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5. DKG: Doppel kupplung getriebe

5.1. Introduction

La nouvelle boite de vitesses DKG équipant (en option) la BMW Z4 est une révolution et à la pointe de la technologie dans le domaine de la transmission automobile. En effet, cette boite de vitesses est à la fois la plus sportive et dynamique du marché tout en restant l’une des plus confortables.

Il s’agit d’une boîte de vitesses manuelle avec double embrayage à commande hydraulique.  Le groupe électronique DKG est le responsable de la commande (sélection des vitesses et position des deux embrayages) et le groupe hydraulique DKG est le responsable de l'exécution (passage des vitesses et ouverture/fermeture des deux embrayages). Ils sont regroupés dans un module mécatronique qui est intégré dans la boîte de vitesses. Cette boîte de vitesses à double embrayage possède un système de lubrification pour tous les composants importants ainsi que d’un verrou parking automatique. La boîte de vitesses est également munie d’un circuit de refroidissement particulier afin de refroidir l’huile qui y circule.

Cette boîte de vitesses présente deux modes de fonctionnement au choix, soit un mode automatique et alors on conduit la voiture comme une voiture munie d’une boîte automatique classique ou bien un mode manuel et alors là on passe les vitesses de manière séquentielle via les palettes au volant ou encore via le sélecteur de vitesse même. 

Mais la grande particularité de cette boîte de vitesses ne provient pas du fait que l’on peut choisir entre automatique et manuel mais bien du fait qu’il n’y ait aucune interruption dans la transmission de la force motrice lors des changements de rapports (explication par la suite).

Il y a plusieurs programmes de fonctionnement possible du plus confortable au plus sportif. Pour cela il suffit de choisir le programme via l’ordinateur de bord. Un programme plutôt sportif aura tendance à passer ses rapports plus rapidement et plus haut dans les tours. Au contraire un programme plutôt confort passera les vitesses plus calmement et à un régime plus bas.

5.2. Principe de fonctionnement

La boîte de vitesses à double embrayage DKG est constituée de deux demi boîtes comprenant chacune son propre embrayage (c’est comme si on avait deux boites distinctes dans une). L’embrayage 1 travaille avec la demi-boîte 1 et l’embrayage 2 travaille avec la demi-boîte 2.

Dans la demi- boîte de vitesses 1 se trouvent les rapports de vitesses impaires (1, 3, 5, 7, Ar) et dans la demi-boîte de vitesses 2 se trouvent les rapports de vitesses paires (2, 4, 6).

Ce qui veut dire que, quelque soit le rapport engagé, le rapport suivant se trouve toujours dans l'autre demi-boîte de vitesses, que ce soit pour monter ou descendre de rapports.  Exemple : si on roule en 2ème vitesse le rapport suivant qu’il soit supérieur ou inférieur,  c’est-à-dire 3ème ou 1ère vitesse, se trouve obligatoirement dans l’autre demi-boîte de vitesses.

C’est grâce à cette disposition particulière des vitesses que se base le principe de fonctionnement de la DKG. En effet, lorsqu’on accélère dans  un certain rapport de vitesse, le rapport suivant (se trouvant dans l’autre demi-boite) est déjà synchronisé mais pas encore actif car son embrayage reste ouvert.  Au cours du changement de rapport, un pilotage ciblé (ouverture et fermeture simultanée) des embrayages permet de transférer très rapidement le couple moteur d’une des demi-boîte de vitesses à l’autre demi-boîte de vitesses sans  aucune interruption dans la transmission. Exemple : lorsqu’on roule et qu’on accélère en 2ème vitesse qui se trouve dans la demi-boîte des vitesses paires (l’embrayage est fermé), la 3ème vitesse se trouvant dans la demi-boîte de vitesses impaires est déjà synchronisée  mais pas encore active car son embrayage est ouvert. Le changement de 2ème à 3ème vitesses a donc lieu lorsque l’embrayage de la demi-boîte de vitesses paire s’ouvre en même temps que l’embrayage de la demi-boîte de vitesses impaire se ferme.

