Arbre à cames

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Un arbre à cames est un dispositif mécanique permettant de synchroniser plusieurs déplacements. Comme son nom l'indique, il s'agit d'un arbre muni de plusieurs cames. Il transforme le mouvement de rotation continu de l'arbre en un mouvement de translation alterné (par exemple d'une soupape), ou bien de rotation alterné (par exemple d'un culbuteur).

Animation d'un arbre à 2 cames actionnant 2 soupapes

Histoire[modifier | modifier le code]

La première trace d'un arbre à cames se trouve dans la construction, par les grecques, à l'époque hellénistique, au IIIe siècle avant J.-C. dans des automates hydrauliques[1]. On le retrouve aussi dans certains automates d’Héron d’Alexandrie.

Selon Jean Guimpel, dans « La révolution industrielle du Moyen Âge », l'arbre à cames est apparu vers le XIIe siècle et a été utilisé dans les moulins (en particulier les moulins à eau) qui effectuaient des opérations comme le tannage des peaux et autres. Bertrand Gilles dans « Les développements technologiques en Europe de 1100 à 1400 » situe l'utilisation de l'arbre à cames au XIe siècle[2] L’arbre à cames a également été décrit à la fin du XIIe par l'érudit Al-Djazari qui l'a, principalement, utilisé dans les moulin 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 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.

Arbre à cames dans les moulins[modifier | modifier le code]

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

Pour la fabrication du papier un arbre à cames était utilisé pour produire un mouvement de va-et-vient à une, ou plusieurs, masse. Cet arbre est généralement en bois, avec des cames rapportées, soit en bois, soit métalliques. C'est aussi les cames qui soulèvent les marteaux des foulons dans les moulins qui traitent le « foulage » de la laine ou des peaux animales (pour les débarrasser des graisses et autres impuretés).

Dans l'industrie, un martinet est un ensemble de marteaux-pilons actionnés par un arbre à cames.

Arbre à cames dans le moteur automobile[modifier | modifier le code]

Description[modifier | modifier le code]

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 (ex. : le patin d'un culbuteur). Il est placé au niveau du vilebrequin (dans le cas d'un moteur culbuté, décrit ci-dessous, ou d'un moteur à soupapes latérales), ou sur la culasse (dans le cas d'un moteur dit « à arbre à cames en tête », voir ci-dessous).

La synchronisation de l'arbre à cames avec l'arbre moteur se fait par l'intermédiaire de pignons, d'une chaîne ou d'une courroie crantée. La conception et la physionomie du moteur déterminent la position angulaire de l'arbre à cames. Les dispositions possibles pour dépendent également de l'architecture du moteur et de ses performances. Ainsi, dans les moteurs quatre temps à combustion interne, le cycle complet de combustion nécessite deux tours de vilebrequin pour un tour de l'arbre à cames. Ce dernier doit par conséquent tourner deux fois moins vite que le vilebrequin moteur.

L'élément suiveur des cames (la pièce en contact avec un des cames de l'arbre) prend, selon les cas, différents noms :

  • lorsque cet élément 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 ;
  • il peut également s'agir directement des soupapes elles-mêmes.

Comme cité précédemment, l'arbre contrôle l'ouverture des soupapes. La queue de soupape (le dessous) est soumise à un ressort, qui la maintient fermée lorsque la came n'attaque pas (directement ou indirectement, par l'intermédiaire du poussoir ou du culbuteur). Lorsque la came attaque, la soupape est mécaniquement poussée sur son axe, perpendiculairement à l'axe de rotation de l'arbre à cames. Les ouvertures et fermetures de soupapes se font donc totalement mécaniquement, à un certain rythme dépendant du régime moteur.

Les matériaux utilisés pour la fabrication des arbres à cames doivent être capables de résister à l'usure, compte tenu des frottements importants avec les poussoirs ou les culbuteurs, et ce surtout lors des démarrages à froid lorsque la lubrification n'est pas encore assurée sous pression. On utilise en général, notamment pour les moteurs de grande série, des fontes trempées sur les cames et les portées[3].

Le dessin des cames est très important, car leurs profils déterminent :

  • le moment d'ouverture des soupapes,
  • la durée d'ouverture,
  • la physionomie de levée des soupapes (diagramme de distribution).

Le profil des cames est différent pour les soupapes d'admission ou d'échappement, en raison des lois qui régissent leur fonctionnement.

Historique[modifier | modifier le code]

Au début de l'ère automobile, 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 par le vilebrequin, mettant en œuvre un train d'engrenages simple. Cependant, les soupapes latérales ne permettaient pas de réaliser des taux de compression élevés, en raison du jeu mécanique induit par l'action des multiples pièces ; par conséquent, le rendement restait faible. Cette disposition impose par ailleurs 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 pour voiture automobile de l'anglais Mandslay, fut adopté en série par Isotta Fraschini en 1905 sur le modèle D 100 HP, et seulement bien plus tard, dans la production en grande série industrielle. Un système à deux arbres à cames en tête lui est de nous jours fréquemment préféré, pour ses nombreux avantages lors de la disposition en V des soupapes sur les moteurs à fort rendement. La Peugeot Grand Prix 7,6 litres fut la première a inaugurer cette technique en sport automobile.

