OPEL MANTA B

La culasse est la partie du moteur qui ferme le haut des cylindres et dans laquelle s'effectue la combustion. En général, les soupapes d'admission et d'échappement y sont logées. Sa forme et ses caractéristiques ont toujours été étroitement liées à l'évolution des moteurs et ont été plus particulièrement déterminées en fonction du type de distribution et de la forme de la chambre de combustion.

Les premières culasses

Bien que quelques-uns des premiers moteurs d'automobile aient été équipés d'une culasse séparée du bloc-cylindres, la majorité des constructeurs préférait alors la culasse solidaire du bloc- cylindres. Cette solution permettait d'obtenir des pièces plus résistantes et évitait le planage des surfaces de contact ( culasse/bloc-cylindres ), en éliminant ainsi tous les problèmes d'étanchéité

En ce qui concerne la distribution, on utilisa, sur les premiers moteurs à gaz, des soupapes latérales: c'est-à-dire disposées de chaque côté du cylindre. Les vitesses et les pressions toujours croissantes des moteurs conduisirent, pour éviter des difficultés d'usinage, à adopter des soupapes d'admission automatiques commandées par la dépression créée pendant l'admission dans le cylindre.


Cependant, avec l'augmentation des vitesses de rotation, ce système se révéla peu efficace. Le rappel de la soupape étant commandé par un ressort, une partie importante de la course d'admission était annulée pour permettre de créer une dépression capable de vaincre la force de celui-là. On en arriva donc aux soupapes d'admission commandées.
Les systèmes de commande des soupapes étaient souvent placés en dehors de la culasse et exposés à l'air, ceci afin d'assurer un meilleur refroidissement ou encore un entretien plus facile.

En effet, l'action de martèlement de la soupape sur son siège provoquait une diminution du jeu dans la commande de la distribution. A cette époque, un réglage du jeu des poussoirs était nécessaire par journée d'utilisation. Ceci explique pourquoi les rendements, les pressions spécifiques et le régime de rotation du moteur restaient particulièrement bas. Le dessin des culasses, conçu de façon à faciliter l'entretien du moteur, imposa la disposition des soupapes latérales de chaque côté du bloc, commandées par deux arbres à cames différents.

Cette solution, qui avait l'inconvénient de provoquer une répartition non uniforme de la température:

- créant un côté froid et un côté chaud

- provoquait des déformations


Pour cette raison, on adopta bientôt des chambres en L avec les deux soupapes du même côté; la bougie étant placée à proximité de la soupape d'admission pour être refroidie par le mélange aspiré, quand les culasses n'étaient pas séparées du bloc-cylindres, l'accès aux soupapes se faisait à travers des bouchons filetés en laiton ou en bronze, ce qui avait pour conséquence, à l'échappement, de créer des points chauds dans ces zones.
Pour obtenir un refroidissement plus efficace, dans les moteurs à refroidissement par air, les bouchons étaient conçus en alliage léger et munis d'ailettes.

Disposition des soupapes et rendement:

L'adoption définitive de la culasse démontable élimina ces bouchons et permit d'étudier avec une plus grande précision la forme de la chambre de combustion pour améliorer le rendement. Parmi les formes donnant un rendement appréciable, la culasse conçue par Ricardo, aux environs de 1920, s'imposa. Tout en conservant des soupapes latérales, elle permettait d'obtenir un rapport volumétrique relativement élevé et une bonne turbulence.

On vit également apparaître quelques moteurs présentant une solution intermédiaire : soupapes d'admission en tête et soupapes d'échappement latérales ( disposition conservée jusqu'à une époque relativement récente sur les Rolls Royce, Bentley et Rover ).
Les culasses à soupapes latérales logées dans le bloc-cylindres ne permettaient pas d'atteindre des régimes supérieurs à 4000 tr/mn, surtout cause de la forme peu heureuse des conduits.

Bientôt les soupapes en tête culbutées s'imposèrent. Pour des raisons de facilité d'usinage, les soupapes en tête furent tout d'abord placées côte à côte parallèlement à l'axe des cylindres, disposition
qui ne permettait pas l'utilisation de soupapes de grandes dimensions, les moteurs ayant général une course longue et un alésage réduit.
Afin de pouvoir augmenter leur diamètre, chambre de combustion fut élargie jusqu'à atteindre des dimensions supérieures à celles de l'alésage.

Au cours des années soixante, la distribution arbre à cames en tête, avec commande directe des soupapes, s'est imposée progressivement, même pour la grande série.


Culasse monocylindre:

Cette solution offre sans conteste des avantages du point de vue du rendement global du moteur mais présente une plus grande difficulté d'usinage pour la réalisation de la culasse, qui est souvent fabriquée en deux parties séparées :
le support et l'arbre à cames et la culasse proprement dit.


Étude et fabrication d'une culasse:

Au cours des années soixante-dix, les problèmes créés par la pollution atmosphérique et les normes auxquelles ont été soumis les moteurs automobiles, ont accru les difficultés de fabrication. Il suffit de citer à titre d'exemple le moteur conçu par Honda et prévu pour dépasser, en 1976, les standards américains.
En général, on étudie la forme et l'inclinaison des conduits d'admission et d'échappement de façon à créer la plus grande turbulence possible dans la chambre de combustion sans toutefois diminuer la vitesse d'introduction des gaz, donc le taux de remplissage.

Il faut veiller plus particulièrement à ce que la section transversale des conduits conserve dans toute sa longueur un diamètre constant, ou qu'elle n'accuse qu'une conicité négligeable. Les dimensions et la forme de la chambre de combustion dépendent du rapport course-alésage.
Le problème de la pollution semble justement favoriser aujourd'hui un retour au moteur à course longue, c'est-à-dire avec des chambres d'explosion compactes ( ce qui réduit le diamètre des soupapes ).

On considère en général que la surface de la soupape d'échappement doit être égale à environ 60 à 80 % de celle de la soupape d'admission. Dans le cas de moteurs à rendements élevés, on a souvent recours à une solution complexe consistant à adopter trois ou quatre soupapes par cylindre.
En effet, la section effective du passage de deux soupapes de petites dimensions est nettement supérieure à celle d'une seule ayant une surface égale à la somme de deux autres de diamètre inférieur.
Étant donné que presque tout l'espace disponible de la chambre d'explosion est utilisé pour loger les soupapes dans les meilleures conditions. Il ne reste qu'une marge très réduite pour la bougie, qui doit être placée surtout en tenant compte de son accessibilité pour le démontage.

Signalons aussi que, souvent, la forme de la chambre est conditionnée par les exigences de l'usinage et la nécessité de réaliser une économie dans sa fabrication. Ainsi, pour simplifier la culasse de l'Alfa Romeo Alfasud, on lui a donné une forme absolument plate, les chambres de combustion étant entièrement creusées dans les pistons.
Après avoir arrêté les dimensions des conduits et de la chambre de combustion, le constructeur choisit le type de distribution, problème lié en général à des considérations d'ordre économique.
La solution de l'arbre à cames en tête complique énormément la fonderie.

Dans ce cas, la culasse est souvent composée de deux parties :

la partie inférieure, qui comprend la chambre de combustion, les conduits d'admission et d'échappement, et les soupapes;
la partie supérieure, qui comprend les supports de l'arbre à cames et les guides de soupapes.
Un soin particulier doit être apporté; l'étude des canalisations de refroidissement soit pour simplifier l'usinage des chemisages intérieurs. soit pour obtenir un échange thermique efficace et pour éviter la formation de points chauds dans la culasse ( risques de déformation ou de pré allumage ).
Les mêmes considérations sont valables pour l'étude des conduits de graissage des culbuteurs et des paliers de l'arbre à cames en tête. Le retour de l'huile dans le carter s'effectue le long des goujons de fixation de la culasse, ou encore à travers des canalisations de réception spéciales .


Matériaux et procédés de fabrication:

Les culasses sont réalisées en fonte ou en alliage d'aluminium. Sur les moteurs modernes on préfère, en général, utiliser les alliages légers soit à cause des avantages importants qu'ils présentent au point de vue de la réduction du poids, soit à cause de leurs excellentes caractéristiques de fusion et de transmission thermique.
Les supports de la distribution sont en général réalisés par le processus de fonderie sous pression, qui permet de fabriquer des pièces d'une finition parfaite, avec des parois très minces.
La partie inférieure de la culasse est obtenue par coulage en coquille ou, plus rarement, par coulage dans des moules en sable; elle est réalisée en fonte, dont la composition est adaptée au matériau employé pour les soupapes, de façon à éviter tout risque de grippage.
Pour les culasses en alliage léger, on utilise des guides en bronze, qui s'adaptent mieux aux dilatations du matériau. Les sièges des soupapes sont également mis en place à la presse; ils sont fabriqués en fonte ou en acier, avec un apport éventuel (stellite) de matériau résistant aux températures élevées et à la corrosion.


Pannes et défauts:

Les inconvénients pouvant provenir d'un processus de fabrication imparfait sont nombreux. Par suite d'une fonderie défectueuse, les culasses peuvent présenter des criques ou des porosités.
Les criques sont causées par des phénomènes anormaux de réaction interne du matériau dus à des erreurs dans l'établissement du projet de la pièce ou par un mauvais refroidissement du moule. Les soufflures, ou porosités, étant dues en général aux mauvaises caractéristiques de l'alliage, sont des imperfections qui se vérifient dans la coulée.

