Arbre À Cames En Tête

Arbre à cames

Animation d'un arbre à 2 cames actionnant 2 soupapes

Un arbre à cames est un dispositif mécanique permettant de transformer un mouvement rotatif en mouvement longitudinal et réciproquement.

L’arbre à cames est une découverte du moyen âge pendant lequel il a été principalement utilisé dans les moulins à eau spécialisés dans le battage du fer ou le tannage du cuir (transformation du mouvement rotatif, issu de l’entraînement de la roue à aubes par l’eau, en mouvement longitudinal).

Aujourd’hui, l’arbre à cames est une pièce essentielle du moteur automobile. L'arbre à cames, appelé également "arbre de distribution", commande l'ouverture des soupapes, en transformant le mouvement rotatif issu du moteur en mouvement longitudinal actionnant les soupapes. Il s'agit d'un arbre, une pièce métallique longiligne, entraîné par une roue dentée.[1]

Sommaire

Description

Arbre à cames

L'arbre à cames est une pièce mécanique utilisée dans des moteurs thermiques à combustion interne à 4 temps pour la commande synchronisée des soupapes. Il se compose d'une tige cylindrique disposant d'autant de cames que de soupapes à commander indépendamment ou par groupe, glissant sur la queue de soupape, ou sur un renvoi mécanique (ex. : le patin d'un culbuteur). Il est placé au niveau du vilebrequin (moteur culbuté ou Moteur à soupapes latérales) ou au-dessus de la culasse (arbre à cames en tête).

La commande se fait par l'intermédiaire d'une chaîne avec des pignons, le plus souvent cylindriques, ou encore en utilisant une courroie crantée. Le montage et la conception du moteur détermine la position angulaire de l'arbre. Les dispositions possibles pour l'arbre à cames dépendent également de l'architecture du moteur et de ses performances. Dans les moteurs à combustion interne quatre temps, comme sur les automobiles, le cycle complet nécessite deux tours de vilebrequin pour un tour de l'arbre à cames. L'arbre tourne ainsi deux fois moins vite que le régime moteur.[1]

L'élément suiveur de came prend selon les cas différents noms. Lorsque ce dernier est soumis à un mouvement de translation rectiligne, il est nommé poussoir centré ou excentré suivant que son axe rencontre ou non celui de l'arbre à cames. S'il effectue un mouvement oscillant de rotation autour d'un axe, il porte le nom de culbuteur.

Comme cité précédemment, l'arbre contrôle l'ouverture des soupapes. Lorsque la queue de soupape n'est pas attaquée par la came ou le poussoir, la soupape, soumise à l'action du ressort, reste fermée.[1]. Ces ouvertures et fermetures se font donc mécaniquement.

Les matériaux utilisés pour la fabrication des arbres à cames doivent être capables de résister à l'usure importante due au frottement contre les poussoirs ou les culbuteurs. On utilise en général, pour les moteurs de grande série, des fontes trempées sur les cames et les portées.[2]

Le dessin de la came est très important pour son fonctionnement. Son profil détermine en effet le mouvement d'ouverture des soupapes, la durée d'ouverture (diagramme de la distribution) et la levée des soupapes. Le profil de la came est différent pour les soupapes d'admission et d'échappement en raison des lois qui régissent leur fonctionnement.

Historique

Au début de l'ère automobile, l'arbre à cames était disposé latéralement, dans le carter moteur, et commandait uniquement les soupapes d'échappement ; les soupapes d'admission s'ouvrant automatiquement par dépression. Plus tard, un second arbre à cames fut installé dans le bâti pour commander également les soupapes d'admission. Les soupapes étaient toujours disposées latéralement et actionnées par un poussoir. Cette configuration simplifiait sa réalisation grâce à un simple train d'engrenages. Cependant, les soupapes latérales ne permettaient pas de réaliser des taux de compression élevés ni d'obtenir de bons rendements. Leur disposition créait un vaste espace mort, augmentant le volume de la chambre de combustion.[1]

