théorie sur les arbres à cames

[1200RS]

pour completer le post sur la prepa d'un 2.8td version route, voilà un peu de théorie, mais elle s'aplique aux trialiste, aux pistards... la theorie n'orientant en aucun cas le choix d'un modele.

 

Bonne lecture

 

Les arbres à cames sont un vaste sujet, les fabricants nombreux .

Avant toute chose, le choix de l’arbre à cames va avoir des conséquences pour la suite des modifications. De son efficacité va dépendre le travail des culasses, l’alimentation en GO, les ressorts, …

 

Un AC est caractérisé commercialement par sa durée et sa levée. De ces deux paramètres, on peut faire un choix suivant le caractère désiré du moteur. En effet, si on choisit un AC avec peu de durée, il y a peu de chances que cet AC fonctionne à hauts régimes, ceci du au fait que les gaz ont une inertie et qu’on ne peut la compenser qu’en augmentant la durée (et dans une moindre mesure la levée) pour leur permettre de remplir (ou de vider) le cylindre. En effet, la durée commerciale est donnée par

AOA+180+RFA

AOE+180+RFE

Avec AOA : avance à l’ouverture de l’admission

RFA : retard de fermeture de l’admission

De même pour l’échappement.

Les AO et RF sont là pour contrer cette inertie des gaz, cependant dans de bonnes conditions, que sur une plage restreinte (en accord avec les périphériques).

Ceci fait, ce qui importe, c’est l’efficacité du diagramme, et pour cela, en sur les patrols, on n’a pas le choix, il faut faire les relevés, à moins que Macgyver ou un autre n’ai cela.

Il faut relever ° par ° la levée (en µm) et représenter la courbe obtenue sur un papier millimétré.

 

L’EFFICACITE :

 

A partir de la courbe de la levée (en enlevant le jeu aux soupapes), en calculant l’aire sous la courbe et en la divisant par l’aire du rectangle qui l’entoure (dont l’aire est donnée par durée effective * angle d’ouverture effectif) et en multipliant par 100, on a l’efficacité de l’AC. Il faut savoir qu’une efficacité supérieure à 60% est exceptionnelle (avec un AC).

Le but est d’avoir un AC qui se rapproche de l’AC « théorique » qui ouvrirait et fermerait les soupapes de manière instantanée (ce qui est impossible à faire), laissant passer alors le maximum de gaz possible pour une levée et une ouverture données.

 

VITESSE ET ACCELERATION :

 

Pour chaque ° d’ouverture, on calcule la vitesse de levée

v(°)=[l(°+1)-l(°-1)]/2 où l(°) désigne la levée au degré désiré

 

a(°)=[v(°+1)-v(°-1)]/2

(cette méthode est proche de la réalité, approchant le théorème des accroissements finis)

On a donc, ° par °, la levée, la vitesse et l’accélération en µm, µm/°, µm/°2.

La vitesse et l’accumulation sont alors indépendantes de la vitesse de rotation (attention si le relevé est fait à la soupape on considère le régime moteur, sinon si le relevé est fait sur l’AC, on prendra la moitié du régime moteur et on multipliera par le rapport de culbu) sachant que 1tr/mn = 360/60 °/sec, en supposant le régime que l’on veut atteindre (au maxi) on peut convertir la vitesse maxi de la soupape en m/s et l’accélération en m/s2

Or 1µm = 0.000001m, donc en m/s et m/s2

 

LES AVANTAGES

 

La vitesse de la soupape, dans un but de fiabilité, ne doit pas dépasser 7.5 m/s

L’accélération conditionne la dureté des ressorts.

En effet : M * a=Fr + F

M masse soumise à l’accélération (kg)

Fr = force de rappel du ressort

= klc + k(L-l0-l)

k= raideur du ressort

l= levée à la came

c= rapport du culbu(= à 1 dans le cas d’une attaque directe du possoir, comme c’est le cas sur les trols)

L= longueur libre du ressort

lo= longueur du ressort monté

F= frottement + moment d’inertie du culbu * vitesse de rotation du culbu

Si on détaille, cela donne

Ma=mp.a + mt.a + ms.a.c + 1/3.mr.a.c

- mp = masse du poussoir(compter l’huile dans les poussoirs hydroliques)

- mt = masse de la tige de culbu

- ms = masse de la soupape, coupelle, ½ lune

- mr = masse du ressort

- a = accélération

- r = rapport de culbu

 

Quelques remarques :

 

Plus on accélère fort, plus il faut un ressort dur

Plus on est léger plus on allège la charge du ressort

Pour le calcul, on néglige F (frottement…), puis on rajoute 20% par marge de sécurité et parer les inerties, ainsi que les frottements.

