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Une boîte de vitesses est un élément mécanique permettant de modifier le rapport de transmission entre la vitesse de rotation et le couple d'un arbre moteur et d'un arbre de sortie. Un nombre déterminé de rapport est réalisable.

Son cas d'utilisation le plus fréquent est la transmission du couple d'un moteur thermique aux roues motrices d'un véhicule. Elle est aussi utilisée dans de multiples autres contextes tel que les machine-outil, machines agricole ...

Nécessité d'une boîte de vitesses [modifier]

La boîte de vitesses est l’élément qui permet d’adapter le couple moteur au couple résistant de l’arrêt au déplacement du véhicule, dans toutes les conditions de roulage (sur le plat, dans les montées, les descentes, les virages...).

Véhicules à moteur thermique [modifier]

L'automobile est aujourd'hui en quasi exclusivité mue par un moteur thermique. Ces moteurs ont des caractéristiques de fonctionnement (couple maxi et puissance) qui ne permettent pas leur couplage direct sur les roues des véhicules terrestres :

• Leur rendement varie beaucoup avec le régime (en particulier aux très basses vitesses), et leur démarrage est délicat.
• Ils ne tournent que dans un seul sens.
• Le couple moteur est plutôt faible (600 N.m correspond à un gros moteur) ; de plus il est très inconstant dans la plage d'utilisation de ces moteurs.

Ces caractéristiques générales imposent pour l'usage d'un véhicule terrestre :

• La possibilité de dissocier le moteur des roues du véhicule, pour les vitesses proches de l'arrêt : c'est en partie le rôle de l'embrayage. Mais cela suppose que celui-ci puisse rester en position débrayée.
• La possibilité d'inverser le sens de rotation au niveau des roues pour assurer la marche en arrière.
• L'augmentation du couple disponible sur la roue (l'essieu moteur), le réducteur à engrenages étant la solution la plus commune.

De plus, les conditions d'usage : arrêt court, limitation de vitesse, ralentissement, relief, imposent des allures de fonctionnement différentes. Un véhicule doit donc disposer d'un organe de transmission de puissance proposant :

• Un rapport nul (appelé point mort).
• Un rapport de marche arrière.
• Une ou plusieurs gammes de rapports étagés pour la marche avant.

Il s'agit donc d'un ensemble de réducteurs disposés dans un même boîtier.

La dénomination "boîte de vitesses" est en partie erronée puisque, en réalité, son rôle est d'adapter le couple. Cette appellation est liée aux premières machines industrielles qui recevaient l'énergie motrice d'un arbre moteur commun, animé par un moulin à eau ou une machine à vapeur tournant à vitesse constante. Des systèmes de pignons permettaient le choix d'une vitesse de fonctionnement. La dénomination anglo-saxonne est donc plus juste : gearbox (littéralement : boîte à engrenage), cependant, toutes les boîtes de vitesses ne sont pas construites sur le principe de transmission par engrenages.

Alternatives à la boîte de vitesses [modifier]

La technologie renaissante des véhicules électriques annonce l'abandon de cet organe de transmission. En effet les moteurs électriques sont de plus en plus performants (couple important et compacité inégalée, rendement sans égal). Ils peuvent dorénavant être directement implantés dans la roue, ce qui élimine tous les éléments de transmission (différentiel, cardans...).

La transmission hydrostatique depuis longtemps adoptée sur les véhicules de chantier et agricoles permet une variation continue de vitesse avec une distribution naturelle des couples à l'ensemble des roues avec des rendements exceptionnels. Par contre cette technologie est plus encombrante (réservoir et refroidissement d'huile), mais aussi particulièrement simple et fiable à mettre en œuvre. Elle n'a fait l'objet d'essais que sur des véhicules de petite taille et n'est utilisée que sur des engins à déplacement lent.

Classification des boîtes de vitesses [modifier]

Pour les véhicules à moteur thermique, on pourra distinguer les boîtes suivant trois fonctions techniques indépendantes :

• La technologie des réducteurs : par engrenages classiques, train épicycloïdal, courroie...
• Le système de commande : manuelle, semi-automatique, automatique, séquentielle...
• La synchronisation : autorisant le changement de rapport en marche ou à l'arrêt seulement.
• Enfin l'orientation qui n'a d'influence que sur la géométrie des liaisons avec l'arbre moteur et le différentiel. L'architecture est différente suivant que le moteur est implanté transversalement (axe de rotation du vilebrequin parallèle à l'axe de rotation des roues) ou longitudinalement (axes orthogonaux) et, que le couple est transmis aux roues avant, arrière, ou aux quatre roues.

À chaque combinaison correspond un modèle de boîte de vitesses différent.

Boîte manuelle à engrenages parallèles [modifier]

Description [modifier]

La boîte manuelle dite « à pignons toujours en prise » « à prise constante » est la plus utilisée de nos jours; elle se distingue sur ce point des boîtes de machines outils qui disposent d'engrenages désaccouplés.

Ce type de boîte est constitué généralement de deux arbres portant des pignons :

• L’arbre d’entrée (ou primaire) lié à l’arbre moteur via l'embrayage, porte les pignons primaires fixes. Il y a autant de pignons que de rapports de boîte.
• L’arbre de sortie (ou secondaire) portant des pignons fous (engrenant respectivement avec un pignon de l'arbre d'entrée), les systèmes de crabotage et les synchroniseurs.
• Le troisième arbre n'intervient que pour la marche arrière. Il contient un pignon pouvant coulisser et s'intercaler entre un pignon de l'arbre d'entrée et un autre de l'arbre de sortie ; ainsi, on dispose d'un engrenage de plus entre les deux arbres (soit deux inversions de sens de rotation au lieu d'une), d'où la marche inversée. C'est le seul cas où l'engrenage n'est pas toujours en prise.
• L'arbre de sortie est lié au couple conique du différentiel, intégré au carter de la boîte (pour les véhicules à traction avant) ou reporté sur le pont arrière (pour les véhicules à propulsion).
• Le changement de rapport se fait par manipulation de coulisseaux actionnant crabots et synchroniseurs grâce aux fourchettes de commandes liées temporairement au levier de vitesses.

Fonctionnement [modifier]

Sélection d'un rapport [modifier]

Le principe de ce type de boîte repose sur le choix de plusieurs couples de pignons (appelés engrenages) offrant des rapports de transmission différents. Chaque engrenage est constitué d’un pignon d'entrée solidaire de l’arbre primaire, et d’un autre pignon de sortie en liaison pivot avec l’arbre secondaire. Un rapport est enclenché lorsqu'un des pignons de sortie devient solidaire de l'arbre secondaire. Pendant ce temps les autres pignons tournent librement. On dit qu'ils sont fous.

Après débrayage, pour rendre un pignon fou solidaire de son arbre, il faut dans un premier temps le synchroniser avec son arbre, c'est-à-dire annuler la vitesse de rotation relative, puis le bloquer en rotation. La manœuvre est assurée par un synchroniseur (synchro) et un crabot montés sur des cannelures, donc en liaison glissière avec l’arbre, et commandés en translation par l’une des fourchettes. L'accouplement entre le crabot et le pignon correspondant s'effectue au moyen de dents, qui peuvent être frontales (créneaux) ou périphériques (cannelures). Les formes complémentaires des deux éléments assurent une transmission de la puissance par obstacle. Ce sont ces dents-là qui grognent lorsqu'on loupe la manœuvre, et pas les dents d'engrenage.

Le maintien du rapport enclenché se fait à l’aide d’un système de verrouillage des crabots sur l'arbre de sortie, mais aussi des coulisseaux de fourchette (entraînés par le levier de vitesses) sur le carter de boîte.

Engrenages [modifier]

Dans ce type de boîte, on adopte généralement des engrenages à denture hélicoïdale. Ils sont plus silencieux car les dents en prise sont plus nombreuses (rapport de conduite amélioré) ; elles subissent donc chacune moins de charge que les pignons à dentures droites. Malheureusement, elles provoquent une poussée axiale, ce qui impose l'utilisation de roulements adaptés et un renforcement des paliers. Il faut noter que la marche arrière est obtenue avec des pignons à denture droite, ce qui explique le bruit si caractéristique. Ce même bruit est identifiable sur les voitures anciennes. Ce choix est imposé par le principe même de la marche arrière puisqu'un pignon est déplacé axialement pour relier les deux arbres (un engrenage supplémentaire pour l'inversion).

