BAC PRO Conducteur Routier
Transport de Marchandises
POLE TRANSPORT Louis Armand Chambéry (73)
SÉANCE 10 :
LA BOITE DE
VITESSES
MANUELLE
Objectif de cette séance : développer les connaissances permettant de conduire rationnellement et en sécurité le véhicule, et d'en exploiter les caractéristiques techniques.
Le conducteur doit être capable d'exploiter les caractéristiques techniques du véhicule en toutes circonstances, et d'identifier les principaux composants et le fonctionnement de la boite de vitesses.
​​Le coin du prof'...
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de Synthèse
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1 - Emplacement et Rôles :
1.1 Emplacement :
La boite de vitesses ( BdV ) se situe entre l'embrayage et l'arbre de transmission
1.2 Rôles de la BdV :
La boite de vitesses a pour rôles :
• Multiplier le couple moteur au démarrage ( 1ère vitesse )
• Permettre au moteur de conserver son régime (le plus économique en combustible) quelle que soit la vitesse, la charge du véhicule et le profil de la route ( 2ème , 3ème, 4ème…)
• Supprimer la liaison du mouvement entre le moteur et les roues motrices (point mort )
• Inverser le sens du mouvement de l' arbre de transmission (marche arrière )
1.3 Fonction principale de la BdV :
Assurer le même effort au moteur quelque soit la situation…
2 - Boite de vitesses non synchronisée :
2.1 Description et Fonctionnement de la boite de vitesses non synchronisée :
Lorsque l'embrayage est en position embrayée, le mouvement du moteur entre dans la boite de vitesses par l'arbre primaire (1). Cet arbre est en quelque sorte le prolongement du vilebrequin à la sortie de l'embrayage.
Cet arbre primaire est relié à l'arbre intermédiaire (2) par 2 pignons appelés pignons d'entrainement (4). Lorsque l'arbre primaire est en mouvement, alors l'arbre intermédiaire est en mouvement lui aussi, juste son sens de rotation est inversé.
En manipulant le levier de vitesse, le conducteur agit sur les pignons de l'arbre secondaire (3). En effet, à l'aide du levier, il déplace le coulisseau (5) et les fourchettes (6) et ainsi, déplace l'un ou l'autre des pignons de l'arbre secondaire pour le rendre solidaire de l'un des pignons de l'arbre intermédiaire.
Lorsque les arbres intermédiaires et secondaires sont reliés par deux pignons, l'arbre secondaire entre en mouvement, entrainé par l'arbre intermédiaire.
L'arbre de transmission qui prolonge cet arbre secondaire entraine à son tour les roues motrices.
Les arbres intermédiaires et secondaires tournent en sens opposé et donc le sens de rotation de l'arbre secondaire devient identique à celui de l'arbre primaire.
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Une fois cet ajustement réalisé, lorsque le moteur tourne avec l'embrayage en position embrayé, alors le mouvement est transmis depuis le vilebrequin à l'arbre primaire, et de l'arbre primaire jusqu'à l'arbre secondaire en passant par l'arbre intermédiaire.
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L'ensemble de ce mécanisme de la boite de vitesse est enfermé dans un carter étanche (7) partiellement rempli d'huile pour favoriser le coulissement des pignons de l'arbre secondaire et leur accroche aux pignons de l'arbre intermédiaire. De plus cette huile contribue à la protection de l'ensemble des pignons contre l'usure et le grippage.
​
Cette huile a besoin d'être renouvelée occasionnellement, c'est pourquoi ce carter dispose d'un bouchon de vidange (8).
2.2 Principes de démultiplication :
En associant, par engrenage, 2 pignons de taille identique la vitesse de rotation des pignons sera identique.
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Lorsqu'on engage 2 pignons identiques l'un dans l'autre, avec un même diamètre et un nombre de dents identique alors ils tournent ensemble, en sens opposé, mais à la même vitesse.
Lorsque l'un des pignons à fait 1 tour, alors l'autre pignon a également fait 1 tour.
A
B
Si les 2 pignons sont de tailles différentes, l’écart de vitesse de rotation entre les 2 pignons sera proportionnelle à la différence de taille : différence de nombre de dents et/ou différence de diamètre.
Exemple : 1 pignon A d'un rayon r avec 8 dents et engagé avec un pignon B d'un rayon R et de 32 dents avec R = 4 x r
Lorsque le pignon B aura réalisé un tour, alors le pignon A, quatre fois plus petit, aura déjà effectué 4 tours.
