Un arbre a cames ( AAC ) est un dispositif mecanique permettant de synchroniser plusieurs deplacements. 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 alterne (par exemple d'une soupape), ou bien de rotation alterne (par exemple d'un culbuteur).

Histoire [ modifier | modifier le code ]

La premiere trace d'un arbre a cames se trouve dans la construction, par les Grecs, a l'epoque hellenistique, au III ^e  siecle  av. J.-C. dans des automates hydrauliques ^{[ 1 ]} . On le retrouve aussi dans certains automates d’ Heron d’Alexandrie .

L'arbre a cames est utilise par les Romains pour ecraser le minerai d'or et pour fabriquer le tanin utilise pour traiter les cuirs. Il est atteste dans les mines d'or romaines du Pays de Galles et au nord-est de la peninsule iberique, ainsi que dans une tannerie de la seconde moitie du III ^e  siecle (ou du debut du IV ^e  siecle) a Saepinum, en Italie ^{[ 2 ]} .

Bertrand Gilles situe l'utilisation de l'arbre a cames au XI ^e  siecle ^{[ 3 ]} .

L’arbre a cames a egalement ete decrit a la fin du XII ^e par l'erudit Al-Jazari . Il est alors utilise pour transformer le mouvement rotatif des roues a aubes des moulins, en mouvement alternatif, par exemple dans les martinets specialises dans le battage du fer, pour le broyage des ecorces d'arbres destinee au tannage du cuir, pour battre le chanvre destine a la fabrication de papier et tissus, pour fouler les draps,  etc. ^{[ 4 ] , [ 5 ]} .

Aujourd’hui, l’arbre a cames est une piece essentielle des moteurs a pistons . L'arbre a cames, appele egalement ≪ arbre de distribution ≫, commande l'ouverture de chaque soupape dans un ordre determine, en transformant le mouvement rotatif issu du moteur en mouvement lineaire. Il est entraine par des pignons , une chaine ou une courroie crantee .

Utilisation industrielle [ modifier | modifier le code ]

L'arbre a cames etait utilise dans differentes industries :

• pour la fabrication de la pate a papier un arbre a cames etait utilise pour produire un mouvement de va-et-vient a une, ou plusieurs, masse. Cet arbre est generalement en bois, avec des cames rapportees, soit en bois, soit metalliques ;
• pour soulever les marteaux des foulons dans les moulins qui traitent le ≪ foulage ≫ de la laine ou des peaux animales (pour les debarrasser des graisses et autres impuretes) ;
• dans l' industrie , un martinet est un ensemble de marteaux-pilons actionnes par un arbre a cames .

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

Description [ modifier | modifier le code ]

L'arbre a cames est une piece mecanique utilisee, principalement, dans des moteurs a pistons a quatre temps pour la commande synchronisee des soupapes . Il se compose d'une tige cylindrique disposant d'autant de cames que de soupapes a commander independamment ou par groupe, glissant sur la queue de soupape, ou sur un renvoi mecanique (ex. : le patin d'un culbuteur ). Il est place au niveau du vilebrequin (dans le cas d'un moteur culbute, decrit ci-dessous, ou d'un moteur a soupapes laterales ), ou sur la culasse (dans le cas d'un moteur dit ≪ a arbre a cames en tete ≫, voir ci-dessous).

La synchronisation de l'arbre a cames avec l'arbre moteur se fait par l'intermediaire de pignons, d'une chaine ou d'une courroie crantee. La conception et la physionomie du moteur determinent la position angulaire de l'arbre a cames. Les dispositions possibles dependent egalement de l'architecture du moteur et de ses performances. Ainsi, dans les moteurs quatre temps a combustion interne, le cycle complet de combustion necessite deux tours de vilebrequin pour un tour de l'arbre a cames. Ce dernier doit par consequent tourner deux fois moins vite que le vilebrequin moteur.