Prise directe [modifier]

Sur certaines boîtes, lorsque les deux arbres sont en ligne, il est possible de les accoupler directement : pour la prise directe, l'un des manchons rend le pignon de sortie de l'arbre d’entrée solidaire à l'arbre secondaire. Les pignons fous ont donc 2 dentures différentes : l'une, périphérique, qui sert à transmettre le mouvement de l'arbre primaire au secondaire et l'autre, droite ou périphérique, pour le passage des vitesses. Ainsi, la denture périphérique des pignons n’est pas abîmée lors du passage des vitesses car les chocs lors de l’engrenement sont supportés par l’ensemble de la denture du synchro. Pour la marche arrière, l’axe tertiaire est déplacé par une fourchette et le pignon qu’il porte vient se placer entre les deux pignons du couple correspondant pour inverser le sens de rotation.

Historique : La prise directe , ou "prise" était traditionnellement le 4è et dernier rapport avant, ainsi nommé car il correspondait à un rapport de réduction de 1/1.

Boîte robotisée [modifier]

Ce sont des boîtes manuelles standards auxquelles on a greffé un système automatisé, électrotechnique /qui pilote les sélecteurs et l'embrayage/ souvent associé à l'hydraulique, qui soit se comportent :

• En mode automatique : comme une boîte automatique changeant les rapports au moment le plus opportun ;
• Soit en mode semi-automatique, assistant le conducteur en lui laissant le soin de demander, (à l'aide de boutons, palettes, ou d'un levier), le passage des rapports, mais qui n'agit que quand les conditions ad hoc sont réunies.

On trouve ce système chez différents constructeurs, sous l'appellation Sensodrive chez Citroën, Quickshift chez Renault, Selespeed chez Alfa Romeo, F1 chez Ferrari, etc.

Boîte séquentielle [modifier]

Description [modifier]

C'est une version dérivée de la boîte de vitesses manuelle, qui reprend le même principe mécanique de pignons et de crabots, mais avec une configuration qui implique que, le conducteur ne peut pas choisir un rapport au hasard, mais uniquement le rapport immédiatement supérieur ou inférieur à celui en service, ce qui constitue une séquence dans le passage des vitesses. C'est le cas des boîtes de motocyclettes ainsi que de nombreuses automobiles de courses.

On parlera plutôt de COMMANDE séquentielle, laquelle peut être associée à une boîte mécanique (de moto), à une boîte mécanique robotisée, ou à une boîte automatique. Ces deux dernières peuvent également être associées à une commande automatique.

Fonctionnement [modifier]

Sauf obligation : réglementation de course automobile ou coût de fabrication, dorénavant le passage des vitesses ne se fait plus mécaniquement par la manœuvre du conducteur d'un levier et d'une pédale de débrayage, mais au moyen d'un automatisme mécanique ou électro-hydraulique qui assurent seul le passage des vitesses. Le pilotage électronique de l’injection et du papillon motorisé permet de mettre le moteur et les pignons à la vitesse de rotation voulue pendant le passage des vitesses, si bien que la position de l'accélérateur n'a plus d'influence pendant la durée du changement de rapport.

Boîte à crabots [modifier]

Description [modifier]

En haut : le barillet de sélection avec ses cames, provoque en tournant un déplacement latéral des fourchettes, qui poussent les crabots, ceux-ci se solidarisent avec un des pignons situé sur l'arbre à côté. En bas : un des arbres de la boîte, avec ses pignons et ses crabots.

Utilisé en compétition (rallye notamment) et sur les motos, cette boîte possède l'avantage de pouvoir se passer d'embrayage et d'avoir un meilleur rendement, au prix d'une usure qui peut être rapide et d'un claquement lors des passages de vitesse.

Fonctionnement [modifier]

Une boîte manuelle, synchronisée, possède des pignons et bagues (synchros) qui permettent d'accorder la vitesse de rotation de l' arbre primaire avec celle de l'arbre secondaire, avant d'engager les pignons. Une boîte à crabot ne possède pas ces synchronisateurs, la vitesse passe d'un coup et, parfois violemment, si les arbres n'ont pas des vitesses de rotation proches. Ces boîtes ont souvent des engrenages à dentures droites qui supportent mieux les à-coups, mais qui font nettement plus de bruit, par contre elles ont un meilleur rendement, car la poussée latérale des pignons à denture hélicoïdale est absente.

Boîte automatique [modifier]

Description [modifier]

La transmission automatique est un système capable de déterminer de façon autonome le meilleur rapport possible en fonction d'informations extérieures au système telles que le couple et la vitesse moteur, l'enfoncement de la pédale de l'accélérateur, la vitesse du véhicule, le mode de fonctionnement de la boite (D, S, manuel), le couple résistant du véhicule (montée, descente) et d'autres fonctions plus complexes qui dépendent du niveau technologique de la boite de vitesses automatique. À l'identique d'une boîte de vitesses robotisée, c'est un système électro-hydraulique piloté par un calculateur électronique qui gère les passages de vitesses. Par contre le transfert de puissance est continu dans une boîte de vitesses automatique, ce qui n'est pas le cas pour les autres types de boîte.

Plusieurs approches pour la commande de la boite de vitesses sont aujourd'hui sur le marché :

• Le sélecteur de commande "PRNDL" se caractérise par le fait que chaque position définit un mode de fonctionnement spécifique. On peut ainsi trouver par exemple les positions suivantes :
  • P : Frein de parking (Park) : la boîte est bloquée par l'enclenchement d'un verrou dans un élément tournant de l'étage de sortie.
  • R : Marche arrière (Reverse).
  • N : Point mort (Neutral).
  • D : Conduite normale avec la totalité des rapports (Drive).
  • 3 et/ou 2 : Conduite soit :
    • avec les seuls rapports de 1^re, 2^e ou 3^e, ce qui laisse le moteur prendre des tours, adapté à la conduite en montagne.
    • avec le seul rapport de 2^e (même au démarrage) pour faciliter les départ sur neige ou verglas.
  • 1 ou L : Conduite en 1^re ou (Low), utilisée par exemple dans les fortes descentes.

• Le sélecteur "steptronic" se trouve en général sur les modèles plus récents. Il garde les positions P, R, N et D du "PRNDL" mais offre généralement une position sport. Cette position permet d'obtenir une sélection plus agressive des rapports lors d'une conduite sur route sinueuse par exemple. De plus, lorsque le sélecteur est en position D ou S, un mode manuel permettant au conducteur de choisir directement le rapport est disponible. En parallèle de ce système, chaque constructeur peut choisir d'ajouter des boutons ou leviers sur le volant pour sélectionner le rapport.

• Le point commun entre ces deux mode de fonctionnement est qu'il existe un lien mécanique entre le levier et la boite de vitesses. Plusieurs constructeurs offrent maintenant un système se rapprochant du système "steptronic" mais utilisant une commande électrique pour toutes les manoeuvres. Le choix du mode se fait en fonction de la position actuelle de la boite et du sens dans lequel le conducteur bouge le levier. Par exemple, si le conducteur est en position "Drive" et qu'il pousse d'un cran le sélecteur, la boite automique commandera la position "Neutre"; Par contre si le conducteur pousse le sélecteur de deux crans, la boite commandera la position "Reverse". Pour passer en position "Park" il faut généralement appuyer sur un bouton. Ce type de commande est intéressante car le constructeur peut placer le levier où il veut dans l'habitacle du véhicule mais demande également un niveau de sécurisation plus élevé. En effet si l'électronique devait avoir un problème, le conducteur peut ne plus avoir les moyens de se mettre dans une position sûre ("Neutre").

