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Ayant eu l’occasion d’essayer la boite DSG de VW, et totalement bluffé par l’efficacité de celle-ci, j’ai décidé d’en savoir un peu plus. Malheureusement, il y a peu de littérature technique sur ce sujet.
Un concours de circonstances m’a néanmoins permis de rencontrer il y a quelques temps certains développeurs à Wolfsburg, parmi lesquels des responsables du projet DSG. Ceux-ci ont eu la gentillesse de me communiquer un certain nombre d’informations que j’aimerai vous faire partager.
A ce sujet, je remercie aussi tout particulièrement N73 dont les connaissances dans le domaine des boites de vitesses m’a été très précieuse et sans l’aide duquel ce sujet n’aurait pas été ce qu’il est.
1. Introduction
Allier les avantages de la boite manuelle et de la boite automatique au sein d'une nouvelle boite de vitesse, tel était l'objectif affiché par les développeurs de la boite DSG.
Basée sur le principe de l'embrayage double, surtout utilisé en compétition, cette boite est le fruit de 6 années de développement par Volkswagen, en collaboration avec BorgWarner.
Quels sont les avantages des boites manuelles ? Un meilleur rendement, une excellente robustesse, un coût de fabrication réduit, et bien sûr le plaisir de la conduite sportive.
La boite automatique traditionnelle procure quant à elle un grand confort d'utilisation, un changement de rapport sans à-coups et surtout sans rupture de traction.
Grâce à l'utilisation de deux embrayages à lamelles à bain d’huile, et de différents programmes de changement de rapports, cette boite DSG permet d'obtenir un confort d'utilisation égal à une boite auto traditionnelle, avec la possibilité d'inférer manuellement sur le comportement de la boite, le tout avec des changements de rapports extrêmement rapides et sans à-coups. La consommation en carburant se situe au niveau d'une boite manuelle.
2. Cahier des Charges
Atteindre le meilleur niveau en terme de plaisir de conduite et de comportement dynamique, de rendement, et de temps de changement de rapports.
Tenir compte des évolutions probables des motorisations, particulièrement les TDI, aussi bien en couple qu'en puissance, surtout dans le segment des compactes.
La conception doit permettre une fabrication économique, avec comme base de référence les boites manuelles 6 rapports les plus récentes.
La compacité de la boite DSG doit permettre le montage dans toutes les plateformes à moteurs transversaux du groupe VAG.
Si on résume l'ensemble des objectifs, on peut dire :
o consommation de carburant et performances supérieures ou égales aux boites manuelles
o temps de changement de rapports les plus courts possibles
o confort d'utilisation supérieur ou égal aux boites automatiques
o conception en boite 6 rapports, avec option 4RM
o application sur motorisations de puissance maxi 200kW et/ou avec couple maxi de 350Nm
o compacité pour implantation sur toutes les plateformes à moteurs avants transversaux
o utilisation de composants et de pièces issues de boites manuelles existantes
o embrayage à bain d’huile à lamelles pour le démarrage et pour les changements de rapports
o permettre une conduite sportive et performante
3. Principe de la DSG
La DSG est l’association de deux demi boites de vitesse parallèles. Chaque demi boite est conçue comme une boite de vitesse manuelle traditionnelle.
Le couple moteur est ainsi transmis à chaque boite par l’intermédiaire d’un embrayage spécifique.
On a donc : Embrayage 1 pour les rapports 1,3 et 5, et Embrayage 2 pour les rapports 2,4, et 6.
Pendant que le couple moteur se transmet par l’intermédiaire d’un des deux embrayages fermés, l’ouverture du deuxième permet la présélection d’un rapport adapté sur l’autre boite.
Lorsque le régime de changement de rapport est atteint, l’ouverture et la fermeture simultanée des deux embrayages permet une transmission ininterrompue du couple, et donc une absence d’à-coups dans la chaîne cinématique. Le recouvrement partiel de l’ouverture d’un embrayage et la fermeture de l’autre s’effectue dans un laps de temps très court, ce qui permet d’obtenir des temps de changement de rapports inconnus jusqu’ici sur un véhicule de série. Conséquence : la sensation de pilotage direct de la boite est unique pour une boite automatique.
Le talon d’Achille de cette conception repose dans les temps de changement de rapports au sein de la demi boite. Plusieurs projets de développement de ce type de boite chez d’autres constructeurs ont buté sur cet aspect. Le résultat du développement de la DSG se mesure à la performance d’un passage 6 en 2 par exemple, tel que détaillé un peu plus loin dans ce post.
4. Conception des trains de réductions
Le couple moteur entre dans le module d’embrayage à l’aide d’un volant bi-masse et d’un arbre cannelé. Une entretoise en tôle permet la séparation des compartiments sec et humide.
Le montage radial du double embrayage permet un gain de place.
L’embrayage extérieur (K1) est utilisé pour le 1er rapport et pour la marche arrière, ainsi que pour les rapports 3 et 5. L’embrayage intérieur (K2) est utilisé pour les rapports 2,4 et 6.