 

Remarque : si l’envie en prenait à certains de calculer le ressort idéal, il répond à une équation différentielle du second degré non linéaire, à sept variables. Ceci est impossible à paramétrer, et la solution impossible à trouver.

Voilà pour la théorie.

 

PRATIQUEMENT

 

Une came n’est qu’une excroissance sur un cylindre (dont le rayon est le rayon de dos de came). C’est la valeur de cette excroissance qui détermine la levée. Or plus la levée est importante par rapport au rayon de dos de came, plus la variation est forte, et plus les accélérations sont fortes, donc donne des ressorts durs. C’est pour cette raison que les AC retaillés ne peuvent être trop méchants (même s’ils ont la même efficacité qu’un AC dont le rayon de dos de came est plus important !).

En augmentant le rayon de dos de came, pour une levée donnée, on diminue les accélérations, donc on peut les augmenter pour gagner en efficacité ! Mais attention, on ne peut augmenter indéfiniment, ne serait ce que pour des raisons d’encombrement et de jeu de fonctionnement. Mais en considérant une augmentation raisonnable, on augmente l’efficacité de manière raisonnable, mais il faut alors accroître le diamètre des poussoirs pour que la came attaque sur la face du poussoir, donc alourdir… Trouver un compromis !

 

 

LES CALAGES

 

Pour caler correctement l’AC, à AC, vilo, bielles donnés il faut que l’on soit à la pleine ouverture lorsque le piston est à la vitesse maxi, en théorie. Cette condition n’est pas impérative, car nombre de moteurs performants fonctionnent sans remplir cette condition, mais c’est un léger plus.

 

LE LOBE CENTER

 

Le lobe center représente le décalage entre les sommets de cames (adm/ech), et on sait par expérience qu’il doit être compris entre 100 et 115°.

Plus le lobe center est proche de 100° plus on a de croisement (période ou l’échappement fini de se fermer pendant que l’admission s’ouvre). On a alors un bon balayage, favorable au couple, mais le moteur s’effondre à haut régime (par manque d’AOE et de RFA).

Plus le lobe center est grand, moins on a de croisement, donc un couple plus faible, mais plus constant sur la plage de régime, et une puissance maxi supérieur au cas précédant (pour une même valeur d’ouverture). Ceci se traduit par un moteur plus linéaire.

Ce type de donnée est à prendre en compte au moment du choix de l’AC suivant le type de véhicule et l’utilisation

 

REMARQUES :

 

- Sur les AC performants les accélérations sont plus violentes en début et en fin de rampe, ce qui impose d’avoir des ressorts tarés durs dès le départ (même s’ils sont très durs au voisinage de la levée maxi et que les accélérations seront alors faibles ce qui est physiquement inutile mais inévitable).

- Les faibles croisements d’AC sont intéressants d’origine pour l’antipollution et pour les turbos pour contrer la présence néfaste de la turbine ce qui induit une contre pression.

- Les affolements de soupapes sont en général dus à trop fortes rampes d’accélération combinées au régime ( ils peuvent aussi apparaître dans le cas ou la fréquence de raisonnement du ressort correspond à la fréquence d’ouverture des soupapes, lorsqu’il y a peu de variation de régime.)

- Sur un turbo diesel, lorsque c’est possible(c’est le cas des 4 soupapes par cylindres), on un intérêt à décaler le diagramme de l’admission, si on veut gagner en régime, ceci pour avoir un RFA plus favorable, ceci améliorant la puissance(voir NB).

- Enfin, sur un turbo, on a intérêt à avoir des rampes d’accélérations importantes, cela permet une mise en vitesse plus rapide de la turbine, donc plus de couple, et plus tôt.

 

MISE EN GARDE :

A vouloir trop prendre de régime, il est possible que l’on dépasse les limites de la turbine et la mettre en sur régime, ce qui amène inexorablement à sa destruction.

Compte tenu de la conception même des diesels, il faut impérativement avoir des ressorts d’excellente facture, car la casse est assurée en cas d’affolement de soupapes, surtout avec le diamètre des queues faibles de nos engins.

 

Le sujet est loin d’être complet, mais j’espère éclairer un peu ceux qui voudraient franchir le pas. Les gains sont substantiels, avec une bonne préparation de la culasse, mais cela a un coût non négligeable.

 

NB : la puissance est le produit du couple par le régime de rotation.

 

 

 

désolé de vous avoir barbé