Dans les deux cas, il peut se produire, en cours d'utilisation de ces pièces, des infiltrations d'eau dans l'huile; ces défauts ( très rares ) nécessitent en général le remplacement de la culasse.

Sur les moteurs modernes, un autre défaut, imputable à l'usinage mais également très rare, est constitué par un planage défectueux des surfaces de la culasse et du bloc-moteur. Des suintements d'huile ou d'eau peuvent également se produire dans ce cas et provoquer facilement la détérioration du joint de culasse.
D'autres défauts proviennent, par contre, d'un mauvais entretien, ou sont la conséquence d'incidents affectant d'autres parties du moteur.

En général, sur tous les moteurs modernes neufs, il est nécessaire de contrôler et de régler les écrous des culasses après un parcours de 1500 à 2 000 km. Cette même opération est indispensable après chaque révision du moteur à la suite du remplacement d'un joint de culasse, pour compenser son écrasement.
Le resserrage doit être exécuté sur un moteur froid, au moyen d'une clé dynamométrique, en plusieurs passes correspondant chacune à un couple et selon l'ordre de serrage prévu par le constructeur. Pour éviter une erreur de lecture, provoquée par le décollement du boulon, il est nécessaire, après avoir effectué le premier serrage, de desserrer les écrous d'un quart de tour et de les serrer à nouveau au couple prévu par le constructeur. Après cette opération, une vérification du jeu des poussoirs est nécessaire.

Un mauvais serrage des écrous de la culasse peut provoquer des déformations ( plus fréquentes sur les culasses en fonte ). Le même inconvénient peut se produire par suite d'une surchauffe (manque d'eau), d'un fonctionnement défectueux du thermostat, ou encore de la rupture de la pompe à eau ou du ventilateur, etc...

Pour contrôler la planéité de la culasse, après avoir démonté les soupapes, il faut disposer d'un marbre de contrôle que l'on enduit de noir de fumée ou de sanguine et sur lequel on la fait glisser. Si la surface présente des zones colorées irrégulières, il est nécessaire de procéder à sa rectification ( au maximum 0,2 mm ).

Autre inconvénient caractéristique, qui se vérifie après un assez long kilométrage :

L'usure progressive des soupapes et de leurs sièges, plus particulièrement ceux des soupapes d'échappement corrodés par les gaz brûlés. De même, les guides peuvent se gripper, ou accuser un jeu compromettant l'étanchéité des soupapes elles-mêmes.

L'utilisation prolongée du moteur provoque également, dans la chambre d'explosion, des dépôts de calamine qui ont une influence sur son rendement et peuvent empêcher la fermeture parfaite des soupapes.
Dans tous ces cas, le rendement du moteur est imparfait. En particulier quand, pour des motifs divers, l'étanchéité des soupapes n'est plus totale.
Il se produit des difficultés pour le départ à froid, des explosions irrégulières, ainsi que des retours de flamme, le moteur ne tient pas le ralenti, ou boîte, etc...

Pour toutes ces éventualités, il est nécessaire de procéder à une révision de la culasse.

Dans un moteur à combustion interne, la soupape est l'organe qui règle l'entrée et la sortie des gaz dans la chambre de combustion. Les soupapes ont une forme qui est maintenant normalisée depuis la fin du dernier siècle: elles ressemblent à un champignon dont la tète. Qui constitue l'élément obturateur ( en tenant en butée contre le siège ménagé sur la culasse, est soutenue et guidée par la tige cylindrique.

Les soupapes sont animées d'un mouvement alternatif et s'ouvrent vers l'intérieur de la chambre de combustion, si bien que l'étanchéité est favorisée par la pression des gaz. Cet organe est apparemment très simple, mais il travaille dans des conditions critiques ( spécialement à l'échappement ). L'établissement d'un projet de soupape exige des études soignées pour la définition des dimensions et des matériaux.
Les soupapes en forme de champignon ont été utilisées tout d'abord dans les moteurs à tapeur et ont subi, dans cette application une longue évolution. En passant par la forme à double siége, imaginée pour équilibrer la pression de la vapeur entre la chaudière et les cylindres sans avoir à vaincre des efforts trop grands sur la distribution.


D'autres sortes de soupapes:

Comme celles à tiroir ou celles qui utilisent le piston comme soupape découvrant les lumières découpées dans la chemise, ont été utilisées et le sont encore en partie dans des moteurs à combustion interne ( deux-temps de motocyclettes ou diesels lents ).

Au début de l'automobile, les moteurs possédaient des soupapes automatiques constituées par des disques obturateurs rappelés par des ressorts.
Leur ouverture s'obtenait grâce à la dépression créée dans le cylindre à l'admission. Cette solution simple entraînait un retard qui augmentait en même temps que le nombre de tours et diminuait le remplissage des cylindres, si bien que le moteur ne pouvait pas dépasser des régimes supérieurs à 1000 - 1300 tr mn.

Le retard était moindre si on allégeait les obturateurs et si on affaiblissait les ressorts. Cela diminuait d'autant la fiabilité du système.


Aujourd'hui :

Les soupapes automatiques ne sont plus guère utilisées que sur certains moteurs de marine à deux temps, pour l'admission, dans les compresseurs et dans les pompes mécaniques à essence.


Dans les moteurs d'automobile modernes:

Les conditions de travail des soupapes demandent que chaque cote, chaque raccordement et chaque tolérance soient la conséquence, des exigences rigoureuses du fonctionnement.


Une tête de soupape peut avoir trois formes : convexe, plate ou concave.

La première ( convexe ) donne des obturateurs plus rigides, plus massifs et plus solides, mais plus lourds, avec des sièges sensibles aux effets de la température, et on l'utilise principalement pour des soupapes d'échappement.


Les soupapes à tête concave ont la propriété de conserver la forme conique du siège même sous de très fortes déformations thermiques et on les retrouve, la plupart du temps, comme soupapes d'admission dans des moteurs de compétition ou de sport ( Ferrari Dino ), La maison Opel les emploie également dans des moteurs de tourisme.


A l'heure actuelle, les constructeurs équipement les moteurs avec des soupapes à tête plate.
Car elles ne demandent pas d'usinage mécanique : les soupapes à tète concave ou convexe sont destinées uniquement à des applications spéciales.


Les portées:

Qu?il s'agisse de la portée mobile de la soupape ou de la portée fixe du siège dans la culasse, possèdent une forme tronconique avec un demi-angle au sommet qui est généralement de 45°. Dans certains cas, spécialement avec les moteurs diesel suralimentés où l'on atteint des pressions élevées dans la chambre de combustion.
Cet angle passe à 60° afin d'obtenir un siège moins sensible à l'usure et à la déformation.
La tête est raccordée à la tige par un congé de grand rayon, de manière à réduire l'effet d'entaille.
Dû au changement de section et à faciliter l'écoulement de la chaleur vers la tige. Le diamètre de la tige représente environ le quart du diamètre maximal de la tête. En l'augmentant, on favorise l'évacuation de la chaleur par le guide de soupape, mais on rend la soupape plus lourde. La longueur de la partie guidée est fixée sur la base du critère de minimisation de l'usure sur la longueur de contact soumise au frottement.
Ceci, dans la mesure compatible avec la hauteur de la culasse du moteur.
La longueur du guide correspond en général à six fois le diamètre de la tige.

Le jeu minimal entre la tige et le guide est maintenu en général aux environs de :

0,025 mm pour de l'acier ferrique ; 0,03 mm pour de l'acier austénitique, et sa valeur maximale est de 0,07 mm.
Ce jeu, nécessaire pour le graissage, ne doit cependant pas être trop important, afin d'éviter les fuites d'huile.


Des éléments d'étanchéité ( petits anneaux de caoutchouc ) pour limiter l'entrée d'huile par les guides ont été étudiés. Ils sont parfois si efficaces qu'ils peuvent provoquer des grippages par manque de graissage, aussi leur adoption exige une mise au point laborieuse. La partie cylindrique terminale de la tige comporte une ou plusieurs gorges de section, le plus souvent semi-circulaires, pour loger les demi-cônes qui transmettent à la soupape la tension du ressort de rappel.
La tranche terminale de la tige est plane et durcie, ou même réalisée avec un matériau rapporté, car c'est elle qui supporte la poussée lors de l'ouverture.

La longueur de la soupape doit être telle qu'elle laisse à froid un jeu axial, afin que les diverses dilatations de la tige, des éléments de la distribution et de la soupape ne la fassent pas talonner, c'est-à-dire ne provoquent une fermeture imparfaite pendant les phases de compression par suite d'un contact avec le culbuteur.
Ce jeu varie entre 0,2 et 0,6 mm, les valeurs les plus faibles étant généralement adoptées pour des moteurs à tiges et culbuteurs, tandis que les valeurs les plus élevées sont utilisées avec la commande directe des soupapes par arbre à cames en tête.

Dans tous les cas, le jeu dépend des coefficients de dilatation de la soupape et de toute la chaîne cinématique de la distribution.


Le dimensionnement des soupapes s'étudie sur la base de deux critères:

L?un aérodynamique, qui détermine la section de passage et la vitesse du mélange en fonction du remplissage et de l'échappement les plus opportuns dans les diverses conditions de fonctionnement.

l'autre mécanique, qui fixe les vitesses d'impact admissibles sur la base des caractéristiques mécaniques et thermiques du matériau.

