Simple arbre à cames : pourquoi ?

Sujet: Simple arbre à cames : pourquoi ? Ven 6 Sep 2019 - 13:57

Question un peu vaine car il n'y a rien de très pratique à en tirer, mais bon. J'aime bien la théorie mécanique...

Pourquoi la distribution de nos Bonneville à refroidissement liquide est-elle à simple arbre à cames alors que depuis les débuts et jusqu'en 2015, elle était à double arbre ?

Dans l'histoire du moteur à pistons, le double arbre en tête a toujours été présenté comme un pas décisif, permettant d'améliorer les performances des moteurs. En quoi d'ailleurs ? Je vois bien comment la distribution en tête est un progrès par rapport à la distribution par culbuteurs et tiges (moins d'inertie, de masse en mouvement) mais je ne vois pas en quoi un double arbre est un progrès. Plus de cames pour des diagrammes différents à l'échappement et à l'admission ? Si oui, ne peut on avoir cela avec un simple arbre ?

Je soupçonne que le renoncement à cette technique est une question de régime moteur, le twin des nouvelles tournant notablement moins vite que celui des anciennes.
Et aussi de petits sous...
Gaeter, n'y passe pas le week-end, ça peut largement attendre, euh, vendredi prochain...

Invité

Comme ça pour te répondre à chaud je te dirais pour un gain de place afin de permettre la circulation du liquide de refroidissement. Question rendement, comme tu le dis en lien avec la vitesse de rotation moteur c'est largement suffisant

Sujet: Re: Simple arbre à cames : pourquoi ? Ven 6 Sep 2019 - 14:34

Oui, mais il y a plein de motos à refroidissement par eau avec des double arbres, c'est même la majorité.
Les moteurs en ligne à simple arbre, air ou eau, ça devient rare.
Sur la Bonneville, rien de choquant, mais sur une Thruxton ou une Speed Twin, c'est pas un peu bizarre ?

Sujet: Re: Simple arbre à cames : pourquoi ? Ven 6 Sep 2019 - 16:55

Pourquoi des arbres à cames ? Pourquoi des soupapes ? On aurait pu faire sans.

de Jong, Néerlandais de naissance (1868) s’installe à Anvers et fonde la firme Minerva. En 1904 Rolls, qui est alors directeur commercial de Minerva en Angleterre, s’associe avec Royce pour fonder la prestigieuse marque. En 1908 de Jong rachète la licence des moteurs Knight américains, un moteur sans soupapes, particulièrement silencieux. En 1910 nait la firme Daimler et en 1919, Bentley, rachetée par RR en 1939. L’aristocratie achète Daimler ; Rolls-Royce, Bentley et Minerva se vendent aux nouveaux riches, aux rois et aux nababs. La Seconde Guerre Mondiale coulera Minerva et il ne restera plus que Rolls-Royce (groupe BMW !) et Bentley (groupe VW !) pour contenter les riches puristes. Daimler, Jaguar et Land Rover seront achetées par le consortium indien Tata en 2007.

Que reste-t-il aux Belges ? Rien. Que reste-t-il aux Anglais ? Deux fois rien. Mais quelle histoire !

Mais pourquoi un seul arbre à cames ? La suite, dans notre prochain numéro.

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Sujet: Re: Simple arbre à cames : pourquoi ? Ven 6 Sep 2019 - 17:40

Ou bien aussi, pourquoi deux arbres à cames ?

Ton moteur sans soupapes, tu as un schéma ?

Sujet: Re: Simple arbre à cames : pourquoi ? Ven 6 Sep 2019 - 17:53

Simple arbre à cames : pourquoi ? Minerv10

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Sujet: Re: Simple arbre à cames : pourquoi ? Ven 6 Sep 2019 - 18:24

Il y en a plein le ouèbe, des moteurs sans soupape ; Panhard notamment, mais comme c'est français Gaeter ne t'en parlera pas...

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Sujet: Re: Simple arbre à cames : pourquoi ? Ven 6 Sep 2019 - 18:34

Panhard, c'est du 2 temps, non ? Et même du flat 2T ?

Sujet: Re: Simple arbre à cames : pourquoi ? Sam 7 Sep 2019 - 6:31

Rien ne m’est plus pressé que de répondre à Gunthar. J’ai puisé dans mes connaissances ; je n’en ai retiré que du jus de chaussette. « Arbre à cames », me suis-je dit, « arbre à cames », cela doit avoir quelque chose à voir avec les arbres. Je me suis rendu chez un arbriculteur, qui est tombé des nues. Il a fallu que je le conduise à l’hôpital pour soigner ses plaies et là, un vieux de la veille, à qui nous avions raconté notre aventure, m’a conseillé de m’adresser à Benedictos, un vieux d’aujourd’hui, qui habite près du porc et qui pue. Je suis allé trouver ce cher puant et lui ai soumis mon problème. Il m’a dit qu’il n’y avait qu’un seul vieux de l’avant-veille qui pourrait m’aider, le frère ainé Motard, une tête de turc et qu’il me mènerait à lui. Alors hier soir, vendredi, il m’a pris par le bout des doigts et il m’a conduit à travers monts et veaux à son repaire, appelé le Repaire des Motard. Lui ayant fait offrande d’abord, je lui ai posé la question qui me brulait les lèvres. Je vous traduis sa réponse ici.

