Technologie/Moteurs thermiques/Moteur Diesel/Arbre à cames

Un arbre à cames est un dispositif mécanique permettant de transformer un mouvement rotatif en mouvement longitudinal. Il est une pièce essentielle du moteur à combustion interne. 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, entrainé par des pignons, une chaîne ou une courroie crantée.

Animation d'un arbre à 2 cames actionnant 2 soupapes

Arbre à cames dans le moteur

Description

Arbre à cames

L'arbre à cames est une pièce mécanique utilisée, principalement, 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. Il est placé au niveau du vilebrequin (moteur culbuté ou Moteur à soupapes latérales), ou sur la culasse.

Sa synchronisation, avec l'arbre moteur, se fait par l'intermédiaire de pignons, d'une chaîne ou en utilisant une courroie dentée. 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 le cycle complet nécessite deux tours de vilebrequin pour un tour de l'arbre à cames. Ce dernier tourne donc deux fois moins vite que le vilebrequin moteur.

L'élément suiveur des cames 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 came n'attaque pas, (directement ou par l'intermédiaire du poussoir ou du culbuteur), la queue de soupape, soumise aussi à l'action d'un ressort, reste fermée. Les ouvertures et fermetures se font donc totalement mécaniquement.

Les matériaux utilisés pour la fabrication des arbres à cames doivent être capables de résister à l'usure, vu les frottements importants avec les poussoirs ou les culbuteurs, surtout lors des démarrages à froid, lorsque la lubrification n'est pas encore assurée sous pression. On utilise en général, pour les moteurs de grande série, des fontes trempées sur les cames et les portées.

Le dessin des cames est très important, leurs profils déterminent le moment d'ouverture des soupapes, la durée d'ouverture et la levée des soupapes (diagramme de la distribution). Le profil des cames est différent pour les soupapes d'admission ou d'échappement en raison des lois qui régissent leur fonctionnement.

Historique

Au début, l'arbre à cames était disposé latéralement, dans le carter moteur, et commandait uniquement les soupapes d'échappement disposées elles aussi latéralement au cylindre ; les soupapes d'admission s'ouvraient quant à elles automatiquement par dépression lors de l'admission. Plus tard, un jeu de cames supplémentaire fut ajouté sur l'arbre pour la commande des soupapes d'admission. Les soupapes étaient toujours disposées latéralement et actionnées par des poussoirs. Cette configuration simplifiait l'entraînement de l'arbre grâce à un simple train d'engrenages. Cependant les soupapes latérales ne permettaient pas de réaliser des taux de compression élevés et par conséquent le rendement restait faible. Cette disposition impose un vaste espace mort dans la culasse, augmentant inutilement le volume de la chambre de combustion.

Après 1910, le déplacement des soupapes dans la culasse, tout en gardant l'arbre à came latéral, imposa les culbuteurs. Ce système de distribution a été adopté sur une très grande échelle pendant environ sept décennies. Cependant la masse des poussoirs, des tiges et des culbuteurs devint importante, imposant des réglages minutieux et limitant fortement la vitesse de rotation du moteur. L'arbre à cames en tête, qui avait fait son apparition en 1903 sur un moteur de l'Anglais Mandslay, arriva seulement bien plus tard dans la production en grande série industrielle. Un système à deux arbres à cames en tête lui est fréquemment préféré pour ses avantages lors de la disposition en V des soupapes sur les moteurs à fort rendement.

Moteur culbuté

Schéma d'un moteur culbuté.

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

Il y a eu une généralisation des moteurs avec des soupapes « en dessus » qui autorisent un meilleur remplissage du moteur. L'arbre à cames étant encore situé en bas du moteur, parce que lié, pour sa synchronisation, par un train d'engrenage ou une chaîne au vilebrequin, la commande des soupapes nécessite alors de longues tiges de rappel pour atteindre les culbuteurs et donc une augmentation du poids des pièces en mouvement.

Arbre à cames en tête

Arbre à cames en tête.

L'arbre à cames en tête 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, cette solution s'est généralisée petit à petit à tous les moteurs de véhicules routiers.

Pour éviter l'affolement de soupapes à de hauts régimes (environ 4 000 tr/min et plus), il convient de minimiser 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.

Chaîne de distribution

La transmission de la rotation du vilebrequin vers l'arbre à cames se fait par une chaîne, une courroie dentée, 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 deux tours de vilebrequin pour un tour d'arbre à cames. Lorsque toutes les soupapes sont sur une même ligne, un simple arbre à cames suffit à les actionner toutes sans avoir besoin de culbuteurs ni d'un deuxième arbre.

Longtemps, les industriels ont boudé l'arbre à cames en tête 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'ont d'intérêt que pour atteindre les hauts régimes. Désormais, la majorité des moteurs 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 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 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.

Double arbre à cames en tête

Coupe d'une culasse DOHC, montrant les cames au-dessus des soupapes, avec poussoirs interposés

Au début des années 1970, 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 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 frottements et moins de bruits mécaniques dus aux jeux.

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 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. Le double arbre à cames est souvent associé aux distributions utilisant quatre soupapes par cylindre, mais ce n'est pas une obligation.

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, celui d'allongement du temps d'ouverture ou de passage de 2 à 4 soupapes par cylindre. L'avenir est à la distribution variable, les soupapes étant commandées non par un arbre à cames, mais par des actionneurs électromagnétiques. Cette technique permet, via un calculateur, de commander indépendamment chaque soupape en fonction de tous les paramètres connus du moteur afin de gérer au mieux le couple, le rendement, les températures de gaz ou la pollution.

Systèmes à cames

Came radiale à profil extérieur.

Une came est un organe mécanique constituant une mémoire et destiné à restituer un mouvement de translation ou rotation synchrone par rapport à un mouvement moteur. Le profil de la came constitue la mémoire de mouvement enregistré. Il s'agit d'une forme complexe. La solution la plus répandue est constituée d'un cylindre de rayon variable entraîné en rotation par un arbre. La pièce en contact avec le profil de la came, le suiveur, est alors mise en mouvement.

Une association de cames solidaires d'un même arbre s'appelle un excentrique, et sa déclinaison la plus courante, un arbre à cames. Il est utilisé dans la majorité des moteurs à combustion interne. Le sélecteur de rapports sur une boîte de vitesses est un disque disposant d'autant de cames que de fourchettes à commander. La même technologie est employée sur les machines outils conventionnelles.

Types de cames

• Came à profil extérieur : engendre un effort de poussée
• Came à profil intérieur : engendre un effort de traction
• Came à rainure (profil intérieur et extérieur)
• Came à transmission radiale : le mouvement de translation est perpendiculaire à l'axe de rotation
• Came à transmission axiale: le mouvement de translation est suivant le même axe que l'axe de rotation. Ce type de came est souvent appelé "came cloche"
• Came à plateau
• Came à galet
• Came de forme

Contact came/suiveur

Le contact doit être continu pour éviter les chocs, vibrations et bruits. Le suiveur est généralement maintenu en contact par un ressort. C'est le rôle du ressort de soupape dans le cas de l'arbre à came dans les moteurs à combustion interne. Le mouvement est transmis par contact direct (frottement) ou indirect par l'intermédiaire d'un galet. Le contact direct induit un couple résistant sur la came dû au frottement, entraînant alors une perte d'énergie dissipée sous forme de chaleur dans les deux pièces en contact. La tribologie étudie ces interactions entre différentes surfaces. L'utilisation d'un galet permet d'augmenter le rendement de ce système de transmission en réduisant les frottements, mais pose un problème d'encombrement.