HIGH PERFORMANCE ENGINE
René HULIN
PSA Peugeot Citroën, La Garenne
AVANT PROPOSUne boîte, un moteur... Un moteur, une boîte... Un duo inséparable de la dynamique longitudinale du véhicule.
Ce congrès est dédié aux moteurs de hautes performances mais il est évident, que nous les Transmissionistes, comme frère et sœur, suivons avec le plus grand intérêt tous les exposés de ces deux journées.
Je me suis demandé, en préparant cette présentation, qu'elle pourrait être ma contribution. Sûrement pas vous faire le point sur les évolutions qui ne manqueront pas d’apparaître en boîtes manuelles, automatique ou variateurs... Il y a des congrès, parallèles à celui-ci, pour le faire. Je vais plutôt essayer de vous montrer, par deux exemples que, s'il y a progrès au niveau du moteur, il faut impérativement, pour en tirer tout le bénéfice, que la transmission associée se hisse au même niveau.
Les gains de puissance, de dynamique, se doivent d'être intégralement, mis au service des Objectifs Automobiles qui nous sont fixés par nos Clients, relayés par les services marketing, commerciaux, ou de compétition, etc.
Dans ce contexte, quel meilleur support que d’évoquer deux aventures extraordinaires - couronnées de succès - que furent la conception et l'exploitation des boîtes de vitesses de la 205 turbo 16 et de la 905.
La boîte de la 205 turbo 16 a fait l'objet d'une communication en 1987. Jusqu'à ce jour celle de la 905 était restée secrète.
Ces deux boîtes de vitesses sont très différentes parce qu'elles avaient à satisfaire des objectifs Produit très différents. Mais on verra que, dans les faits elles ont eu à répondre, chacune à leur manière, aux mêmes grandes caractéristiques de conception.
Nous verrons enfin dans les conclusions ce que nous pensons qu’il faille retenir de ces deux expériences et évoquerons, sans avoir la prétention d’être exhaustif, quelques évolutions technologiques apparues depuis.
Le début de l'histoire,
En 1982,PEUGEOT prépare le lancement commercial de la 205,une voiture dont l’image se veut jeune et dynamique. Il faut créer une animation forte !
Jean BOILEAU, alors Directeur Général d'Automobiles Peugeot, prend la décision de développer une version course de cette voiture avec pour objectif de gagner le championnat du monde des rallyes.
Jean TODT, alors Directeur de la Compétition, est chargé d'animer ce projet.
Le règlement du groupe B. annexe J, stipule que la voiture de course doit être dérivée d'une version produite en 200 exemplaires commercialisés.
Les grands concurrents à cette époque sont AUDI avec sa QUATTRO et LANCIA.
Bien avant d'avoir fait les calculs approfondis, nous savons, effet de l’expérience et de l’analyse concurrence ,quel type d'architecture sera retenu: Le moteur sera placé en position centrale derrière le passager, la boîte de vitesses placée en bout. ; la voiture aura quatre roues motrices.
Pour ce projet nous sommes donc confrontées à trois problèmes majeurs::
- Créer une voiture de série au confort acceptable par le client, et produite à 200 exemplaires pour permettre l'homologation de la voiture de compétition,
- Les pièces spécifiques de la voiture de compétition
- Un délai de conception, de mise au point et d'industrialisation particulièrement réduit
La même Histoire se reproduit en 1989.
La 205 et ses versions dérivées dont, la 405 ,ont gagné bien des courses dans lesquelles elles ont été engagées dont le PARIS--DAKAR, accumulé les titres en championnats du monde, en "grand raid”.. PEUGEOT souhaite poursuivre la promotion de sa Marque et de sa TECHNOLOGIE au travers du Sport Automobile et s'intéresse alors au nouveau championnat du monde de voitures de sport et que la Fédération Internationale du Sport automobile met en place.
Les équipes techniques existent. Il y a plus qu'à se mettre au travail.
Le règlement est précis, le “ terrain ” bien défini, très différent de celui qui était affronté par la 205 turbo.16. : les circuits homologués, souvent ceux du championnat du monde de F1.
Nous avons ainsi la partie OBJECTIFS de nos cahiers des charges.