Fonctionnements [modifier]

Écorché de boîte automatique Renault (Musée de la Villette, Paris)

Vue de l'extérieur, cette boîte est disposée identiquement à la boîte manuelle entre le moteur et le différentiel-pont. Cependant, la gestion des changements de vitesse requiert des adaptations technologiques :

• En amont, l'embrayage est remplacé par un convertisseur de couple hydraulique. Son rôle est de transmettre le couple d'entraînement tout en autorisant des glissements (équivalent du patinage inévitable lors du passage de rapport), il sert aussi à séparer le moteur du reste de la chaîne comme un embrayage.
• La constitution la plus répandue est celle de trains épicycloïdaux en cascade. En solidarisant par le biais d'embrayages ou de freins, certaines parties de ces trains, on obtient des rapports différents. La sélection d'un rapport dépendant alors uniquement d'une combinaison d'ordre des pistons de commande. De ce fait, il n'y a aucun crabotage à piloter.
• Un étage, ou train épicycloïdal est constitué de différents composants, planétaires, satellites, porte satellites, qui tournent librement les uns par rapport aux autres (2 mobilités par étage).
• Une pompe hydraulique haute pression, intégrée dans la boîte, entraînée directement par le moteur, fournit l'énergie pour les actuateurs hydrauliques nécessaire aux embrayages et aux freins, elle lubrifie aussi sous pression les différents éléments.
• Le système de commande prend en considération l'intention du conducteur (état des pédales d'accélérateur et frein) le régime du moteur, la vitesse du véhicule, ainsi que le couple transmis. Le meilleur rapport est alors appliqué. Un distributeur (équivalent de la carte à trous) envoie alors la pression vers les éléments concernés.
  • Les premières générations de boîtes automatiques sont pilotées par des systèmes mécaniques, électromécaniques (boîte Cotal) ou hydrauliques. Un câble reliant la boîte à l'accélérateur, asservit la boîte à la charge du moteur. La pression variable délivrée par la pompe donne une information proportionnelle au régime moteur. Ces paramètres permettent au système de contrôle de déclencher le passage des rapports en fonction des besoins.
  • Les générations de boîtes actuelles sont pilotées par des calculateurs électroniques, lesquels, associés à de nombreux capteurs, permettent une gestion de plus en plus intelligente de la boîte.

Note importante : le contrôle du niveau d'huile d'une boîte automatique se fait moteur tournant, la pompe à huile "remplissant" le convertisseur de couple. Ceci implique qu'une boîte automatique dispose d'une jauge.

Étagement d’une boîte de vitesses [modifier]

La boîte idéale serait celle proposant le bon rapport pour chaque situation. On ne peut cependant pas multiplier les rapports à l’infini. La gamme de rapports proposés doit donc être la plus universelle possible. Longtemps limitée à 3 vitesses, la boîte automobile à progressivement pris 4 puis 5 voire 6 vitesses sur les véhicules haut de gamme. Les camions ont, depuis longtemps, des étagements de transmission sur plus de 10 rapports. Les motocyclettes en ont, habituellement, 6 (on a vu des modèles de série avec 7 rapports, et davantage en compétition).

Cependant certains véhicules (Daf dans les années 1960) ont disposé d'un variateur proposant une gamme continue de rapports.

De nos jours, on trouve de nouveaux véhicules de tourisme basés sur le même principe de la Transmission à Variation Continue ( CVT ). Celles-ci ont l'avantage d'adapter en permanence le régime du moteur et le couple appliqué pour correspondre au mieux à l'équation économie/vitesse imposée par le conducteur. D'autre part, la variation du rapport appliqué se faisant progressivement, aucun à-coup n’est perceptible, contrairement à certaines boîtes automatiques robotisées et plus rarement séquentielles. L'accent est donc mis sur le confort et l'économie. Actuellement, ces boîtes automatiques équipent notamment les Nissan Micra n-CVT (93~2002) et les Honda Jazz CVT en Europe.

Rapport de transmission [modifier]

Le rapport de transmission globale (boîte (s) + pont) est un rapport entre les vitesses du moteur et des roues, mais aussi (au rendement près) entre le couple moteur et le couple disponible à la roue.

Courbes caractéristiques d'un moteur

Les moteurs proposant un couple plutôt modéré et fonctionnant correctement à des régimes élevés (milliers de tours/minute), il convient donc de réduire la vitesse (centaines de tours/minute) ce qui aura pour effet d’augmenter le couple à la roue, c'est-à-dire l’effort de propulsion (au sens large) du véhicule.

La série de rapports disponibles sur une boîte est optimisée en prenant en compte les caractéristiques du moteur :

• couple, puissance et rendement (consommation spécifique) maximaux, et les régimes associés du moteur. La plupart des moteurs ont une caractéristique de fonctionnement selon le schéma ci-contre ;

mais aussi les caractéristiques du véhicule :

• Masse de la voiture (PTRA)
• Taille des roues, rapport du différentiel.
• Vitesse maximale souhaitée
• Cx coefficient de traînée.

Rapport de première [modifier]

Le rapport de première n’est utilisé que pour arracher le véhicule de sa position d’arrêt. Sa détermination repose sur la considération d’un cas défavorable de démarrage, à savoir le véhicule en charge maximale et une côte à 15 %. On détermine ainsi par une étude mécanique statique, le couple nécessaire à la roue..

La marche arrière est donc souvent proposée avec le même rapport de transmission que la première (voire un peu plus court).

Rapports intermédiaires [modifier]

Une fois le véhicule en mouvement, pour atteindre la vitesse de croisière, ou la vitesse maximale, l’accélération impose une force de propulsion permanente. Le moteur doit donc donner le maximum de couple. Pour cela, lors du passage du rapport supérieur (par exemple 1^re vers 2^e), le moteur quittant le régime à puissance maximale doit retomber au moins sur le régime à couple maximal. Il en résulte un étagement idéal des rapports de transmission suivant une suite géométrique dont la raison est le rapport entre les régimes à puissance et couple maximum.

Rapport supérieur [modifier]

La pénétration dans l’air de la voiture et les frottements dans l’ensemble de la transmission offrent une résistance à l’avancement qui évolue avec la vitesse. La puissance consommée augmente donc avec la vitesse. Il existe donc une valeur de puissance équivalente à la puissance maximale délivrée par le moteur. Ce régime de fonctionnement permet de fixer le rapport supérieur de la boîte de vitesses. Bien sûr ce rapport n’entre pas systématiquement dans la suite définie précédemment. L’étagement est alors corrigé.

Les considérations écologiques ont conduit les constructeurs à réduire la consommation des véhicules. Aujourd’hui le dernier rapport est souvent déterminé pour un régime de croisière à consommation spécifique minimale (consommation par tour minimale, soit un rendement maximal). Ce point de fonctionnement du moteur est suffisant pour maintenir la voiture à vitesse établie.

Quelques cas particuliers [modifier]

Véhicules 4x4

• Les véhicules tout-terrain sont souvent équipés d’une seconde boîte de vitesses appelée boîte de réduction ou transfert, la plupart du temps non synchronisée, donc manipulée à l’arrêt. La réduction offrant plus de force à l’avancement pour les franchissements. Le même dispositif permet aux tracteurs agricoles de disposer de plus de force pour la traction des socs et autres charrues.

Coupé Napoléon

• Les Bugatti Royales, dont Le Coupé Napoléon d'Ettore Bugatti, sont équipées d’un moteur de 8 cylindres et 15 000 cm³, avec un couple tel, que le seul rapport de 2^e suffit à les conduire de 0 jusqu’à des vitesses peu raisonnables, la 3^e ne prenant le relais que pour aller chatouiller les 200 Km/h.

2cv 1960

• La 2CV Citroën proposait dès 1948 une boîte à 4 rapports alors que la Traction, reine de la route alors n’en disposait que de 3. Aussi, pour rester dans l’esprit de la modestie annoncée, la 4^e sera appelée S (surmultipliée) pour ne pas être considérée comme une vitesse. L’étagement de cette boîte est curieusement selon une suite arithmétique ce qui génère des trous énormes entre 1^re, 2^e et 3^e. Enfin sa constitution est assez particulière avec 4 arbres deux à deux coaxiaux et des réductions obtenues avec 1 ou 3 engrenages successifs.

Ford T Roadster 1923

• La Ford T fut en son temps la voiture produite dans le plus grand nombre d'exemplaires. Elle se distinguait cependant par sa boîte de vitesses particulière qui lui a valu un permis de conduire spécial. Reposant sur l'architecture d'une boîte automatique avec des trains épicycloïdaux, les rapports étaient choisis via 1 levier et 2 pédales actionnant les sangles de commandes. Il arrivait souvent que la première reste enclenchée (système collé en hiver) ; alors, comme dans les films de Laurel et Hardy, nombre d'utilisateurs se sont faits écraser lors du démarrage à la manivelle ; une parade étant de soulever préalablement une roue motrice à l'aide du cric, le différentiel faisant alors tourner la roue dans le vide.

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Caja de cambios de motocicleta.

En los vehículos, la caja de cambios o caja de velocidades (suele ser llamada sólo caja) es el elemento encargado de acoplar el motor y el sistema de transmisión con diferentes relaciones de engranes o engranajes, de tal forma que la misma velocidad de giro del cigüeñal puede convertirse en distintas velocidades de giro en las ruedas. El resultado en la ruedas de tracción generalmente es la reducción de velocidad de giro e incremento del torque.

