Un arbre à cames (AAC) est un dispositif mécanique permettant de synchroniser plusieurs déplacements. 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 alterné (par exemple d'une soupape), ou bien de rotation alterné (par exemple d'un culbuteur).
thumb|Animation d'un arbre à 2 cames actionnant 2 soupapes.
Histoire La première trace d'un arbre à cames se trouve dans la construction, par les Grecs, à l'époque hellénistique, au dans des automates hydrauliques Wilson, Andrew (2002), « », , vol. 92, p. 1–32 (16).. On le retrouve aussi dans certains automates d’Héron d’Alexandrie.
L'arbre à cames est utilisé par les Romains pour écraser le minerai d'or et pour fabriquer le tanin utilisé pour traiter les cuirs. Il est attesté dans les mines d'or romaines du Pays de Galles et au nord-est de la péninsule ibérique, ainsi que dans une tannerie de la seconde moitié du (ou du début du ) à Saepinum, en ItalieBrun, J.-P., « Les fortunes de la roue… à eau », Pour la Science, , juillet-septembre 2015..
Bertrand Gilles situe l'utilisation de l'arbre à cames au Bertrand Gilles, « Les développements technologiques en Europe de 1100 à 1400 », dans Cahiers d'Histoire mondiale, vol. III, t. I, 1956, p. 63-108, sur persee.fr..
L’arbre à cames a également été décrit à la fin du par l'érudit Al-Jazari. Il est alors utilisé pour transformer le mouvement rotatif des roues à aubes des moulins, en mouvement alternatif, par exemple dans les martinets spécialisés dans le battage du fer, pour le broyage des écorces d'arbres destinée au tannage du cuir, pour battre le chanvre destiné à la fabrication de papier et tissus, pour fouler les draps..
Aujourd’hui, l’arbre à cames est une pièce essentielle des moteurs à pistons. L'arbre à cames, appelé également « arbre de distribution », commande l'ouverture de chaque soupape dans un ordre déterminé, en transformant le mouvement rotatif issu du moteur en mouvement linéaire. Il est entraîné par des pignons, une chaîne ou une courroie crantée.
Utilisation industrielle L'arbre à cames était utilisé dans différentes industries : pour la fabrication de la pâte à papier un arbre à cames était utilisé pour produire un mouvement de va-et-vient à une, ou plusieurs, masse. Cet arbre est généralement en bois, avec des cames rapportées, soit en bois, soit métalliques ; pour soulever les marteaux des foulons dans les moulins qui traitent le « foulage » de la laine ou des peaux animales (pour les débarrasser des graisses et autres impuretés) ; dans l'industrie, un martinet est un ensemble de marteaux-pilons actionnés par un arbre à cames.
Arbre à cames dans le moteur automobile Description upright=.5|thumb|Arbre à cames. L'arbre à cames est une pièce mécanique utilisée, principalement, dans des moteurs à pistons à quatre temps pour la commande synchronisée des soupapes. Il se compose d'une tige cylindrique disposant d'autant de cames que de soupapes à commander indépendamment ou par groupe, glissant sur la queue de soupape, ou sur un renvoi mécanique (ex. : le patin d'un culbuteur). Il est placé au niveau du vilebrequin (dans le cas d'un moteur culbuté, décrit ci-dessous, ou d'un moteur à soupapes latérales), ou sur la culasse (dans le cas d'un moteur dit « à arbre à cames en tête », voir ci-dessous).
La synchronisation de l'arbre à cames avec l'arbre moteur se fait par l'intermédiaire de pignons, d'une chaîne ou d'une courroie crantée. La conception et la physionomie du moteur déterminent la position angulaire de l'arbre à cames. Les dispositions possibles dépendent également de l'architecture du moteur et de ses performances. Ainsi, dans les moteurs à explosion à quatre temps, le cycle complet de combustion nécessite deux tours de vilebrequin pour un tour de l'arbre à cames. Ce dernier doit par conséquent tourner deux fois moins vite que le vilebrequin moteur.