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205 turbo 16 |
905 |
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Les grandes lignes du cahier des charges des voitures
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- championnat du monde des rallyes - groupe B., annexe J.. (1981.) - Terrains variés : asphalte, neige, terre. tracés torturés, beaucoup d'accélération freinage. - Moteur 2 litres turbo-Boîte “SM ” - voiture de course dérivée d'une voiture produite à 200 exemplaires - Nécessité marketing marque : la voiture de compétition doit être présentée en même temps que la voiture dont elle sera l'animation de gamme. |
- championnat du monde des voitures de sport ; courses de 500 km ou 24 heures (Le Mans) - moteur atmosphérique de 3500 cm³.
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Dans ce qui suit nous allons examiner la réponse technique retenue pour chaque caractéristique de conception principale
2 / Capacité en couple/entraxe
En 205, le Règlement impose que le moteur soit développé à partir d'une base de grande série .Une culasse à quatre soupapes par cylindre. c’est une premiére, est dessinée. La performance est obtenue par suralimentation. Pour la version client la puissance est de 210 ch. à 8000 tr/mn ; le couple environ de 30 N/m.
Comme à cette époque il n'y a pas de bride à l'admission, le moteur de compétition devient rapidement très performant. Par la suite le Législateur imposera cette bride pour réduire cette puissance, les groupe B étant devenues trop dangereuses.
Il est certain que si c'est la puissance qui donne la performance ? en rallye, du fait du terrain, on recherchera souvent une plage d'utilisation plus étendue, même si on perd un peu en puissance maxi.
Pour la 905 il n'en a pas été de même ; on va rechercher un moteur très performant en puissance sur une plage d'utilisation plus étroite.
Autre caractéristique importante : elle concerne la dynamique du moteur, celle qui permet aux pilotes une réponse précise et rapide à chacune de leurs sollicitations.
En ce qui concerne le choix des entraxes, ce fut simple pour la 205 puisqu'il avait été décidé de s'appuyer sur la boîte de vitesses SM soit 78 mm.
Pour la 905, le couple moteur et l'architecture ont conduit à 90 mm parce qu'on voulait éviter un étage d'entrée avant la boîte de vitesses, principalement à cause de la perte de rendement.
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205 turbo 16 |
905 |
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Capacité en couple choix de l'entraxe de boîte.
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- Couple de base : 350 à 400N/m - Puissance élevée à un régime voisin de 8000 tours par minute. - On est certain que du fait de la présence du turbo le couple augmentera avec le développement. ! - Pour des raisons de délai, il est décidé d'utiliser la boîte SM comme support du développement. - L'entraxe est de 78 mm. |
- Couples de base : 340 N/m - puissance : 750 ch. à 13 500 tours par minute - nous retenons un entraxe de 90 mm
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3/ ARCHITECTURE DU GROUPE MOTO-PROPULSEUR
Pour la 205 turbo 16, le problème ne se posait pas en priorité en terme de puissance moteur mais en potentiel de traction des roues.
En effet on sait qu'un pneumatique soumis à une trop forte puissance de traction patine et perd alors tout pouvoir directeur. Etant donné que le maximum de course se déroulera sur des parcours très sinueux avec les adhérences précaires ,il est astucieux de répartir la traction sur les quatre roues pour satisfaire au mieux le compromis traction- directibilité. On pourra éventuellement jouer sur le rapport du différentiel central pour mettre plus ou moins de couple sur le train avant.
Dans son principe l’architecture du GMP devenait ainsi très simple à partir du moment où on avait décidé de prendre une boîte issue de la série -Citroën SM- et de réaliser un ensemble monobloc avec les ponts avant et arrière. Pour satisfaire les impératifs de confort vibratoire et acoustique nous avons prévu de lier ce GMP à la caisse par une suspension assez souple, cette liaison devenant rigide en version compétition.
Pour la 905 ce fut encore plus simple. Le calcul, compte tenu de l'adhérence des pneumatiques, ne donne d'intérêt à une solution quatre roues motrices que pour les vitesses largement inférieures à 100 km/h et solution qui devient ensuite très pénalisante par un rendement global de la transmission réduit et une masse très supérieure. Étant donné que cette voiture n'évoluera jamais dans les vitesses lentes il a été tout de suite décidé une architecture à deux roues arrières motrices. On remarque d'ailleurs qu'aucune voiture, ni en formule 1 ni en Sport, n'est à quatre roues motrices.