Lorsque K1 est fermé, le couple moteur est transmis par l’arbre intérieur d’entrée aux pignons des rapports 1, 3 et 5, ainsi qu’à l’arbre intermédiaire vers le pignon de marche arrière. L’embrayage K2, par le biais de l’arbre d’entrée extérieur, transmet quant à lui le couple moteur aux pignons des rapports 2, 4 et 6.
Un troisième arbre de transmission concentrique à l’arbre d’entrée, entraîne la pompe à huile, placée dans la boite, à l’opposé du module d’embrayage.
Les pignons des rapports 1, 2, 3 et 4 sont placés sur l’arbre inférieur et transmettent le couple vers la transmission. Cette dernière est aussi reliée à l’arbre supérieur, qui accueille les pignons des rapports 5, 6 et R. C’est à cet arrangement particulier des pignons que l’avantage de la DSG se fait sentir. En effet, contrairement à une boite manuelle traditionnelle, les rapports 1 et 3, 2 et 4, ainsi que 6 et R, disposent de leur propre unité de sélection. L’intérêt ? La présélection des rapports, comme illustrés par les schémas ci-après.
Ci-dessus, le pignon du 1er rapport est engagé. Le pignon fou de 1ère, sur l’arbre inférieur, est craboté, entraînant ainsi l’arbre de sortie. Nota : le rapport 2 est DEJA présélectionné, mais le pignon fou de 2nde est « libre » et tourne à vide.
Ci-dessous : sélection du rapport 2. L’embrayage K2 se ferme pendant que K1 s’ouvre. Le couple moteur entre à présent par l’arbre extérieur. Le pignon 2 sur l’arbre de sortie est craboté, le pignon fou de 1ère est libéré.
5. Le double embrayage.
Fruit de la collaboration entre VW et BorgWarner, le double embrayage est la clé de voûte de la boite DSG.
L’illustration ci-dessous permet de visualiser les principaux éléments constituants ce module.
Si on suit le transfert de couple, on entre par le volant bi-masse, en passant par un arbre cannelé on arrive au moyeu d’entrée de l’embrayage. De là, un disque entraîneur permet le passage du couple dans le carter d’embrayage, plus précisément dans le disque support de lamelles externes de K1, et dans le moyeu principal, ou dans le support de lamelles externes de K2.
Le moyeu principal de l’embrayage est guidé sur l’arbre d’entrée par le biais de 2 cages à aiguilles. Le couple est transmis par les lamelles côté moteur aux lamelles du disque intérieur puis aux arbres d’entrée respectifs.
Les pistons d’activation des embrayages sont compensés hydrauliquement et agissent à l’encontre des ressorts de rappel. L’huile sous pression permettant l’activation de l’embrayage, est acheminée dans la chambre d’embrayage via des canaux axiaux au travers d’une entretoise tournante. L’alimentation en huile est continue mais pilotable. Un capteur de température implanté dans la chambre permet de suivre l’évolution de la température de l’huile cisaillée, et de piloter le débit d’huile.
Par la combinaison du débit d’huile (20 L/min) et la capacité de stockage calorique importante de la DSG, des pointes de frottements allant jusqu’à 70kW sont possibles. La transmission du couple nominal de 350 Nm s’effectue avec une pression de consigne de 10 bars.
6. Séquençage
Le pilotage des fourchettes de sélection est hydraulique. Il y a 4 fourchettes de sélection pour les rapports 1/3, 2/4, 6/R et 5. Les fourchettes sont mues par des pistons doubles, la pression de travail est comprise entre 0 et 20 bars. Un capteur de course magnétique permet l’envoi d’un signal de position analogique au calculateur. Cet ensemble autorise des vitesses de sélection de rapports variables, ainsi qu’un pilotage précis de l’enclenchement.
7. Module mécatronique
Ce module se compose d’une carte électronique (calculateur) équipée d’un module de capteurs, et du système de pilotage hydraulique (labyrinthe).
Toutes les informations sont centralisées ici, et toutes les actions y sont initiées et contrôlées. Composé de 10 capteurs. Le pilotage hydraulique permet la commande des éléments suivants :
o 8 pistons de commande de rapports
o 2 pressions d’embrayage
o débit d’huile de refroidissement
o 6 valves de modulation de pression
o 5 soupapes de déclenchement
Ce module a été développé par Conti Temic, et est implanté directement dans la boite de vitesses. L’interface vers le véhicule s’effectue par le biais d’une prise multibroches unique. Les spécifications inhérentes au fonctionnement du module électronique sont assez éloquentes : plage de température de fonctionnement de -40°C à
50°C, et accélérations maxi de 33 g.
8. Pilotage de la boite
La sélection des rapports s’effectue au choix avec les palettes au volant
ou à l’aide du sélecteur de vitesse de la console centrale.
Ce dernier possède outre les positions « D » et la fonction Tiptronic System Porsche, une position spécifique sportive « S ».
