Arbre à cames

Arbre à cames fabriqué à partir d’une billette d’acier

Les arbres à cames sont fabriqués en métal et sont généralement pleins, bien que des arbres à cames creux soient parfois utilisés. Les matériaux utilisés pour un arbre à cames sont généralement soit :

• Fonte : Couramment utilisés dans la production de gros volumes, les arbres à cames en fer refroidi ont une bonne résistance à l’usure puisque le processus de refroidissement les durcit. D’autres éléments sont ajoutés au fer avant la coulée pour rendre le matériau plus adapté à son application.
• Fonte d’acier : Lorsqu’un arbre à cames de haute qualité ou une production à faible volume est nécessaire, les constructeurs de moteurs et les fabricants d’arbres à cames choisissent l’acier en billette. Ce processus prend beaucoup plus de temps et est généralement plus coûteux que les autres méthodes. La méthode de construction est généralement le forgeage, l’usinage (à l’aide d’un tour à métaux ou d’une fraiseuse), le moulage ou l’hydroformage. Différents types de barres d’acier peuvent être utilisés, par exemple l’EN40b. Lors de la fabrication d’un arbre à cames en EN40b, l’arbre à cames sera également traité thermiquement par nitruration gazeuse, ce qui modifie la microstructure du matériau. Il permet d’obtenir une dureté de surface de 55-60 HRC, adaptée à une utilisation dans des moteurs à haute performance.

Les agencements de la boîte à camesModification

La plupart des premiers moteurs à combustion interne utilisaient une disposition à cames en bloc (comme les soupapes en tête), où l’arbre à cames est situé à l’intérieur du bloc moteur, près du fond du moteur. Au fur et à mesure que les vitesses de rotation des moteurs ont augmenté au cours du 20e siècle, les moteurs à simple arbre à cames en tête (SACT) – où l’arbre à cames est situé à l’intérieur de la culasse près du sommet du moteur – sont devenus de plus en plus courants, suivis par les moteurs à double arbre à cames en tête (DACT) au cours des dernières années.

La disposition de la distribution est définie en fonction du nombre d’arbres à cames par banc de cylindres. Par conséquent, un moteur V6 avec un total de quatre arbres à cames (deux par rangée de cylindres) est généralement appelé un moteur à double arbre à cames en tête, bien que, dans le langage courant, on les appelle parfois des moteurs « quadri-cam ».

Dans un moteur à soupapes en tête, l’arbre à cames appuie sur une biellette qui transfère le mouvement vers le haut du moteur, où un culbuteur ouvre la soupape d’admission/échappement. Pour les moteurs à arbre à cames en tête et à double arbre à cames, l’arbre à cames actionne la soupape directement ou par l’intermédiaire d’un culbuteur court.

Systèmes d’entraînementModification

Le contrôle précis de la position et de la vitesse de l’arbre à cames est d’une importance capitale pour permettre au moteur de fonctionner correctement. L’arbre à cames est entraîné par le vilebrequin soit directement, généralement par l’intermédiaire d’une courroie crantée en caoutchouc, soit par une chaîne à rouleaux en acier (appelée chaîne de distribution). Des engrenages ont également été utilisés à l’occasion pour entraîner l’arbre à cames. Dans certaines conceptions, l’arbre à cames entraîne également le distributeur, la pompe à huile, la pompe à carburant et parfois la pompe de direction assistée.

Une alternative utilisée au début des moteurs à arbre à cames en tête consistait à entraîner le ou les arbres à cames via un arbre vertical avec des engrenages coniques à chaque extrémité. Ce système était, par exemple, utilisé sur les voitures Peugeot et Mercedes Grand Prix d’avant la Première Guerre mondiale. Une autre option consistait à utiliser un triple excentrique avec des bielles ; ceux-ci ont été utilisés sur certains moteurs conçus par W.O. Bentley et également sur la Leyland Eight.