Ces critères conduisent à la détermination du diamètre, de la levée et du poids de la soupape. Le premier critère s'applique en évaluant le volume de mélange qui passe à travers la soupape au volume balayé par le piston, et il est valable en première approximation, en supposant le fluide incompressible.

Pour obtenir la vitesse moyenne des gaz, comprise entre 80 et 120 m/s, qui assure un bon fonctionnement, on détermine le diamétre de la soupape à partir du diamètre du piston et de sa vitesse moyenne.

Des coefficients adéquats tiennent compte des écarts du phénomène réel par rapport à cette loi simple.

Le second critère est lié aux pressions qui peuvent être atteintes dans le contact entre la soupape et son poussoir.

Valeurs qui dépendent de la loi de levée et de la masse de la soupape. La chambre de combustion en forme de galette limite le diamètre maximal des soupapes. En revanche, des chambres triangulaires ou hémisphériques permettent d'augmenter le rapport des diamètres de soupapes au diamètre du piston. Si l'on a besoin de diamètres plus élevés, on double le nombre des soupapes, pratique courante pour certains moteurs de course et, plus rarement, pour quelques voitures de tourisme ( quoi que ).

La levée, ou, mieux, le rapport de la levée au diamètre, est une autre caractéristique de la soupape. Ce rapport doit être important pour augmenter la section de passage, mais il trouve ses limites dans les forces d'inertie qui prennent naissance en conséquence des accélérations.


En pratique:

Le débit réel du mélange à l'admission se rapproche d'autant plus de la valeur idéale que ce rapport est plus élevé, et il atteint sa valeur maximale lorsque le rapport tend vers 0,25. La température maximale supportée par les soupapes est analogue à celle qui règne dans la partie centrale de la culasse, au voisinage de la chambre de combustion : dans les moteurs les plus sollicités à cycle Beau de Rochas, on atteint 800 °C.

Dans les diesels, la température doit être inférieure à 700 °C, car les gaz d'échappement sont plus corrosifs et leur attaque est favorisée par la température. Entrent également en considération des données de caractère économique qui imposent pour ces moteurs une plus grande longévité des soupapes.

La chaleur que la soupape reçoit des gaz chauds est évacuée à environ 75 % par le siège. Une rotation lente de la soupape en fonctionnement permet d'uniformiser sur le pourtour de ce dernier à la fois la température et l'usure. La température moyenne de la tige est inférieure à 400 °C et la quantité de chaleur transmise à la culasse par l'intermédiaire du guide de soupape représente les 25 % restants.

Ces problèmes se font bien moins sentir pour la soupape d'admission, car celle-ci est refroidie par le mélange frais à l'admission. Pour cette raison, et parce que la chaleur reçue dépend de la surface exposée, la tête des soupapes d'échappement a souvent un diamètre plus faible que celui de la tête des soupapes d'admission. Pour mieux évacuer la chaleur transmise par l'intermédiaire de la tige, il ne convient pas d'en augmenter le diamètre, car on en augmenterait également le poids, mais on peut changer le mode de transmission.

Cette solution prévoit des tiges creuses et partiellement remplies de sodium ou de sels de lithium et de potassium qui, fonde à basse température, sont violemment agités. Pendant le fonctionnement, entre la tête et la tige, provoquant ainsi un refroidissement plus énergique. Elle est apparue tout d'abord dans les moteurs d'aviation en étoile et a été par la suite appliquée avec succès également dans des moteurs de course et dans des voitures de tourisme ( Alfa Romeo, Ferrari ).


Les caractéristiques exigées des matériaux pour soupapes dépendent d'un grand nombre de facteurs :

-des dimensions et formes des soupapes

-de leur siège et du conduit d'échappement

-de la distribution

-du taux de compression et de la composition du combustible


Le matériau constituant la tige doit avoir un faible coefficient de frottement avec le guide de soupape et un faible coefficient de dilatation, ce qui permettra de diminuer les jeux tige-guide et soupape-poussoir. Elle doit en outre posséder des propriétés de résistance à l'usure.
Pour le guide de soupape, on utilisera, la plupart du temps, de la fonte perlitique ou du bronze.
La matière constituant la tête, et en particulier pour la soupape d'échappement, devra résister aux chocs et à la corrosion.

Le phénomène de la corrosion est complexe; il est dû à l'action concomitante d'oxyde de carbone, de vapeur d'eau et d'anhydride sulfureux, d'hydrocarbures, de dépôts solides, de complexes d'oxydes et, quelquefois, de résidus des additifs « antimisfiring ». Pour les têtes on faisait autrefois appel à des aciers ferriques lorsque les températures ne dépassaient pas 550 °C; on emploie aujourd'hui des aciers alliés au nickel/chrome tant pour la tête que pour la tige, si le moteur n'est pas très sollicité. Lorsqu'il n'est pas possible d'obtenir la dureté désirée avec le matériau de base, on rapporte un cordon de stellite sur le siège ( il s'agit d'un alliage à base de cobalt et de chrome ).

On réalise maintenant assez fréquemment des soupapes bimétalliques ( la tête et la tige en des matières différentes assemblées par soudure ). Les soupapes ainsi obtenues ne présentent pas d'inconvénients, par rapport à celles constituées d'un seul métal, en ce qui concerne la trempabilité ou la différence des conductibilités thermiques; elles sont, en outre, inoxydables et indéformables. Les soupapes sont ordinairement soumises à un traitement thermique de trempe sur les portées d'étanchéité et sur l'extrémité de la tige, à des traitements superficiels de chromage ou de nitruration douce sur les portées, afin d'en augmenter la dureté. Et ensuite, au chromage sur la longueur de la tige pour améliorer les caractéristiques de résistance à l'usure.

On a adopté récemment le durcissement par aluminiage, utilisé de préférence sur les portées d'étanchéité des soupapes d'admission, qui atteignent de cette manière des duretés égales à celles de matériaux plus résistants utilisés dans les soupapes d'échappement. Les soupapes monométalliques sont obtenues par matriçage avec chauffage électrique. L'opération part d'une barre de diamètre légèrement supérieur à celui de la tige, chauffée à son extrémité jusqu'à ramollissement et refoulée ensuite pour former la tête.

Cette technique a été récemment dépassée par le procédé d'extrusion, qui ne crée pas de tensions entre les zones qui ont été chauffées ou non ( ces tensions ne peuvent être éliminées complètement par des traitements thermiques et entraînent des manques d'uniformité du grain et de la structure de la matière ).
L'opération part d'une bille d'un diamètre correspondant environ aux deux tiers de celui de la tête; par extrusion, on forme la tête et la tige, et une opération ultérieure de calibrage prépare ensuite la soupape aux opérations d'usinage par enlèvement de copeaux. Les sièges de soupape sont réalisés le plus souvent avec des anneaux monoblocs en fonte perlitique rapportés dans la culasse.

On obtient un contact parfait entre les surfaces d'étanchéité par rodage. Cette opération de finition n'est utilisée communément que pour les moteurs de grande classe et elle est désormais éliminée pour les moteurs de grande série. Le rodage constitue néanmoins une opération de révision périodique du moteur, et on l'effectuera lorsque l'étanchéité s'avérera défectueuse pour rétablir l'état initial des surfaces en éliminant le début de corrosion.

La vérification de l'état d'étanchéité des soupapes se fait, cylindre par cylindre, au moyen d'un appareil qui met sous pression la chambre de combustion, les soupapes étant fermées : une baisse de pression signale alors un défaut d'étanchéité sur le siège.

Dans la préparation d'un moteur pour la compétition, lorsqu'on rabote la culasse on augmente aussi en général le diamètre des soupapes au détriment des portées d'étanchéité, l'épaisseur des sièges étant ainsi réduite au minimum.

Les principales causes qui provoquent des casses de soupapes sont les conditions thermiques dissymétriques et des anomalies de combustion, en particulier l'allumage prématuré.

Dans certains cas, cependant, il suffit d'un sur-régime pour faire battre la soupape contre le piston et l'endommager d'une façon irréparable.

Présentation:

L'arbre à cames ( appelé aussi "arbre de distribution" ) commande l'ouverture des soupapes. Il s'agit d'un arbre ( pièce métallique longiligne ) entraîné par une roue dentée. Il porte autant de cames qu'il y a de soupapes ( il y a parfois 2 cames par soupape, cas de l'Alfasud ).
Sa position peut être dans le carter ( arbre à cames latéral, CIH pour nos OPEL ) ou dans la culasse ( arbre à cames en tète, OHC pour nos OPEL ) noté ACT. Certains moteurs possèdent deux arbres à cames ( l'un pour les soupapes d'admission et l'autre pour les soupapes d'échappement ).

Dans les moteurs à quatre temps, le cycle complet nécessite deux tours de vilebrequin pour un tour de l'arbre à cames.
En conséquence, ce dernier tourne à une vitesse qui est la moitié de celle du moteur.

La commande peut se faire au moyen d'une chaîne ( avec des pignons généralement cylindriques ), ou encore, suivant un système plus moderne, par courroie crantée.
La position angulaire de l'arbre est déterminée au montage du moteur. Cette opération porte le nom de calage de la distribution.