Après 1910, les culbuteurs ont été adoptés sur une grande échelle ainsi que la disposition des soupapes dans la culasse. Cependant, le poids des poussoirs, des tiges et des culbuteurs devenait très important. L'arbre à cames en tête, par ailleurs, était déjà apparu en 1903 sur un moteur pour voiture automobile de l'anglais Mandslay, et il fut adopté en série par Isotta Fraschini en 1905 sur le modèle D 100 HP.[1] Plus tard, l'introduction du système à deux arbres à cames en tête lui fut préféré pour ces avantages lors de la disposition en V des soupapes. La Peugeot Grand Prix 7,6 litres fut la première a inaugurer cette technologie pour le sport automobile. Depuis la Première Guerre mondiale, la position de l'arbre à cames est demeurée la même.

Arbre à cames dans le moteur automobile

Moteur culbuté

Dans un moteur culbuté, l'arbre à cames est situé prés du vilebrequin, et transmet son mouvement aux soupapes via des tiges et culbuteurs. Le problème de ce type de moteur est que la chaîne cinématique comprend beaucoup de mouvements alternatifs (tiges, culbuteurs et soupapes), ce qui implique une difficulté à prendre des tours et donc à monter en puissance.

D'abord monté sur les motos d'usine de compétition, on assiste à la généralisation des moteurs avec soupapes « en dessus », qui autorise un meilleur remplissage du moteur. L'arbre à cames étant encore situé en bas du moteur, parce que lié, pour sa synchronisation, par un engrenage au vilebrequin ou une chaîne, la commande des soupapes nécessite alors de longues tiges de rappel pour atteindre les culbuteurs.

Arbre à cames en tête

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Arbre à cames en tête.
Chaîne de distribution

L'arbre à cames en tête (ACT ou SOHC (Single overhead camshaft en anglais)) est une disposition particulière du ou des arbres à cames au-dessus de la culasse, afin d'améliorer la commande des soupapes par diminution des pièces en mouvement alternatif.

Dans un moteur à soupapes en tête, il est d'usage de transmettre la commande d'ouverture des soupapes par un mouvement rotatif prélevé sur le vilebrequin et transmis à un arbre à cames. En disposant l'arbre à cames en tête, c'est-à-dire en haut du moteur, ces tiges ne sont plus nécessaires, mais la synchronisation de l'arbre se fait par transmission, autorisant un décalage de l'axe de rotation. D'abord adoptée en compétition, cette solution s'est généralisée petit à petit à tous les moteurs de véhicules de tourisme.

Pour éviter l'affolement de soupapes à de hauts régimes (environ 4 000 tr/min et plus), il convient de réduire au minimum les pièces soumises à un mouvement alternatif, comme les poussoirs, les tiges de culbuteurs et les culbuteurs eux-mêmes. La suppression de ces pièces éliminant d'autant les jeux mécaniques parasites, la précision de commande des soupapes s'en trouvera améliorée. Pour cela, on place le ou les arbre(s) à cames directement au-dessus des soupapes.

La transmission de la rotation du vilebrequin vers l'arbre à cames se fait par une chaîne, une courroie crantée, une cascade de pignons, un arbre avec couples coniques, voire exceptionnellement une bielle (NSU). Il faut simplement maintenir une stricte synchronisation avec un rapport de 2 tours de vilebrequin pour 1 tour d'arbre à cames. Lorsque toutes les soupapes sont sur une même ligne, un simple arbre à cames suffit à actionner toutes les soupapes sans avoir besoin de culbuteurs ni d'un deuxième arbre.

Longtemps, les industriels ont boudé l'arbre à cames en tête pour les automobiles de grande série, à cause des coûts de maintenance , des problèmes de lubrification qu'il posait et des modifications des chaînes de fabrication des moteurs. En fait, les arbres à cames en tête n'ayant d'intérêt que pour atteindre les hauts régimes, il était d'usage de les réserver à des moteurs sportifs. Désormais, la majorité des moteurs d'automobiles sont équipés d'arbre à cames en tête, souvent double, pour actionner les 16 soupapes courantes sur les moteurs modernes à 4 cylindres en ligne. Les moteurs en V utilisant cette technologie occupent plus d'espace dans le compartiment moteur des voitures que les moteurs à soupapes latérales ou à soupapes en tête avec culbuteurs.

