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À 3 000 tr/min, un moteur à quatre temps effectue 1 500 cycles de combustion par cylindre chaque minute. Chaque soupape d'admission et d'échappement doit s'ouvrir et se fermer selon un angle de vilebrequin défini avec précision, des milliers de fois par minute, sans dérive, même d'une fraction de degré. Le composant responsable de cette discipline est l’arbre à cames. Il ne s’agit pas simplement d’ouvrir les vannes ; il décide quand ils ouvrent, jusqu'où ils s'ouvrent et combien de temps ils restent ouverts. Ces trois décisions définissent la plage de puissance du moteur, l'économie de carburant, les émissions et la qualité du ralenti. Cet article explique comment un arbre à cames contrôle le calage des soupapes du moteur, ce que signifient les paramètres de calage clés dans la pratique et pourquoi la précision de fabrication est indissociable de la précision du calage.
L'arbre à cames contrôle le calage des soupapes en convertissant sa propre rotation en un mouvement de soupape précisément programmé, et le vilebrequin établit ce programme grâce à un rapport d'entraînement fixe de 2:1.
Dans un moteur quatre temps conventionnel, le vilebrequin tourne deux fois pour chaque cycle complet : admission, compression, puissance, échappement. L'arbre à cames tourne une fois dans la même période. Une chaîne de distribution, une courroie ou un train d'engrenages verrouille les deux arbres ensemble, de sorte que la position de l'arbre à cames est toujours une fonction connue de la position du vilebrequin. Si le rapport change ou si l'étirement de la chaîne modifie la relation, les soupapes s'ouvrent et se ferment aux mauvaises positions du piston, provoquant une perte de puissance ou même un contact piston-soupape.
Chaque soupape est actionnée par un lobe dédié sur l'arbre à cames. Lorsque l'arbre à cames tourne, le profil du lobe (cercle de base, flanc d'ouverture, nez et flanc de fermeture) pousse un poussoir ou un poussoir, qui transfère le mouvement via un godet à action directe ou un culbuteur. Le ressort de soupape ramène la soupape à son siège lorsque le lobe la libère. C'est la forme du lobe, et non la vitesse de rotation, qui établit la signature temporelle.
Trois paramètres de lobe sont les plus importants : la portance, la durée et le phasage. Ils se répercutent sur tous les aspects du comportement du moteur, de la douceur du ralenti à la puissance maximale.
La levée est la distance maximale à laquelle la vanne se déplace par rapport à son siège, mesurée en millimètres ou millièmes de pouce. Une plus grande portance permet à plus d'air d'entrer dans le cylindre, mais elle augmente également la contrainte du système de soupapes et nécessite des ressorts de soupape plus rigides pour empêcher le flottement des soupapes à des régimes moteur élevés.
La durée est le nombre de degrés de vilebrequin pendant lesquels la soupape reste hors de son siège. Une durée plus longue donne au cylindre plus de temps pour se remplir ou se vider, ce qui prend en charge la puissance à haut régime, mais cela déplace généralement la plage de puissance vers le haut et affaiblit le couple à basse vitesse. Une came d'origine de courte durée tourne au ralenti en douceur ; une came de course avec une longue durée tourne au ralenti à peu près parce que les événements d'admission et d'échappement se mélangent.
L'angle de séparation des lobes (LSA) est l'angle entre les lignes médianes des lobes d'admission et d'échappement pour le même cylindre. Un LSA plus serré augmente le chevauchement des vannes, c'est-à-dire la période proche du point mort haut lorsque les deux vannes sont partiellement ouvertes. Le chevauchement facilite l'évacuation des gaz d'échappement à des régimes moteur élevés, mais dégrade la stabilité du ralenti et l'efficacité à bas régime. Les points de calage sont normalement évalués à une levée de soupape spécifiée, généralement 0,05 pouces (1,27 mm), de sorte que les cames de différents fournisseurs peuvent être comparées sur une base égale.
| Paramètre | Ce qu'il définit | Effet pratique |
|---|---|---|
| Ascenseur | Distance maximale d'ouverture de la vanne | Une portance plus élevée augmente le débit d'air mais augmente la contrainte du système de soupapes |
| Durée | Degrés de manivelle, la vanne reste ouverte | Une durée plus longue étend la plage de puissance à haut régime |
| Angle de séparation des lobes | Angle entre les centres des lobes d'admission et d'échappement | Un LSA plus serré augmente le chevauchement et la réponse haut de gamme |
| Chevauchement | Période pendant laquelle les deux vannes sont partiellement ouvertes | Un chevauchement plus important facilite le nettoyage mais affaiblit la qualité du ralenti |
| Phasement des cames (VVT) | Décalage temporel de la came par rapport à la manivelle | Adapte le timing au régime moteur et à la charge |
Les soupapes d'admission ne s'ouvrent pas exactement au point mort haut et les soupapes d'échappement ne se ferment pas exactement au point mort bas. Les arbres à cames de production sont délibérément avancés ou retardés par rapport à la position du piston afin d'exploiter l'inertie du flux de gaz.