Moteur culbuté[modifier | modifier le code]

Schéma d'un moteur culbuté avec les tiges et les culbuteurs

Dans un moteur culbuté, l'arbre à cames est situé près 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 régime et donc en puissance.

D'abord monté sur les motos d'usine de compétition, on assiste à la généralisation des moteurs avec soupapes « en dessus », qui autorisent un meilleur remplissage du moteur[réf. nécessaire]. L'arbre à cames étant encore situé en bas du moteur, parce que lié, pour sa synchronisation, par un train d'engrenage au vilebrequin ou une chaîne, 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[modifier | modifier le code]

Page d'aide sur l'homonymie Pour les articles homonymes, voir ACT.
Arbre à cames en tête.

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, dans le but d'améliorer la commande des soupapes par une diminution drastique des pièces en mouvement. Pour éviter l'affolement de soupapes à de hauts régimes (environ 4 000 tr/min et plus), il convient en effet 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.

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, lequel mouvement est dans ce cas transmis directement à un arbre à cames. En disposant cet arbre à cames en tête, c'est-à-dire en haut du moteur, à l'aplomb immédiat des soupapes, et non plus au plus proche du vilebrequin mais loin des soupapes, les tiges de renvoi entre arbre et soupapes ne sont plus nécessaires. Par contre, la synchronisation de l'arbre et du vilebrequin, éloignés l'un de l'autre, doit se faire par transmission, c'est-à-dire avec un décalage de leurs axes de rotation (ce qui autorise par ailleurs d'éventuels décalages angulaires). D'abord adoptée en compétition sur des architectures moteur innovantes, cette solution s'est petit à petit généralisée à tous les moteurs de véhicules de tourisme, en raison de sa fiabilité et de son moindre coût.

Chaîne de distribution

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 deux tours de vilebrequin pour un tour d'arbre à cames, dans le cas typique d'un moteur quatre temps. 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. Des architectures moteurs plus complexes nécessitent parfois des arbres à cames en tête doubles.

Longtemps, les industriels ont boudé l'arbre à cames en tête pour les automobiles de grande série, à cause des coûts de maintenance (accès aux pièces…), 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 (boîtes six vitesses, etc.)

Double arbre à cames en tête[modifier | modifier le code]

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

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 dits « 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 quatre soupapes par cylindre, mais ce n'est pas une obligation.

Histoire[modifier | modifier le code]

On trouve des moteurs à double arbre a came dès 1912 chez Peugeot[4] grâce à Ernest Henry et chez Fiat[réf. souhaitée]. Le double arbre à cames en tête a commencé à se généraliser dans les années 1960 en automobile.

Au début des années 1970, afin de permettre un bon centrage de la bougie dans la culasse, ainsi qu'un réglage plus 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.

En moto, la généralisation sur les véhicules de tourisme a été le fait des constructeurs japonais[réf. nécessaire].

Description[modifier | modifier le code]

Le double arbre à cames en tête ( en anglais) est une variante de l'arbre à cames en tête, où les rangées de soupapes d'admission et d'échappement sont actionnées par un arbre à cames différent. 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. Du fait de la réduction du poids de chaque arme, le moteur peut ainsi tourner plus vite tout en produisant moins de frottements et de bruits mécaniques dus aux jeux.

Derniers développements[modifier | modifier le code]

Plusieurs évolutions concernant la distribution et les arbres à cames sont à noter.

Les moteurs à distribution variable permettent de modifier les lois de distribution en fonction du régime moteur et de l'action du conducteur sur l'accélérateur, dans le but d'améliorer le rendement du moteur à haut comme à bas régime. Ainsi, on a vu des systèmes de décalage d'arbre à cames (Toyota VVTI), celui d'allongement du temps d'ouverture (Honda VTEC) ou de passage de 2 à 4 soupapes par cylindre (Honda 800 VFR).

La technologie camless est également liée à la distribution variable, les soupapes étant dans ce cas commandées non par un arbre à cames, mais par des actuateurs électromagnétiques. Cette technologie permet, via un calculateur, de commander indépendamment chaque soupape en fonction de tous les paramètres connus du moteur à un instant donné, ce qui permet de gérer aux mieux le couple, le rendement, les températures de gaz ou encore la pollution.

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. Wilson, Andrew (2002): "Machines, Power and the Ancient Economy", The Journal of Roman Studies, Vol. 92, pp. 1–32 (16)
  2. CBretrand Gilles, « Les développements technologiques en Europe de 1100 à 1400 », in Cahiers d'Histoire mondiale, vol. III, t. I, 1956, p. 63-108 Sur le site persee.fr
  3. Technique : L'arbre à cames, page 2 - Motorlegend, 2 août 2005
  4. 1913 Peugeot L45, sur le site conceptcarz.com