En position « D », les courbes de changements de rapports du calculateur permettent, lorsque la valeur d’enfoncement de la pédale d’accélérateur n’excède pas 50%, une conduite coulée, uniquement dans les bas régimes. Avantages : une économie d’énergie et un niveau de confort accru. Lors d’un appui soudain sur la pédale d’accélérateur, la boite DSG se transforme graduellement en une boite au caractère beaucoup plus sportif. Le plaisir de la conduite, on le trouve lorsque l’on passe en position « S ». C’est dans cette position que le contraste avec une boite auto traditionnelle est le plus saisissant. Non seulement les temps de changement de rapports s’avèrent être exceptionnellement courts, mais ce qui frappe, c’est la capacité de cette boite à maintenir le régime moteur lors des rétrogradages.
Afin de traduire la complexité des procédures et des stratégies de changement de rapports mises en oeuvre, je vous vais illustrer mon propos à l’aide d’un exemple : voici le relevé de mesures véhicule (ici une Golf R32 DSG) lors d’un passage 6 en 2.
Du haut vers le bas, les différentes courbes représentent :
o en vert : le couple sur l’embrayage K2
o en bleu : le couple sur l’embrayage K1 (=0 au départ)
o en bleu en dessous : la vitesse de rotation de l’arbre d’entrée 1
o en vert en dessous : la vitesse de rotation de l’arbre d’entrée 2
o en orange : le régime moteur.
On peut découper cet essai en 4 phases distinctes.
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Phase 1 :
Le sélecteur de vitesse est placé en position « D ». La 6ème est enclenchée, c'est-à-dire que la demi boite numéro 2 est en prise, par le biais de l’embrayage K2. Un appui franc et soudain sur la pédale d’accélérateur, à fond, provoque une demande de puissance moteur maxi, ou plutôt une demande de couple maxi à la roue. Conséquence : une série de rétrogradages de 6ème en 2nde. L’appui sur l’accélérateur produit une montée en régime du moteur, la boite maintenant un couple tracteur minimum aux roues.
Phase 2 :
C’est la phase la plus courte. Lorsque le régime de synchronisation est atteint, la demi boite numéro 1 reprend le couple moteur au travers du pignon de 5ème et grâce à la fermeture de l’embrayage K1. Au même moment, l’embrayage K2 s’ouvre (croisement des courbes de couple vertes et bleues), afin de préserver la chaîne de couple aux roues. Durant toute cette phase, le gradient de vitesse du moteur ne montre aucune modification. Le rétrogradage s’effectue sans à-coups et le conducteur ne s’aperçoit de rien.
Phase 3 :
Cette fois-ci, le changement de rapports s’opère dans la demi boite numéro 2. La 6ème a été déclenchée, et la 2nde se prépare a être enclenchée. La demi boite est prête pour la dernière opération.
Phase 4 :
Lorsque le régime moteur de consigne a été atteint (celui désiré par le conducteur et traduit par l’appui sur la pédale d’accélérateur), l’embrayage K2 se ferme avec un pic de couple (on veut transmettre le couple maxi dispo aux roues !) et le couple moteur repasse dans la demi boite n°2. L’arbre d’entrée n°2 tourne à ce moment à la même vitesse que le moteur, et la montée en régime se poursuit avec le couple maxi transmis aux roues.
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L’ensemble de ces 4 phases a nécessité exactement 0,8 seconde. Ce qui représente un record si on le compare avec une boite auto traditionnelle, et en plus, la transmission du couple aux roues est restée optimale durant toute l’opération.
Autre aspect: la sélection des rapports par le biais des palettes au volant permet d’accroître le confort d’utilisation, puisqu’il n’est plus besoin de lâcher le volant. La boite reste en mode séquentiel jusqu’à ce que le conducteur tire la palette de droite (« Off ») pendant plus d’une seconde, ou que la vitesse du véhicule soit inférieure à 12 Km/h.
Si le sélecteur de la console centrale est en position Tiptronic, le rapport sélectionné reste enclenché, comme sur une boite manuelle, même lorsque le régime maxi est atteint. En cas de freinage important, la boite va néanmoins rétrograder, afin d’éviter au moteur de caler.
Une autre fonction intéressante de la boite DSG, que j’ai déjà mentionné dans un autre topic, c’est la fonction « Launch control ». Le véhicule à l’arrêt, il faut passer le sélecteur en position « S » et en Tiptronic, appuyer à fond sur la pédale de frein puis simultanément à fond sur l’accélérateur. Le régime moteur se stabilise alors vers 3.000 tr/min, et le relâchement de la pédale de frein procure un départ que l’on peut qualifier de « canon » !
9. Conclusion.
En plus de tous les avantages cités ci-dessus, VW prétend que cette boite entraine une baisse de consommation de 5% à 10% par rapport à une boite manuelle, et de 10% à 20% par rapport à une boite auto conventionnelle. Il n’y a que les boites manuelles robotisées (type « Sensodrive » de Sachs) qui permettent de meilleures valeurs en terme de consommation.
En terme de confort, il n’existe qu’un type de boite qui procure une confort de conduite plus important que la DSG : il s’agit des boites CVT (Continuous Variable Transmission). Mais ces dernières procurent un plaisir de conduite (surtout en conduite sportive) nettement moindre.
