Boîtes de vitesses robotisées : les boîtes manuelles automatisées des poids lourds

Commandez aujourd’hui un tracteur lourd en Europe, et la question de la boîte de vitesses est en grande partie tranchée d’avance. Volvo monte l’I-Shift de série sur les FH, FM et FMX. L’Actros L reçoit la boîte manuelle automatisée non synchronisée propre à Mercedes, le TGX la TipMatic, le DAF XG+ la ZF TraXon, le Scania série S l’Opticruise. La boîte manuelle n’a pas été interdite ; elle a été battue par la concurrence. Ce qui l’a remplacée mérite d’être nommé correctement, car « automatique » désigne une autre machine, à l’économie différente.

Ce qu’est réellement une boîte robotisée

Une AMT est une boîte manuelle dont on a sorti le conducteur de la boucle. Les trains d’engrenages, les arbres et les crabots sont ceux d’une boîte manuelle. Il n’y a ni convertisseur de couple, ni train épicycloïdal, ni chemin de puissance hydraulique. Ce qui s’ajoute, c’est l’actionnement – des actionneurs pneumatiques ou électriques sur les fourchettes de passage et sur l’embrayage –, ainsi qu’un calculateur qui décide quand changer de rapport.

Le passage lui-même est une séquence coordonnée plutôt qu’un événement mécanique : le calculateur réduit le couple moteur, l’actionneur désengage le rapport en prise, un frein situé côté entrée de la boîte ralentit l’arbre jusqu’à la vitesse synchrone du rapport suivant, puis ce rapport est engagé. L’embrayage principal sert à démarrer de l’arrêt et à manœuvrer ; en roulant, la plupart des changements se font sans y toucher.

C’est cette architecture qui explique pourquoi l’AMT a battu l’automatique à convertisseur de couple en longue distance, et non l’inverse. ZF annonce un rendement de transmission de 99,7 % pour la TraXon, sa boîte robotisée à 12 rapports pour poids lourds, ainsi qu’une densité de couple de 12,83 Nm par kilogramme ; l’entreprise a dépassé en 2023 un million d’unités produites. Un convertisseur de couple ne peut pas égaler une liaison mécanique directe, et sur un camion qui passe sa vie de travail sur le rapport le plus haut, le rendement sur ce rapport est tout l’argument. Les automatiques à convertisseur subsistent là où le comportement au démarrage et le contrôle à basse vitesse comptent plus que le carburant : collecte des déchets, engins d’incendie, matériel de piste aéroportuaire. Elles peuvent aussi occuper toute une gamme, et l’Iveco Eurocargo en est le cas le plus net : ses brochures actuelles proposent des boîtes manuelles, une automatique ZF à huit rapports et une automatique Allison à six rapports, et ne citent aucune boîte robotisée. Un autocar peut être vendu avec les deux réponses côte à côte : MAN propose le Lion’s Coach avec une TipMatic Coach robotisée à 12 rapports ou une automatique EcoLife à six rapports, et sa brochure réserve l’automatique au palier de 480 ch sur les deux modèles à trois essieux.

Pourquoi la boîte manuelle a perdu, et ce n’était pas le confort

Trois arguments, classés à peu près selon les sommes que chacun met en jeu.

Le premier est la régularité. Une boîte manuelle donne la consommation que sait obtenir le conducteur assis au volant ce jour-là, et l’écart entre le meilleur et le moins bon conducteur d’une flotte est plus grand que l’écart de spécifications entre deux camions quelconques de cette catégorie. Une AMT passe les rapports de la même façon un lundi pluvieux qu’un bon jour.

Le deuxième est la protection de la chaîne cinématique. Le calculateur ne sélectionnera pas un rapport qui ferait surrégimer le moteur ou infligerait un choc à la transmission, et il ne fera pas patiner l’embrayage pour retenir un camion dans une pente. Sur un ensemble lourd, la manière dont il est démarré en pente pèse davantage sur la durée de vie de la chaîne cinématique que le kilométrage total.

