Arbre à cames

*Cet article est une copie traduit et modifié de l'article de Wikipedia Camshaft Vilebrequin (moteur) avec des infos générales*

## Moteurs de la Mini

Bloc moteur - BMC A-Series Straight-4

* Vilebrequin pour Mini - Vilebrequin

* Arbre à cames pour Mini - Arbre à cames

Transmission

culasses pour Mini - Culasse

Carburateur

Injection

Echappement

Transmission

Un **arbre à cames** est un axe auquel des cames sont fixée ou dont des cames font partie intégrante.

Dans un moteur à combustion interne un arbre à cames est une longue tige mince, une axe, avec plusieurs cames. Ces cames poussent poussoir et de culbuteurs qui ouvrent et ferment les soupapes

## Histoire

L'arbre à cames a été décrit en 1206 par un ingénieur musulman Al-Jazari. Il l'a utilisé dans ses automates et de ses machines à eau et de horloge à eau tels que  horloge du château.

## Moteurs à pistons

Dans les moteurs à pistons, l'arbre à cames est utilisé pour faire fonctionner les  soupapes d'admission et d'échappement . L'arbre à cames se compose d'un axe (une tige cylindrique) s'étendant sur la longueur de la rangée de cylindres avec un certain nombre de cames (des *lobes de came* saillants) sur sa longueur, un pour chaque soupape. Les lobes de came forcent les soupapes à s'ouvrir en appuyant sur la tige de la soupape, ou sur un mécanisme intermédiaire (culbuteur ou tige pousseur), lors de leur rotation. Des ressorts sont mis en place pour fermer la valve, le moment où le lobe atteint son point le plus haut sur la tige de poussée est lorsque la valve est complètement ouverte. La soupape est fermée lorsque le ressort recule et lorsque la came se trouve sur son cercle de base.

## Construction

Les matériaux utilisés pour un arbre à cames sont généralement soit:

* Fonte: couramment utilisés dans la production à haut volume, les arbres à cames en fer refroidi ont une bonne résistance à l'usure car le processus de refroidissement les durcit. D'autres éléments sont ajoutés au fer avant la coulée pour rendre le matériau plus adapté à son application.
* Acier à billettes: lorsqu'un arbre à cames de haute qualité ou une production à faible volume est requis, les constructeurs de moteurs et les fabricants d'arbres à cames choisissent des billettes en acier. Il s'agit d'un processus beaucoup plus long et généralement plus coûteux que les autres méthodes. La méthode de construction est généralement soit forgeage, usinage (à l'aide d'une tour à métaux ou  fraiseuse), moulage ou hydroformage.  Différents types de barres d'acier peuvent être utilisés, un exemple étant EN40b. Lors de la fabrication d'un arbre à cames à partir de EN40b, l'arbre à cames sera également sousmis à un traitement thermique par nitruration, ce qui modifie la microstructure du matériel. Il donne une dureté de surface de 55 à 60  HRC, adapté à une utilisation dans des moteurs à hautes performances.

## Emplacement et quantité

Selon l'emplacement de l'arbre à cames, la came actionne les soupapes soit directement, soit par l'intermédiaire d'une tringlerie de poussoirs et de culbuteurs. Le fonctionnement direct implique un mécanisme plus simple et conduit à moins de pannes, mais nécessite que l'arbre à cames soit positionné en haut des cylindres. Dans le passé, lorsque les moteurs n'étaient pas aussi fiables qu'aujourd'hui, cela était considéré comme trop problématique, mais dans les moteurs à essence modernes, le système de l'arbre à cames au-dessus des cylindres, est assez courant.

Alors qu'aujourd'hui certains moteurs reposent sur un seul arbre à cames par rangée de cylindres, ce qui est connu comme un *arbre à cames en tête* (SACT), la plupart des moteurs modernes sont entraînés par **deux arbres à cames** par arrangement de cylindres (un arbre à cames pour les soupapes d'admission et un autre pour les soupapes d'échappement); une telle disposition d'arbre à cames est connue sous le nom de *double* ou *double arbre à cames en tête* (DACT), ainsi, un moteur V, qui a deux rangées de cylindres distinctes, peut avoir quatre arbres à cames.