On peut également présenter cette situation de la façon suivante : Le pignon A doit effectuer 4 tours pour entrainer le pignon B à réaliser qu'un seul tour : le rapport de démultiplication ( = "division " ) et de 1 pour 4 ( = 1 / 4 )
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A
B
B
A
Fonctionnement des engrenages
2.3 La boite de vitesses et ses différents rapports de démultiplication :
Fonctionnement boite de vitesses
2.3.1 Les différents pignons d'une boite de vitesses à 4 rapports de démultiplication :
A est un pignon situé à l'extrémité de l'arbre primaire, il est relié en permanence au pignon B, situé pour sa part à l'extrémité de l'arbre intermédiaire. La vitesse de rotation de l'arbre primaire et du pignon A est identique à celle du vilebrequin telle qu' affichée sur le compte tours.
A et B sont 2 pignons d'entrainement : lorsque l'arbre primaire est en mouvement, alors l'arbre intermédiaire entre lui aussi en mouvement.
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C, E et G sont trois pignons situés sur l'arbre intermédiaire. Ils sont tous les 3 solidaires de cet arbre. Lorsque l'arbre tourne, alors ces trois pignons sont eux aussi en mouvement. Les pignons B, C, E et G ont la même vitesse de rotation.
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D, F et H sont trois pignons situés sur l'arbre secondaire. En manipulant le levier de vitesse, le conducteur déplace l'un ou l'autre de ces 3 pignons de façon à le rendre solidaire des pignons C, E et G de l'arbre intermédiaire ou du pignon A de l'arbre primaire.
Il est possible d'associer les pignons de la façon suivante :
- le pignon D avec le pignon C ( arbre intermédiaire ) ou le pignon A ( arbre primaire )
- le pignon F avec le pignon E
- le pignon H avec le pignon G
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​Tous ces pignons A, B, C, D, E, F, G et H sont des pignons de tailles différentes ( nombres de dents différents et différents diamètres ). Les différentes combinaisons d'associations possible apportent différentes possibilité de démultiplication.
2.3.2 1er rapport de boite de vitesses
En mettant le levier sur la première vitesse, le conducteur obtient dans la boite de vitesses l' ordre d'entrainement suivant : A / B et G / H ( A et B d'une part, et G et H d'autre part sont engagés ensemble )
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1ère démultiplication entre A et B : A est beaucoup plus petit que B, l’arbre intermédiaire tourne beaucoup moins vite que l’arbre primaire.
Pour rappel B et G, sont fixés sur le même arbre, ils ont la même vitesse de rotation
2ème démultiplication entre G et H : G est beaucoup plus petit que H, l’arbre secondaire tourne beaucoup moins vite que l’arbre intermédiaire.
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Résultat final : L’arbre secondaire tourne très nettement moins vite que l’arbre primaire. Même si le compte tour affiche une vitesse de rotation de près de 2000 tr/mn pour le vilebrequin comme pour l'arbre primaire, nous aurons une vitesse de rotation très faible de l'arbre secondaire et donc la transmission d'une vitesse très faible transmise aux roues motrices via la transmission.
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​La très forte démultiplication de ce premier rapport de boite de vitesses ne permet pas au véhicule d'atteindre une grande vitesse de déplacement, tout au plus une dizaine de kilomètres/heure mais procure à l'ensemble de la transmission une force très importante pour mettre le véhicule en mouvement malgré un forte inertie.
2.3.3 2ème rapport de boite de vitesses
En mettant le levier sur la deuxième vitesse, le conducteur obtient dans la boite de vitesses l' ordre d'entrainement suivant : A / B et E / F ( A et B d'une part, et E et F d'autre part sont engagés ensemble )
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1ère démultiplication entre A et B : A est beaucoup plus petit que B, l’arbre intermédiaire tourne beaucoup moins vite que l’arbre primaire.
Pour rappel B et F, sont fixés sur le même arbre, ils ont la même vitesse de rotation
2ème démultiplication entre E et F : E est plus petit que F, l’arbre secondaire tourne moins vite que l’arbre intermédiaire.
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Résultat final : L’arbre secondaire tourne nettement moins vite que l’arbre primaire. Même si le compte tour affiche une vitesse de rotation de près de 2000 tr/mn pour le vilebrequin comme pour l'arbre primaire, nous aurons une vitesse de rotation encore faible de l'arbre secondaire et donc la transmission d'une vitesse faible transmise aux roues motrices via la transmission.