L'élément suiveur de came prend, lorsqu'il est soumis à un mouvement de translation rectiligne, le nom de poussoir centré ou excentré suivant que son axe rencontre ou non celui de l'arbre à cames.

Quand, au contraire, il effectue un mouvement oscillant de rotation autour d'un axe, il porte le nom de culbuteur. L'arbre à cames commande l'ouverture des soupapes. Le rappel de celles-là sur leurs sièges est obtenu par des ressorts qui tendent à les maintenir fermées.
Ainsi, lorsque la queue de soupape n'est pas attaquée par la came ou le poussoir, la soupape, soumise à l'action du ressort, reste fermé.

Dans les commandes desmodromiques, la fermeture comme l'ouverture de la soupape sont commandées mécaniquement par des cames ou excentriques.

Ce dispositif permet d'éviter l'affolement des ressorts, en cas de sur-régime. Mais, il est plus compliqué et plus coûteux que le système classique, et n'est pas utilisé sur les voitures de grande série.

Les dispositions possibles pour l'arbre à cames dépendent de l'architecture du moteur et de ses performances.


Historique:

Sur les premières voitures, l'arbre à cames était disposé latéralement ( c'est-à-dire dans le carter moteur ) et commandait uniquement les soupapes d'échappement. Les soupapes d'admission étaient automatiques et s'ouvraient par dépression.

Par la suite ( par exemple sur la Fiat 24 HP de 1903 ), on ajouta un second arbre à cames dans le bâti pour commander également les soupapes d'admission. Les soupapes étaient toujours disposées latéralement et actionnées par un poussoir.
Avec la solution de l'arbre à cames dans le carter, le graissage était simplifié et la commande de l'arbre était réalisée sans complication de construction avec un simple train d'engrenages.

Cependant, les soupapes latérales ne permettaient pas de réaliser des taux de compression élevés ni d'obtenir de bons rendements.
En effet, leur disposition créait un vaste espace mort, augmentant le volume de la chambre de combustion.

C'est ce qui poussa les constructeurs, après 1910, à adopter les culbuteurs sur une grande échelle et à disposer les soupapes dans la culasse. Toutefois, avec cette solution, le poids des poussoirs, des tiges et des culbuteurs étaient important.
L'arbre à cames en tête, par ailleurs, était déjà apparu en 1903 sur un moteur pour voiture automobile de l'anglais Mandslay, et il fut adopté en série par Isotta Fraschini en 1905 sur le modèle D 100 HP.


Plus tard, les avantages qui résultent de la disposition en V des soupapes : chambre de combustion hémisphérique et échappement placé du côté opposé à l'admission, conduisirent à l'introduction du système à deux arbres à cames en tête.

Les premiers exemples de ce système remontent à 1912, naturellement sur une voiture de sport : la Peugeot Grand Prix de 7,6 litres.

La position des soupapes inclinées ou des soupapes d'échappement disposées d'un côté et les soupapes d'admission de l'autre, peut se réaliser également avec un seul arbre à cames, qu'il soit en tête ou dans le carter, comme sur la Fiat 200 HP construite pour le défi avec Napier en 1908, la Fiat 14 B de 1914 ou encore l'Austro Daimler Prinz Heinrich construite en 1914.

De la Première Guerre mondiale à nos jours, la position de l'arbre à cames n'a pas subi de modifications.
Les systèmes sont restés sensiblement inchangés, la solution latérale dans le carter étant préférée pour des raisons de simplicité de construction sur les voitures utilitaires et moyennes. Sur les voitures de grande classe et de sport, on adopte l'arbre à cames en tête.


L'arrivée du double arbre à cames en têtes ( double ACT ):

Les avantages des deux arbres à cames en tète sont d'éliminer des éléments susceptibles de fléchir, comme les tiges de culbuteurs, de réduire les forces d'inertie dues aux masses en mouvement alternatif, et de permettre une meilleure disposition des soupapes avec des chambres de combustion ramassées.

Les inconvénients de ce système étaient relatifs à la construction et résidaient dans le prix de revient plus élevé de la fabrication ( là cause: de la plus grande complexité de la culasse ), dans la difficulté de graisser tous les éléments et dans une certaine complication des opérations de montage et d'entretien.

Toue fois, beaucoup de ces problèmes ont été résolus brillamment par l'introduction de la commande par courroie crantée, depuis 1965. Les constructeurs italiens, en particulier Alfa Romeo et Fiat, ont contribué à rendre accessible également sur des voitures de classe moyenne la distribution par double arbre à cames en tète.

D'autres constructeurs, comme Renault ont longtemps préféré l'arbre à cames dans le carter.
On exige de l'arbre à cames une rigidité élevée, parce qu'il est soumis à de fortes charges de flexion et de torsion. Cependant, on cherche à réduire le plus possible le nombre de palier pour éviter les pertes dues aux frottements. Dans le cas d'un arbre à cames disposé dans le carter, lequel est habituellement en fonte, ses logements sont bagués de coussinets en bronze munis de canaux de graissage.

Dans le cas d'un arbre à cames en tète, si la culasse est en alliage léger, les paliers peuvent être venus de fonderie avec elle ou rapportés sur celle-là et fixés par des goujons. Dans ces deux cas, il n'y a généralement pas de coussinets, et l'arbre tourillonne directement dans son logement qui est lubrifié par des canaux adéquats, ou par immersion et barbotage.

Il est fréquent de prévoir, sur les arbres à cames, des pignons pour la commande de la pompe à huile et du distributeur, et une came spéciale pour la commande le la pompe à essence mécanique.

Les matériaux utilisés pour la fabrication des arbres à cames doivent être capables de résister à l'usure importante due au frottement contre les poussoirs ou les culbuteurs. On utilise en général, pour les moteurs de grande série, des fontes trempées sur les cames et les portées.

La fonte trempée atteint une bonne dureté et conserve un coefficient de frottement très bas ; en outre, son prix est modéré. Pour des moteurs plus sollicités, on utilise au contraire des aciers cémentés.

Dans le projet de l'arbre à cames, la phase la plus délicate constitue dans le dessin de la came. Son profil détermine en effet le mouvement d'ouverture des soupapes, la durée d'ouverture ( diagramme de la distribution ) et la levée des soupapes. Le profil de la came est normalement diffèrent pour les soupapes d'admission et d'échappement parce que les lois que doivent suivre ces deux pièces sont différentes.


Ce profil se compose de trois parties :

- un arc de cercle, qui est appelé zone de repos, auquel correspond la fermeture de la soupape

- un arc de cercle de rayon plus petit qui correspond à la zone d'ouverture maximale

- deux segments rectilignes ou curvilignes. tangents aux deux cercles, et correspondant respectivement à la levée et au retour de la soupape.


En réalité, le rayon de la zone de repos est diminué d'une certaine quantité pour permettre la dilatation de la tige de soupape. Qui laisser ainsi un certain jeu entre la soupape et le poussoir.

Cette partie est raccordée aux flans de la partie excentrée par des zones d'attaque, pour réduire au maximum les chocs came poussoir et assurer ainsi un fonctionnement silencieux. Le réglage du jeu des poussoirs s'effectue en agissant sur des vis, ou par des cales d'épaisseur dans le cas d'arbres à cames en tète. Dans les moteurs à quatre temps, l'arbre à cames tourne à un nombre de tours qui est égal à la moitié de celui du vilebrequin.
Les soupapes doivent en effet commencer et achever leur mouvement d'ouverture et de fermeture ( un tour de la came ) pendant un cycle de fonctionnement ( deux tours du vilebrequin ).

Les positions relatives des cames les unes par rapport aux autres sont déterminées par la nécessité d'obtenir l'ouverture de chaque soupape quand le piston correspondant se trouve dans une même position, ce qui est facile à réaliser connaissant l'ordre d'allumage et le nombre des cylindres. Dans un 4 cylindres à 4 temps par exemple, l'angle entre les cames des cylindres voisins dans l'ordre d'allumage est de 90° ( 4 x 90 = 360° ) tandis que dans un 6 cylindres, il est de 60° ( 6 x 60 = 360° ).

Ces angles sont fixés lors de la construction de l'arbre à cames et ne peuvent être modifiés par la suite. La position de l'arbre à cames par rapport au vilebrequin est déterminé lors du montage en utilisant des repères marqués à l'avance par le constructeur.

Un peu d'histoire avant tous...


Le carburateur est destiné à préparer le mélange gazeux air-carburant nécessaire au fonctionnement du moteur à explosion. Il a également pour rôle de régler, à volonté, la vitesse et le couple du moteur.


Les conditions à respecter dans la préparation du mélange sont au nombre de deux :

-L'homogénéité, qui doit assurer la meilleure pulvérisation possible

-Le dosage, qui doit être constant à tous les régimes, sans pour autant exclure la possibilité de le faire varier dans des conditions particulières ( départ à froid ou accélération rapide ).


L'évolution des carburateurs:

Les appareils mis au point et utilisés durant la période 1882-1892 sur les premiers moteurs à combustion interne étaient à léchage, à barbotage ou mixtes ( léchage et barbotage ).
Ces carburateurs étaient lourds et encombrants. Ils se composaient d'un récipient parcouru par des tubulures. La résistance à l'écoulement du mélange vers les cylindres était considérable. Enfin, le fonctionnement, bien que très simple, était loin d'être satisfaisant.