Les moteurs à arbre à cames en tête atteignent leur couple et leur puissance maximale à des régimes-moteurs supérieurs à ceux des moteurs à soupape en tête avec culbuteurs. Pour maximiser le rendement, les constructeurs automobiles doivent donc les jumeler à des transmissions ayant un nombre élevé de rapports.

Parmi les dernières évolutions il faut signaler les moteurs à distribution variable, la technologie camless, ainsi que différents dispositifs permettant de modifier la position ou le profil de l'arbre à cames pendant le fonctionnement du moteur. Cette caractéristique permet d'améliorer le rendement du moteur à haut comme à bas régime. Malheureusement, le coût de ces dispositifs les réserve aux hauts de gamme et aux modèles sportifs.

Double arbre à cames en tête

Coupe d'un moteur, montrant les cames au-dessus des soupapes

Au début des années 70, afin de permettre un bon centrage de la bougie dans la culasse, ainsi qu'un réglage aisé des lois de distribution, on a placé un arbre à cames pour les soupapes d'admission, et un autre pour l'échappement. L'espace entre les arbres permet de placer la bougie au centre de la chambre de combustion.

Le double arbre à cames en tête (DOHC = Double overhead camshaft en anglais) est une variante de l'arbre à cames en tête, où les rangées de soupapes d'admission et d'échappement sont chacune actionnées par un arbre. Cette technique permet de supprimer presque toutes les pièces intermédiaires entre l'arbre à cames et la soupape, sans avoir besoin, pour autant, d'aligner toutes les soupapes. Le moteur peut, ainsi, tourner plus vite et produit moins de bruits mécaniques.

La notion de double arbre ne se conçoit que pour chaque rangée de cylindres. Par exemple, un moteur en V qui n'aurait qu'un arbre à cames par rangée de cylindres est considéré comme simple arbre, bien qu'il ait deux arbres à cames en tout. Parfois, certains moteurs à plusieurs rangées de cylindres sont dit QOHC ou quadruple arbre à cames en tête. Cela désigne en fait un moteur où chaque rangée de cylindre dispose d'un double arbre à cames en tête. Ainsi, les termes V6 DOHC ou V6 QOHC désignent strictement la même chose. Le double arbre à cames est souvent associé aux distributions utilisant 4 soupapes par cylindre, mais ce n'est pas une obligation.

On trouve des traces de double arbre dès 1912, chez Fiat. Le double arbre à cames en tête a commencé à se généraliser dans les années 1960 en automobile. En moto, la généralisation sur les véhicules de tourisme a été le fait des constructeurs japonais.

Derniers développements

Divers systèmes ont été créés afin de pouvoir changer les lois de distribution en fonction du régime moteur et de l'action sur l'accélérateur. Ainsi, on a vu des systèmes de décalage d'arbre à cames (Toyota VVTI) ou de passage de 2 à 4 soupapes par cylindre (Honda 800 vfr). L'avenir est à la distribution variable, les soupapes étant commandées non par un arbre à cames, mais par des actuateurs électromagnétiques (i.e. technologie camless). Cette technologie permet via un calculateur de commander indépendamment chaque soupape en fonction de tous les paramètres connus du moteur permettant de gérer aux mieux le couple, le rendement, les températures de gaz ou la pollution.

Arbre à cames dans les moulins

Schéma foulon: 1-roue à aubes, 2-arbres à cames, 3-maillets, 4-eau alcaline, 5-tissu à fouler

Les moulins fonctionnant à la force hydraulique, mis à part les moulins à grain, entraînaient un arbre à cames qui donnait un mouvement de va-et-vient à une masse. Cet arbre est généralement en bois avec cames rapportées soit en bois, soit métalliques.

  • c'est aussi les cames qui soulent la masse dans les foulons dans les moulins qui traitent le foulage de la laine, des peaux animales pour les débarrasser des graisses et autres impuretés.

Références

  1. a , b , c , d  et e (fr) Motorlegend, Technique : L'arbre à cames
  2. (fr) Motorlegend
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