André de Cortanze alors Directeur Technique, demandait une boîte très étroite pour limiter l'intrusion dans le plancher arrière de la voiture, qui, en remontant agit en effet de sol. Pour ce qui nous concerne, nous voulions-- toujours dans notre quête du meilleur rendement --: deux engrènements, des arbres de transmissions transversaux ne faisant qu'un angle de trente minutes par rapport à l’axe des roues
Avec un pont hypoïdé de 36 mm et un entraxe de 90 mm soit, en plaçant les pièces dans un plan vertical, 126 mm entre l'axe pont et l’axe primaire le problème était résolu en inclinant un petit peu le moteur dans la voiture.
Il faut aussi mentionner que le carter de boîte constitue la structure arrière de la voiture(en prolongement du moteur) c'est-à-dire porte les suspensions et les éléments de carrosserie. Il doit être particulièrement rigide et c'est pour cela que nous lui avons donné une forme aussi massive ( de l’inertie mais sans augmenter la masse) sans plan de joint.
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205 turbo 16 |
905 |
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Architecture du groupe motopropulseur
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4 roues motrices avec 3 différentiels : - différentiels avant et arrières autobloquants - différentiel central à répartition qui variable (trois possibilités au choix : 25/75- 32,5/67,5-40/60) contrôlé par un VISCODRIVE qui sera calibré en essai - Ensemble boîte-pont monobloc; simplicité de construction mécanique. - Liaison par cales élastiques avec la structure du véhicule pour le véhicule de série, liaison rigide pour la compétition. |
- 2 roues motrices arrières (bonnes conditions d'adhérence garantie même par temps de pluie; intérêt de 4roues motrices que pour des vitesses inférieures à 50 km/h - boîte-pont monobloc assurant la structure arrière du véhicule ; cinématique à 2 niveaux de transformation du mouvement |
4/CINEMATIQUE C'est le cœur de la transformation de la puissance.
Parlons d'abord de 205 TURBO 16
Cette transformation se fait, à cause des impératifs d'architecture, par trois niveaux d’engrènement : dans la boîte elle-même, dans le couple de renvoi central, dans les ponts avant et arrières.
Pour simplifier le travail de développement et ensuite l’exploitation en compétition nous avons retenu les dispositions suivantes :
- Couples de pont avant et arrière uniques : 8/39
- Renvoi central : l’adaptation en fonction de course repose sur lui ; nous en avons défini plusieurs : 18/29,21/29,23/26
- Mécanisme de boîte : un étagement optimisé autour d'un ensemble première/marche arrière pas trop démultiplié pour être solide, un étagement global première/cinquième (puis sixième) assez ouvert pour permettre des démarrages francs-- ce qui est possible avec une quatre roues motrices ; attention à la capacité thermique de l’embrayage ! --et des vitesses de pointe assez élevée- Nous avons ainsi disposé de deux étagements de boîtes, un série et un second pour la compétition le Législateur ayant limité le nombre de variantes.
La façon dont est couvert le champs d’utilisation de la voiture est bien illustré par le graphique à quatre quadrants que nous utilisions à cette époque, facile à graduer en nombre de dents et qui permet, sur le terrain, de bien visualiser les choix à faire ,car il en montre instantanément les conséquences sur le régime moteur en relation avec la vitesse de la voiture.
Dans ce paragraphe cinématique il faut aussi mentionner que nous avons conservé des dentures hélicoïdales pour l’acoustique par contre des roulements de forte capacité, en général à rouleaux coniques, ont dû être installés pour faire face aux charges supérieures
L'expérience 205 nous a servi quant il a fallu créer la boîte 905.
Un équilibre a été facilement trouvé entre la boîte et le couple conique. Dans ce type de compétition les choix de boîte sont presque totalement libres ce qui nous a conduit à développer toute une panoplie de pignonneries de façon à couvrir tous les besoins de toutes les courses à venir. La voiture voyageait d'ailleurs toujours avec toutes ses pièces de rechange, en grand nombre, chaque course se faisant avec des pièces neuves.
Pour cette application les dentures sont droites avec un profil orienté résistance plutôt qu’acoustique.