Ils n'étaient pas capables de fournir longtemps un mélange suffisamment homogène dont la composition soit adaptée aux différents régimes du moteur.
Dans les carburateurs à léchage, l'air traversait l'appareil en léchant la surface de l'essence. Ce système fut ensuite perfectionné par le montage dans l'appareil d'une série de diaphragmes qui permettaient un enrichissement progressif du mélange, grâce au préchauffage du carburant au contact des tubulures d'échappement.

Dans les carburateurs à barbotage, le tuyau d'admission d'air se prolongeait jusqu'au fond de l'appareil. L'air, parfois préalablement réchauffé, barbotait dans la cuve et s'enrichissait progressivement des vapeurs d'essence.

Ce système fut amélioré par l'adjonction d'un flotteur permettant de contrôler le niveau du carburant et par le montage d'une prise d'air supplémentaire reliée au tube de sortie du mélange carburé.
Ce dernier dispositif donnait la possibilité aux pilotes. Grâce à une commande manuelle, de corriger le dosage du mélange carburé.


Le carburateur élémentaire:

Il comprend:

-La cuve à niveau constant, dans laquelle un
flotteur muni d'un pointeau permet l'ouverture ou la fermeture de l'orifice d'arrivée de l'essence ( ce système élimine les effets de la différence de niveau entre le réservoir et le carburateur ).


En général, la position du flotteur est réglable :

le choix d'un niveau correct empêche de « noyer » le moteur et évite les « trous » lors du fonctionnement, inconvénients qui se produisent respectivement lorsque le niveau est trop haut ou trop bas.


-Le diffuseur, ou buse, qui présente un étranglement et prend, en général, la forme d'un tube de Venturi. Il crée la dépression nécessaire à l'aspiration du carburant. La forme de la partie étranglée du diffuseur est soigneusement étudiée pour éviter l'apparition, dans la colonne d'air, de turbulences qui gêneraient l'aspiration du combustible.
La vitesse maximale, au niveau de l'étranglement, doit être comprise dans des limites bien déterminées ( en général entre 100 et 130 m/s ). La vaporisation complète du mélange est réalisée dans la zone aval du diffuseur jusqu'à la soupape d'admission.


- Le gicleur, qui affleure à un niveau légèrement supérieur à celui de l'essence et qui sert à introduire le combustible dans la zone de dépression du diffuseur. Le débit du gicleur dépend de son diamètre et de la dépression.
Le gicleur se présente sous la forme d'une petite vis comportant un orifice calibré. Il est placé, à partir de la cuve, en un point facilement accessible sur la canalisation de carburant.
Le diamètre de l'orifice, appelé diamètre du gicleur, s'exprime en centièmes de millimètre. En le modifiant, on peut enrichir ou appauvrir le mélange et faire varier, dans un certain intervalle, les performances et la consommation du moteur.
La forme et le fini de fabrication du gicleur ont une grande importance en raison de l'influence qu'ils exercent sur le débit et sur la pulvérisation du combustible.

- Le papillon, placé dans le conduit en aval du diffuseur. Il assure le dosage de la quantité de combustible admise en fonction de l'effort demandé au moteur. Il est commandé par la pédale d'accélérateur.


Les inconvénients du carburateur élémentaire:

-Le dosage du mélange admis n'est pas constant. Il varie en fonction du nombre de tours du moteur, de la température et de la pression atmosphérique.

-Le carburateur élémentaire ne permet pas les accélérations rapides, L'essence, plus lourde que l'air, ne suit pas instantanément lors des accélérations brusques, ce qui provoque un appauvrissement du mélange.

-Le fonctionnement défectueux au ralenti. La vitesse de l'air dans le diffuseur est tellement réduite que l'aspiration de l'essence et sa pulvérisation ne se produisent pas.

-Le départ à froid malaisé. La vaporisation du combustible est difficile et le mélange reste pauvre, même si le rapport air-combustible atteint des valeurs supérieures au rapport stoechiométrique.


Or, c'est précisément lors du départ à froid qu'il faut pouvoir disposer d'un mélange riche. Si la quantité d'essence aspirée était toujours proportionnelle au régime du moteur, le phénomène se traduirait par une droite sur un graphique.
Le dosage varie avec le régime selon une courbe qui coupe la droite idéale en un seul point.
Tous les points de la courbe, situés au- dessous de la droite, correspondent à un mélange trop pauvre, tandis que les points situés au-dessus indiquent un mélange trop riche.

Les constructeurs ont apporté des solutions différentes afin d'obtenir le dosage parfait, quel que soit le régime, Dans tous les cas, ils sont partis du principe. Qu'il y aurai une vitesse de rotation idéale correspondant au dosage parfait, il faut adopter, pour les autres régimes, un système compensateur capable de réaliser les conditions de dosage parfait.

Les modifications apportées dans ce but au carburateur élémentaire consistent, généralement, en des dispositifs susceptibles de faire varier la composition du mélange; dans des conditions données de fonctionnement du moteur et lors du passage d'un régime de rotation à un autre. Nous allons voir quels sont ces principaux systèmes de correction.


Le départ à froid:

Lorsqu'on met le moteur en route, la dépression est trop faible pour aspirer le carburant et le dosage est très pauvre.
De plus, à froid, l'évaporation de l'essence est difficile.
Le carburant présente une plus grande cohésion et, au lieu de se pulvériser, se divise en gouttelettes qui ne se mélangent pas à l'air et ont tendance à se déposer sur les parties les plus froides des conduits d'admission.

Les constructeurs de carburateurs ont remédié à cet inconvénient grâce au dispositif au démarrage ( ou starter ), qui permet d'enrichir le mélange. Il peut, soit réduire la quantité d'air aspirée à l'aide d'un volet, soit agir sur les gicleurs pour augmenter la quantité d'essence débitée.

Parfois, on a recours à un système de carburation spécial qui entre en action uniquement au démarrage.
L'air est aspiré directement de l'extérieur, ou encore à partir du conduit principal en amont du papillon.
Dans ce cas particulier, l'essence est puisée directement dans la cuve et le papillon doit rester fermé, afin que le mélange carburé ne passe que par le dispositif de démarrage.
Les quantités d'air et d'essence sont réglées par des gicleurs calibrés.

Quelquefois, on a recours aux starters automatiques commandés par des systèmes thermostatiques, représentés le plus souvent par des bilames sensibles aux variations de température.


Le fonctionnement au ralenti:

Lorsque le moteur fonctionne au ralenti, le papillon est presque fermé et, par conséquent, seule la partie du conduit située en aval du papillon est soumise à une forte dépression que l'on peut exploiter pour appeler le carburant nécessaire à travers un gicleur spécial, nommé gicleur de ralenti.


Ce dernier est placé juste au niveau du bord du papillon et ne débite que lorsque celui-ci est fermé ou très peu ouvert, c'est-à-dire lorsqu'il est soumis à une forte dépression.
Au fur et à mesure que le papillon s'ouvre, la dépression qui s'exerce sur le gicleur de ralenti diminue jusqu'à ne plus être suffisante pour provoquer l'aspiration de l'essence. Simultanément, la dépression dans le diffuseur augmente et le gicleur principal entre progressivement en action.
Le réglage du ralenti moteur s'effectue par la vis de butée du papillon réglant l'admission d'air et par une vis-pointeau réglant l'admission de carburant, afin d'obtenir un mélange homogène air-essence.


La pompe de reprise:

Lors d'une brusque accélération, on provoque l'ouverture totale du papillon, ce qui entraîne une augmentation rapide du débit d'air, laquelle n'est pas suivie d'une augmentation du débit de carburant à cause de la plus grande inertie de ce dernier.

Pour éviter un « trou », c'est-à-dire une baisse brutale de régime, on utilise le plus souvent une pompe de reprise. Celle-ci envoie lors de la reprise une quantité d'essence supplémentaire. Elle peut être à piston ou à membrane.
On peut aussi employer des tubes de progression. Le gicleur possède quatre ou cinq trous qui entrent en service au fur et à mesure de l'ouverture du papillon.

Sur une pompe de reprise à membrane, la fermeture du papillon détend le ressort de rappel de la membrane et celle-ci, en se retirant, provoque une dépression dans la chambre de la pompe.
La soupape de sortie à bille empêche la sortie du carburant, tandis que la soupape d'entrée, également à bille, se lève, permettant ainsi un afflux de carburant suffisant pour remplir rapidement la chambre de la pompe. A l'accélération, l'ouverture du papillon provoque une pression sur la membrane, qui a pour effet le giclage du carburant par la soupape de sortie.

L'enrichissement du mélange est ainsi automatiquement réalisé. La quantité d'essence injectée est déterminée par l'amplitude de la course de la membrane, tandis que la vitesse de sortie du carburant pompé est fonction de la largeur de l'orifice de sortie.
L'interposition d'un ressort rend plus progressive la course du levier de commande de la membrane en matière souple.


Les différents types de carburateurs

Dans le carburateur compensé ( Zenith ), il existe deux gicleurs :

- Un gicleur principal, qui n'est autre que le gicleur du carburateur élémentaire, dont le débit est proportionnel à la dépression existant dans le diffuseur.

- Un gicleur secondaire, compensateur qui en communication à travers un puits avec l'air atmosphérique. a un débit indépendant de la dépression régnant dans le diffuseur, donc du régime moteur. Son débit est uniquement tributaire de la quantité d'essence dans la cuve.