​La forte démultiplication de ce deuxième rapport de boite de vitesses ne permet pas au véhicule d'atteindre une grande vitesse de déplacement, mais permet de circuler à basse vitesse.
2.3.4 3ème rapport de boite de vitesses
En mettant le levier sur la première vitesse, le conducteur obtient dans la boite de vitesses l' ordre d'entrainement suivant : A / B et C / D ( A et B d'une part, et C et D d'autre part sont engagés ensemble )
​
1ère démultiplication entre A et B : A est beaucoup plus petit que B, l’arbre intermédiaire tourne beaucoup moins vite que l’arbre primaire.
Pour rappel B et C, sont fixés sur le même arbre, ils ont la même vitesse de rotation
2ème démultiplication entre C et D : C est légèrement plus grand que D, l’arbre secondaire tourne un peu plus vite que l’arbre intermédiaire, mais moins vite que l'arbre primaire.
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Résultat final : L’arbre secondaire tourne un peu moins vite que l’arbre primaire. Même si le compte tour affiche une vitesse de rotation de près de 2000 tr/mn pour le vilebrequin comme pour l'arbre primaire, nous aurons une vitesse de rotation légèrement inférieure pour l'arbre secondaire.
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​La faible démultiplication de ce troisième rapport de boite de vitesses permet au véhicule d'atteindre une vitesse de déplacement plus élevée. A partir de ce rapport, la force du couple moteur est plus faible mais le véhicule gagne en puissance.
2.3.5 4ème rapport de boite de vitesses
En mettant le levier sur la quatrième vitesse, le conducteur obtient dans la boite de vitesses l' ordre d'entrainement direct suivant : A / D
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Pas de démultiplication entre A et D : Les deux pignons engagés l'un avec l'autre donne la possibilité à l'arbre secondaire d'être le prolongement de l'arbre primaire : les 2 arbres tournent à la même vitesse
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Résultat final : L’arbre secondaire tourne à la même vitesse que l’arbre primaire. Si le compte tour affiche une vitesse de rotation de près de 2000 tr/mn pour le vilebrequin alors, nous aurons une vitesse de rotation de 2000 tr/mn pour l'arbre secondaire.
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​Sans démultiplication, ce quatrième rapport de boite de vitesses permet au véhicule d'atteindre une vitesse de déplacement encore plus élevée.
2.3.6 5ème rapport de boite de vitesses
Lorsque le conducteur engage aujourd'hui le 5e rapport, il n'y a pas de démultiplication, mais au contraire une surmultiplication : les pignons engagés permettent d'obtenir une vitesse de rotation de l'arbre secondaire plus élevée que la vitesse de rotation de l'arbre primaire.
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Résultat final : L’arbre secondaire tourne plus vite que l’arbre primaire.
Avec cette surmultiplication, ce cinquième rapport de boite de vitesses permet au véhicule de circuler à vitesse élevée tout en restant dans des régimes moteurs raisonnables et économiques
2.3.7 Le point mort
​​Au Point mort aucun des pignons de l’arbre secondaire n’est solidaire d’un autre pignon ( de l’arbre primaire ou de l’arbre intermédiaire ).
De ce fait, aucun mouvement n'est donné à l'arbre secondaire ou à la transmission.
2.3.8 La marche arrière
En mettant le levier sur la marche arrière, le conducteur obtient dans la boite de vitesses un ordre d'entrainement identique à celui de la première vitesse : A / B et G / H ( A et B d'une part, et G et H d'autre part sont engagés ensemble ) toutefois, dans le cadre de l'entrainement G / H, c'est un pignon dit inverseur qui fait le lien entre le pignon G et le pignon H.
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Dans le cadre de la première vitesse, l'arbre intermédiaire a un sens de rotation inverse de celui de l'arbre primaire du fait de l'entrainement A / B.
Toujours sur ce 1er rapport de la boite de vitesses, l'arbre secondaire a un sens de rotation inverse de celui de l'arbre intermédiaire du fait de l'entrainement G / H. Donc, les arbres primaire et secondaire se trouvent à tourner dans le même sens.
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Dans le cadre de la marche arrière, c'est le pignon inverseur qui garde le même sens de rotation que l'arbre primaire et l'arbre secondaire tourne dans le sens inverse : toute la transmission reçoit un mouvement inversé et donc, au lieu d'avancer, le véhicule recule !