En función de que la velocidad transmitida a las ruedas sea mayor, la fuerza disminuye, suponiendo que el motor entrega una potencia constante: dado que potencia es trabajo por unidad de tiempo y, a su vez, trabajo es fuerza por distancia, una distancia mayor (derivada de la mayor velocidad) tiene por consecuencia una fuerza menor. De esta manera la caja de cambios permite que se mantenga la velocidad de giro del motor, y por lo tanto la potencia y par más adecuado a la velocidad a la que se desee desplazar el vehículo.

La caja de cambios tiene la misión de reducir el número de revoluciones del motor e invertir el sentido de giro en las ruedas, cuando las necesidades de la marcha así lo requieren. Va acoplada al volante de inercia del motor, del cual recibe movimiento a través del embrague, en transmisiones manuales; o a través del convertidor de par, en transmisiones automáticas. Acoplado a ella va el resto del sistema de transmisión.

Constitución de la caja de cambios [editar]

Eje intermediario de una caja de cambios manual. De izquierda a derecha consta de las siguientes partes: nervado para la corona de engrane con el primario, apoyo de rodamiento, piñones de engrane, apoyo de rodamiento. El dentado recto corresponde a la marcha atrás.

La caja de cambios está constituida por una serie de ruedas dentadas dispuestas en tres árboles.

• Árbol primario. Recibe el movimiento a la misma velocidad de giro que el motor. Habitualmente consta de un único piñón.
• Árbol intermedio o intermediario. Es el árbol transmisor. Consta de una corona que engrana con el árbol primario, y de varios piñones (habitualmente tallados en el mismo árbol) que pueden engranar con el árbol secundario en función de la marcha seleccionada.
• Árbol secundario. Consta de varias coronas con libertad de movimiento axial en el árbol, pero sin libertad de movimiento en sentido tangencial (por un sistema de nervados o de chaveteros). La posición axial de cada rueda es controlada por la palanca de cambios y determina qué par de ruedas engrana entre el secundario y el intermediario. Cuando se utilizan sincronizadores, el acoplamiento tangencial puede liberarse en función de la posición axial de estos y las ruedas dentadas no tienen libertad de movimiento axial.
• Eje de marcha atrás. Dispone de una rueda loca que se interpone entre los árboles intermediario y secundario para invertir el sentido de giro habitual del árbol secundario.

Todos los árboles se apoyan, por medio de cojinetes, en una carcasa llamada cárter de la caja de cambios, que suele ser de fundición gris, aluminio o magnesio y sirve de alojamiento a los engranajes, dispositivos de accionamiento y en algunos casos el diferencial, así como de recipiente para el aceite de engrase.

Clasificación de las cajas de cambio [editar]

Existen varios tipos de cajas de cambios y diversas maneras de clasificarlas. Hasta el momento en que no se habían desarrollado sistemas de control electrónico la distinción era mucho más sencilla e intuitiva ya que describía su construcción y funcionamiento. En tanto que se han desarrollado sistemas de control electrónico para cajas se da la paradoja que existen cajas manuales con posibilidad de accionamiento automatizado (por ejemplo Alfa Romeo) y cajas automáticas con posibilidad de intervención manual. La clasificación en función de su accionamiento es una de las clasificaciones aceptadas por mayor número de autores:

Manuales o mecánicas [editar]

Tradicionalmente se denominan cajas mecánicas a aquellas que se componen de elementos estructurales (carcasas y mandos) y funcionales (engranajes, ejes, rodamientos, etc.) de tipo mecánico. En este tipo de cajas de cambio la selección de las diferentes velocidades se realiza mediante mando mecánico, aunque éste puede estar automatizado.

Los elementos sometidos a rozamiento ejes, engranajes, sincronizadores, o selectores están lubricados mediante baño de aceite -específico para engranajes- en el cárter aislados del exterior mediante juntas que garantizan la estanqueidad.

Los acoplamientos en el interior se realizan mediante mecanismos compuestos de balancines y ejes guiados por cojinetes. El accionamiento de los mecanismos internos desde el exterior de la caja -y que debería accionar un eventual conductor- se realizan mediante cables flexibles no alargables o varillas rígidas.

Las distintas velocidades de que consta la caja están sincronizadas. Esto quiere decir, que estas disponen de mecanismos de sincronización que permiten igualar las velocidades de los distintos ejes de que consta la caja durante el cambio de una a otra.

La conexión cinemática entre el motor y la caja de cambios se realiza mediante el embrague.

Dentro de este grupo se encuentra la caja de cambios manual automatizado de doble embrague DSG -en alemán Direkt Schaltgetriebe- del Grupo Volkswagen que permite el funcionamiento manual y automático además de obtener una velocidad de transmisión entre marchas muy superior al contar con la presencia de dos embragues encargado uno de las marchas pares y el otro de las impares (y marcha atrás).

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Using the principle of mechanical advantage, transmissions provide a torque-speed conversion (commonly known as "gear reduction" or "speed reduction") from a higher speed motor to a slower but more forceful output.

[edit] Explanation

Early transmissions included the right-angle drives and other gearing in windmills, horse-powered devices, and steam engines, in support of pumping, milling, and hoisting.

Most modern gearboxes either reduce an unsuitable high speed and low torque of the prime mover output shaft to a more ustable lower speed with higher torque, or do the opposite and provide a mechanical advantage (i.e increase in torque) to allow higher forces to be generated. Some of the simplest gearboxes merely change the physical direction in which power is transmitted.

Many typical automobile transmissions include the ability to select one of several different gear ratios. In this case, most of the gear ratios (simply called "gears") are used to slow down the output speed of the engine and increase torque. However, the highest gears may be "overdrive" types that increase the output speed.

[edit] Uses

Gearboxes have found use in a wide variety of different—often stationary—applications.

Transmissions are also used in agricultural, industrial, construction, mining and automotive equipment. In addition to ordinary transmission equipped with gears, such equipment makes extensive use of the hydrostatic drive and electrical adjustable-speed drives.

[edit] Simple

The simplest transmissions, often called gearboxes to reflect their simplicity (although complex systems are also called gearboxes in the vernacular), provide gear reduction (or, more rarely, an increase in speed), sometimes in conjunction with a right-angle change in direction of the shaft (typically in helicopters, see picture). These are often used on PTO-powered agricultural equipment, since the axial PTO shaft is at odds with the usual need for the driven shaft, which is either vertical (as with rotary mowers), or horizontally extending from one side of the implement to another (as with manure spreaders, flail mowers, and forage wagons). More complex equipment, such as silage choppers and snowblowers, have drives with outputs in more than one direction.

Regardless of where they are used, these simple transmissions all share an important feature: the gear ratio cannot be changed during use. It is fixed at the time the transmission is constructed.

[edit] Multi-ratio systems

Many applications require the availability of multiple gear ratios. Often, this is to ease the starting and stopping of a mechanical system, though another important need is that of maintaining good fuel economy.

[edit] Automotive basics

The need for a transmission in an automobile is a consequence of the characteristics of the internal combustion engine. Engines typically operate over a range of 600 to about 7000 revolutions per minute (though this varies, and is typically less for diesel engines), while the car's wheels rotate between 0 rpm and around 1800 rpm.

Furthermore, the engine provides its highest torque outputs approximately in the middle of its range, while often the greatest torque is required when the vehicle is moving from rest or travelling slowly. Therefore, a system that transforms the engine's output so that it can supply high torque at low speeds, but also operate at highway speeds with the motor still operating within its limits, is required. Transmissions perform this transformation.

Most transmissions and gears used in automotive and truck applications are contained in a cast iron case, though sometimes aluminum is used for lower weight. There are three shafts: a mainshaft, a countershaft, and an idler shaft.

The mainshaft extends outside the case in both directions: the input shaft towards the engine, and the output shaft towards the rear axle (on rear wheel drive cars). The shaft is suspended by the main bearings, and is split towards the input end. At the point of the split, a pilot bearing holds the shafts together. The gears and clutches ride on the mainshaft, the gears being free to turn relative to the mainshaft except when engaged by the clutches.

Automobile includes manual, automatic or semi-automatic transmission.

[edit] Manual

Main article: manual transmission

Manual transmission come in two basic types:

• a simple but rugged sliding-mesh or unsynchronized / non-synchronous system, where straight-cut spur gear sets are spinning freely, and must be synchronized by the operator matching engine revs to road speed, to avoid noisy and damaging "gear clash",
• and the now common constant-mesh gearboxes which can include non-synchronised, or synchronized / synchromesh systems, where diagonal cut helical (and sometimes double-helical) gear sets are constantly "meshed" together, and a dog clutch is used for changing gears. On synchromesh 'boxes, friction cones or "synchro-rings" are used in addition to the dog clutch.