Si l'on considère le dosage du mélange que chacun des deux gicleurs pourrait fournir s'il agissait seul, on remarque que le gicleur principal fournit un mélange dont la richesse augmente avec le régime. tandis que le gicleur compensateur fournit un mélange de plus en plus pauvre.
En effet, dans ce cas, l'augmentation du régime accroît la quantité d'air qui vient se mélanger à l'essence débitée par le gicleur compensateur.

L'addition et le brassage de ces deux mélanges, l'un pauvre et l'autre riche. donnent un composé relativement constant. Le gicleur principal est réglé pour les hauts régimes de rotation, tandis que le gicleur compensateur est mis au point pour les bas régimes. Leur comportement est illustré par les courbes de débit. Pour les tracer, on porte sur l'axe vertical les valeurs du rapport air-essence en poids et sur l'axe horizontal les différents régimes du moteur. En additionnant les ordonnées des deux courbes, on en obtient une troisième qui représente la carburation finale résultant de l'action des deux gicleurs.

La cuve du gicleur compensateur, qui est à la pression atmosphérique, joue le rôle de pompe de reprise .
À bas régime, elle reste remplie d'essence : au moment des reprises, par contre, l'augmentation de la dépression agit davantage sur elle que sur la cure à niveau constant.


Dans le carburateur à air antagoniste ( Weber ) , l'injecteur est situé dans la partie inférieure du gicleur et est calibré pour les bas régimes. Cette disposition aurait tendance à enrichir le mélange aux hauts régimes, aussi on lui oppose un courant d'air, soufflant transversalement au jet et empêchant l'essence de sortir de l'injecteur.

On a ainsi un ensemble constitué d'un gicleur principal qui comporte un orifice calibré à sa partie inférieure avec une série d'orifices radiaux dans son corps, d'un porte-gicleur composé d'un tube concentrique au gicleur légèrement plus court que celui-ci et d'un bouchon cylindrique qui ferme le gicleur à sa partie supérieure et présente, lui aussi, une série de trous disposés radialement.

L'essence monte le long du gicleur principal. Selon le principe des vases communicants, en remplissant également le tube porte-gicleur.
Tant que la dépression dans le diffuseur reste faible. L'ensemble fonctionne comme le gicleur d'un carburateur normal. Quand elle augmente le niveau d'essence dans le gicleur et dans le porte-gicleur tend à s'abaisser, découvrant successivement les différentiels rangées d'orifices.

À ce moment. la vitesse dans le diffuseur s'accroît et de l'air pénètre dans les trous du bouchon et remonte dans l'interstice compris entre le bouchon et le porte-gicleur. ce qui permet de couper le jet d'essence et d'en réduire ainsi proportionnellement le débit.
Plus l'aspiration sera forte, plus les orifices découverts seront nombreux.
Cette réduction du débit d'essence, qui doit être proportionnelle à tous les régimes du moteur. Permet donc d'assurer la constance du dosage du mélange air-essence.

Revenons au carburateur élémentaire dont la section du diffuseur est fixe.
Si, à 2 000 tr mn, le moteur aspire, par exemple, 1000 litres d'air à la minute et si, à 4 000 tr mn, il en aspire le double. la vitesse de l'air dans le diffuseur, à 4 000 tr mn. sera deux fois plus élevée qu'au régime de 2000 tr mn.

En première approximation, on peut dire que si la vitesse de rotation du moteur double, la dépression dans le diffuseur, et par conséquent au niveau de l'injecteur, ainsi que le débit d'essence deviennent quatre fois plus élevée. Le débit d'air par contre, ne fait que doubler.

Ce phénomène oblige à recourir à des carburateurs complexes, comportant des gicleurs de ralenti, des trous de progression, etc., c'est-à-dire des appareils composés de nombreux carburateurs élémentaires qui interviendront aux différents régimes pour maintenir les variations du rapport air-essence dans un intervalle acceptable de consommation, en fonction des performances.

Notons, en ce qui concerne une éventuelle réduction de la vitesse de l'air aux bas et moyens régimes, que l'on ne peut adopter toutes les combinaisons de sections désirables. En résumé, dans les carburateurs traditionnels, on a un diffuseur fixe et des gicleurs multiples.


Dans les carburateurs S.U, par contre, le diffuseur à section variable est commandé par la dépression existant dans le diffuseur.

La dépression dans le diffuseur augmente avec la vitesse. Le piston se soulève lorsque la dépression s'élève, ce qui élargit la buse et maintient à peu près constante la vitesse dans le diffuseur et le gicleur lors des variations de la quantité d'air aspirée par le moteur.

Au ralenti, le papillon est fermé et la dépression est minimale. Le piston descend. La section de passage du carburant est très faible et seule une quantité très faible d'essence est pulvérisée. En marche normale, le papillonne est grand ouvert. La dépression augmente et commande le mouvement de l'aiguille qui, en remontant, augmente progressivement la section de l'orifice de giclage. Au démarrage, il est nécessaire d'enrichir considérablement le mélange. Un levier permet d'abaisser le gicleur, ce qui agrandit l'orifice de passage du carburant. Le piston est abaissé et le papillon fermé

A l'accélération, il suffit de disposer d'un frein capable de retarder le mouvement ascensionnel du piston pour augmenter ainsi la vitesse et la dépression dans le diffuseur et au niveau d'un gicleur.

On enrichit ainsi le mélange plus simplement, et surtout plus progressivement, qu'avec la pompe de reprise des carburateurs traditionnels. Les rôles du piston, du ressort antagoniste et de l'amortisseur sont donc de maintenir dans le diffuseur la vitesse d'air la plus convenable, tant au moment des reprises qu'en régime.

En ce qui concerne le rapport air-essence, celui- ci est contrôlé à l'aide d'une aiguille conique, solidaire du piston, qui, en coulissant dans le gicleur, fait varier la section utile. Sa forme est étudiée de manière à obtenir, pour chaque régime et pour chaque position du papillon, les meilleurs rapports air-essence pour le rendement du moteur.
En abaissant la position de l'injecteur à l'aide du starter ou de la vis de réglage, on augmente la section d'arrivée de l'essence.
Et on enrichit ainsi le mélange à tous les régimes, et inversement. En choisissant des huiles de viscosités différentes pour l'amortisseur, on peut régler l'enrichissement du mélange au moment des reprises : une huile plus dense enrichit le mélange, tandis qu'une huile moins dense l'appauvrit.

Le dispositif de départ, s'il est correctement réglé, se limite dans la première partie de sa course. A ouvrir le papillon à l'aide de la came spéciale, jouant ainsi le rôle d'un accélérateur à main : ensuite, il abaisse le gicleur pour enrichir le mélange et faciliter le départ à froid.



Classification et choix des carburateurs:

En dehors des critères relatifs aux systèmes assurant la constance du dosage, on peut classer les carburateurs, selon les directions respectives du diffuseur et du gicleur, en :

-Carburateurs horizontaux ( la colonne d'air aspiré est horizontale, tandis que le gicleur est disposé verticalement )

- Carburateurs verticaux ( la colonne d'air aspiré est verticale, dirigée vers le haut et coaxiale avec le gicleur )

- Carburateurs inversés ( la colonne d'air est verticale et dirigée vers le bas, le gicleur est horizontal, avec un bec terminal dirigé vers le bas ).

Le carburateur inversé connaît aujourd'hui la plus large diffusion. Le passage du mélange est favorisé par la pesanteur. Il assure une homogénéité du mélange plus intéressante sans recourir au réchauffage.
Le carburateur horizontal permet de réaliser des conduits d'admission dépourvus de coudes, donc entraînant les pertes de charge les plus faibles, mais cette solution est plutôt encombrante.

On peut aussi classer les carburateurs en fonction du nombre des conduits et des diffuseurs; on a ainsi des carburateurs à un seul corps ou à plusieurs corps, avec au maximum quatre conduits et quatre diffuseurs.
Le choix par le constructeur du carburateur le mieux adapté pour un moteur donné s'effectue selon des critères d'ordre général, mais la mise au point est faite suivant les résultats des essais sur route et au banc.


Essentiellement, on envisage les éléments suivants : diamètre du corps principal, diamètre du diffuseur et choix du gicleur principal.
Le choix du diamètre du corps d est effectué par application de différentes formules qui prennent en considération le nombre des cylindres alimentés, la cylindrée unitaire C et le nombre maximal de tours du moteur n. Les formules appliquées sont les suivantes :

4 cylindres, d = 0.82 x ;
6 cylindres, d =
8 cylindres, d= 1,15 x


D'une manière générale, et toujours sous réserve de vérification sur route, le diamètre D du diffuseur est choisi par application de la formule : D = 0,8 d.

Habituellement, le diamètre du gicleur principal, exprimé en centièmes de millimètre est égal à cinq fois celui du diffuseur ( en millimètres ).


Réglage des carburateurs:

Les carburateurs sont dotés de différents dispositifs de réglage permettant d'en effectuer la mise au point. Ces dispositifs sont ordinairement au nombre de trois :

-Réglage du ralenti

-Réglage du rapport air-essence

-Réglage du dispositif de départ.