L'élément suiveur des cames (la pièce en contact avec un des cames de l'arbre) prend, selon les cas, différents noms : lorsque cet élément est soumis à un mouvement de translation rectiligne, il est nommé poussoir, centré ou excentré suivant que son axe rencontre ou non celui de l'arbre à cames ; s'il effectue un mouvement oscillant de rotation autour d'un axe, il porte le nom de culbuteur ; il peut également s'agir directement des soupapes elles-mêmes.
Comme cité précédemment, l'arbre contrôle l'ouverture des soupapes. La queue de soupape (le dessous) est soumise à un ressort, qui la maintient fermée lorsque la came n'attaque pas (directement ou indirectement, par l'intermédiaire du poussoir ou du culbuteur). Lorsque la came attaque, la soupape est mécaniquement poussée sur son axe, perpendiculairement à l'axe de rotation de l'arbre à cames. Les ouvertures et fermetures de soupapes se font donc totalement mécaniquement, à un certain rythme dépendant du régime moteur.
Les matériaux utilisés pour la fabrication des arbres à cames doivent être capables de résister à l'usure, compte tenu des frottements importants avec les poussoirs ou les culbuteurs, et ce surtout lors des démarrages à froid lorsque la lubrification n'est pas encore assurée sous pression. On utilise en général, notamment pour les moteurs de grande série, des fontes trempées sur les cames et les portéesTechnique : L'arbre à cames, p. 2, Motorlegend, 2 août 2005..
Le dessin des cames est très important, car leurs profils déterminent : le moment d'ouverture des soupapes ; la durée d'ouverture ; la physionomie de levée des soupapes (diagramme de distribution).
Le profil des cames est différent pour les soupapes d'admission ou d'échappement, en raison des lois qui régissent leur fonctionnement.
Historique Au début de l'ère automobile, l'arbre à cames était disposé latéralement, dans le carter moteur, et commandait uniquement les soupapes d'échappement disposées elles aussi latéralement au cylindre. Les soupapes d'admission s'ouvraient quant à elles automatiquement par dépression lors de l'admission. Plus tard, un jeu de cames supplémentaire fut ajouté sur l'arbre pour la commande des soupapes d'admission. Les soupapes étaient toujours disposées latéralement, et actionnées par des poussoirs. Cette configuration simplifiait l'entraînement de l'arbre par le vilebrequin, mettant en œuvre un train d'engrenages simple. Les soupapes latérales ne permettaient pas de réaliser des taux de compression élevés en raison du vaste espace mort présent dans la culasse, augmentant inutilement le volume de la chambre de combustion, et par conséquent, engendrant un rendement faible.
L'arbre à cames en tête fait son apparition en 1903 sur un moteur pour voiture automobile de l'anglais Mandslay et est adopté en série par Isotta Fraschini en 1905 sur le , et bien plus tard, dans la production en grande série industrielle.
Après 1910, le déplacement des soupapes dans la culasse, tout en gardant l'arbre à cames latéral, impose les culbuteurs. Ce système de distribution a été adopté sur une très grande échelle pendant environ sept décennies. Cependant, la masse des poussoirs, des tiges et des culbuteurs limitait fortement la vitesse de rotation du moteur, et en raison du jeu mécanique induit par l'action des multiples pièces, des réglages minutieux étaient nécessaires afin de ne pas limiter la vitesse de rotation du moteur.
Pour les moteurs en V, un système à deux arbres à cames en tête est, de nos jours, fréquemment préféré, pour ses nombreux avantages sur les moteurs à fort rendement. En 1913, la Peugeot Grand Prix Lire en bas de page, sur machinesetmoteurs.com (consulté le 25 octobre 2017). .