On obtient ainsi des avantages considérables, aussi bien au niveau du couple moteur disponible que du confort de la commande ou encore dans la réduction de la consommation. 

Représentation simplifiée de la boîte de vitesses à double embrayage DKG

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5.3. Comparaison entre boîte de vitesses robotisée à double embrayage (DKG), boîte manuelle traditionnelle  et boîte robotisée à simple embrayage (SMG)

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Remarque : Le changement de rapports sans interruption du couple est flagrant sur la boite de vitesses à double embrayage.

On constate qu’avec une boite de vitesses DKG, le couple est toujours positif (en aucun moment il est nul contrairement aux autres types de boîtes). En effet, il y a toujours au moins un des deux embrayages qui transmet le couple moteur à l’essieu propulseur.

5.4. Composition de la boîte de vitesses à double embrayage DKG

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Transmission du couple

Le couple moteur est transmis par  l’arbre d'entrée central (1) aux deux embrayages humides 1 (2) et 2 (3) intégrés dans la boîte de vitesses.

L'embrayage 1 (2) transmet le couple sur l'arbre primaire 1 (5). L'embrayage 2 (3) transmet le couple sur l'arbre primaire 2 (4). Le couple est retransmis sur l'arbre de sortie (8) via l'arbre intermédiaire (6). Les 2 pignons de constante (7) sont toujours en prise, quel que soit le rapport engagé. L'arbre intermédiaire et l'arbre de sortie sont donc toujours en prise. Il y a à chaque fois un synchronisateur (9)  pour deux vitesses. Le 7ème rapport est le rapport direct. Le synchronisateur  relie l'arbre primaire 1 directement avec l'arbre de sortie. Le verrou de parking (10) est disposé directement sur l'arbre de sortie.

5.5. Chaine cinématique des vitesses

Position neutre

1ère vitesse

2ème vitesse

3ème vitesse

4ème vitesse

5ème vitesse

6ème vitesse

7ème vitesse

Marche arrière

5.6. Caractéristiques techniques de la boîte robotisée à double embrayage DKG.

- Démultiplication de la boîte de vitesses [:1]

1er rapport    :    4,780 

2ème rapport :    3.056

3ème rapport :    2,153

4ème rapport :    1,678

5ème rapport :    1,390

6ème rapport :    1,203

7ème rapport :    1,000

Marche AR    :     4,454

- Couple théorique maximal (Nm) : 520

- Régime maximal (tr/min)b         :  9000

- Poids à sec (kg)                     :   77

- Capacité d'huile (litres)            :  9

- Commande                            :  Electro hydraulique

5.7. Exemple de changement de rapport en images

Voyons ce qu’il se passe lors d’un changement de rapport entre la 1ère et la 2ème vitesse :

1ère étape :

On roule ici en 1ère vitesse, on peut observer que le synchronisateur de 1ère synchronise la 1ère vitesse, de même l’embrayage 1 travaillant avec les vitesses impaires est fermé. On voit aussi que l’embrayage 2 travaillant avec les vitesses paires est ouvert, il ne transmet donc aucun couple.

2ème étape :

La  2ème vitesse est déjà synchronisée pendant que l’on accélère avec la 1ère vitesse (sans représentation). Lors de cette 2ème étape, l'embrayage 2 commence à se fermer et l'embrayage 1 à s'ouvrir. La majeure partie du couple moteur passe toujours par l'embrayage 1. La pression dans l'embrayage 1 est toujours supérieure à la pression qui s'exerce dans l'embrayage 2.