Les performances d’une moto dépendent grandement de la distribution, constituée de soupapes et d’un ou plusieurs arbres à cames. Pour commander l’ouverture et la fermeture synchronisées des soupapes, on utilise un arbre à cames, c’est à dire un axe tournant sur lequel on a disposé des excentriques qui vont pousser les soupapes pour qu’elles s’enfoncent et s’ouvrent le moment venu. La commande des soupapes n’est pas toujours réalisée directement par le ou les arbres à cames. En effet tout dépend de leurs positions relatives. Sur les premiers moteurs 4 temps, les soupapes étaient implantées latéralement la tête en haut, sur le côté du cylindre. Elles étaient alors actionnées directement par l’arbre à cames, lui-même positionné près de l’axe du vilebrequin.

Le système, fort simple, présentait l’inconvénient d'une chambre de combustion « difforme », puisque les soupapes arrivaient à côté du cylindre. Le rendement du moteur s’en ressentait et l’on a très vite monté les « soupapes en tête ». Un terme issu d'une traduction, dans la mesure où culasse se dit « tête » dans de nombreuses langues étrangères : anglais, allemand, italien, par exemple. Dans les fiches techniques, ou parfois directement sur les carters, on peut voir le sigle anglais « OHV », ce qui signifie « Over Head Valves », soupapes en tête donc. Une abréviation aujourd'hui désuète qu’on ne retrouve plus guère que sur les tondeuses à gazon en guise d’argument de vente...

Pour rendre la chambre de combustion plus compacte, les soupapes ont donc été basculées afin de les ramener à la verticale du cylindre et du piston. On a alors parlé de moteurs « culbutés ». La combustion y a gagné en rendement. Cependant, l’arbre à cames étant, quant à lui, resté à la même place, on a dû implanter de longues tiges pour commander les soupapes, puis des basculeurs (culbuteurs) pour inverser le mouvement ascendant des cames en une poussée faisant descendre les soupapes.

Cependant le poids et le nombre des pièces en mouvement nuisaient doublement à la recherche de puissance. En effet, plus les soupapes s’ouvrent et se ferment vite, plus elles peuvent rester ouvertes longtemps, ce qui favorise le remplissage du moteur, donc son couple et sa puissance. De même plus le moteur tourne vite, plus il délivre « d’explosions » et donc plus il est puissant. Mais la masse étant l’ennemie de l’accélération, ces systèmes lourds et complexes n’étaient guère performants pour des mouvements de va et vient. De fait on a eu l’idée de faire monter l’arbre à came dans la culasse (« en tête ») pour éliminer les longues et lourdes tiges de culbuteurs. En anglais on parle de « Over Head Camshaft » ce qui en abrégé s'écrit OHC.

Malgré l'arbre à cames en tête, il reste encore des basculeurs pour commander les soupapes, ce qui n'est pas optimal. En positionnant directement 2 arbres à cames au-dessus des soupapes, on peut alors les actionner quasiment sans intermédiaire. Une idée imaginée au tout début du 20^e siècle, voici plus de 100 ans donc. Un terme qui se traduit par le sigle DOHC en anglais pour « Double Over Head Camshaft ».

L'absence de pièce intermédiaire n'est cependant pas totale, dans la mesure où il est indispensable d'ajuster le jeu aux soupapes. On a donc interposé des poussoirs munis de pastilles d'épaisseur pour régler le jeu. Mais plus l'on souhaite de puissance, plus les levées d'arbres à cames sont importantes et donc rapides. Un détail qui se traduit par un déplacement du point de contact came/poussoir. Et plus l'on va vite, plus ce déplacement est grand, donc plus le poussoir doit avoir un gros diamètre. Conséquence, il devient lourd !!! C'est justement ce que l'on voulait éviter en éliminant les culbuteurs. On tourne en rond.

La pastille de réglage surplombe le poussoir. Elle peut aussi être implantée dessous, elle est alors plus légère, mais il faut déposer l'arbre à cames, pour la remplacer, ce qui rend le réglage plus complexe.