L'element suiveur des cames (la piece en contact avec un des cames de l'arbre) prend, selon les cas, differents noms :

• lorsque cet element est soumis a un mouvement de translation rectiligne, il est nomme poussoir , centre ou excentre suivant que son axe rencontre ou non celui de l'arbre a cames ;
• s'il effectue un mouvement oscillant de rotation autour d'un axe, il porte le nom de culbuteur  ;
• il peut egalement s'agir directement des soupapes elles-memes.

Comme cite precedemment, l'arbre controle l'ouverture des soupapes. La queue de soupape (le dessous) est soumise a un ressort, qui la maintient fermee lorsque la came n' attaque pas (directement ou indirectement, par l'intermediaire du poussoir ou du culbuteur). Lorsque la came attaque , la soupape est mecaniquement poussee sur son axe, perpendiculairement a l'axe de rotation de l'arbre a cames. Les ouvertures et fermetures de soupapes se font donc totalement mecaniquement, a un certain rythme dependant du regime moteur.

Les materiaux utilises pour la fabrication des arbres a cames doivent etre capables de resister a l'usure, compte tenu des frottements importants avec les poussoirs ou les culbuteurs, et ce surtout lors des demarrages a froid lorsque la lubrification n'est pas encore assuree sous pression. On utilise en general, notamment pour les moteurs de grande serie, des fontes trempees sur les cames et les portees ^{[ 6 ]} .

Le dessin des cames est tres important, car leurs profils determinent :

• le moment d'ouverture des soupapes ;
• la duree d'ouverture ;
• la physionomie de levee des soupapes ( diagramme de distribution ).

Le profil des cames est different pour les soupapes d'admission ou d'echappement, en raison des lois qui regissent leur fonctionnement.

Historique [ modifier | modifier le code ]

Au debut de l'ere automobile, l'arbre a cames etait dispose lateralement, dans le carter moteur, et commandait uniquement les soupapes d'echappement disposees elles aussi lateralement au cylindre. Les soupapes d'admission s'ouvraient quant a elles automatiquement par depression lors de l' admission . Plus tard, un jeu de cames supplementaire fut ajoute sur l'arbre pour la commande des soupapes d'admission. Les soupapes etaient toujours disposees lateralement, et actionnees par des poussoirs. Cette configuration simplifiait l'entrainement de l'arbre par le vilebrequin, mettant en œuvre un train d'engrenages simple. Les soupapes laterales ne permettaient pas de realiser des taux de compression eleves en raison du vaste espace mort present dans la culasse, augmentant inutilement le volume de la chambre de combustion, et par consequent, engendrant un rendement faible.

L'arbre a cames en tete fait son apparition en 1903 sur un moteur pour voiture automobile de l'anglais Mandslay et est adopte en serie par Isotta Fraschini en 1905 sur le modele D 100 HP , et bien plus tard, dans la production en grande serie industrielle.

Apres 1910 , le deplacement des soupapes dans la culasse , tout en gardant l'arbre a cames lateral, impose les culbuteurs . Ce systeme de distribution a ete adopte sur une tres grande echelle pendant environ sept decennies. Cependant, la masse des poussoirs, des tiges et des culbuteurs limitait fortement la vitesse de rotation du moteur, et en raison du jeu mecanique induit par l'action des multiples pieces, des reglages minutieux etaient necessaires afin de ne pas limiter la vitesse de rotation du moteur.

Pour les moteurs en V , un systeme a deux arbres a cames en tete est, de nos jours, frequemment prefere, pour ses nombreux avantages sur les moteurs a fort rendement. En 1913, la Peugeot Grand Prix 7,6  litres ^{[ 7 ]} fut la premiere a inaugurer cette technique en sport automobile ^{[ref. necessaire]} .

Arbre a cames lateral [ modifier | modifier le code ]

Moteur a soupapes laterales [ modifier | modifier le code ]

Dans un moteur a soupapes laterales, l'arbre a cames est situe lateralement et pres du vilebrequin. Il transmet son mouvement directement ou via des poussoirs aux soupapes qui sont disposees parallelement a l'axe du cylindre.