3ème étape :

Lors de cette 3ème étape, le couple moteur  se répartit proportionnellement entre l'embrayage 1 et l’embrayage 2. Les embrayages 1 et 2 continuent à s’ouvrir et se fermer simultanément. A ce moment précis, les deux embrayages subissent la même pression ce qui veut dire qu’on roule sur 2 vitesses en même temps (1ère et 2ème). Ceci n’est pas perceptible lors de la conduite car cette étape dure un millième de seconde.

4ème étape :

Lors de la 4ème étape, la majorité du couple moteur passe par l'embrayage 2 qui se ferme de plus en plus, tandis que l'embrayage 1 s'ouvre davantage et transmet de moins en moins de couple. La pression de l'embrayage 2 est maintenant nettement supérieure à la pression qui diminue dans l'embrayage 1. A partir de maintenant on roule donc « plus » avec la 2ème vitesse qu’avec la 1ère.

5ème étape :

Lors de cette 5ème et dernière étape, le passage de la 1ère à la 2ème vitesse est terminé. L’embrayage 1 est complètement ouvert, il ne transmet donc plus aucun couple. Le synchronisateur de 1ère vitesse a désolidarisé la 1ère vitesse. On roule donc juste sur la 2ème vitesse. 

La même procédure s'applique au passage des rapports suivants.

Remarque : lorsqu’on rétrograde, c’est exactement le même procédé mais dans le sens inverse.

5.8. Composants de la boîte de vitesses robotisée à double embrayage DKG

1. Structure de boîte de vitesses

a. Structure externe

Le carter de la boîte de vitesses comporte trois éléments principaux :

- le carter de boîte de vitesses

- le carter intermédiaire 

- le couvercle de boîte de vitesses.

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b. Structure  interne

A l'intérieur de la boîte de vitesses à double embrayage, le couple moteur est transmis sur les vitesses 1/3/5/7 et Ar grâce à l'embrayage 1 à l'arbre primaire 1 et à la demi-boîte de vitesses 1.

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Pour les vitesses 2/4/6, le couple moteur est transmis grâce à l'embrayage 2 à l'arbre primaire 2 et à la demi-boîte de vitesses 2.

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Vue d’ensemble de la structure interne assemblée

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Remarques :

La pompe à huile est entrainée par un pignon se trouvant juste à coté du carter contenant les deux embrayages en entrée de boîte de vitesses. Il y au total 4 tiges de commande qui servent à engager les vitesses en bougeant les synchronisateurs. Ces tiges de commande sont déplacées par le distributeur hydraulique (module mécatronique). Chaque tige de commande pilote un synchronisateur. Il y a donc 4 synchronisateurs dans la boîte de vitesses DKG : un pour les vitesses 1/3, un pour les vitesses 2/Ar, un pour les vitesses 4/6 et un pour les vitesses 5/7. Les trois premières vitesses et la marche arrière (1, 2, 3, Ar) sont dotées de synchronisateurs double cône, tandis que les 4 derniers rapports (4, 5, 6, 7) sont synchronisées par des synchronisateurs simple cône.

2. Dispositif de verrouillage parking

Le dispositif de verrouillage parking est indispensable car il n’y a aucune liaison entre le moteur et les roues motrices quand le moteur est à l’arrêt (les 2 embrayages sont ouverts). L’activation et la désactivation du verrou de parking se commandent de manière hydraulique. Pour « verrouiller » la boîte de vitesses, un cliquet spécifique vient bloquer un pignon de verrouillage qui se trouve sur l’arbre de sortie.

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3. Module mécatronique

Le module mécatronique de la boîte de vitesses robotisée à double embrayage DKG se trouve directement sur la structure de boîte. Le module mécatronique se compose du circuit hydraulique et du circuit électronique de la boîte DKG.

Le circuit électronique de la boîte de vitesses DKG :

Les capteurs de position des tiges de commande (3) se trouvent directement sur le circuit électronique de la boîte DKG. Le capteur de position de tige de commande supérieure intègre en plus les capteurs de régime de rotation (4) des deux arbres primaires. Les capteurs du verrou parking (2) sont intégrés dans le deuxième capteur de position de tige de commande (3) en partant du bas.