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Résultat final : L’arbre secondaire tourne dans le sens inverse de l’arbre primaire. La transmission tourne aussi dans le sens inverse et permet au véhicule de reculer
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Certains véhicules utilisent un groupe de pignons exclusivement réservés à la marche arrière et donc indépendants ce ceux utilisés en marche normale ( vers l'avant )
3 - Boite de vitesses synchronisée :
3.1 Description et Fonctionnement de la boite de vitesses synchronisée :
Lorsque l'embrayage est en position embrayée, le mouvement du moteur entre dans la boite de vitesses par l'arbre primaire (1). Cet arbre est en quelque sorte le prolongement du vilebrequin à la sortie de l'embrayage.
Cet arbre primaire est relié à l'arbre intermédiaire (2) par 2 pignons appelés pignons d'entrainement.
Lorsque l'arbre primaire est en mouvement, alors l'arbre intermédiaire est en mouvement lui aussi, juste son sens de rotation est inversé.
Chacun des pignons de cet arbre intermédiaire sont associés de façon permanente à un pignon fou de l'arbre secondaire.
Les pignons de l'arbre secondaire sont dit " fous " car ils sont libres de toute rotation autour de l'arbre sans que ce mouvement entraine celui de l'arbre : ils ne sont pas solidaires de l'arbre.
Lorsque l'arbre intermédiaire est en rotation, les pignons de l'arbre secondaire sont eux aussi en rotation mais l'arbre secondaire reste immobile aucun rapport n'a été engagé par le conducteur
En manipulant le levier de vitesse, le conducteur agit sur des synchroniseur (4) dont le rôle est de solidariser les pignons fous avec l'arbre secondaire (3). En effet, à l'aide du levier, il déplace un coulisseau et des fourchettes et ainsi, déplace l'un ou l'autre des synchroniseur en charge de solidariser le pignon fou souhaité avec l'arbre secondaire et ainsi le rendre solidaire de l'un des pignons de l'arbre intermédiaire.
Une fois le pignon fou synchronisé à l'arbre, son mouvement de rotation ( donné depuis l'arbre intermédiaire ) est transmis à l'arbre et dirigé vers la transmission.
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Une fois cet ajustement réalisé, lorsque le moteur tourne avec l'embrayage en position embrayé, alors le mouvement est transmis depuis le vilebrequin à l'arbre primaire, et de l'arbre primaire jusqu'à l'arbre secondaire en passant par l'arbre intermédiaire.
3.2 Principes de la synchronisation :
Le système de synchronisation a été développé et utilisé par Cadillac à partir de 1929. Il se généralise à partir des années 1930 sur la plupart des automobiles. Les pignons qui composent chaque rapport de la boîte deviennent solidaires lorsqu’ils s’entraînent afin de transmettre le couple moteur et de créer le mouvement de transmission. L’ensemble de ces pièces ne tourne pas à la même vitesse et leur synchronisation devient nécessaire pour faciliter leur engagement. Le synchroniseur, communément appelé "synchro", est un cône de friction qui permet justement de synchroniser la vitesse des pignons. Il évite ainsi les craquements lors des changements de rapports, ainsi que d’avoir recours au double débrayage pour les éviter à chaque fois.
Le synchroniseur a pour rôle d’amener progressivement la vitesse du pignon correspondant au nouveau rapport engagé, à celle du synchro. Le synchro. est « fixé » à l’arbre secondaire, il tourne donc à la même vitesse que celui-ci, mais a la possibilité de se coulisser.
Le levier de vitesse actionné depuis le poste de conduite déplace des fourchettes qui sélectionnent et coulissent l’un ou l’autre des synchro. suivant le rapport à engager.
Une fois le synchro. engagé, le pignon qui a perdu sa « liberté », est contraint de tourner à la même allure que l’arbre secondaire, il en contribue en partie à en déterminer la vitesse de rotation.
3.3 Synchronisation d'un pignon fou :
Description de la synchronisation :
1 – pignon "fou"
2 – le baladeur
3 – le moyeu ( ou cône femelle )
4 - Bille
5 – le cône mâle
6 – le crabot
Dans cette boite de vitesses, les pignons ( roues dentées ) sont constamment en contact.
Les rapports de transmission sont commandés par le levier placé dans la cabine, à l'aide de la timonerie de changement de vitesses ( coulisseau, fourchettes... )
Le pignon denté qui correspond à la vitesse choisie est libre sur son arbre.