The former type is commonly found in many forms of racing cars, older heavy-duty trucks, and some agricultural equipment.

Manual transmissions dominate the car market outside of North America. They are cheaper, lighter, usually give better performance, and fuel efficiency (although the latest sophisticated automatic transmissions may yield results slightly closer to the ones yielded by manual transmissions). It is customary for new drivers to learn, and be tested, on a car with a manual gear change. In Japan, Philippines, Germany, the Netherlands, Austria, the UK ^{[1] [2]}, Ireland^[3], Sweden, France, Australia, Finland, Lithuania and Israel, a test pass using an automatic car does not entitle the driver to use a manual car on the public road; a test with a manual car is required.^{[citation needed]} Manual transmissions are much more common than automatic transmissions in Asia, Africa, South America and Europe.

[edit] Non-synchronous

Main article: Non-synchronous transmissions

There are commercial applications engineered with designs taking into account that the gear shifting will be done by an experienced operator. They are a manual transmission, but are known as non-synchronized transmissions. Dependent on country of operation, many local, regional, and national laws govern the operation of these types of vehicles (see Commercial Driver's License). This class may include commercial, military, agricultural, or engineering vehicles. Some of these may use combinations of types for multi-purpose functions. An example would be a PTO, or power-take-off gear. The non-synchronous transmission type requires an understanding of gear range, torque, engine power, and multi-functional clutch and shifter functions. Also see Double-clutching, and Clutch-brake sections of the main article at non-synchronous transmissions.

[edit] Automatic

Main article: automatic transmission

Epicyclic gearing or planetary gearing as used in an automatic transmission.

Most modern North American, and many larger, high specification German cars have an automatic transmission that will select an appropriate gear ratio without any operator intervention. They primarily use hydraulics to select gears, depending on pressure exerted by fluid within the transmission assembly. Rather than using a clutch to engage the transmission, a fluid flywheel, or torque converter is placed in between the engine and transmission. It is possible for the driver to control the number of gears in use or select reverse, though precise control of which gear is in use may or may not possible.

Automatic transmissions are easy to use. In the past, automatic transmissions of this type have had a number of problems; they were complex and expensive, sometimes had reliability problems (which sometimes caused more expenses in repair), have often been less fuel-efficient than their manual counterparts (due to "slippage" in the torque converter), and their shift time was slower than a manual making them uncompetitive for racing. With the advancement of modern automatic transmissions this has changed.

Since their inception, automatic transmissions have been very popular in the United States, and some vehicles are not available with manual gearboxes anymore. In Europe automatic transmissions are gaining popularity as well.^{[citation needed]}

Attempts to improve the fuel efficiency of automatic transmissions include the use of torque converters which lock up beyond a certain speed, or in the higher gear ratios, eliminating power loss, and overdrive gears which automatically actuate above certain speeds; in older transmissions both technologies could sometimes become intrusive, when conditions are such that they repeatedly cut in and out as speed and such load factors as grade or wind vary slightly. Current computerized transmissions possess very complex programming to both maximize fuel efficiency and eliminate any intrusiveness.

For certain applications, the slippage inherent in automatic transmissions can be advantageous; for instance, in drag racing, the automatic transmission allows the car to be stopped with the engine at a high rpm (the "stall speed") to allow for a very quick launch when the brakes are released; in fact, a common modification is to increase the stall speed of the transmission. This is even more advantageous for turbocharged engines, where the turbocharger needs to be kept spinning at high rpm by a large flow of exhaust in order to keep the boost pressure up and eliminate the turbo lag that occurs when the engine is idling and the throttle is suddenly opened.

[edit] Semi-automatic

Main article: semi-automatic transmission

The creation of computer control also allowed for a sort of cross-breed transmission where the car handles manipulation of the clutch automatically, but the driver can still select the gear manually if desired. This is sometimes called "clutchless manual". Many of these transmissions allow the driver to give full control to the computer. They are generally designed using manual transmission "internals", and when used in passenger cars, have synchromesh operated helical constant mesh gear sets.

Specific type of this transmission includes: Easytronic, Geartronic, and Direct-Shift Gearbox.

There are also sequential transmissions which use the rotation of a drum to switch gears. [1]

[edit] Bicycle gearing

Main articles: bicycle gearing, derailleur gears, and hub gear

Bicycles usually have a system for selecting different gear ratios. There are two main types: derailleur gears and hub gears. The derailleur type is the most common, and the most visible, using sprocket gears. Typically there are several gears available on the rear sprocket assembly, attached to the rear wheel. A few more sprockets are usually added to the front assembly as well. Multiplying the number of sprocket gears in front by the number to the rear gives the number of gear ratios, often called "speeds".

Hub gears use epicyclic gearing and are enclosed within the axle of the rear wheel. Because of the small space, they typically offer fewer different speeds, although at least one[2] has reached 14 gear ratios.^{[citations needed]}

[edit] Uncommon types

[edit] Continuously variable

Main article: Continuously variable transmission

The Continuously Variable Transmission (CVT) is a transmission in which the ratio of the rotational speeds of two shafts, as the input shaft and output shaft of a vehicle or other machine, can be varied continuously within a given range, providing an infinite number of possible ratios.

The continuously variable transmission (CVT) should not be confused with the Infinitely Variable Transmission (IVT) (See below). Generally, the usage of the term 'CVT' is not used for infinitely variable transmissions because most CVT's are not IVT's.

The other mechanical transmissions described above only allow a few different gear ratios to be selected, but this type of transmission essentially has an infinite number of ratios available within a finite range. The continuously variable transmission allows the relationship between the speed of the engine and the speed of the wheels to be selected within a continuous range. This can provide even better fuel economy if the engine is constantly running at a single speed. However, this may be somewhat disconcerting to drivers, who are accustomed to hearing and feeling the rise and fall in speed of an engine, and the jerk felt when changing gears. Changes to software in a computer control system can simulate these effects, however.

[edit] Infinitely variable

The IVT is a specific type of CVT that has an infinite range of input/output ratios in addition to its infinite number of possible ratios; this qualification for the IVT implies that its range of ratios includes a zero output/input ratio that can be continuously approached from a defined 'higher' ratio. A zero output implies an infinite input, which can be continuously approached from a given finite input value with an IVT. [Note: remember that so-called 'low' gears are a reference to low ratios of output/input, which have high input/output ratios that are taken to the extreme with IVT's, resulting in a 'neutral', or non-driving 'low' gear limit.]

Most (if not all) IVT's result from the combination of a CVT with an epicyclic gear system (which is also known as a planetary gear system) that facilitates the subtraction of one speed from another speed within the set of input and planetary gear rotations. This subtraction only needs to result in a continuous range of values that includes a zero output; the maximum output/input ratio can be arbitrarily chosen from infinite practical possibilities through selection of extraneous input or output gear, pulley or sprocket sizes without affecting the zero output or the continuity of the whole system. Importantly, the IVT is distinguished as being 'infinite' in its ratio of high gear to low gear within its range; high gear is infinite times higher than low gear. The IVT is always engaged, even during its zero output adjustment.

The term 'infinitely variable transmission' does not imply reverse direction, disengagement, automatic operation, or any other quality except ratio selectabilty within a continuous range of input/output ratios from a defined minimum to an undefined, 'infinite' maximum. This means continuous range from a defined output/input to zero output/input ratio.

[edit] Electric variable

The Electric Variable Transmission(EVT) is a transmission that achieves CVT action and in addition can use separate power inputs to produce one output. An EVT usually is executed in design with an epicyclic differential gear system (which is also known as a planetary gear system). The epicyclic differential gearing performs a "power-split" function, directly connecting a portion of the mechanical power directly through the transmission and splitting off a portion for subsequent conversion to electrical power via a motor/generator. Hence, the EVT is called a Power Split Transmission (PST) by some.

The directly connected portion of the power travelling through the EVT is referred to as the "mechanical path". The remaining power travels down the EVT's "electrical path". That power may be recombined at the output of the transmission or stored for later, more opportune use via a second motor/generator (and energy storage device) connected to the transmission output.

The pair of motor/generators forms an Electric Transmission in its own right, but at a lower capacity, than the EVT it is contained within. Generally the Electric Transmission capacity within the EVT is a quarter to a half of the capacity of the EVT. Good reasons to use an EVT instead of an equivalently-sized Electrical transmission is that the mechanical path of the EVT is more compact and efficient than the electrical path.

The EVT is the essential method for transmitting power in some hybrid vehicles, enabling an Internal Combustion Engine (ICE) to be used in conjunction with motor/generators for vehicle propulsion, and having the ability to control the portion of the mechanical power used directly for propelling the vehicle and the portion of mechanical power that is converted to electric power and recombined to drive the vehicle.