Le circuit hydraulique de la boîte de vitesses DKG

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Le module mécatronique DKG au complet (électronique et hydraulique) avec  les tiges de commande

Les huit vitesses (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, Ar) sont actionnées à l’aide de quatre vérins hydrauliques qui déplacent les quatre tiges de commande. Les positions des tiges de commande sont détectées sans contact par les capteurs de tige de commande.

4. Les capteurs

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Voici la liste des capteurs qui se trouvent dans la boîte de vitesses et qui sont liés au circuit électronique DKG :

- capteurs de température (5) : il y en a deux pour le boîtier électronique de la DKG et un qui mesure la température de l’huile se trouvant dans les deux embrayages humides

- capteurs des pressions d’huile dans les deux embrayages (4)

- capteurs de régime de rotation avec détection du sens de rotation des deux arbres primaires (2,3)

- capteur régime d’entrée (1)

- capteurs de course linéaire (6) : ils servent à détecter la position exacte de chaque tige de commande. Il y a donc 4 capteurs, un  pour chaque tige de commande.

Remarque : lorsque l’on change de vitesse que ce soit en accélération ou en décélération, le module mécatronique, à l’aide des informations reçues par les capteurs, communique avec le DME (gestion électroniques du moteur) afin de réguler le couple moteur. Lors d’une accélération, quand on monte de rapport le DME va automatiquement réduire la charge moteur afin de diminuer le régime moteur pour permettre un passage de vitesse plus aisée. Au contraire lors d’un rétrogradage le DME va accroitre le régime. Grâce à l’intervention sur la charge, les changements de vitesses sont assistés par la gestion moteur DME. On peut imaginer cela comme une sorte de double débrayage.

5. Système de lubrification

a) Alimentation : pompe à huile

L’alimentation de la boîte de vitesses DKG est assurée par une pompe à engrenage qui est incorporée dans la dans la boîte de vitesses. La pompe à engrenage est actionnée à l’aide d’un pignon qui se trouve à l’entrée de la boîte de vitesse (voir schéma : vue d’ensemble de la structure interne assemblée). Le régime de rotation de la pompe à huile est donc directement lié au régime moteur.

La pression engendrée par la pompe est contrôlée par un régulateur en fonction des conditions de fonctionnement. Par mesure de sécurité il y a aussi une vanne de décharge qui se trouve à l’intérieur de la pompe même.

Pompe à huile de la boîte DKG

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La pression créée par la pompe sert à alimenter le circuit hydraulique de la boîte DKG qui a comme fonction de :

- commander les passages de vitesses et le déplacement des deux embrayages .

- refroidir les deux embrayages .

- lubrifier et refroidir tous les composants de la boîte de vitesses .

La plage normale d’utilisation utilise une  pression dans le circuit hydraulique qui va de 5 à 20 bars.

b) Lubrification par pulvérisation d’huile

La lubrification de tous les points importants de la boîte de vitesses DKG est assurée par une conduite d'huile dotée d’une multitude de gicleurs précis et spéciaux (pour voir la disposition de cette conduite, il faut se référer au schéma : vue d’ensemble de la structure interne assemblée).

c) Refroidissement

Le système de refroidissement de la boite de vitesses DKG se compose de deux parties : le refroidissement huile/liquide de refroidissement et le refroidissement huile/air.

Refroidissement huile/liquide de refroidissement:

Le circuit primaire de refroidissement de l'huile passe par l'échangeur thermique huile/liquide de refroidissement qui se situe sur le carter de la boîte de vitesses. Cet échangeur thermique se trouve sur le circuit de chauffage de l’habitacle.