Dans un moteur à deux temps qui utilise un arbre à cames, chaque soupape est ouverte une fois pour chaque rotation du vilebrequin ; dans ces moteurs, l’arbre à cames tourne à la même vitesse que le vilebrequin. Dans un moteur à quatre temps, les soupapes sont ouvertes deux fois moins souvent ; ainsi, deux rotations complètes du vilebrequin se produisent pour chaque rotation de l’arbre à cames.

Caractéristiques de performanceModifier

DuréeEdit

La durée de l’arbre à cames détermine la durée d’ouverture de la soupape d’admission/échappement, c’est donc un facteur clé dans la quantité de puissance qu’un moteur produit. Une durée plus longue peut augmenter la puissance à des régimes élevés (RPM), cependant cela peut s’accompagner d’une diminution du couple produit à bas RPM.

La mesure de la durée d’un arbre à cames est affectée par la valeur de levée choisie comme point de départ et d’arrivée de la mesure. Une valeur de levée de 0,050 in (1,3 mm) est souvent utilisée comme procédure de mesure standard, car elle est considérée comme la plus représentative de la plage de levée qui définit la plage de régime dans laquelle le moteur produit sa puissance maximale. La puissance et les caractéristiques de ralenti d’un arbre à cames avec la même durée nominale qui a été déterminée en utilisant différents points de levée (par exemple 0,006 ou 0,002 pouces) pourraient être très différentes d’un arbre à cames avec une durée nominale utilisant des points de levée de 0,05 pouces.

Un effet secondaire de l’augmentation de la durée peut être l’augmentation du chevauchement, qui détermine la durée pendant laquelle les soupapes d’admission et d’échappement sont ouvertes. C’est le chevauchement qui affecte le plus la qualité du ralenti, dans la mesure où le « blow-through » de la charge d’admission immédiatement de retour par la soupape d’échappement qui se produit pendant le chevauchement réduit le rendement du moteur, et est le plus grand pendant le fonctionnement à bas régime. En général, l’augmentation de la durée d’un arbre à cames augmente le chevauchement, à moins que l’angle de séparation des lobes soit augmenté pour compenser.

LiftEdit

La levée de l’arbre à cames détermine la distance entre la soupape et le siège de soupape (c’est-à-dire le degré d’ouverture de la soupape). Plus la soupape s’élève de son siège, plus le débit d’air peut être important, ce qui augmente la puissance produite. Une levée de soupape plus importante peut avoir le même effet d’augmentation de la puissance de pointe qu’une augmentation de la durée, sans les inconvénients causés par un chevauchement accru des soupapes. La plupart des moteurs à soupapes en tête ont un rapport de culbuteur supérieur à un, par conséquent la distance d’ouverture de la soupape (la levée de soupape) est supérieure à la distance entre le sommet du lobe de l’arbre à cames et le cercle de base (la levée de l’arbre à cames).

Il existe plusieurs facteurs qui limitent la quantité maximale de levée possible pour un moteur donné. Premièrement, l’augmentation de la levée rapproche les soupapes du piston, de sorte qu’une levée excessive pourrait faire en sorte que les soupapes soient frappées et endommagées par le piston. Deuxièmement, l’augmentation de la levée signifie qu’un profil d’arbre à cames plus raide est nécessaire, ce qui augmente les forces nécessaires pour ouvrir la soupape. Un problème connexe est le flottement des soupapes à haut régime, lorsque la tension du ressort ne fournit pas une force suffisante pour que la soupape suive la came à son sommet ou pour empêcher la soupape de rebondir lorsqu’elle revient sur son siège. Cela peut être le résultat d’une montée très abrupte du lobe, où le suiveur de came se sépare du lobe de came (en raison de l’inertie de la commande de soupape qui est plus grande que la force de fermeture du ressort de soupape), laissant la soupape ouverte plus longtemps que prévu. Le flottement des soupapes entraîne une perte de puissance à haut régime et, dans des situations extrêmes, peut entraîner une soupape pliée si elle est heurtée par le piston.