A l'instant où il est sélectionné, il est engrené à cet arbre, grâce à un synchroniseur et à un crabot qui établissent la connexion.
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A : Au point mort le pignon (1) est fou sur l'arbre, le baladeur (2) et le moyeu (3) sont solidaires et tournent à la même vitesse de l'arbre.
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B : En engageant la vitesse, le baladeur entraine le moyeu grâce à la pression des billes (4). Le cône femelle du moyeu touche le cône mâle (5) fixé sur le pignon. Ils prennent la même vitesse.
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C : En terminant de passer la vitesse, les billes se dégagent et le baladeur s'engage dans le crabot (6)
Fonctionnement synchronisation par Th. Schwenkle
Le conducteur doit aussi :
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- Choisir le rapport par rapport aux indications du compte-tours, voir suivre les informations indiquées au tableau de bord…
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- Ne pas utiliser le double débrayage ou double pédalage sur une boite synchronisée !
4 - Maintenance sur la boite de vitesses :
4.1 Précautions d' utilisation :
Le conducteur doit :
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- Veiller à la manipulation correcte de la boîte de vitesses, avec douceur et précision dans les changements de rapports.
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- Utiliser un choix du rapport adapté à la charge, au profil de la route, aux possibilités de son moteur et aux conditions de circulation (densité, météo, etc…).
- Ne pas se servir du levier de vitesses comme repose main (usure de la fourchette qui frotte sur le baladeur).
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- Privilégier le point mort lors d’un arrêt prolongé ( ex : feux rouges ). Sur certains PL, l’injection peut se couper en cas d’arrêt prolongé avec une vitesse engagée même en débrayant correctement !
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4.2 Règles de maintenance :
Le conducteur doit :
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• Veiller à l’entretien et au bon fonctionnement de celle-ci,
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• Signaler toute anomalie de fonctionnement (changement de vitesse difficile, vitesse qui « craque », vitesse qui saute etc…)
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• Vérifier et parfois planifier les entretiens périodiques.
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Contrôles à effectuer :
• Étanchéité (vérifier l’absence de tâche sous le véhicule)
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• Niveaux (effectués à l’atelier lors de l’entretien périodique)
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• Vidanges (selon les prescriptions du constructeur, exemple de viscosité d’huile : 50W70)
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• En cas de remorquage, désaccoupler la transmission.
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Avec l’aide du carnet d’entretien et de la notice du véhicule, le conducteur veille au respect de la périodicité des contrôles et entretiens.
4.3 Le cahier du conducteur :
• Démarrage du véhicule :
Il faut toujours démarrer sur la vitesse préconisée par le constructeur (souvent la première). Cela dépend toutefois aussi de la charge et du profil de la route.
Exceptions :
- En descente, le véhicule se lance tout seul dès que le frein est « lâché », donc le conducteur accompagne ce lancement avec un rapport supérieur.
- Pour s’insérer rapidement dans la circulation, il est possible, parce que la sécurité prime sur la mécanique de démarrer sur un rapport supérieur. Cela doit rester exceptionnel.
• En circulation sur le plat :
Toujours rouler sur le rapport le plus haut possible et passer le moins de rapports possible tout en maintenant le moteur dans ou au voisinage de la zone verte.
Donc si il est possible de monter ou de descendre plusieurs rapports à la fois, il faut le faire.
• En montée :
Il peut être nécessaire d’aller au delà de la zone verte pour passer le rapport suivant.
Ensuite, 2 cas de figure :
- le régime se stabilise et tout va bien
- le régime chute, il faut alors revenir au rapport inférieur et le maintenir en haut de la plage verte.
En montée, il faut toujours rouler sur le rapport le plus haut possible tant que le régime moteur peut se maintenir dans la zone verte, souvent au régime de couple maxi (plus le rapport de boîte de vitesses est élevé, plus la consommation est faible).
• En descente :
La boîte de vitesses n’est pas un frein, avant de descendre les rapports, il faut d’abord ralentir le véhicule.
Il faut ensuite choisir un rapport qui, avec ou sans l’aide de ralentisseur, stabilise l’aiguille du compte tour au dessus de la zone verte sans jamais entrer dans la zone rouge.
C’est dans cette zone que le frein moteur et les ralentisseurs sont les plus efficaces.
Il faut profiter si possible de la fin de la descente pour relancer le véhicule, il est alors possible de passer plusieurs rapports à la fois et relancer en léger sous régime.
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