La conception de l'arbre à cames en tête ajoute plus de composants du groupe motopropulseur, ce qui entraîne en fin de compte plus de complexité et des coûts de fabrication plus élevés, mais cela est facilement compensé par de nombreux avantages par rapport à la conception plus ancienne:  multi-soupape, plus élevée  RPM et la liberté de conception pour mieux placer les soupapes, les bougies d'allumage (Moteur à allumage commandé) et les orifices d'admission / d'échappement.

Dans un moteur à tige de poussée classique, l'arbre à cames est positionné à l'intérieur du bloc moteur directement sur le vilebrequin. Les moteurs SOHC (single overhead cam) ont la came placée sur les culasses d'un moteur. Ces moteurs actionnent leurs soupapes en poussant directement sur eux, éliminant ainsi le risque de jeu de soupape. Les moteurs SACT comportent deux arbres à cames, un sur chaque culasse tandis que les moteurs DOHC ont quatre arbres à cames, deux sur chaque culasse. Le but d'avoir plusieurs arbres à cames est d'assurer un moteur plus silencieux, plus un moteur a de lobes de came, plus il est facile de contrôler les soupapes, ce qui signifie qu'elles peuvent être ouvertes et fermées à des moments variables permettant à l'échappement de s'échapper là où il est nécessaire.

Les tiges poussoirs sont des pièces cylindriques en acier qui varient en longueur, mais dans les moteurs plus anciens, la longueur de la tige de poussée était réglable de sorte que valve lash (jeu de soupape) pourrait être ajuster également. Les tiges de poussée sont livrées avec un trou fabriqué qui extrude à travers la tige, ce trou est conçu pour forcer l'huile à s'écouler directement entre l'arbre à cames et les soupapes . Ces tiges sont généralement en acier à haute teneur en carbone.  Le but des tiges de poussée est de transférer l'énergie de rotation de l'arbre à cames et de la transformer en énergie linéaire qui actionne les soupapes. Tous les moteurs n'ont pas de poussoirs, certains fonctionnent en permettant arbre à cames pour pousser directement sur les soupapes, celles-ci sont appelées moteur modulaires . En 1996, Ford a présenté ses nouveaux moteurs modulaires de 4,6 litres, ce sont les premiers du genre à devenir populaires. Lorsque les tiges de poussée tombent en panne dans un moteur, elles se plient généralement, ce qui provoque un problème qui ne permettra pas aux soupapes du moteur de s'ouvrir complètement, ce qui entraînera une baisse du moteur.

## Systèmes d'entraînement

La relation entre la rotation de l'arbre à cames et la rotation du vilebrequin est d'une importance cruciale. Étant donné que les soupapes contrôlent le débit des gaz d'admission, du mélange air/carburant, et d'échappement, elles doivent être ouvertes et fermées au moment approprié pendant la course du piston. Pour cette raison, l'arbre à cames est connecté au vilebrequin soit directement par un mécanisme engrenage, soit indirectement via une courroie ou une chaîne appelée  *courroie de distribution* ou  *chaîne de distribution*. L'entraînement direct à l'aide d'engrenages est inhabituel en raison du coût. Le couple d'inversion fréquemment provoqué par la pente des cames a tendance à provoquer un cliquetis des engrenages qui, pour un train d'engrenages entièrement métallique, nécessite des dépenses supplémentaires pour un amortisseur à cames. Rolls-Royce V8 (1954) utilisait une transmission par engrenages car, contrairement à la chaîne, elle pouvait être plus silencieuse et durer toute la vie du moteur.
Lorsque les engrenages sont utilisés dans des voitures moins chères, ils ont tendance à être fabriqués à partir de fibres élastiques plutôt que de métal, sauf dans les moteurs de course qui nécessitent un entretien élevé. Les engrenages en fibre ont une courte durée de vie et doivent être remplacés régulièrement, un peu comme une courroie de distribution. Dans certains modèles, l'arbre à cames entraîne également le distributeur et le lubrifiant et la  pompe à carburant. Certains véhicules peuvent avoir la pompe de direction assistée entraînée par l'arbre à cames. Avec certains systèmes d'injection de carburant précoces, des cames sur l'arbre à cames faisaient fonctionner les injecteurs de carburant. Honda a repensé la moto VF750 de la transmission par chaîne à la transmission par engrenages VFR750 en raison de problèmes insurmontables avec la transmission par chaîne inversée VF750 Hi-Vo.