Le troisième est la main-d’œuvre. Un camion qui n’exige aucune habileté au passage des vitesses élargit le vivier de personnes capables de le conduire légalement et avec compétence, et raccourcit le temps nécessaire pour rendre productif un nouveau conducteur. Là où l’offre de conducteurs limite la croissance des flottes – c’est le cas de la majeure partie de l’Europe, d’après les chiffres de postes vacants et de départs à la retraite exposés dans la page sur l’offre de conducteurs de camion en Europe –, ce n’est pas un élément de confort.

Le nombre de rapports, et pourquoi douze

Douze rapports avant sont la norme européenne : un petit nombre de rapports dans la boîte principale, multiplié par un groupe de demi-rapports et un groupe relais. Douze rapports rapprochés permettent à un diesel moderne, dont la plage économique est étroite, d’y rester sur un terrain vallonné, au lieu de peiner ou de surrégimer entre des rapports très espacés. En dessous des classes lourdes, le nombre de rapports suit le moteur plutôt que le constructeur : le MAN TGL reçoit une TipMatic à six rapports derrière son quatre-cylindres et une à douze rapports derrière son six-cylindres, ce qui est l’illustration la plus claire dont on dispose de ce à quoi servent réellement les rapports supplémentaires.

Au-delà de douze, les rapports supplémentaires apportent généralement de la capacité de démarrage plutôt que des économies. Les boîtes Opticruise renforcées de Scania – G25, G33 et G38 – offrent un étagement à 14 rapports comprenant un rapport super-rampant plus court, et jusqu’à huit marches arrière ; elles couvrent des moteurs jusqu’à 770 ch et ne pèsent que cinq kilogrammes de plus que la version standard. L’I-Shift à rapports rampants de Volvo fait le même travail par une autre voie. Ces rapports supplémentaires existent pour mettre en mouvement un ensemble très lourd dans une pente et pour avancer au pas sous contrôle sur un chantier – non pour économiser du carburant sur autoroute. En traction longue distance à 40 tonnes, ils sont un poids transporté et jamais utilisé. Sur un Scania série S spécifié pour des ensembles très lourds, ils justifient leur place : Scania décrit la gamme renforcée comme optimisée pour les opérations exigeantes à poids total roulant élevé, et les réducteurs de pont arrière que liste la page britannique des spécifications de la série S de Scania peuvent supporter des poids totaux du véhicule et de l’ensemble allant jusqu’à 78 tonnes avec un seul pont moteur à simple réduction et jusqu’à 210 tonnes avec un tandem à réduction dans les moyeux – des capacités du réducteur de pont, et non un poids autorisé pour le camion, que seule la plaque du véhicule indique.

L’autre choix caché dans le nombre de rapports est celui de la surmultipliée ou de la prise directe sur le rapport le plus haut. La prise directe est le chemin le plus efficace sur le rapport le plus élevé ; la surmultipliée associe au contraire à la boîte un rapport de pont numériquement plus élevé pour atteindre la même démultiplication totale – c’est notre calcul, selon la même relation de rapport total que celle exposée sur cette page. Les fiches châssis britanniques de MAN pour le TGS portent non pas un, mais deux jeux distincts de rapports à douze vitesses : un jeu surmultiplié, de 12,92 à 0,77, sur les deux bennes 8x4, le 8x4 tridem et le porteur 6x4, et un jeu en prise directe, de 16,69 à 1,00, sur les porteurs 4x2 et 6x2 et sur les fiches des tracteurs. Ford Trucks rend le même contraste visible au sein d’un seul modèle : le F-MAX utilise une boîte à seize rapports conçue par Ford, avec un rapport supérieur surmultiplié, et son manuel d’utilisation imprime encore le tableau des rapports de la boîte à seize rapports en prise directe qu’elle a remplacée.

Les gains restants sont dans l’anticipation

La question mécanique est en grande partie réglée. Ce qui reste, c’est de savoir ce que la route va faire ensuite.