Le liquide de refroidissement qui circule dans cet échangeur thermique provient des chambres de refroidissement se trouvant dans la culasse. Après être passé par l’échangeur thermique huile/liquide de refroidissement, le liquide de refroidissement se dirige vers l’échangeur thermique du chauffage d’habitacle en passant d’abord  par la pompe additionnel de liquide de refroidissement. Pour finir, le liquide de refroidissement est acheminé de l’échangeur thermique du chauffage d’habitacle vers le moteur pour atteindre son point de départ et ainsi de suite. 

La pompe additionnelle à liquide de refroidissement sert normalement à renforcer la puissance de chauffage pour l'habitacle (lorsque le moteur tourne à bas régime par exemple). Le circuit électronique de la boîte de vitesses DKG peut commander l'enclenchement de cette pompe additionnelle à liquide de refroidissement.

L'huile circule toujours directement de la boîte de vitesses dans l'échangeur thermique huile-liquide de refroidissement. On obtient ainsi un temps d'échauffement très court de l'huile de la boîte de vitesses (lorsque l’on démarre à froid par exemple). Dès que la température d'huile de boîte de vitesses atteint les 95°C en sortie de l'échangeur thermique huile/liquide de refroidissement, l'huile de la boîte de vitesses est également acheminée vers l'échangeur thermique huile/air via un thermostat d'huile.

Refroidissement huile/air

Le circuit de refroidissement huile/air est ouvert ou fermé selon la position d’un thermostat d’huile. Lorsque la température d’huile se trouve en dessous de 95° C, le thermostat d’huile est ouvert, l’huile circule à travers le thermostat pour retourner directement dans la boîte de vitesses DKG sans passer par le circuit de refroidissement huile/air.

Par contre quand la température de l’huile de boîte est égale ou supérieur à 95° C le thermostat se ferme et « force » alors l’huile de boîte à passer par le circuit de refroidissement huile/air.

L’huile traverse alors le circuit de refroidissement huile/air après être passée par le circuit de refroidissement huile/liquide pour terminer son cycle dans la boîte de vitesses DKG et ainsi de suite.

Thermostat d’huile en position ouvert (>95° C)

Thermostat d’huile en position fermé (<95° C)

Vue d’ensemble du circuit de refroidissement : huile/liquide de refroidissement et huile/air

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Remarque : si la température d’huile de boîte dépassait une valeur limite malgré tout le système de refroidissement, un programme de sécurité qui limite le couple et le régime serait activé afin de préserver la boîte de vitesses DKG.

6. Sélecteur de vitesses

Le sélecteur de vitesses sert comme son nom l’indique de sélectionner les vitesses. Comme je l’ai dit dans l’introduction on peut conduire la voiture soit en mode automatique soit en mode manuel. Le sélecteur de vitesses est géré par le boitier GWS qui communique via canal Bus avec le boitier électronique DKG.

Comment sélectionner les vitesses ou les modes de conduite ?

Position de base du sélecteur (pendant et après le démarrage).

Lorsqu’on soumet une légère impulsion sur la droite on active le mode automatique et dès qu’on accélère les vitesses passent toutes seules comme sur une boîte de vitesses automatique traditionnelle.

Si on réappuie sur le sélecteur vers la droite on active le mode séquentiel. On peut alors changer de vitesses soit en poussant (vitesse inférieure) ou tirant (vitesse supérieure) sur le sélecteur de vitesses soit en poussant (vitesse inférieure) ou tirant (vitesse supérieure) les palettes de sélections qui se situent à hauteur du volant.

Il y a aussi une position neutre (point mort) que l’on commande en poussant le sélecteur vers la gauche.

Pour la marche arrière il faut impérativement passer par la position neutre et pousser ensuite le sélecteur vers le coin supérieur gauche

Comment le boîtier de gestion du sélecteur de vitesse (GWS) détecte t-il la position du sélecteur ?

La position du levier sélecteur est détectée grâce à des capteurs Hall. Il y a 14 capteurs Hall au total, voici leurs disposition :

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