Les soupapes d'admission s'ouvrent généralement de 10 à 30 degrés avant le point mort haut et se ferment de 40 à 70 degrés après le point mort bas. La fermeture tardive de l’admission utilise l’élan de l’air entrant pour continuer à remplir le cylindre une fois que le piston a commencé à monter. Les soupapes d'échappement s'ouvrent de 40 à 70 degrés avant le point mort bas et se ferment de 10 à 30 degrés après le point mort haut. L'ouverture précoce de l'échappement échange un peu de travail d'expansion contre plus de temps pour évacuer les gaz de combustion avant le début de la prochaine course d'admission.
En conséquence, les événements d’admission et d’échappement se chevauchent près du point mort haut. Un moteur de voiture de tourisme léger peut avoir seulement 20 à 40 degrés de chevauchement, tandis qu'un moteur performant avec une large plage de puissance peut utiliser 60 degrés ou plus. Le profil du lobe et la phase installée fixent ensemble ces chiffres. C'est pourquoi le calage des soupapes peut être réglé en changeant l'arbre à cames ou en faisant tourner un arbre à cames VVT par rapport au vilebrequin, sans toucher la culasse.
Le calage des soupapes est aussi précis que l’arbre à cames et le système d’entraînement qui le positionne. Un lobe usé réduit la portance et ralentit la rampe d'ouverture, réduisant ainsi le flux d'air et déplaçant la bande de puissance. Une chaîne de distribution étirée retarde l'arbre à cames par rapport au vilebrequin, retardant les événements de soupape et augmentant le chevauchement au mauvais moment du cycle. Les symptômes sont un ralenti irrégulier, un faible couple à bas régime, une consommation de carburant plus élevée et, dans le pire des cas, un contact piston-soupape si le calage saute suffisamment loin.
Le faux-rond est une source d’erreur de timing moins évidente. Si l'arbre à cames est plié ou si ses tourillons sont meulés de manière décentrée, le calage effectif de chaque lobe change à mesure que l'arbre tourne. Les spécifications de production maintiennent généralement le faux-rond du tourillon en dessous de 0,02 mm (0,0008 in), car même de petites erreurs produisent un mouvement instable de la vanne et une usure inégale des lobes.
Les arbres à cames de motos sont confrontés au même problème à des taux de répétition plus élevés. Étant donné que les événements de soupape entre 8 000 et 12 000 tr/min se produisent environ deux fois plus rapidement que dans la plupart des moteurs de voiture, une petite erreur de lobe ou de faux-rond devient un raté évident à mi-régime. Un Arbre à cames moto Yamaha fourni avec une symétrie précise des lobes et une finition de surface contrôlée maintient ces événements stables sur toute la plage de régime.
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VVT change là où un profil de lobe est appliqué par rapport au piston ; cela ne supprime pas la nécessité d’une géométrie précise des lobes. La précision de base de l’arbre à cames détermine la propreté du fonctionnement du moteur. Si les profils des lobes, l'espacement lobe à lobe et le faux-rond du tourillon ne sont pas maintenus dans les limites de tolérance, l'avancement et le retard de l'arbre à cames ne font que déplacer un motif inexact.
Les moteurs européens avec VVT banque à banque en sont un bon exemple : l'arbre à cames doit également correspondre aux caractéristiques de la roue de déclenchement et des capteurs lues par le module de commande du moteur. Un Arbre à cames VW qui manque ces détails définira des codes d'erreur même lorsque le profil du lobe est par ailleurs correct.
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KORBOR fabrique des arbres à cames comme seule gamme de produits depuis plus de 25 ans, couvrant plus de 800 modèles d'arbres à cames de voitures et 600 motos dans une installation qui s'étend du moulage à blanc à la pièce finie rectifiée. La société applique un système qualité IATF16949:2016 avec une philosophie de production zéro défaut, associant la sélection des alliages à la trempe, à la cémentation et à la trempe pour maintenir la dureté et la résistance à l'usure sans perdre la stabilité dimensionnelle. Pour les constructeurs de moteurs et les distributeurs de pièces détachées, ces détails sont importants car un arbre à cames qui respecte ses tolérances d'impression est ce qui garantit l'événement de calage conçu au niveau de la soupape.
A Remplacement de l'arbre à cames d'une voiture Toyota , par exemple, doit reproduire le profil du lobe et la géométrie du tourillon d'origine dans les mêmes limites afin que la chaîne de distribution d'usine et l'actionneur VVT fonctionnent aux angles de manivelle prévus. Le même principe s'applique à toutes les familles de moteurs : plus l'usinage et le traitement thermique sont cohérents, plus le moteur se comporte comme il se doit dans les spécifications de calage.
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Un profil de lobe qui semble agressif sur le papier mais qui est rectifié avec des rampes d'ouverture bâclées ne produira pas les événements de synchronisation prévus au niveau de la vanne. Les fournisseurs possédant une longue expérience dans le domaine des arbres à cames uniquement et un système qualité documenté sont mieux placés pour maintenir ces tolérances lot après lot. KORBOR 25 ans de fabrication d'arbres à cames uniquement et son Système qualité certifié IATF16949 sont la garantie pratique derrière chaque profil de lobe produit. Les lecteurs qui souhaitent avoir un aperçu plus large de la manière dont l'arbre à cames s'intègre dans le système de soupapes peuvent continuer avec ceci. guide du système de distribution d'arbre à cames automobile .
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