La solution ultime, c'est donc l'utilisation de minuscules bras de leviers aux surfaces arrondies qui amplifient le déplacement des soupapes, sans avoir la lourdeur d'un basculeur. Grâce la surface de contact arrondi, le déplacement du point de contact se trouve réduit, ce qui permet de minimiser les pièces et de gagner du poids. Là c'est le top du top, ce qu'on trouve sur des F1, en moto GP et sur les motos de série les plus performantes (BMW S 1000 RR par exemple).

Placés entre l'arbre à came et les soupapes, les linguets éliminent le poussoir et font gagner de précieux grammes à la distribution des moteurs très performants.

Est-il possible de faire mieux qu'un système à double ACT ? Oui et non car aujourd'hui, les quatre temps performants utilisent tous cette technologie. Cependant, si l'on ne supprime pas les ACT, ce que l'on élimine, c'est bel et bien les ressorts, qui constituent le talon d'Achille du mécanisme. Pour voir ses systèmes en action, il faut encore se tourner vers les motos GP, la formule un … ou la route ! En effet, pour contourner l'affolement de soupapes, on remplace les ressorts, soit par des culbuteurs mécaniques, comme le fait Ducati avec son desmo, soit par des systèmes de rappels pneumatiques. Une sorte de variante de la suspension Fournalès appliquée au moteur. Plus de casse de ressort, pas d'affolement, moins de poids et au final, plus de performances et donc réservé aux très hauts régimes (17 – 20.000 tr/mn).

J’en ai conclusionné dans ma petite tête que : DOHC, double arbre à cames : pour régimes moteur élevés. OHC, un arbre à cames : simplicité, gain de poids, fabrication moins chère, pour régimes moteurs modérés lors desquels on ne craint pas l’affolement des soupapes.

Le phénomène de l’affolement des soupapes est comparable à ce qui se produit quand une troupe marche au pas sur un pont. La fréquence des pas excite la structure du pont à une cadence qui correspond à son propre régime de résonance. Cela provoque des mouvements très amples du pont et au final sa destruction. Avec la distribution, c'est pareil. Quand la fréquence d'excitation de l'arbre à cames atteint celle du mécanisme d'ouverture et de fermeture des soupapes, le système entre en résonance. Cela provoque alors des mouvements incontrôlés des soupapes qui ne suivent plus le profil de l'arbre à cames. De fait, elles ne se ferment plus quand le piston monte … et bing, ça tape, provoquant la destruction du moteur. Plus on diminue la masse de la distribution, plus sa fréquence de résonance est élevée et s'éloigne ainsi de la fréquence de rotation du moteur (c'est à dire le régime auquel il peut tourner).

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Sujet: Re: Simple arbre à cames : pourquoi ? Sam 7 Sep 2019 - 7:20

P.....n , de bon matin ça réveille son bonhomme !

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Sujet: Re: Simple arbre à cames : pourquoi ? Sam 7 Sep 2019 - 7:30

Oui, oui, Captain Yvig, Panhard-Levassor avec le même moteur Knight et aussi de Dion-Bouton, deux marques prestigieuses.

Croyez-le ou pas, mais j’ai rencontré une descendante de la famille de Dion-Bouton dans les années 70 ; nous fréquentions le même petit garagiste indépendant à Berchem-Sainte-Agathe, une commune de la périphérie bruxelloise. Moi, j’avais une Chevrolet Caprice Classic break et elle … une Dion-Bouton. Le garagiste me racontait qu’elle était chiante à souhait. Quand elle venait rechercher sa voiture après un entretien, elle demandait de soulever le capot, de démarrer le moteur et ensuite, elle mettait une pièce de 20FB sur sa tranche sur le filtre à air. Si la pièce tenait, c’était bon, mais gare à lui si elle tombait !

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Sujet: Re: Simple arbre à cames : pourquoi ? Sam 7 Sep 2019 - 16:37

J’ai une explication plausible, qui expliquerait pourquoi, à une certaine époque, les Triumph avaient deux arbres à cames en tête.

En 1982, le team de recherche et de production de Meriden montre à la NEC de Birmingham leur « Diana Project », d’après la Princesse Diane, un bicylindre, 4 soupapes par cylindre et DOHC, présentée comme « la Phoenix ». Quand John Bloor, grand amateur d’automobiles, rachète la firme en 1983, il se rend au Japon avec son équipe pour étudier la concurrence et e.a. les quatre cylindres en ligne avec DOHC des constructeurs nippons. À son retour il reprend l’idée de la Phoenix, l’adapte aux goûts du jour, y ajoute les innovations nippones et lance la production de moteurs 3 et 4 cylindres en ligne à DOHC et 4 soupapes par cylindre. Les Trident et Daytona étaient nées.

