Qu'est-ce qu'un arbre à cames ?
Comment fonctionne l'arbre à cames ?
L'arbre à cames est l'une des pièces les plus importantes du moteur à combustion interne, car il régule l'ouverture et la fermeture des soupapes d'admission et d'échappement. Cet article explique la fonction, le fonctionnement, les pièces et les applications de l'arbre à cames.
Un arbre à cames est une tige portant une série de cames en saillie, conçue pour transformer le mouvement rotatif en mouvement linéaire.
Dans un moteur, l'arbre à cames est la pièce qui régule l'ouverture et la fermeture des soupapes d'admission et d'échappement d'un moteur à combustion interne. Un arbre à cames porte plus d'une came : il comporte de nombreuses cames radiales qui déplacent la soupape d'admission ou d'échappement. Cette came glisse sur les soupapes d'admission et d'échappement.
La came transforme le mouvement rotatif de l'arbre à cames en mouvement alternatif du poussoir ou du suiveur. Cet arbre permet l'aspiration et l'évacuation du carburant dans le moteur.
Le fonctionnement de l'arbre à cames dépend du travail de la came et du fonctionnement de la soupape. Les soupapes d'admission et d'échappement sont installées dans la culasse, et les cames reposent sur ces soupapes. La culasse abrite l'orifice qui permet l'aspiration ou l'évacuation du carburant et qui nécessite un mouvement alternatif.
En termes simples, une came est un élément qui transforme le mouvement rotatif en mouvement linéaire et inversement. La came de l'arbre à cames obtient le déplacement grâce à un profil de rotation radiale et à un suiveur qui se déplace perpendiculairement à l'axe de rotation. La position de l'arbre à cames varie selon la conception du moteur.
La fonction principale de l'arbre à cames est d'ouvrir la soupape d'admission et celle d'échappement au moment opportun. Le vilebrequin entraîne cet arbre, qui lui est relié par une courroie ou des engrenages.
Le mouvement de l'arbre à cames est plus lent que celui du vilebrequin : il effectue un tour pour deux tours de vilebrequin. Dans un moteur à quatre temps, un arbre à cames fonctionne de la manière suivante :
- Lorsque le piston se déplace du PMH au PMB (vers le bas), il transmet son mouvement au vilebrequin.
- Le maneton reçoit le mouvement du piston, le transforme en mouvement rotatif et se met à tourner.
- Le vilebrequin est relié à l'arbre à cames par un engrenage ou une courroie.
- Lorsque le vilebrequin transmet son mouvement rotatif à l'arbre à cames, celui-ci le convertit en mouvement alternatif, appuie sur la soupape d'admission et l'ouvre.
- Lorsque la soupape s'ouvre, le carburant commence à entrer dans la chambre de combustion.
- Après les courses d'admission et de compression, le mélange air-carburant brûlé se détend dans la chambre, ce qui force le piston à se déplacer vers le bas.
- Pendant le mouvement descendant du piston, le vilebrequin reçoit à nouveau du mouvement et fait tourner l'arbre à cames.
- Lorsque la came de la soupape d'échappement reçoit ce mouvement, elle appuie sur la soupape d'échappement et l'ouvre, ce qui permet aux gaz d'échappement de sortir de la chambre de combustion.
Le matériau plein est le plus utilisé pour fabriquer l'arbre à cames, car ces arbres offrent une grande rigidité. On utilise aussi la fonte, car elle offre une meilleure résistance.
Les arbres à cames fabriqués selon le procédé en fonte trempée (coquille) offrent une excellente résistance à l'usure, car le refroidissement durcit le matériau. Différents matériaux sont mélangés à la fonte pour obtenir les caractéristiques les mieux adaptées à chaque application.
Certaines industries utilisent aussi des lopins (billets) lorsqu'une production réduite et une qualité excellente sont requises. Mais ce procédé exige plus de temps et de coût que les autres. Ces arbres sont fabriqués par usinage, fonderie ou forgeage sur des fraiseuses et des tours.
L'arbre à cames comporte les composants principaux suivants :
- Suiveur de came
- Came
- Tourillon principal
- Lobes
- Extrémités
- Coussinet
1. Suiveur de came
C'est un type spécial de roulement à aiguilles ou à rouleaux qui suit le profil du lobe de la came. On l'appelle aussi suiveur de piste. Il existe différentes configurations de suiveur de came, mais la caractéristique la plus importante est la fixation du suiveur à la pièce avec laquelle il s'accouple. Le suiveur à fourche comporte un trou en son centre, et le suiveur à goujon utilise un goujon.
Sans cette pièce, la came n'est pas très utile, car la came s'appuie sur le suiveur pour convertir le mouvement rotatif en mouvement alternatif. Les suiveurs comportent des roulements qui leur permettent de convertir le mouvement rotatif en mouvement alternatif.