En ce qui concerne les roulements nous avons choisi des roulements à billes pour les arbres et des roulements à rouleaux coniques pour le couple conique. De plus nous avons porté une attention toute particulière au dessin du Carter autour du couple conique, ce couple sensible doit être particulièrement bien tenu si on veut assurer sa longévité.
Dans les faits la boîte de la 905 est très originale En effet les lois d’engrènement dans un couple conique hypoïde impose de placer le pignon en avant de la couronne.
Nous avons profité de cette caractéristique pour placer les engrenages de première et seconde devant la couronne et ceux de troisième à sixième en arrière. L’intervention sur cette partie de la boîte –la plus susceptible de modification de dernière minute- est facile et, en dynamique voiture, la masse en porte-à-faux est réduite. Cette originalité dans l’organisation du mécanisme se traduit par un croisement d’axes au niveau du différentiel.
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Cinématique
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- Issue de la boîte de vitesses SM - 5 rapports plus MAR ; un 6° a été ajouté en développement
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- Boîte entièrement nouvelle ; 6 rapports plus MAR - Répartition des couples d'engrenages en deux zones : 1 2 devant le couple conique, 3456 derrière pour diminuer les masses en porte-à-faux. - Démontage rapide de la zone 3 6 pour permettre l'adaptation des rapports en cas de besoin pendant les essais |
5/SYNCHRONISATION-CRABOTAGE
En 1981 la priorité était de concevoir la boîte commercialisée donc pour une utilisation confortable. Et comme la boîte “ mère ”était déjà synchronisée, continuer cette technologie s'imposait naturellement.
Quand il fut question de développer la version course, nous avons choisi de poursuivre avec des synchroniseurs car cela semblait être la solution la plus tolérante aux passages pas trop bien maîtrisés ; les pilotes “ sautent ”souvent plusieurs rapports en arrivant sur l'obstacle, -parfois avec surprise. !.. Cette décision s'est révélée le bon choix et ne nous procurera jamais aucun incident en course, et de ce fait ne fut jamais remis en cause.
Par contre pour 905, l’efficacité primant, les responsables techniques issues du monde de la course nous ont demandé fermement d’installer des crabots.
Plus simple, plus court, plus léger,..Les arguments sont de grande valeur. Il nous restait à les fiabiliser en maîtrisant mieux cette technique C’est ce que nous avons en commençant le développement par la réalisation d’une maquette montée dans une 205 GTI et confiée à un pilote.
Le CRABOT, à priori plus simple que le synchroniseur est pourtant une technique difficile tant en conception qu’à l’usage. Il impose au pilote une grande dextérité pour “ lancer ” la main, avec énergie et, au bon moment. Sinon c’est le craquement et la destruction très rapide. En d’autres termes, on confie au pilote le soin d’assurer le synchronisme et par voie de conséquence d’assurer la fiabilité. Il est évident que tout l’environnement ne doit souffrir d’aucun frottement que la commande soit à grille ou à barillet. Ceci est loin d’être inaccessible, certains pilotes, suffisamment experts, nous ont prouvé qu’il était possible avec une commande à grille de sauter plusieurs rapports, et même d’effectuer ce passage sans débrayer, par d’astucieux ” petits coups de pattes “ sur la pédale d'accélérateur.
De ces deux expériences “ fortes ” je conclurais que les bons tandems sont sans doute synchroniseur/grille et crabot/barillet.
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205 turbo 16 |
905 |
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Synchronisation / crabotage
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- De la boîte SM il a été conservé le principe de synchronisation alternée. - Confort, rapidité passage, fiabilité. |
- Crabots, 5 pavés pour privilégier la rapidité passage.
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6/COMMANDE INTERNE DES VITESSES
Les deux boîtes de vitesses que nous décrivons dans cette communication sont de type à grille ce qui se concrétise par une mécanique très classique à “ doigt, crosses, interverrouillage, ressorts de rappel vers la ligne 3 4. ”
Au moment de créer la boîte 905 il y a eu une grande discussion Deux écoles s'opposent :
- les pilotes des voitures grand raid préfèrent une grille qui leur permet d’aller directement dans le rapport optimal quand se présente l'obstacle souvent par la surprise,
- Ceux qui pilotent en circuit, avec une conduite présentant beaucoup plus d’automatisme, préfèrent la commande séquentielle.