TimingEdit

Le calage (angle de phase) de l’arbre à cames par rapport au vilebrequin peut être ajusté pour déplacer la bande de puissance d’un moteur vers une autre plage de régime. Avancer l’arbre à cames (le décaler en avant du calage du vilebrequin) augmente le couple à bas régime, tandis que retarder l’arbre à cames (le décaler en arrière du vilebrequin) augmente la puissance à haut régime. Les changements requis sont relativement faibles, souvent de l’ordre de 5 degrés.

Les moteurs modernes qui disposent d’un calage variable des soupapes sont souvent capables de régler le calage de l’arbre à cames en fonction du régime du moteur à un moment donné. Cela permet d’éviter le compromis ci-dessus nécessaire lors du choix d’un calage fixe des cames pour une utilisation à la fois à haut et à bas régime.

Angle de séparation des lobesModifier

L’angle de séparation des lobes (LSA, également appelé angle d’axe des lobes) est l’angle entre l’axe des lobes d’admission et l’axe des lobes d’échappement. Un LSA plus élevé réduit le chevauchement, ce qui améliore la qualité du ralenti et la dépression à l’admission, cependant l’utilisation d’un LSA plus large pour compenser une durée excessive peut réduire les sorties de puissance et de couple. En général, le LSA optimal pour un moteur donné est lié au rapport entre le volume du cylindre et la surface de la soupape d’admission.

Maintenance et usureModification

De nombreux moteurs plus anciens nécessitaient un réglage manuel des culbuteurs ou des tiges de poussoir afin de maintenir le jeu correct des soupapes au fur et à mesure de l’usure de la distribution (en particulier les soupapes et les sièges de soupape). Cependant, la plupart des moteurs automobiles modernes sont équipés de poussoirs hydrauliques qui compensent automatiquement l’usure, ce qui élimine la nécessité de régler le jeu des soupapes à intervalles réguliers.

La friction de glissement entre la surface de la came et le galet de came qui monte dessus peut être considérable. Afin de réduire l’usure à ce niveau, la came et le suiveur sont tous deux durcis en surface, et les huiles moteur modernes contiennent des additifs qui réduisent le frottement de glissement. Les lobes de l’arbre à cames sont généralement légèrement coniques et les faces des poussoirs de soupapes légèrement bombées, ce qui entraîne la rotation des poussoirs pour répartir l’usure des pièces. Les surfaces de la came et du poussoir sont conçues pour « s’user » ensemble et, par conséquent, chaque poussoir doit rester sur son lobe de came d’origine et ne jamais être déplacé sur un autre lobe. Certains moteurs (en particulier ceux dont les lobes d’arbre à cames sont raides) utilisent des poussoirs à galet pour réduire le frottement de glissement sur l’arbre à cames.

Les paliers des arbres à cames, similaires à ceux du vilebrequin, sont des paliers lisses alimentés en huile sous pression. Cependant, les paliers d’arbre à cames en tête n’ont pas toujours des coquilles remplaçables, auquel cas il faut remplacer toute la culasse si les paliers sont défectueux.

AlternativesEdit

En plus du frottement mécanique, une force considérable est nécessaire pour ouvrir les soupapes contre la résistance fournie par les ressorts de soupape. Cela peut représenter environ 25 % de la puissance totale d’un moteur au ralenti, ce qui réduit le rendement global.

Les systèmes alternatifs suivants ont été utilisés sur des moteurs à combustion interne :

• Soupapes desmodromiques, où les soupapes sont fermées positivement par un système de came et de levier plutôt que par des ressorts. Ce système a été utilisé sur diverses motos Ducatti de course et de route depuis son introduction sur la Ducati 125 Desmo de 1956.
• Moteur à piston sans came, qui utilise des actionneurs électromagnétiques, hydrauliques ou pneumatiques. Utilisé pour la première fois dans les moteurs de Formule 1 Renault turbocompressés au milieu des années 1980 et prévu pour une utilisation en voiture de route dans la Koenigsegg Gemera.
• Moteur Wankel, un moteur rotatif qui n’utilise ni pistons ni soupapes. Plus particulièrement utilisé par Mazda à partir de la Mazda Cosmo de 1967 jusqu’à l’arrêt de la production de la Mazda RX-8 en 2012.