Les roulements du suiveur ont aussi des conceptions différentes, mais ils sont généralement fabriqués avec une bague extérieure très épaisse. Cette conception à bague extérieure épaisse permet au suiveur d'absorber des charges radiales élevées, tandis que les noyaux tendres supportent des charges importantes sans risque d'endommager le composant.
Le suiveur de came nécessite des billes ou des aiguilles et des matériaux spéciaux tels que le chrome ou l'acier inoxydable, selon les exigences de l'application.
2. Came
Une came est un dispositif qui transmet le mouvement requis à un suiveur par contact direct. L'objectif principal de cette pièce de l'arbre à cames est de transformer le mouvement rotatif du vilebrequin en mouvement linéaire.
Elle présente une conception non circulaire avec un seul lobe. Le suiveur reçoit le mouvement de la came à mesure que celle-ci tourne. L'arbre à cames de chaque moteur porte plus d'une came.
La came est installée au-dessus des soupapes. Elle est chargée de réguler l'ouverture et la fermeture des soupapes d'admission et d'échappement.
Le calage de la came est très important pour les performances du moteur à combustion interne. La rotation de la came ouvre la soupape d'admission et celle d'échappement du cylindre. Un calage correct est essentiel pour garantir que le carburant soit injecté et évacué au moment opportun.
3. Tourillon principal
L'objectif principal du tourillon principal est de maintenir la position de l'arbre à cames lorsqu'il tourne à l'intérieur du moteur.
4. Lobes
Les lobes de l'arbre à cames tournent selon le mouvement du piston. La vitesse de ce composant varie selon le régime du moteur. L'objectif principal des lobes est d'ouvrir et de fermer les soupapes d'admission et d'échappement.
5. Extrémités
L'extrémité avant de l'arbre à cames est conçue pour relier la courroie au vilebrequin. L'extrémité arrière utilise un engrenage spécial pour faire tourner le distributeur du moteur. Le calage de l'allumage est le même que celui des autres composants du moteur.
6. Coussinet
Le coussinet est installé dans l'alésage principal du moteur. Il empêche l'arbre à cames d'endommager le bloc moteur en cas de défaillance du moteur. Les coussinets aident à maintenir une rotation parfaite de l'arbre à cames.
L'arbre à cames comporte les types principaux suivants :
- Selon les poussoirs utilisés par l'arbre à cames
- Selon la forme de l'organe moteur de l'arbre à cames
Selon les poussoirs utilisés par l'arbre à cames
1) Came à poussoir plan
Une came à poussoir plan n'est pas réellement plane : ces cames portent une petite couronne sur la face. Elle est installée là où le poussoir et le lobe se déplacent de manière opposée l'un par rapport à l'autre, et le poussoir tourne sur le lobe. Les lobes de cette came sont fabriqués avec une légère conicité.
Le poussoir doit tourner sur le lobe afin d'éviter une usure inutile et nuisible. Comparé aux poussoirs à rouleaux, le poussoir plan a peu de poids et moins de masse. On en déduit aisément que le poussoir plan est au centre du lobe. Ces cames sont moins chères que les cames à rouleaux, ce qui les rend plus intéressantes.
2) Cames à rouleaux
Le bout arrondi de la came à rouleaux permet au rouleau de maintenir la soupape ouverte pendant de longues périodes avec une levée importante, ce qui influence les besoins en mélange air-carburant. La forme du lobe permet aussi à la soupape de s'ouvrir plus rapidement.
Le principal avantage de ces arbres à cames est qu'ils réduisent le frottement interne, permettent un profil de came plus agressif et favorisent les régimes élevés. Ils offrent une durabilité très élevée ; en d'autres termes, une durée de vie quasi illimitée.
Les cames à rouleaux peuvent être réutilisées maintes fois. Elles réduisent le frottement et augmentent la puissance. Elles prolongent aussi la durée de vie en réduisant l'usure.
Selon la forme de l'organe moteur de l'arbre à cames
1) Came cylindrique
Ce type de came a une forme cylindrique. On l'appelle aussi came à tambour. La surface de la came cylindrique comporte une rainure taillée dans laquelle se déplace le suiveur.
Cet arbre à cames a l'axe de la came parallèle à la direction du mouvement du suiveur.
2) Came radiale
Une came radiale s'appelle aussi came à plateau ou came à disque. On l'appelle radiale car son axe est perpendiculaire à la direction du mouvement du suiveur.
Ce type de came comporte une plaque de profil irrégulier. Cette plaque sert à convertir le mouvement de la came en mouvement du suiveur ou de l'organe entraîné.
3) Came conjuguée
Elle comporte 2 rouleaux. Le suiveur ou l'organe moteur de cet arbre à cames est relié à ces rouleaux. Les rouleaux tendent à limiter les mouvements des autres afin d'éliminer le bruit et d'obtenir un fonctionnement silencieux.
Ces cames sont utilisées dans des applications nécessitant un fonctionnement silencieux de l'arbre à cames.
