Technique : L'arbre à cames

L'arbre à cames (appelé aussi "arbre de distribution") commande l'ouverture des soupapes. Il s'agit d'un arbre (pièce métallique longiligne) entraîné par une roue dentée. Il porte autant de cames qu'il y a de soupapes (il y a parfois 2 cames par soupape - cas de l'Alfasud).

Sa position peut être dans le carter (arbre à cames latéral) ou dans la culasse (arbre à cames en tète noté ACT. Certains moteurs possèdent deux arbres à cames (l'un pour les soupapes d'admission et l'autre pour les soupapes d'échappement).

Dans les moteurs à quatre temps, le cycle complet nécessite deux tours de vilebrequin pour un tour de l'arbre à cames.

En conséquence, ce dernier tourne à une vitesse qui est la moitié de celle du moteur.

La commande peut se faire au moyen d'une chaîne (avec des pignons généralement cylindriques), ou encore, suivant un système plus moderne, par courroie crantée.

La position angulaire de l'arbre est déterminée au montage du moteur. Cette opération porte le nom de calage de la distribution .

L'élément suiveur de came prend, lorsqu'il est soumis à un mouvement de translation rectiligne, le nom de poussoir centré ou excentré suivant que son axe rencontre ou non celui de l'arbre à cames.

Quand, au contraire, il effectue un mouvement oscillant de rotation autour d'un axe, il porte le nom de culbuteur. L'arbre à cames commande l'ouverture des soupapes. Le rappel de celles-là sur leurs sièges est obtenu par des ressorts qui tendent à les maintenir fermées.

Ainsi, 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.

Dans les commandes desmodromiques, la fermeture comme l'ouverture de la soupape sont commandées mécaniquement par des cames ou excentriques.

Ce dispositif permet d'éviter l'affolement des ressorts en cas de sur-régime, mais il est plus compliqué et plus coûteux que le système classique, et n'est pas utilisé sur les voitures de grande série.

Les dispositions possibles pour l'arbre à cames dépendent de l'architecture du moteur et de ses performances.

Historique

Sur les premières voitures, l'arbre à cames était disposé latéralement (c'est-à-dire dans le carter moteur) et commandait uniquement les soupapes d'échappement. Les soupapes d'admission étaient automatiques et s'ouvraient par dépression.

Par la suite (par exemple sur la Fiat 24 HP de 1903), on ajouta un second arbre à cames dans le bâti pour commander également les soupapes d'admission. Les soupapes étaient toujours disposées latéralement et actionnées par un poussoir.

Avec la solution de l'arbre à cames dans le carter, le graissage était simplifié et la commande de l'arbre était réalisée sans complication de construction avec 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.

En effet, leur disposition créait un vaste espace mort, augmentant le volume de la chambre de combustion.

C'est ce qui poussa les constructeurs, après 1910, à adopter les culbuteurs sur une grande échelle et à disposer les soupapes dans la culasse. Toutefois, avec cette solution, le poids des poussoirs, des tiges et des culbuteurs était 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.

Plus tard, les avantages qui résultent de la disposition en V des soupapes : chambre de combustion hémisphérique et échappement placé du côté opposé à l'admission, conduisirent à l'introduction du système à deux arbres à cames en tête.

Les premiers exemples de ce système remontent à 1912, naturellement sur une voiture de sport : la Peugeot Grand Prix de 7,6 litres.

La position des soupapes inclinées ou des soupapes d'échappement disposées d'un côté et les soupapes d'admission de l'autre, peut se réaliser également avec un seul arbre à cames, qu'il soit en tête ou dans le carter, comme sur la Fiat 200 HP construite pour le défi avec Napier en 1908, la Fiat 14 B de 1914 ou encore l'Austro Daimler Prinz Heinrich construite en 1914.

De la Première Guerre mondiale à nos jours, la position de l'arbre à cames n'a pas subi de modifications.

Les systèmes sont restés sensiblement inchangés, la solution latérale dans le carter étant préférée pour des raisons de simplicité de construction sur les voitures utilitaires et moyennes. Sur les voitures de grande classe et de sport, on adopte l'arbre à cames en tête.