Moteur culbute [ modifier | modifier le code ]

Dans un moteur a soupapes en tete , l'arbre a cames peut aussi etre situe lateralement et pres du vilebrequin. Il transmet alors son mouvement aux soupapes via des tiges et culbuteurs  : on parle de moteur culbute. Le probleme de ce type de moteur est que la chaine cinematique comprend beaucoup d'elements subissant des mouvements alternatifs (tiges, culbuteurs et soupapes ) : le poids de toutes ces pieces en mouvement produit une certaine inertie de la chaine cinematique, ce qui limite la montee en regime mais aussi le regime maximum du moteur ^{[ a ]} , et donc la puissance maximum du moteur.

Arbre a cames en tete [ modifier | modifier le code ]

L' arbre a cames en tete (ACT) (en anglais SOHC pour ≪  Single overhead camshaft  ≫) est une disposition particuliere du ou des arbres a cames au-dessus de la culasse , dans le but d'ameliorer la commande des soupapes par une diminution drastique des pieces en mouvement, de leur poids et donc de l'inertie. Pour eviter l' affolement de soupapes a de hauts regimes (environ 4 000  a 6 000   tr/min et plus), il convient en effet de minimiser les pieces soumises a un mouvement alternatif, comme les poussoirs, les tiges de culbuteurs et les culbuteurs eux-memes. La suppression de ces pieces eliminant d'autant l’inertie et les jeux mecaniques parasites, la precision de commande des soupapes est amelioree. Pour cela, on place le ou les arbre(s) a cames directement au-dessus des soupapes.

Dans un moteur a soupapes en tete, il est d'usage de transmettre la commande d'ouverture des soupapes par un mouvement rotatif preleve sur le vilebrequin , lequel mouvement est dans ce cas transmis directement a un arbre a cames. En disposant cet arbre a cames en tete, c'est-a-dire en haut du moteur, a l'aplomb immediat 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 necessaires. Par contre, la synchronisation de l'arbre et du vilebrequin, eloignes l'un de l'autre, doit se faire par transmission, c'est-a-dire avec un decalage de leurs axes de rotation (ce qui autorise par ailleurs d'eventuels decalages angulaires). D'abord adoptee en competition sur des architectures moteur innovantes, cette solution s'est petit a petit generalisee a tous les moteurs de vehicules de tourisme, en raison de sa fiabilite et de son moindre cout.

La transmission de la rotation du vilebrequin vers l'arbre a cames se fait par une chaine , une courroie crantee, 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 a cames, dans le cas typique d'un moteur quatre temps. Lorsque toutes les soupapes sont sur une meme ligne, un simple arbre a cames suffit a actionner toutes les soupapes sans avoir besoin de culbuteurs ni d'un deuxieme arbre. Des architectures moteurs plus complexes necessitent parfois des arbres a cames en tete doubles.

Longtemps, les industriels ont boude l'arbre a cames en tete pour les automobiles de grande serie, a cause des couts de maintenance (acces aux pieces…), des problemes de lubrification qu'il posait et des modifications des chaines de fabrication des moteurs. En fait, les arbres a cames en tete n'ayant d'interet que pour atteindre les hauts regimes, il etait d'usage de les reserver a des moteurs sportifs. Desormais, la majorite des moteurs d'automobiles sont equipes d'arbre a cames en tete, souvent double, pour actionner les 16 soupapes courantes sur les moteurs modernes a 4  cylindres en ligne . Les moteurs en V utilisant cette technologie occupent plus d'espace dans le compartiment moteur des voitures que les moteurs a soupapes laterales ou a soupapes en tete avec culbuteurs .

Les moteurs a arbre a cames en tete atteignent leur couple et leur puissance maximale a des regimes-moteurs superieurs a ceux des moteurs a soupape en tete avec culbuteurs . Pour maximiser le rendement, les constructeurs automobiles doivent donc les jumeler a des transmissions ayant un nombre eleve de rapports (boites six vitesses…).