4) Came globoïde
Cette came présente une conception très proche de la came cylindrique. La principale différence est que la came cylindrique est remplacée par un ensemble concave ou convexe.
5) Came sphérique
La came sphérique comporte une rainure dans sa conception courbe et de forme sphérique. Le suiveur se déplace le long de la rainure. Le mouvement du suiveur est perpendiculaire à l'axe de rotation de la came sphérique.
6) Came transladante
Cette came comporte une plaque de profil rainurée. Les suiveurs oscillent le long de la surface de la rainure de la came.
7) Came en forme de cœur
On l'appelle came en forme de cœur car elle a la forme d'un cœur asymétrique. Le suiveur se déplace sur le bord de la came, avec un mouvement doux et continu. Ce type de came est généralement utilisé pour enrouler uniformément le fil sur la bobine du solénoïde.
8) Came à coin
L'extrémité de cette came a une forme pointue et une base large. L'organe moteur effectue un mouvement coulissant par rapport à la came.
9) Came en spirale
C'est un profil semi-spiral semi-circulaire qui comporte une rainure sur sa surface. Le suiveur de cette came a un mouvement perpendiculaire au mouvement linéaire de l'organe moteur de l'arbre à cames.
Il existe de multiples raisons à la défaillance de l'arbre à cames. Les causes les plus courantes de sa défaillance sont indiquées ci-dessous :
- En raison d'une pression de ressort de soupape incorrecte.
- En raison de l'usure des lobes.
- Rodage (mise en place) insuffisant.
- En raison de l'endommagement de la came.
- En raison d'un jeu axial excessif de l'arbre à cames.
- Utilisation d'un filtre à huile neuf avec la came.
- En raison d'une interférence mécanique, telle qu'une interférence de joint à lèvres, un empilement de spires du ressort, une interférence soupape-piston, des rainures de culbuteur et une interférence de vis.
- Utilisation d'un matériau de faible qualité pour l'arbre à cames.
L'arbre à cames reçoit la puissance d'entraînement du vilebrequin. Le vilebrequin transmet sa puissance à l'arbre à cames par différents moyens et l'entraîne. Le mécanisme d'entraînement de l'arbre à cames est indiqué ci-dessous :
- Entraînement par chaîne
- Entraînement par engrenages
- Entraînement par courroie
1) Mécanisme d'entraînement par chaîne
Dans ce mécanisme, un pignon de chaîne est utilisé pour transmettre la puissance du vilebrequin à l'arbre à cames.
Si la distance entre le vilebrequin et l'arbre à cames est importante, on utilise un mécanisme d'entraînement par chaîne.
Dans ce mécanisme, l'arbre à cames et le vilebrequin tournent dans la même direction. Un tendeur de chaîne est utilisé pour éviter que le système de chaîne ne se détende, car une chaîne détendue ne peut pas transmettre une puissance suffisante du vilebrequin à l'arbre à cames.
2) Mécanisme d'entraînement par engrenages
Le mécanisme d'entraînement par engrenages est utilisé lorsqu'une distance minimale est requise entre le vilebrequin et l'arbre à cames. Dans ce mécanisme, un système d'engrenages transmet la puissance du vilebrequin à la came.
Dans le cas du mécanisme par engrenages, l'engrenage menant du vilebrequin engrène avec les engrenages menés de l'arbre à cames (comme on le voit sur le schéma ci-dessous). Lorsque le vilebrequin tourne, il transmet la puissance à l'arbre à cames par l'engrenage menant. Lorsque l'engrenage menant tourne, il fait tourner les engrenages menés, qui ouvrent et ferment les soupapes d'admission et d'échappement du moteur.
3) Mécanisme d'entraînement par courroie
Le mécanisme d'entraînement par courroie utilise une courroie crantée pour transférer le mouvement du vilebrequin à l'arbre à cames. Il est très courant sur les moteurs modernes. La courroie réduit le bruit de fonctionnement et nécessite peu d'entretien.
La courroie doit être remplacée périodiquement selon les spécifications du constructeur. Si elle se casse, elle peut causer de graves dommages aux soupapes et aux pistons du moteur.
Cela dépend du matériau, de la lubrification et des conditions d'utilisation. Avec un entretien correct, les arbres à cames en fonte trempée ou en acier allié dépassent généralement 150 000 à 200 000 km. Le manque d'huile est la principale cause d'usure prématurée.
Perte de puissance, bruits métalliques dans la culasse, consommation de carburant élevée, émissions excessives et ratés d'allumage. Au diagnostic, des codes d'erreur liés au calage des soupapes apparaissent.
Si les lobes présentent une usure ou des piqûres graves, il n'est pas recommandé de le réparer ; il convient de le remplacer par un neuf. Dans certains cas, une rectification est possible, mais elle réduit sa durabilité.
Celui en fonte trempée offre une bonne résistance à l'usure pour les applications standard. Celui en acier allié possède une plus grande résistance mécanique, idéal pour les moteurs performants et les charges élevées.