The EVT and power sources are controlled to provide a balance between the power sources that increases vehicle fuel economy while providing advantageous performance when needed. The EVT may also be used to provide electrically generated power to charge large storage batteries for subsequent electric motor propulsion as needed, or to convert vehicle kinetic energy to electricity through 'regenerative braking' during deceleration. Various configurations of power generation, usage and balance can be implemented with a EVT, enabling great flexibility in propelling hybrid vehicles.

The Toyota single mode hybrid and General Motor 2 Mode hybrid are production systems that use EVTs. The Toyota system is in the Prius, Highlander, and Lexus RX400h and GS450h models. The GM system is the Allison Bus hybrid powertrains and are in the Tahoe and Yukon models. The Toyota system uses one power-split epicyclic differential gearing system over all driving conditions and is sized with an electrical path rated at approximately half the capacity of the EVT. The GM system uses two different EVT ranges: one designed for lower speeds with greater mechnical advantage, and one designed for higher speeds, and the electrical path is rated at approximately a quarter of the capacity of the EVT. Other arrangements are possible and applications of EVT's are growing rapidly in number and variety.

EVT's are capable of continuously modulating output/input speed ratios like mechanical CVT's, but offer the distinct difference and benefit of being able to also apportion power from two different sources to one output.

[edit] Hydrostatic

Hydrostatic transmissions transmit all power hydraulically, using the components of hydraulic machinery. There is no solid coupling of the input and output. One half of the transmission is a hydraulic pump and the other half is a hydraulic motor, or hydraulic cylinder. Hydrostatic drive systems are used on excavators, lawn tractors, forklifts, winch drive systems, heavy lift equipment, agricultural machinery, etc.

Hydraulic drive systems can be used as an extra transmission between motor and f.i. wheels.

[edit] Hydrodynamic

If the hydraulic pump and/or hydraulic motor are not hydrostatic, but hydrodynamic, then the transmission can be called hydrodynamic. The pump and motor can consist of rotating vanes without seals. The pump and motor can be placed in close proximity. The transmission ratio can be made to vary by means of additional rotating vanes, an effect similar to varying the pitch of an airplane propeller.

The torque converter in most American cars is a hydrodynamic transmission, placed ahead of the automatic transmission.

It was possible to drive the Dynaflow transmission without shifting the mechanical gears.

Hydrodynamic transmissions tend to be inefficient due to energy losses in the fluid.

[edit] Electric

Electric transmissions convert the mechanical power of the engine(s) to electricity with electric generators and convert it back to mechanical power with electric motors. Electrical or electronic adjustable-speed drive control systems are used to control the speed and torque of the motors. If the generators are driven by turbines, such arrangements are called turbo-electric. Likewise installations powered by diesel-engines are called diesel-electric. Diesel-electric arrangements are used on many railway locomotives.

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Getriebe mit vier Gliedern: Antriebsritzel u.re., Zwischenrad li. und Abtriebsrad o.re., sowie Gestell / Rahmen

Getriebe sind bewegliche Verbindungen von Teilen zum Übertragen und Umwandeln von Drehzahlen oder Drehmomenten oder zum Führen von Teilen auf einer Bahn.

Getriebe sind meist mechanische Vorrichtungen zum Übertragen und Wandeln von Drehbewegungen, Drehrichtungen und Drehmomenten. Der bekannteste Vertreter ist das Fahrzeuggetriebe. Für andere Bauarten wird meist der Begriff Mechanismus oder Räderwerk benutzt. Ein Mechanismus ist meist ein Zusammenspiel von Zahnrädern. In Anlehnung an VDI-Richtlinie 2127: Getriebe dienen zur Übertragung und Umformung (Übersetzung) von Bewegungen, Energie und/oder Kräften.
Sie bestehen aus mindestens drei Gliedern, von denen eines das Gestell bildet.

Getriebe mit gleichmäßiger Übersetzung (für Drehbewegung) [Bearbeiten]

Der Einsatz dieser Form von Getrieben erfolgt hauptsächlich

• zur Wandlung der Drehzahl
• zur Wandlung des Drehmoments

Das Getriebe wird meist zwischen dem Antriebsaggregat (Motor) und dem zu treibenden Maschinenteil mittels Kupplungen eingebunden. Getriebe werden nach verschiedenen Kriterien unterteilt:

Nach Bauart [Bearbeiten]

• Feste Getriebe - Drehzahlverhältnis und Drehmomentwandlung sind nicht veränderbar
• Verstellgetriebe können in gestufte und stufenlose Getriebe unterteilt werden.
  • Schaltgetriebe: Drehzahl und Drehmoment können abgestuft geschaltet werden. Die Funktion kann auch in einer Drehrichtungsumkehr in Form eines Rückwärtsganges liegen. (Typ. Verwendung in Kraftfahrzeugen.)
    • Zugmittelgetriebe, siehe Continuously variable transmission (CVT)
      • Kettengetriebe
      • Schubkettengetriebe mit Schubgliederband
  • Reibgetriebe
    • Wälzkörpergetriebe
    • Zugmittelgetriebe, siehe Continuously variable transmission (CVT)
      • Riemengetriebe (Flachriemen, Keilriemen)
  • Automatisches Getriebe: siehe Fahrzeuggetriebe
• Leistungsteilungsgetriebe: beispielsweise Differentialgetriebe

Nach der Art der Kraftübertragung [Bearbeiten]

Mechanische Getriebe [Bearbeiten]

Formschlüssige Getriebe [Bearbeiten]

1. Getriebe mit Zahnrädern
   1. Stirnradgetriebe: Eingangs- und Ausgangswelle sind parallel.
   2. Planetengetriebe: An- und Abtriebswelle sind koaxial. Um das Innenrad kreisen Planetenräder, die ihrerseits wieder in ein Außenrad eingreifen. Sonderform der Stirnradgetriebe (zum Beispiel in der Nabenschaltung von Fahrrädern).
   3. Kegelradgetriebe: An- und Abtriebswelle sind nicht parallel (meist 90°) angeordnet. Die äußere Form der Zahnräder (Hüllkurve) entspricht Kegeln, deren Mittelachsen sich schneiden.
   4. Kronenradgetriebe: Verwendung und Bauform wie Kegelradgetriebe; allerdings ist das Ritzel als Stirnrad ausgeführt, und das Gegenrad hat die Form einer Krone mit der Verzahnung an der Radseite. Daher nennt man es Kronenrad.
   5. Schraubenradgetriebe: Wellen kreuzen sich. Die Wellenachsen sind windschief, haben also keinen Schnittpunkt.
   6. Ausgleichsgetriebe (auch Differentialgetriebe): Spezialgetriebe, das vor allem im Kraftfahrzeugbau eingesetzt wird.
   7. Schieberadgetriebe: Bei Schieberadgetrieben werden die verschiedenen Übersetzungsstufen durch axiales Verschieben eines Räderblocks auf einer Getriebewelle hergestellt.
   8. Harmonic-Drive-Getriebe (auch Taumelradgetriebe): es fällt unter die sogenannten Umlaufgetriebe. Beim Harmonic-Drive-Getriebe wird das Antriebselement durch einen elliptischen Kurvenkörper permanent verformt. Das Untersetzungsverhältnis von HD-Getrieben ist systembedingt hoch. Es wird unter anderem bei Robotern, Geräten und Maschinen, auch in Luft- und Raumfahrt eingesetzt, wenn dort eine Drehzahl stark reduziert oder ein Moment stark erhöht werden muss. Aus Aufbau und Wirkart ergibt sich eine nahezu spielfreie Verzahnung.
2. Cyclo-Drive-Getriebe
3. Schneckengetriebe
4. Kettengetriebe (siehe auch Antriebskette und Kettenarten)
5. Zahnriementrieb

Kraftschlüssige Getriebe [Bearbeiten]

Hauptartikel: Reibgetriebe

1. Riemengetriebe (hierzu werden auch kraftschlüssige Kettengetriebe gezählt)
2. Kegelringgetriebe: An- und Abtriebswelle sind in Form von Kegeln dargestellt, die über einen stufenlos verstellbaren Ring eine (nahezu) beliebige Übersetzung ermöglichen.
3. Wälzkörpergetriebe (auch: Reibradgetriebe)
4. Rollringgetriebe

Hydraulische Getriebe [Bearbeiten]

Bei hydraulischen Getrieben (siehe Strömungsgetriebe) sind An- und Abtriebsseite nicht mechanisch miteinander verbunden (kraftschlüssiges Getriebe). Die Antriebsseite setzt eine Flüssigkeit im Inneren in Bewegung, die die Abtriebsseite antreibt. Es wird zwischen hydrostatischen und hydrodynamischen Getrieben unterschieden.