Le calage de l'arbre à cames peut être avancé pour produire un meilleur couple à bas régime, ou retardé pour une meilleure puissance à haut régime. La modification du calage de la came déplace la puissance globale produite par le moteur vers le bas ou vers le haut de l'échelle du régime. La quantité de changement est très faible (généralement <5 degrés) et affecte les jeux entre soupape et piston.
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## Caractéristiques de performance

### Durée

La durée, exprimée en degrés de rotation du vilebrequin, pendant lesquels la soupape est hors du siège. En général, une durée plus longue entraîne plus de puissance. Le régime auquel la puissance maximale se produit est généralement augmenté à mesure que la durée augmente au détriment de l'efficacité du régime (couple).

Les spécifications de durée peuvent souvent être trompeuses car les fabricants peuvent sélectionner n'importe quel point de levage à partir duquel annoncer la durée d'un arbre à cames et parfois manipuler ces chiffres. La puissance et les caractéristiques de ralenti d'un arbre à cames évalué à un point de levage de .006 "seront très différentes de celles ayant le même indice à un point de levage de .002".

De nombreux constructeurs de moteurs de performance évaluent l'agressivité d'un profil de course en examinant la durée à .020 ", .050" et .200 ". Le nombre .020" détermine la réactivité du moteur et le niveau bas couple du moteur. moteur fera. Le nombre .050 "est utilisé pour estimer où la puissance de pointe se produira, et le nombre .200" donne une estimation du potentiel de puissance.

Un effet secondaire d'une durée accrue peut être augmenté ``chevauchement*, qui est le nombre de degrés de vilebrequin pendant lesquels les soupapes d'admission et d'échappement sont hors de leurs sièges. C'est le chevauchement qui affecte le plus la qualité de ralenti, dans la mesure où le "soufflage" de la charge d'admission immédiatement reculée à travers la soupape d'échappement qui se produit pendant le chevauchement réduit l'efficacité du moteur, et est plus important pendant le fonctionnement à bas régime. En général, l'augmentation de la durée d'un arbre à cames augmente généralement le chevauchement, à moins que les centres des lobes d'admission et d'échappement ne soient écartés pour compenser.*

### Lift

La "levée" de l'arbre à cames est la montée nette résultante de la soupape de son siège. Plus la soupape s'élève de son siège, plus le flux d'air fourni peut être volumineux, ce qui est généralement plus avantageux, avec une grande importance donné aux limites. Premièrement, la levée est limitée par la proximité accrue de la tête de soupape à la couronne de piston et deuxièmement, un effort plus important est nécessaire pour déplacer les ressorts de soupape à un état de compression plus élevé. L'augmentation de la portance peut également être limitée par le jeu des lobes dans le moulage de la culasse. Une levée de soupape plus élevée peut avoir le même effet qu'une durée accrue lorsque le chevauchement des soupapes est moins souhaitable.

Une portance plus élevée permet une plus grande circulation d'air; bien que même en permettant à un plus grand volume d'air de passer à travers la plus grande ouverture, la brièveté de la durée typique avec une came de levage plus élevée se traduit par moins de flux d'air qu'avec une came avec une portance plus faible mais une durée plus longue. Sur les moteurs à induction forcée, cette portance plus élevée pourrait donner de meilleurs résultats qu'une durée plus longue, en particulier du côté de l'admission. Cependant, une portance plus élevée présente plus de problèmes potentiels qu'une durée accrue, en particulier lorsque le régime du train de soupapes augmente, ce qui peut entraîner un fonctionnement moins efficace ou une perte de couple.

Les cames qui ont une levée de soupape excessive, fonctionnant à haut régime, peuvent provoquer ce que l'on appelle un "flotteur de soupape", où la tension du ressort de soupape est insuffisante pour maintenir la soupape en suivant la came à son sommet. Cela pourrait également être le résultat d'une élévation très abrupte du lobe, où la valve est effectivement projetée à l'extrémité de la came plutôt que de suivre le profil des cames. C'est généralement ce qui se produit lorsqu'un moteur tourne au-dessus. C'est là que le régime du moteur dépasse le régime maximal de conception. Le train de soupapes est généralement le facteur limitant pour déterminer le régime maximal que le moteur peut maintenir, soit pendant une période prolongée, soit temporairement. Parfois, un régime excessif peut provoquer une panne du moteur lorsque les soupapes se plient à la suite d'une collision avec les couronnes de piston.

