace de la cartographie du moteur.
La Porsche Taycan en est un exemple de série. Son essieu arrière utilise un premier rapport court pour les performances au démarrage et un deuxième plus long pour l’efficacité à grande vitesse et la réserve de puissance, tandis que son essieu avant emploie un réducteur fixe à un seul rapport.
Le second rapport ajoute aussi des engrenages, des roulements, des embrayages ou des crabots, un actionneur, des commandes, des besoins de lubrification, de la masse, du coût, une mise au point des changements de rapport et une possible interruption du couple. À l’échelle du véhicule, un moteur offrant une plage de régimes plus large avec un seul rapport fixe peut être plus avantageux en matière de coût et de rendement. C’est pourquoi les transmissions à plusieurs rapports restent l’exception plutôt que la norme sur les voitures électriques.
Désaccouplement et groupes motopropulseurs multimoteurs
Lors d’un trajet à vitesse stabilisée, un véhicule électrique à transmission intégrale peut entraîner passivement un moteur secondaire inactif. Un embrayage de désaccouplement peut séparer ce moteur et une partie de son train d’engrenages des roues, ce qui réduit les pertes électromagnétiques et celles des roulements, des joints et du brassage d’huile. En contrepartie, il ajoute la complexité de l’actionneur, un délai d’engagement, de la masse et un autre mécanisme critique pour la durabilité.
Un moteur asynchrone peut souvent être mis hors tension avec une faible traînée électromagnétique, ce qui réduit le besoin d’un désaccouplement mécanique. Un moteur à aimants permanents continue de créer un flux rotorique, mais une commande soignée de l’onduleur et des engrenages à faibles pertes peuvent tout de même rendre pratique un fonctionnement à couple nul.
Rendement, lubrification et bruit
Les pertes des engrenages proviennent du glissement et du roulement des dents, des roulements, des joints, du brassage d’huile, des pompes et du mouvement du différentiel. Le rendement varie selon la vitesse, le couple, la température et le niveau d’huile, la finition des dents, la précharge des roulements et la méthode de lubrification. Le rendement maximal annoncé pour une boîte ne représente pas les pertes sur l’ensemble d’un cycle de conduite.
Un régime moteur élevé porte les fréquences d’engrènement dans des plages auxquelles l’oreille est sensible. La microgéométrie des dents, le choix du rapport, la rigidité des arbres et du carter, le support des roulements, l’équilibrage du rotor et les harmoniques de l’onduleur influencent tous le sifflement entendu dans l’habitacle. Un engrenage plus silencieux peut imposer un compromis sur la pression de contact, le coût de fabrication ou le rendement.
L’huile doit protéger les dents et les roulements sans provoquer un brassage excessif. Certains groupes motopropulseurs intégrés utilisent une pompe électrique et une lubrification à carter sec pour acheminer l’huile là où elle est nécessaire sans laisser les engrenages en rotation profondément immergés.
Interprétation des valeurs de couple
Le couple moteur est mesuré avant le réducteur ; le couple à l’essieu ou aux roues l’est après celui-ci. Multiplier le couple moteur par un grand rapport de réduction produit une valeur élevée de couple aux roues, mais la puissance et l’accélération restent limitées par le régime moteur, la puissance de la batterie, les limites de l’onduleur, l’adhérence des pneus, la masse du véhicule et les pertes.
Vérifiez le point de mesure, si la valeur est de pointe ou continue, si elle concerne un essieu ou l’ensemble du véhicule et si le rapport change entre les vitesses. Sans ces précisions, les valeurs de couple de différents véhicules électriques ne sont pas directement comparables.
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