Pneumatische Getriebe [Bearbeiten]

Pneumatische Getriebe sind nicht bekannt, jedoch werden Pneumatik-Motoren (linear oder drehend) häufig als Antrieb für Getriebe und Mechanismen verwendet.

Bekannt sind Elektro-Pneumatische Getriebe. Eine Steuerelektronik steuert über elektrisch schaltbare Ventile die Druckluft für Pneumatikzylinder an. Somit wird das Getriebe elektropneumatisch geschaltet.

Man könnte die Turbinenantriebe von Zahnarztbohrern als pneumatische Getriebe bezeichnen. Ein niedrig drehender Kompressor komprimiert Luft, die dann im Handstück des Zahnarztes eine hochdrehende winzige Turbinenwelle in Bewegung setzt.

Elektrische und elektronische Getriebe [Bearbeiten]

Das einfachste „elektrische Getriebe“ ist ein Generator (Antrieb), der mit einer bestimmten Drehzahl angetrieben wird, und einen daran angeschlossenem Elektromotor (Abtrieb), der, von diesem gespeist, mit einer anderen Drehzahl dreht.

Über die Feldsteuerung des Generators kann die elektrische Spannung und somit die Drehzahl des Motors (Abtriebes) variiert werden. Eine solche Anordnung nennt man Leonardsatz, wenn zum Antrieb des Generators ein Elektromotor verwendet wird. Dient zum Antrieb ein Dieselmotor, liegt ein sogenannter dieselelektrischer Antrieb vor. Solche Antriebe werden in Dieselloks und Schiffen verwendet; der Dieselmotor kann nun immer mit optimaler Drehzahl arbeiten, der Abtrieb kann ab Drehzahl null das volle Drehmoment liefern. Der Abtrieb kann auf mehrere Räder oder Schiffsschrauben verteilt werden und diese ggf. mit unterschiedlichen Drehzahlen und Momenten antreiben.
Beispielsweise in Schiffen werden auch Gasturbinen als Antriebsmaschinen eingesetzt.
Diesel- und Ottomotoren werden in Hybridfahrzeugen verwendet.
Fast jeder elektrische Hybridantrieb verfügt über Funktionen eines elektrischen Getriebes, teilweise mit anschließender Leistungsverzweigung über mechanische Systeme (Differentialgetriebe) oder zunehmend elektrisch (Einzelradantrieb). Im Hybrid Synergy Drive wird eine Leistungsverzweigung zur Reduzierung der Leistungsübertragung über das elektrische Getriebe integriert um Verluste und Dimensionierung zu minimieren.

Ein derartiges elektrisches Getriebe war Anfang der 1990er Jahre auch der serielle Hybridantrieb der FICHTEL & SACHS AG: ein Verbrennungsmotor treibt einen Generator für elektrischen Strom, der erzeugte elektrische Strom wird anschließend über einen Umrichter an zwei Elektromotoren (Tandem-Motoren) an den Rädern geliefert.

Ein Magnetisch-Elektrischer Getriebe-Automat (MEGA) integriert in einem Gehäuse die elektronische Leistungssteuerung, Antriebsrotor, Abtriebsrotor und einen verschiebbaren gemeinsamen Stator. Durch Veränderung der wirksamen Windungszahlen während des Betriebs wird die Auslegung auf hohes Drehmoment oder hohe Drehzahl variiert. So wird ein Wirkungsgrad von 80 bis 90 Prozent über alle Übersetzungen von Null bis unendlich erreicht. Die Entwicklung zur Serienreife des MEGA erfordert noch Entwicklungen der Automobil-Zulieferer. Das Antriebskonzept mit dem von Volkswagen entwickelten Getriebe wird als Direkthybrid bezeichnet.^[1][2]

Es gibt auch Kopplungen von Synchrongenerator und Synchronmotor, bei denen keine Steuerung erforderlich ist. Diese erreichen insbesondere bei hohen Untersetzungen bessere Wirkungsgrade als mehrstufige mechanische Getriebe.

Der Begriff elektronisches Getriebe wird im übertragenen Sinne für eine elektronische Schaltung verwendet, die sowohl zur Drehzahl- als auch zur Drehmomentsteuerung dienen kann. Dabei werden nur die Motoren (Abtrieb) gesteuert. Verwendet wird dazu beispielsweise ein Frequenzumrichter oder ein Brückenverstärker. Der Antrieb des „Getriebes“ ist ein Drehgeber, der aus der Drehbewegung elektrische Steuersignale erzeugt.
Sind auch die Motoren mit Drehgebern (Winkelaufnehmer, Inkrementalgeber) ausgestattet, sind exakte Übersetzungsverhältnisse erreichbar. Solche Getriebe werden z. B. zur Drehung von Antennen (Antennenrotor zur Peilung oder bei Funkamateuren, Radar-Antennen) oder als „elektronische Welle“ in Manipulatoren und Flugzeugen (fly-by-wire) eingesetzt.

Nach Bauform [Bearbeiten]

Offene Bauform [Bearbeiten]

Offene Bauform bedeutet, dass die Elemente des Getriebes frei zugänglich sind. Häufig werden sie jedoch aus sicherheitstechnischen Gründen verkleidet. Beispiele: Riemengetriebe (früher auch Transmission genannt)

Geschlossene Gehäuse [Bearbeiten]

Schnittmodell eines Autogetriebes

Bei geschlossenen Getrieben kommt kein Sand bzw. Staub in das Getriebe, was wichtig für einen geringen Verschleiß ist. Die Schmierung erfolgt über Fett oder einen geschlossenen Ölkreislauf. Das Gehäuse dient auch dem Lärmschutz und der Sicherheit. Beispiele: Kraftfahrzeuggetriebe, Differentialgetriebe

Getriebe mit einer ungleichmäßigen Übersetzung [Bearbeiten]

Zur Berücksichtigung der Positionsabhängigkeit der Übersetzung von der jeweiligen Position des Antriebes benutzt man die Übertragungsfunktion. Diese zeichnet die Position des Abtriebes über der Position des Antriebes auf.

Kurvengetriebe [Bearbeiten]

Kurvengetriebe mit Nutführung

Als Kurvengetriebe werden Mechanismen bezeichnet, bei denen die Form einer bewegten Kurve von einem Abtaster abgegriffen und an andere Getriebeelemente (rotatorische oder translatorische) weitergeleitet wird. Die Abtastung erfolgt meist einseitig, das heißt, der Abtaster läuft auf der Kurve, an die er gedrückt wird, aber bei zu großen abhebenden Kräften kann er auch von der Kurve abheben. Um das zu vermeiden, wurden verschiedene Lösungen zur Zwangsführung der Abtaster entwickelt.

Kurvenkörper können ihre Kurve durch Rotation oder Längsverschiebung auf den Abtaster übertragen. Oft werden Kurvenkörper eingesetzt, die nur als Kreissegment ausgebildet sind und zum Zweck der Abtastung darum hin und her schwingen, entsprechend der Hin- und Herbewegung ebener Kurvenkörper.

Kurvengetriebe werden sehr häufig in der Automation eingesetzt, um Schalter zu bedienen, oder um komplizierte Bewegungsabläufe auszuführen. Am geläufigsten ist der Einsatz in Verbrennungsmotoren, wo Kurvengetriebe (Nockenwelle) das Öffnen und Schließen der Ventile steuern. Von dort ist auch das Problem des Abhebens des Abtasters bekannt (Ventilflattern).

Die Synthese von Kurvengetrieben geht meistens einher mit der Synthese von Koppelgetrieben, die üblicherweise die abgetasteten Bewegungen weiterleiten und umformen. Es gibt spezielle Kurvenformen zur Optimierung des Abtastverhaltens:

• Geschwindigkeitsoptimal
• Beschleunigungsoptimal
• Kraftoptimal
• Geräuschminimierend

u. a. Dazu werden im allgemeinen entsprechend geneigte Sinoiden verwendet.