L'arrivée du double arbre à cames en têtes ( double ACT)

Les avantages des deux arbres à cames en tète sont d'éliminer des éléments susceptibles de fléchir, comme les tiges de culbuteurs, de réduire les forces d'inertie dues aux masses en mouvement alternatif, et de permettre une meilleure disposition des soupapes avec des chambres de combustion ramassées.

Les inconvénients de ce système étaient relatifs à la construction et résidaient dans le prix de revient plus élevé de la fabrication là cause de la plus grande complexité de la culasse), dans la difficulté de graisser tous les éléments et dans une certaine complication des opérations de montage et d'entretien.

Cependant, beaucoup de ces problèmes ont été résolus brillamment par l'introduction de la commande par courroie crantée, depuis 1965. Les constructeurs italiens, en particulier Alfa Romeo et Fiat, ont contribué à rendre accessible également sur des voitures de classe moyenne la distribution par double arbre à cames en tète.

Mais d'autres constructeurs, comme Renault ont longtemps préféré l'arbre à cames dans le carter.

On exige de l'arbre à cames une rigidité élevée, parce qu'il est soumis à de fortes charges de flexion et de torsion. Cependant, on cherche à réduire au maximum le nombre des paliers pour éviter les pertes dues aux frottements. Dans le cas d'un arbre à cames disposé dans le carter, lequel est habituellement en fonte, ses logements sont bagués de coussinets en bronze munis de canaux de graissage.

Dans le cas d'un arbre à cames en tète, si la culasse est en alliage léger, les paliers peuvent être venus de fonderie avec elle ou rapportés sur celle-là et fixés par des goujons. Dans les deux cas, il n'y a généralement pas de coussinets, et l'arbre tourillonne directement dans son logement qui est lubrifié par des canaux adéquats, ou par immersion et barbotage.

Il est fréquent de prévoir, sur les arbres à cames, des pignons pour la commande de la pompe à huile et du distributeur, et une came spéciale pour la commande le la pompe à essence mécanique.

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.

La fonte trempée atteint une bonne dureté et conserve un coefficient de frottement très bas ; en outre, son prix est modéré. Pour des moteurs plus sollicités, on utilise au contraire des aciers cémentés.

Dans le projet de l'arbre à cames, la phase la plus délicate constitue dans le dessin de la came. 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 normalement diffèrent pour les soupapes d'admission et d'échappement parce que les lois que doivent suivre ces deux pièces sont différentes.

Ce profil se compose de trois parties :

- un arc de cercle, qui est appelé zone de repos, auquel correspond la fermeture de la soupape ; - un arc de cercle de rayon plus petit qui correspond à la zone d'ouverture maximale ;

- deux segments rectilignes ou curvilignes. tangents aux deux cercles, et correspondant respectivement à la levée et au retour de la soupape.

En réalité, le rayon de la zone de repos est diminué d'une certaine quantité pour permettre la dilatation de la tige de soupape, et laisser ainsi un certain jeu entre la soupape et le poussoir.

Cette partie est raccordée aux flans de la partie excentrée par des zones d'attaque, pour réduire au maximum les chocs came poussoir et assurer ainsi un fonctionnement silencieux. Le réglage du jeu des poussoirs s'effectue en agissant sur des vis, ou par des cales d'épaisseur dans le cas d'arbres à cames en tète. Dans les moteurs à quatre temps, l'arbre à cames tourne à un nombre de tours qui est égal à la moitié de celui du vilebrequin. Les soupapes doivent en effet commencer et achever leur mouvement d'ouverture et de fermeture (un tour de la came) pendant un cycle de fonctionnement (deux tours du vilebrequin). Les positions relatives des cames les unes par rapport aux autres sont déterminées par la nécessité d'obtenir l'ouverture de chaque soupape quand le piston correspondant se trouve dans une même position, ce qui est facile à réaliser connaissant l'ordre d'allumage et le nombre des cylindres. Dans un 4 cylindres à 4 temps par exemple, l'angle entre les cames des cylindres voisins dans l'ordre d'allumage est de 90° (4 x 90 = 360) tandis que dans un 6 cylindres, il est de 60° (6 x 60 = 360).

Ces angles sont fixés lors de la construction de l'arbre à cames et ne peuvent être modifiés par la suite. La position de l'arbre à cames par rapport au vilebrequin est déterminée lors du montage en utilisant des repères marqués à l'avance par le constructeur.