Arbre à cames latéral
Moteur à soupapes latérales gauche|vignette|Coupe d'un moteur à soupapes latérales. Dans un moteur à soupapes latérales, l'arbre à cames est situé latéralement et près du vilebrequin. Il transmet son mouvement directement ou via des poussoirs aux soupapes qui sont disposées parallèlement à l'axe du cylindre.
Moteur culbuté
Dans un moteur à soupapes en tête, l'arbre à cames peut aussi être situé latéralement et près du vilebrequin. Il transmet alors son mouvement aux soupapes via des tiges et culbuteurs : on parle de moteur culbuté. Le problème de ce type de moteur est que la chaîne cinématique comprend beaucoup d'éléments subissant des mouvements alternatifs (tiges, culbuteurs et soupapes) : le poids de toutes ces pièces en mouvement produit une certaine inertie de la chaine cinématique, ce qui limite la montée en régime mais aussi le régime maximum du moteurPour éviter l’affolement de soupapes avec un risque de choc entre une soupape et le piston pouvant avoir de graves conséquences sur la fiabilité du moteur., et donc la puissance maximum du moteur.
Arbre à cames en tête
thumb|Arbre à cames en tête. L'arbre à cames en tête (ACT) (en anglais SOHC pour « ») est une disposition particulière du ou des arbres à cames au-dessus de la culasse, dans le but d'améliorer la commande des soupapes par une diminution drastique des pièces en mouvement, de leur poids et donc de l'inertie. Pour éviter l'affolement de soupapes à de hauts régimes (environ et plus), il convient en effet de minimiser les pièces soumises à un mouvement alternatif, comme les poussoirs, les tiges de culbuteurs et les culbuteurs eux-mêmes. La suppression de ces pièces éliminant d'autant l’inertie et les jeux mécaniques parasites, la précision de commande des soupapes est améliorée. Pour cela, on place le ou les arbre(s) à cames directement au-dessus des soupapes.
Dans un moteur à soupapes en tête, il est d'usage de transmettre la commande d'ouverture des soupapes par un mouvement rotatif prélevé sur le vilebrequin, lequel mouvement est dans ce cas transmis directement à un arbre à cames. En disposant cet arbre à cames en tête, c'est-à-dire en haut du moteur, à l'aplomb immédiat 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 nécessaires. Par contre, la synchronisation de l'arbre et du vilebrequin, éloignés l'un de l'autre, doit se faire par transmission, c'est-à-dire avec un décalage de leurs axes de rotation (ce qui autorise par ailleurs d'éventuels décalages angulaires). D'abord adoptée en compétition sur des architectures moteur innovantes, cette solution s'est petit à petit généralisée à tous les moteurs de véhicules de tourisme, en raison de sa fiabilité et de son moindre coût.
thumb|Chaîne de distribution. La transmission de la rotation du vilebrequin vers l'arbre à cames se fait par une chaîne, une courroie crantée, 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 à cames, dans le cas typique d'un moteur quatre temps. Lorsque toutes les soupapes sont sur une même ligne, un simple arbre à cames suffit à actionner toutes les soupapes sans avoir besoin de culbuteurs ni d'un deuxième arbre. Des architectures moteurs plus complexes nécessitent parfois des arbres à cames en tête doubles.
Longtemps, les industriels ont boudé l'arbre à cames en tête pour les automobiles de grande série, à cause des coûts de maintenance (accès aux pièces…), des problèmes de lubrification qu'il posait et des modifications des chaînes de fabrication des moteurs. En fait, les arbres à cames en tête n'ayant d'intérêt que pour atteindre les hauts régimes, il était d'usage de les réserver à des moteurs sportifs. Désormais, la majorité des moteurs d'automobiles sont équipés d'arbre à cames en tête, souvent double, pour actionner les courantes sur les moteurs modernes à en ligne. Les moteurs en V utilisant cette technique occupent plus d'espace dans le compartiment moteur des voitures que les moteurs à soupapes latérales ou à soupapes en tête avec culbuteurs.