Double arbre a cames en tete [ modifier | modifier le code ]

La notion de double arbre ne se concoit que pour chaque rangee de cylindres . Par exemple, un moteur en V qui n'aurait qu'un arbre a cames par rangee de cylindres est considere comme simple arbre, bien qu'il ait deux arbres a cames en tout. Parfois, certains moteurs a plusieurs rangees de cylindres sont dits ≪ QOHC ≫ ou quadruple arbre a cames en tete. Cela designe en fait un moteur ou chaque rangee de cylindre dispose d'un double arbre a cames en tete. Ainsi, les termes ≪ V6 DOHC ≫ ou ≪ V6 QOHC ≫ designent strictement la meme chose. Le double arbre a cames est souvent associe aux distributions utilisant quatre soupapes par cylindre, mais ce n'est pas une obligation. Le doublage des arbres a cames permet un bon placement de la bougie en haut de la chambre de combustion, ainsi qu'un reglage plus aise des lois de distribution car il y a un arbre a cames pour les soupapes d'admission, et un autre pour l'echappement. L'espace degage entre les arbres (contrairement a un unique arbre central) permet de placer la bougie au centre de la chambre de combustion au lieu de la disposer lateralement.

Histoire [ modifier | modifier le code ]

On trouve des moteurs a double arbre a cames des 1912 chez Peugeot ^{[ 8 ]} grace a Ernest Henry ( Peugeot L76 ) et chez Fiat ^{[ ref.  souhaitee]} . Le double arbre a cames en tete (≪ 2 ACT ≫) a regulierement ete utilise en competition dans la periode des annees 1920. Des 1922, Salmson a Billancourt a ete le premier constructeur a produire en serie des automobiles avec cette technique, lui permettant ainsi de rivaliser jusque dans les annees 1940 avec des moteurs de cylindree beaucoup plus importante. La technique du double arbre a cames en tete s'est generalisee dans les annees 1960 a l'ensemble de la production automobile. L' Alfa Romeo 1900 utilise des 1950 un moteur a double arbre a cames en tete de 1 884  cm ³ pour 90   ch . La Fiat 124 dans ses versions berline, coupe et spyder en a ete la beneficiaire a partir de 1966.

En moto , la generalisation sur les vehicules de tourisme a ete le fait des constructeurs japonais ^{[ref. necessaire]} . La Honda CB 450 presente des 1965 une distribution par deux arbres a cames en tete.

Description [ modifier | modifier le code ]

Le double arbre a cames en tete (en anglais  : Double overhead camshaft , DOHC) est une variante de l' arbre a cames en tete , ou les rangees de soupapes d'admission d'une part, et de soupapes d'echappement d'autre part, sont actionnees par deux arbres a cames differents. Cette technique permet de supprimer presque toutes les pieces intermediaires entre l'arbre a cames et la soupape, sans avoir besoin, pour autant, d'aligner toutes les soupapes. Du fait de la reduction du poids de chaque arbre le moteur peut tourner plus vite, en produisant moins de frottements et de bruits mecaniques dus aux jeux.

Derniers developpements [ modifier | modifier le code ]

Plusieurs evolutions concernant la distribution et les arbres a cames sont a noter.

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

La technologie camless est egalement liee a la distribution variable , les soupapes etant dans ce cas commandees non par un arbre a cames, mais par des actuateurs electromagnetiques . Cette technologie permet, via un calculateur, de commander independamment chaque soupape en fonction de tous les parametres connus du moteur a un instant donne, ce qui permet de gerer au mieux le couple , le rendement, les temperatures de gaz ou encore la pollution.

Notes et references [ modifier | modifier le code ]

Notes [ modifier | modifier le code ]

References [ modifier | modifier le code ]

Voir aussi [ modifier | modifier le code ]

Articles connexes [ modifier | modifier le code ]

• Distribution (moteur)
• Moteur a arbre a cames en tete
• Soupape

Liens externes [ modifier | modifier le code ]

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