Certaines mauvaises langues de l’époque prétendaient qu’il avait copié la Kawasaki GPZ900R en déplaçant la chaine de distribution au milieu des deux cylindres. Or, déjà à cette époque, la Triumph avait des chemises mouillées, ce que la Kawasaki n’avait pas.

Pour garder la popularité des Triumph sur le marché américain, où il n’y avait alors que Harley-Davidson pour la concurrencer, la firme lance en 1995 la Thunderbird dans un look très rétro avec des ailettes factices (!) et un moteur refroidi par air. Ils referont le coup en 2004 en lançant la Rocket III et son trois cylindres longitudinal de 2.294 cm³ et 20,3 mkg de couple. Le nom a été emprunté à la BSA de 1970 !

En 2000, John Bloor fait renaitre la Bonneville de ses cendres : bicylindre calé à 360° et en 2001 sort la T100, calé à 270°. Bien que l’usine soit complètement détruite en mars 2002, six mois plus tard, elle sort et renouvelle ses modèles l’un après l’autre.

En octobre 2015, Triumph présente sa nouvelle gamme de Bonneville avec cinq modèles à OHC et villebrequin calé à 270° : les Modern Classics. Triumph restait campé sur son héritage, mais surfait sur la vague du « goût du jour », mieux que quiconque, même que Harley-Davidson. Il y a tellement de variations sur le même thème, que chacun y trouve ce qu’il recherche. Leur succès n’a cessé d’augmenter depuis le déclin de l’attrait pour les grosses sportives. Les Bonneville T100 et la T120 sont la quintessence de Triumph ; leurs noms sont indissociables. La Scrambler renvoie à l’esprit US ; la Bobber est une pure factory custom ; la Thruxton et Street Cup des café racers modernes ; Street Twin et Speed Twin renvoie aux années sixties.

J’ai trouvé cette explication très claire en anglais. Tirez votre plan ! Ce que le texte ne dit pas, c'est que DOHC nécessité un moteur plus encombrant, plus lourd et plus cher à produire qu'un SOHC.

When a single camshaft governs both intake and exhaust valves, the setup is commonly known as SOHC. On the other hand, when there are two dedicated camshafts, one to push the inlet valves and the other to push the ones which let the gases escape from the cylinder after combustion the setup is called DOHC. In both instances, the camshaft is positioned above the valves for more accurate actuation.

Single overhead cam setup

A SOHC setup typically allows a 2 or 3 valves per cylinder configuration, where usually, one valve allows air to enter and the other allows gases to escape. However, a manufacturer’s engineering prowess can also allow 4 valves per cylinder configuration using SOHC. Such a setup allows for more airflow than 2 valves per cylinder, as there is a larger open area for the air to enter the cylinder and gases to escape when the valves are open.

Because the mass of the valvetrain is lesser in such a configuration, a SOHC 4 valve engine would have better torque towards the low end. In comparison, because of the higher mass of the valvetrain, a DOHC configuration will produce lower amounts of torque initially with as many valves but the top-end performance will be better. The other advantage of two valves per cylinder setup is the reduction of parts, which saves cost and complexity. The design also tends to be better for low and mid-range torque as the airflow is faster at these engine speeds as a result of a more restricted flow. However, a SOHC setup means that the Camshaft is usually placed in the middle of the head which denies the spark plug its ideal location.

Dual overhead cam setup

DOHC was introduced to improve the volumetric efficiency of an internal combustion engine, the result of which is more powerful. With this design, camshafts can be installed further apart from each other. This allows the intake valves to be at a larger angle from the exhaust valves, which results in a more direct airflow through the engine with less obstruction. In other words, a DOHC engine can breathe better and thus produce more horsepower out of smaller engine displacement. Also, it is easier to implement efficiency-enhancing technologies like Variable Valve Timing in a DOHC engine.

A DOHC setup allows easy implementation of a 4 valve per cylinder configuration. Most of the times, it allows the engine to rev higher. It also allows for the valves to be placed in an optimized setup for maximum performance. A DOHC, four valves per cylinder configuration allows better airflow at high engine speeds, resulting in better top end power. DOHC engines also allow the spark plug to be placed right in the middle of the combustion chamber which in turn promotes efficient combustion. The disadvantage of such a setup is more weight, higher costs and also the fact that driving two camshafts requires more components.

To sum it up, a 4 Valve per cylinder SOHC engine with a lighter valvetrain mass would have better performance characteristics at the lower end of the powerband. However, at higher engine speeds, a DOHC setup with its higher valvetrain mass and as many valves per cylinder will develop higher peak torque and horsepower.

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Sujet: Re: Simple arbre à cames : pourquoi ? Sam 7 Sep 2019 - 22:46

Merci Gaeter, très intéressant.

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