Le Predictive Powertrain Control de Mercedes-Benz combine la position GPS et des cartes routières tridimensionnelles enregistrées pour construire un horizon électronique, puis ajuste la vitesse et le choix du rapport en fonction des pentes, des sommets de côte, des rayons de virage, des limitations de vitesse et des priorités aux intersections à venir. Mercedes indique que le système connaît plus de 95 % des routes interurbaines et des grands axes européens, permet d’économiser jusqu’à 5 % de carburant par rapport à un véhicule qui en est dépourvu, et optimise en continu le mode roue libre EcoRoll de la boîte pour que le camion utilise son propre élan au lieu d’accélérer dans une descente. Sur l’Actros L, il s’ajoute à une chaîne cinématique déjà conçue pour tenir un rapport élevé : le couple maximal de ses trois familles de moteurs est atteint à 1 100 tr/min. L’I-See de Volvo arrive au même résultat en apprenant la topographie au fil de trajets répétés plutôt qu’en lisant une carte.

Si rien de tout cela ne fonctionne avec une boîte manuelle, c’est qu’une anticipation ne vaut rien si quelque chose n’agit pas en conséquence à chaque fois. Garder le douzième rapport au passage d’un sommet au lieu de rétrograder, ou commencer une phase de roue libre trois cents mètres avant une descente, doit se produire à chaque sommet et à chaque descente – pas seulement à ceux que le conducteur remarque.

Double embrayage et interruption du couple

Volvo a lancé l’I-Shift Dual Clutch en 2014, première boîte à double embrayage montée sur un camion lourd. Deux arbres d’entrée et deux embrayages permettent de présélectionner le rapport suivant pendant que le rapport en cours entraîne encore le véhicule, si bien que le relais se fait sans aucune interruption de la puissance ni de la transmission du couple. Elle est proposée en option sur le Volvo FH, à côté de l’I-Shift de série.

L’interruption du couple coûte le plus cher aux ensembles lourds sur terrain vallonné, au transport de bois et au transport en citerne sur des pentes prolongées, et aux tournées de distribution, où la vitesse change sans cesse. En traction longue distance sur le plat à 40 tonnes, une AMT moderne à simple embrayage passe les rapports assez vite pour que la différence d’interruption du couple soit faible.

La vitesse de passage a été l’autre axe de développement, et il s’agit d’ingénierie incrémentale plutôt que d’une nouvelle architecture. La mise à jour de l’I-Shift de Volvo en 2022 annonçait des passages jusqu’à 30 % plus rapides, obtenus grâce à des capteurs plus précis, un nouveau logiciel sur un microprocesseur plus rapide, un disque supplémentaire dans le frein de boîte pour qu’il réagisse plus tôt avant un changement, et un volume d’air réduit dans l’actionnement des fourchettes, de l’embrayage et du frein de boîte.

Pourquoi la boîte de vitesses est désormais un élément de certification

Il existe une raison réglementaire pour laquelle les constructeurs débattent des pertes de transmission à la troisième décimale près. Dans l’UE, le CO2 des véhicules lourds n’est pas mesuré sur un banc à rouleaux ; il est simulé avec VECTO (Vehicle Energy Consumption calculation Tool), l’outil de calcul de la consommation d’énergie des véhicules de la Commission, dont l’utilisation est imposée par le règlement (UE) 2017/2400. Le frottement de la boîte de vitesses est l’un de ses paramètres d’entrée, aux côtés de la résistance au roulement, de la traînée aérodynamique, des masses et inerties, de la puissance des auxiliaires et des performances du moteur, les pertes de couple étant déclarées rapport par rapport.

Le rendement de la transmission devient ainsi un chiffre à l’aune duquel le chiffre de flotte déclaré par le constructeur est mesuré, et non plus seulement un argument commercial. C’est pourquoi la boîte de vitesses a cessé d’être un composant que les constructeurs de camions achetaient sur le prix.

Les fonctions prédictives comme PPC et I-See s’appuient sur ce même matériel sous forme de logiciel, commandé ou non au moment de la construction du camion ; la boîte elle-même a exactement le même aspect dans les deux cas, et c’est pourquoi les arguments en faveur de la transmission reposent de plus en plus sur ce qui tourne dans le calculateur plutôt que sur ce qui est boulonné au châssis.