## Maintenance

Les culbuteurs ou suiveur de came intègrent parfois un mécanisme pour régler le jeu de la soupape grâce à un réglage manuel, mais la plupart des moteurs automobiles modernes ont poussoirs hydrauliques, éliminant le besoin de régler la soupape des cils à intervalles réguliers en raison de l'usure de la soupape, en particulier les soupapes et le siège de soupape dans la chambre de combustion.

Frottement coulissant entre la surface de la came et le suiveur de came qui la chevauche peut être considérable. Afin de réduire l'usure à ce stade, la came et le suiveur sont à la fois  durci en surface, et les lubrifiants huiles à moteur modernes contiennent des additifs spécifiquement pour réduire la friction de glissement. Les lobes de l'arbre à cames sont généralement légèrement coniques et les faces des poussoirs de soupape légèrement en forme de dôme, ce qui entraîne la rotation des poussoirs et l'usure des pièces. Les surfaces de la came et du suiveur sont conçues pour "s'user" ensemble, et donc chaque suiveur doit rester avec son lobe de came d'origine et ne jamais être déplacé vers un lobe différent. Vous pouvez mettre de nouveaux poussoirs sur une vieille came mais jamais de vieux poussoirs sur une nouvelle came. Dans certains moteurs, les suiveurs ont des rouleaux qui éliminent la friction de glissement et l'usure mais ajoutent de la masse à la soupape.

Les roulements d'arbre à cames sont similaires aux roulements principaux de vilebrequin, étant alimentés sous pression avec de l'huile. Cependant, les roulements d'arbre à cames en tête n'ont pas toujours de coquille de roulement remplaçables, ce qui signifie qu'une nouvelle culasse est nécessaire si les roulements subissent une usure due à une huile insuffisante ou sale.

### Alternatives

En plus du frottement mécanique, une force considérable est requise pour comprimer les ressorts de soupape utilisés pour fermer les soupapes du moteur. Cela peut représenter environ 25% de la puissance totale d'un moteur au ralenti, ce qui réduit l'efficacité globale. Certaines approches pour récupérer cette énergie «gaspillée» comprennent:

* Vannes sans ressort, comme le système desmodromique utilisé aujourd'hui par Ducati
* Camless valvetrains utilisant solénoïde ou des systèmes magnétiques ont longtemps été étudiés par BMW et Fiat, et sont actuellement en cours de prototypage par Valeo et  Ricardo
* Le moteur Wankel, un moteur rotatif qui n'utilise ni pistons ni soupapes, surtout connu pour être utilisé par Mazda dans les voitures de sport RX-7 et RX-8.
* Koenigsegg a développé un actionneur de soupape électrique comme alternative plus économe en carburant et peu encombrante à l'arbre à cames traditionnel.

## Systèmes d'allumage du moteur

Dans les systèmes d'allumage à minuterie mécanique, une came séparée dans le distributeur est adaptée au moteur et actionne un ensemble de points de rupture qui déclenchent une étincelle au bon moment dans le cycle de combustion.

## Régulateurs de vitesse du moteur électrique

Avant l'avènement de l'électronique à semi-conducteurs, des «contrôleurs d'arbre à cames» étaient utilisés pour contrôler la vitesse des moteurs électriques. Un arbre à cames, entraîné par un moteur électrique ou un moteur pneumatique, a été utilisé pour faire fonctionner le contacteur en séquence. Par ce moyen, les résistances ou  changeurs de prises ont été commutés dans ou hors du circuit pour faire varier la vitesse du moteur principal. Ce système était principalement utilisé dans locomotives électriques et locomotives électriques.

## Galerie

1. Admission
2. Compression
3. Puissance
4. Échappement
5. Répéter

## Voir aussi

* Valve à manchon
* Vilebrequin

## Références

1. ↑ [1]
2. ↑ Camshaft definition (13 August 2010). Retrieved on 7 November 2010.
3. ↑ Islamic Automation: A Reading of al-Jazari's The Book Of Knowledge Of Ingenious Mechanical Devices (1206); archiveurl = [2]; archivedate = 8 oct 2006; page = 10
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