Le réglage du ralenti agit le plus souvent sur le papillon dont il modifie l'ouverture, agissant ainsi sur la quantité d'essence introduite.
En règle générale, sauf indication contraire du constructeur, il convient de régler le ralenti de telle manière que le témoin du générateur de courant ( dynamo, alternateur ) ait tendance à s'éteindre. S'il existe plusieurs carburateurs, il est également nécessaire de synchroniser les différents papillons afin d'obtenir la même alimentation pour tous les cylindres.

Après avoir réglé le ralenti, il faut vérifier le rapport air-combustible. Si le dosage est satisfaisant, en vissant d'un demi-tour ( mélange plus pauvre ) ou en dévissant, également d'un demi- tour ( mélange plus riche ), la vis spéciale de réglage, le moteur aura dans les deux cas tendance à baisser de régime ou à « boiter ».


La carburation:

On appelle " carburation ", la préparation du combustible, consistant en la pulvérisation, la vaporisation et le brassage de l'essence avec une quantité déterminée d'air.

Lorsque l'étincelle jaillit dans la chambre de combustion du moteur, l'inflammation du mélange air-essence, ou, plus exactement, la combustion de l'hydrogène et du carbone ( principaux composants de l'essence ) avec l'oxygène de l'air s'amorce.
La combustion de ce mélange est complète lorsque tout le carbone et tout l'hydrogène se combinent avec l'oxygène en formant exclusivement de l'anhydride carbonique et de la vapeur d'eau.
De telle sorte que, une fois la combustion achevée, on ne retrouve pas dans les gaz d'échappement des produits imbrûlés tels que l'oxygène libre. L'oxyde de carbone ou des hydrocarbures.

Pour que cette condition soit vérifiée, il faut que les deux composants, air et essence, soient admis dans le cylindre dans un rapport de poids permettant l'oxydation complète du carburant.

L'équation de la combustion peut s'écrire sous la forme simplifiée :

C7H16 + 11 O2 = 7 CO2 + 8 H2O


Pour brûler 100 g d'heptane ( C7H16 ), il faut 352 g d'oxygène. Sachant que 100 g d'air contiennent 23 g d'oxygène, il faudra :


( 352 x 100 ) / ( 23 x 100 )= 15,3 g d'air

Pour brûler 1 g d'heptane. Un mélange à 1 g d'essence et à 15,3 g d'air constitue un mélange parfait. Avec les essences actuelles, le rapport théorique en poids est de 1 kg d'essence pour 14.7 kg d'air, ce qui donne en volume 1 litre d'essence pour environ 8 400 litres d'air, à la température de 15 °C et à la pression de 760 mm de mercure.

Le carburateur devrait assurer en toutes circonstances un dosage correct. On s'aperçoit pourtant que cette condition est très difficile à respecter et que le fonctionnement du moteur n'est régulier qu'à certains régimes. Tandis qu'il s'avère irrégulier ou impossible aux autres.

En effet, ce qui compte pour le moteur ce n'est pas le dosage initial effectué dans le carburateur, mais le dosage du mélange parvenant aux cylindres. Si toute l'essence qui arrivait était pulvérisée ( c'est-à-dire réduite en très fines gouttelettes ), puis vaporisée ( c'est-à-dire transformée en gaz ) et. mélangée de manière homogène avec l'air, le rôle du carburateur pourrait uniquement se limiter à doser le mélange dans un rapport stoechiométrique.

Malheureusement. Durant le trajet, le mélange subit des variations de vitesse, de pression et de température qui sont susceptibles de le faire changer.
Ainsi, la fraction d'essence qui n'est pas pulvérisée ne brûle pas dans la chambre de combustion ; tout se passe comme si elle n'était jamais parvenue dans les cylindres.

Le carburateur doit donc tenir compte de l'état dans lequel l'essence arrive et modifier convenablement le dosage, de telle sorte que la combustion soit toujours régulière.
En pratique, un moteur fonctionne rarement avec un dosage air-essence parfait, il varie considérablement entre les limites inférieure et supérieure d'inflammabilité qui sont approximativement comprises entre 1/8ème et l/28ème.

Ces écarts de la valeur stoechiométrique, dans un sens ou dans un autre, sont nécessaires pour un fonctionnement correct du moteur qui a des exigences différentes de mélange en jonction de l'ouverture du papillon, de son régime et de ses caractéristiques de construction.

Lorsque le papillon est presque fermé, la vitesse de l'air est très réduite et partant, la pulvérisation de l'essence est limitée. Dans ces conditions, il est nécessaire que le carburateur débite une quantité d'essence plus importante pour tenir compte de la fraction non pulvérisée. Cette exigence doit également être remplie lorsque la température extérieure est très basse et que la vaporisation ne trouve pas une chaleur suffisante pour s'achever.

Les caractéristiques de construction du moteur ont une grande importance pour la carburation. La longueur, la section et les courbes des tubulures d'admission jouent sur la répartition de l'essence dans l'air. Le nombre des cylindres alimentés ainsi que la forme de la chambre de combustion revêtent également une grande importance.
L'homogénéité du mélange n'est pas correcte en raison des différences de température qui tendent à former des zones stratifiées de densité variable.

Tous les inconvénients relatifs à un mélange non uniforme, non vaporisé, etc., se traduisent par un manque d'essence, dans certaines couches, ou par un mélange pauvre.


DÉFAUTS DE FONCTIONNEMENT DU CARBURATEUR:


Mélange trop pauvre:

-Excès d'air/Manque d'essence

- mauvaisecompression/eau dans l'essence

- prise d'air/gicleurs bouchés


Départs difficiles.Retours au carburateur.Le moteur chauffe.Porcelaine des bougies claire.



Mélange trop riche:

-Excès d'essence/Manque d'air

- starter en fonction/volet d'air coincé

- niveau de cuve trop haut/filtre à air encrassé


Le moteur "galope"Gaz d'échappement noirs à odeur d'essenceExplosions dans l'échappementPorcelaine des bougies noireConsommation excessive d'essence.



Ces phénomènes se vérifient, même si l'air et l'essence sont partis du carburateur dans un rapport stoechiométrique ( ralenti, départ à froid, accélération, etc... ).
Une carburation correcte doit prévoir cet appauvrissement du mélange et assurer l'enrichissement au moment adéquat. Le moteur ne fonctionne pas bien avec un mélange pauvre, mais parvient à fonctionner régulièrement avec un mélange riche; aussi. plutôt que d'accepter une carburation appauvrie à un certain régime, on préfère l'enrichir à tous les régimes pour arriver au rapport stoechiométrique dans le cas considéré.

Tous les moteurs marchent avec un dosage air-essence compris entre 12 et 15. Dans cet intervalle, le dosage est considéré comme normal. Les meilleurs moteurs travaillent avec des rapports plus proches de 15.

Les moteurs et les carburateurs, qui consomment davantage, travaillent avec des rapports voisins de 12.
Un mélange riche se reconnaît à la couleur noire des gaz d'échappement et à leur odeur d'essence.
L'utilisation d'un tel mélange occasionne évidemment un gaspillage d'essence et. en outre, puisque nous sommes en présence d'une combustion incomplète par insuffisance d'oxygène, des dépôts charbonneux. lesquels se déposant sur la tète du piston et sur les parois de la chambre de combustion donnent lieu à des phénomènes de pré allumage.

De plus, lorsque ces dépôts se forment sur les électrodes de la bougie, ils permettent le passage du courant et empêchent la formation de l'étincelle, entraînant ainsi un fonctionnement irrégulier du moteur.

A côté de ces inconvénients, il y a un risque insidieux : le " lessivage " des cylindres. qui ne brûle pas se dépose sur les parois du cylindre et dissout la mince pellicule d'huile de graissage, avec pour conséquence un risque de grippage des pistons.

On appelle pauvre, un mélange dans lequel l'air entre pour quinze parts en poids contre une part pour l'essence.
La puissance permise par un tel mélange est inférieure à la puissance normale et la vitesse de propagation de la flamme moins rapide, à cause de la plus faible concentration.
Cette vitesse de propagation réduite peut entraîner un retour de flamme au carburateur. Dans ce cas précis, la combustion se poursuit pendant toute la phase d'échappement et, à l'ouverture de la soupape d'admission. le mélange frais aspiré vient au contact du mélange qui a achevé son cycle, mais qui est encore en train de brûler.
La combustion peut alors se propager à toute la colonne de mélange qui est aspiré depuis la chambre de combustion jusqu'au carburateur.

Le mélange pauvre provoque une prolongation de la combustion qui soumet le cylindre à une. plus forte contrainte thermique et, de ce fait, donne lieu à des phénomènes de surchauffe.

Les conditions atmosphériques ont, elles aussi, une influence considérable sur la carburation : on sait, en effet, que la pression atmosphérique au niveau de la mer décroît avec l'altitude et que la température décroît aussi à raison d'environ 6,2°C par 1000 m.

Ces variations de température et de pression influent sur la densité de l'air qui diminue progressivement avec l'altitude, tandis que la densité de l'essence reste inchangée.
En théorie, la carburation se trouverait appauvrie en montagne et enrichie au niveau de la mer. Le réglage défectueux d'un carburateur ( mélange trop riche ) est responsable des émissions de gaz polluants interdites par une directive européenne, reprise par les réglementations française, belge et suisse. La teneur en monoxyde de carbone des gaz d'échappement émis au régime de ralenti ne doit pas dépasser 4.5 %.