Koppelgetriebe [Bearbeiten]

Koppelgetriebe

Hauptartikel: Koppelgetriebe

Kurbeltrieb [Bearbeiten]

In die Gruppe der Koppelgetriebe gehört u. a. auch der Kurbeltrieb. Es setzt eine rotatorische (drehende) Bewegung in eine translatorische (geradlinige) Bewegung um oder umgekehrt. Anwendung findet er beispielsweise an Dampfmaschinen oder im Kolbenmotor. (siehe auch Kurbelwelle)

Schrittgetriebe [Bearbeiten]

Schrittgetriebe setzen eine kontinuierliche Drehbewegung in eine intermittierende, schrittweise Drehbewegung um. Zwischen den einzelnen Schritten erfolgt eine Pause, bis der nächste Schritt beginnt. Schrittgetriebe können mit fast jeder Getriebeart realisiert werden.

Schrittgetriebe werden verwendet, um kontinuierliche Bewegungen in schrittweise Bewegungen mit momentaner oder zeitlicher Rast sowie auch mit Pilgerschritt (kurze Rückwärtsbewegung) umzuformen. Schrittgetriebe können u. a. durch Rädergetriebe, Räderkoppelgetriebe oder Koppelgetriebe, aber auch durch Kurvengetriebe und Getriebesonderbauformen realisiert werden.

Die bekannteste Bauform von Schrittantrieben ist das Malteserkreuzgetriebe, bei dem das bestimmende Getriebeteil (je nach Ausprägung) die Form eines Malteserkreuzes annehmen kann. Sie wurden beispielsweise in Filmprojektoren und -kameras eingesetzt, um die schrittweise Bewegung des Filmmaterials auszuführen, sind darüber hinaus aber wenig verbreitet.

Ordnung nach Hauptbestandteilen [Bearbeiten]

• Zahnradgetriebe
• Schraubengetriebe
• Reibradgetriebe
• Zugmittelgetriebe (Riemengetriebe und Kettengetriebe)
• Druckmittelgetriebe (Hydraulikgetriebe und Pneumatikgetriebe)
• Koppelgetriebe
• Keilschubgetriebe
• Kurvengetriebe

Begriffsdefinitionen [Bearbeiten]

• Die Abtriebswelle führt die Leistung aus dem Getriebe heraus.
• Bei der Antriebsdrehzahl unterscheidet man zwischen der Drehzahl im Fall der belasteten und der unbelasteten Antriebswelle.
• Für die Abtriebsdrehzahl gilt das gleiche wie bei der Antriebsdrehzahl.
• Die Übersetzung ist bei Getrieben das Verhältnis zwischen Antriebsdrehzahl und Abtriebsdrehzahl. Auch hier unterscheidet man zwischen belastetem und unbelastetem Getriebe.
• Die Nennleistung ist die auf der An- oder Abtriebswelle bezogene Leistung, auf die das Getriebe ausgelegt ist. Betriebsfaktoren werden dabei nicht berücksichtigt.
• Die Betriebsfaktoren K oder C_B sind Werte, die zur Berücksichtigung von Stößen, Anfahrhäufigkeiten, Staub, Betriebsdauerintervallen, Temperatureinflüssen usw. dienen.
• Multipliziert man die Nennleistung mit den Betriebsfaktoren, so erhält man die Bemessungsleistung.
• Der Wirkungsgrad η eines Getriebes ergibt sich aus dem Verhältnis der Abtriebsleistung zur Antriebsleistung.
• Der Stellbereich R oder S_V ist das Verhältnis der maximalen zur minimalen Übersetzung.
• Die Übertragungssicherheit beschreibt die Präzision der Bewegungsübertragung in einem Getriebe.

Redewendung „Sand im Getriebe“ [Bearbeiten]

„Besser ohne Sand“

Aufgrund der Funktion eines Getriebes gibt es den umgangssprachlichen Ausdruck Sand im Getriebe, wenn etwas schleppend oder nur gestört funktioniert. Sand im Getriebe sorgt für erhöhten Verschleiß, kann ein Getriebe auch blockieren oder unrunden Lauf verursachen. Ihren Ursprung mag die Redewendung im Rennsport sowie bei anderen Wettbewerben haben, wie sie beispielsweise bei Ausschreibungen erfolgen. Dabei soll es mitunter vorkommen, dass tatsächlich Sand nebst anderen Sabotagemaßnahmen in Getriebe und Motoren eingebracht wird, um damit den Konkurrenten Nachteile zu verschaffen. Auch waren und sind nicht alle Getriebe dicht gekapselt, wodurch Sand und Schmutz ins Getriebe gelangen kann, wie beim Fahrrad, landwirtschaftlichen Maschinen oder einem Betonmischer.

歡迎來到Bewise Inc.的世界，首先恭喜您來到這接受新的資訊讓產業更有競爭力，我們是提供專業刀具製造商，應對客戶高品質的刀具需求，我們可以協助客戶滿足您對產業的不同要求，我們有能力達到非常卓越的客戶需求品質，這是現有相關技術無法比擬的，我們成功的滿足了各行各業的要求，包括：精密HSS DIN切削刀具、協助客戶設計刀具流程、DIN or JIS 鎢鋼切削刀具設計、NAS986 NAS965 NAS897 NAS937orNAS907 航太切削刀具,NAS航太刀具設計、超高硬度的切削刀具、醫療配件刀具設計、汽車業刀具設計、電子產業鑽石刀具、木工產業鑽石刀具等等。我們的產品涵蓋了從民生刀具到工業級的刀具設計；從微細刀具到大型刀具；從小型生產到大型量產；全自動整合；我們的技術可提供您連續生產的效能，我們整體的服務及卓越的技術，恭迎您親自體驗！！

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Základem je transmisní hřídel, která obvykle prochází ze strojovny do provozů s poháněnými stroji. Hřídel může být vedena u stropu, na podlaze, nebo pod podlahou. Na hřídeli jsou umístěny řemenice, přes něž jsou řemeny poháněny jednotlivé stroje.

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（５）超高硬度エンド・ミル

（６）ダイヤモンド・エンド・ミル

（７）医療用品エンド・ミル設計

（８）自動車部品＆材料加工向けエンド・ミル設計

弊社の製品の供給調達機能は：

（１）生活産業～ハイテク工業までのエンド・ミル設計

（２）ミクロ・エンド・ミル～大型エンド・ミル供給

（３）小Ｌｏｔ生産～大量発注対応供給

（４）オートメーション整備調達

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弊社の全般供給体制及び技術自慢の総合専門製造メーカーに貴方のご体験を御待ちしております。

BW специализируется в научных исследованиях и разработках, и снабжаем самым высокотехнологичным карбидовым материалом для поставки режущих / фрезеровочных инструментов для почвы, воздушного пространства и электронной индустрии. В нашу основную продукцию входит твердый карбид / быстрорежущая сталь, а также двигатели, микроэлектрические дрели, IC картонорезальные машины, фрезы для гравирования, режущие пилы, фрезеры-расширители, фрезеры-расширители с резцом, дрели, резаки форм для шлицевого вала / звездочки роликовой цепи, и специальные нано инструменты. Пожалуйста, посетите сайт www.tool-tool.com для получения большей информации.

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自動變速器中採用的行星齒輪機構

變速器（Transmission）是進行機械動力轉換的機械或液壓設備。通常它將動力源（內燃機或電動機）產生的高轉速、低扭矩的機械動力轉換成更為有效的低轉速和高扭矩的動力，以驅動機械裝置。特殊的變速器也可能作提高轉速，降低扭矩的轉換。

[編輯] 概述

變速器是內燃機驅動的汽車必須的組成部分。汽車上安裝的變速器通常有多個不同的轉速/扭矩轉換比，通常稱為「檔位」或「檔」，以適應不同的行駛速度下對轉速扭矩組合的不同要求。起步時需要低轉速、高扭矩；而高速行駛時則需要高轉速、低扭矩。一般來說，需要人工手動操作變換檔位的變速器稱為「手動變速器」或「手動檔」，由機械操作自動變換檔位的的變速器稱為「自動變速器」或「自動檔」。近來還出現了可以連續調節轉速/扭矩轉換比的無級變速器。這也屬於自動變速器的一種。

[編輯] 種類

至今，隨著科技不斷進步，相關的形式也越來越多樣化。基本上，可依據操作方式分為「自動」與「手動」兩大類。

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Normalvektor till ett n-dimensionellt plan i en m-dimensionell rymd kallas en m-dimensionell vektor som är ortogonal (vinkelrät) mot samtliga vektorer i planet ifråga.

Normalvektorn är mycket användbar om/när man vill projicera en punkt utanför planet på planet eller spegla punkten i planet.

För allmännare (släta) ytor definieras först till varje punkt ett tangentrum, bestående av alla vektorer som är tangentiella till ytan. Sedan är normalvektorerna till ytan i denna punkt de vektorer som är ortogonala mot tangentrummet.

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