La 905 est sûrement la dernière boîte de la technique grille et si nous avions été amenés à la moderniser nous l’aurions sûrement équipée d'un barillet pour une commande séquentielle soit directe par levier dans un premier temps soit en commande électrique par palettes sous le volant ; une évolution que nous avons tous pu observer dans les commandes en compétition ces dernières années
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205 turbo 16 |
905 |
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Commande interne des vitesses
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- Grille classique, identique à boîte SM. ; - fourchettes sur axes coulissants.
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- Grille classique. - Les commandes séquentielles ayant démontré leur intérêt, une version à barillet a été étudiée mais non développée; |
7/LUBRIFICATION
La lubrification est sans doute un point très important des deux réalisations présentées.
Devoir évacuer la chaleur nous imposerait d’équiper nos boîtes de vitesses de pompes à huile. Nous avons alors cherché à en tirer le meilleur parti pour améliorer une caractéristique fonctionnelle qui se posent à toutes transmissions,... LE RENDEMENT. , Un problème qui se pose avec encore plus d'acuité en compétition du fait des pertes particulièrement importantes générées par le barbotage à grande vitesse de rotation des pignons, des différentiels ,des couronnes de pont. Rappelons qu'on paie deux fois : pertes de couple à la roue, pertes aérodynamiques dans le refroidisseur.
Nos circuits de lubrification obéissent à deux grands principes :
- Les pompes sont entraînées directement par le moteur par un arbre qui passe au centre de l'arbre primaire, ce qui a pour avantage de mettre l'huile en mouvement dès la mise en marche du moteur thermique dans le parc fermé, et de ne pas perturber le passage des vitesses.
- En second, il est créé une zone de décantation où l’huile se “ repose ”et permet une aspiration sans turbulences. Techniquement ce fut réalisé par un double fond en 205 et, parce que les pignons étaient trop bas, par une pompe de vidange et une pompe de lubrification en 905.
a boîte étaient lubrifiés par petits jets d'huile : roulements, engrenages…, de la quantité d'huile optimale.La mise au point d’un tel dispositif a toujours été délicate, mais le résultat en terme de rendement était au rendez-vous.
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205 turbo 16 |
905 |
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Lubrification
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- Double lubrification entraînée directement par le moteur : - pour la boîte de vitesses avec Carter 5 - pour le pont arrière -radiateurs avant du véhicule.
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- Lubrification à Carter sec à 2 pompes - une pompe de vidange qui envoie l'huile dans une zone de repos - une pompe lubrification pour la boîte et le couple conique - radiateurs intégrés au système de refroidissement de l'huile du moteur. |
7/CONCLUSION
Au terme de cette présentation il n’est pas possible de rappeler tous les thèmes évoqués ; mais seulement ceux qui nous semblent les plus importants
Au premier abord on peut penser qu’il y a un monde entre la boîte de vitesses pour une voiture de tourisme standard ou sophistiquée et une voiture de course.. L’une et l’autre donnent une réponse technique à la même liste de paramètres qui s’appuie sur des spécifications de besoin construites de façon quasi identique. Elles ne divergeront dans la valeur donnée aux paramètres suivant l’objectif visé : privilégier le confort ou à l’efficacité, proposer une commande de boîte manuelle, assistée, ou automatique quantifier les critères économiques …etc.
La structure de ce rendement est assez simple à décomposer, distinguer les pertes cinématiques qui concernent tous les frottements et barbotages de celles qui sont dues à la charge au niveau des engrènements et dans les roulements ;
Le second moyen d’accroître le RENDEMENT se situe au niveau du contrôle global du groupe motopropulseur. La boîte de vitesses y contribue par sa commande.
A ce propos on note l’émergence des commandes séquentielles -certes connues en motocyclette –mais dont l’adaptation à l’automobile a été préparée par la compétition avant de devenir une solution grand public. Ceci est rare et mérite d’être mentionné.
Reste à savoir si on sera obligé de conserver des synchroniseurs ou si on arrivera à gommer, par pilotage les inconvénients de bruit ou de jeu angulaire des crabots pour les rendre acceptable par tous les conducteurs.