La boite de vitesses, désignée en abrégé et d'une façon courante par le mot " boite ", est un mécanisme destiné à modifier, dans des conditions données, le rapport entre la vitesse de rotation du moteur et celle des roues motrices d'un véhicule.

Sa fonction spécifique consiste à adapter le couple moteur à la résistance du mouvement rencontré par le véhicule dans les diverses phases de sa marche. Pour atteindre ce but, la seule action sur l'accélérateur ne permet pas d'utiliser dans les meilleures conditions les possibilités offertes par les moteurs essence ou diesel.
Les courbes caractéristiques des moteurs ( diagramme des puissances et des couples spécifiques en fonction du nombre de tours par minute ) ne représentent pas les conditions optimales requises pour la traction.

Le fonctionnement du moteur est stable et régulier uniquement aux régimes compris entre nc et nmax Au-dessous de no le fonctionnement est instable et même impossible, cependant qu'au-dessus denmax le moteur s'emballe.D'où la nécessité de disposer d'un changement de vitesses avec rapports étudiés de manière adéquate, permettant ainsi le fonctionnement dans la zone appropriée à chaque vitesse de marche.
Par exemple, la courbe de couple d'un moteur normal à essence atteint son maximum pour un certain nombre de tours nc, appelé régime de couple maximal; enfin, elle s'incurve vers le bas ( ce développement résulte essentiellement de la variation du rendement volumétrique ).


Théoriquement:

pour un régime inférieur à celui du couple maximal, le fonctionnement du moteur est instable. Si une cause extérieure quelconque, telle qu'une côte, provoque l'augmentation du couple résistant, l'équilibre entre le couple moteur et le couple résistant est rompu et le nombre de tours du moteur diminue.
Cela conduit à une baisse de puissance du couple moteur avec une aggravation ultérieure de l'alimentation qui pourrait provoquer un arrêt du moteur. En réalité. la courbe du couple moteur est plutôt plate aux régimes proches de ceux du couple maximal.
De ce fait, le fonctionnement du moteur sera plus constant à partir d'un certain nombre de tours no. Il est évidemment possible d'augmenter la puissance en agissant sur l'accélérateur et en se déplaçant ainsi suivant une courbe de couple plus élevée.
Lorsqu'on roule à un débit maximal, cette solution n'est plus possible et le phénomène décrit plus haut ne peut plus être évité. Dans la phase descendante du couple, c'est-à-dire au-dessus du régime de couple maximal, le fonctionnement est, par contre, stable: si la demande de couple n diminue, le couple moteur augmente et un nouvel équilibre s'établit; en revanche, si le couple résistant diminue, le moteur accélère.

Ensuite, le couple moteur diminue et l'équilibre est rétabli à un nouveau régime supérieur au précédent. Il existe toutefois une limite à la vitesse de rotation du moteur, limite que l'on ne peut dépasser sans risque pour les organes mécaniques.
En conclusion, le moteur peut fonctionner correctement dans un intervalle plutôt restreint de régimes, ce qui rend nécessaire la boite de vitesses.
Si l'on disposait d'un seul rapport, permettant une marche normale ou une vitesse maximale, toute une gamme de vitesses serait exclue ; il serait, en particulier, impossible d'effectuer une manoeuvre correcte de démarrage, malgré l'utilisation de l'embrayage.
En outre, le fonctionnement du moteur à sa puissance maximale ou bien en condition de consommation minimale ne serait possible qu'à des vitesses données du véhicule et la plage d'utilisation de ce moteur serait très limitée.


Le principe:

A une puissance donnée transmise à deux pignons correspondent deux couples différents ( ou moments) directement proportionnels aux rayons respectifs (donc au nombre respectif de dents ) de ces pignons. Les vitesses angulaires ( nombre de tours dans l'unité de temps ), par contre, sont inversement proportionnelles aux couples fournis.
Si l'on adopte un rapport de transmission élevé ( rapport entre le nombre de tours du moteur et celui des roues ), il sera possible d'utiliser le moteur à sa puissance maximale, tout en maintenant le véhicule à une vitesse réduite. De même, on pourra aussi faire tourner le moteur à des régimes supérieurs à no ( c'est-à-dire dans la partie stable de la courbe du couple ) même à des vitesses très réduites.
Par contre, en utilisant un rapport de transmission faible, on pourra atteindre des vitesses élevées du véhicule, sans pour autant dépasser le régime maximal du moteur.

Le changement de vitesse est, en conclusion, un mécanisme capable de remplacer un couple de pignons par d'autres ayant un rapport diffèrent de transmission, dans la série des pignons, disposés dans le carter de boite.
Cet ensemble se nomme la boite de vitesses. Des considérations analogues sont valables pour des boites de conception différente, réalisées au cours de l'évolution de l'automobile.


Boîte à pignons baladeurs

Karl Benz, le premier, se pencha sur le problème du change- ment de rapport permettant de surmonter les difficultés des parcours en côte. Il conçut ainsi un dispositif appelé kripto (brevet allemand DRP, 43.638, délivré le 8-4-1887). Il était constitué par un train d'engrenages épicycloïdaux qui permettait deux rapports, l'un réduit et l'autre égal à 1, plus une marche arrière. L'utilisation dans le domaine de l'automobile du premier changement à engrenages coulissants est due à Gottlieb Daimler et à Wilhelm Maybach. Ce système connut une grande diffusion au cours des années 1894-1896 et fut utilisé tout particulièrement par Panhard et Levassor sur les voitures à moteur construites sous licence Daimler.


La boite à train baladeur.

Les premières boîtes de vitesses à engrenages étaient à pignons coulissants ( train baladeur ).


Les schémas utilisés étaient essentiellement de deux types:
-à trois arbres
-à deux arbres

Dans le type à trois arbres, le mouvement était transmis au moyen d'un premier couple d'engrenages par l'arbre primaire ou d'entrée ( solidaire de l'arbre moteur ) à un arbre auxiliaire situé en dessous de ce dernier et sur lequel était calée de façon fixe une série d'engrenages.

Le mouvement était ensuite transmis de l'arbre auxiliaire au troisième arbre, le secondaire ( arbre de sortie ), relié au couple conique et au différentiel. L'arbre secondaire était situé dans le prolongement du primaire. Ses pignons pouvaient être déplacés dans le sens axial, mais ils tournaient nécessairement avec l'arbre sur lequel ils étaient fixés au moyen de cannelures.

En actionnant la commande, chaque pignon pouvait être déplacé à son tour et s'engrener avec la roue dentée correspondante de l'arbre auxiliaire.
Dans la position « point mort », aucun des pignons de l'arbre auxiliaire n'engrenait avec ceux du secondaire : la transmission était ainsi interrompue et le véhicule pouvait être immobilisé, même avec le moteur en marche.



Grâce à ce schéma, il était possible de mettre en prise directe ( rapport de démultiplication = 1 ).
Un des pignons de l'arbre cannelé avait une denture frontale ( crabot ) qui permettait de l'engrener directement avec la roue du primaire, qui avait également une denture frontale, au lieu d'engrener avec le pignon correspondant de l'arbre auxiliaire.
Les arbres primaire et secondaire étaient ainsi solidaires, sans qu'aucune de leurs parties ne soit animée d'un mouvement relatif. Cette disposition garantissait ainsi des avantages appréciables au point de vue du rendement, en éliminant les porter dues à la transmission entre les engrenages.

Dans le second schéma, on avait uniquement deux arbres parallèles : le primaire et le secondaire dont un à cannelures avec train baladeur et l'auto avec des pignons fixes. Ce dispositif excluait la prise directe. Dans ces deux types de boîtes de vitesses, le dents des pignons sont émoussées pour facilite l'engrènement des pignons.

Pour la marche arrière pour laquelle un seul palier est généralement suffisant, il faut inverser le sens de rotation de l'arbre secondaire, qui, dans ce cas, ne sera pas commandé directement par l'arbre primaire ou par l'arbre auxiliaire. On monte alors un arbre spécial dit de renvoi avec une ou deux poulies d'entraînement.
Dans le premier cas, la poulie sera interposée entre les deux pignons de la première vitesse : le mouvement sera inversé, mais la vitesse de la marche arrière sera égale à celle de la premier vitesse.

Dans le second cas, cependant que la première poulie engrènera avec le pignon de la première vitesse, la deuxième poulie, d'un diamètre inférieur, engrènera avec le pignon correspondant de l'arbre secondaire : la marche arrière sera alors réduite par rapport à la première.

La boite de vitesses à baladeurs a été utilisée par la majorité des constructeurs d'automobiles jusqu'aux années trente.
Par la suite, elle fut pratiquement abandonnée à cause de certains inconvénients qu'elle présentait par rapport aux boites à pignons toujours en prise. En premier lieu, le passage d'une vitesse ( les engrenages correspondants ayant des vitesses angulaires différentes ) s'accompagnait d'un choc affectant chaque fois l'extrémité d'une ou de deux dents.
La denture des pignons était ainsi soumise à de fortes contraintes et à une usure rapide, même lorsqu'on avait recours, pour rendre les dents plus résistantes, à des modules (rapport entre le diamètre primitif et le nombre de dents d'un pignon) assez élevés. Autre inconvénient de ces boites à pignons coulissants : l'impossibilité de réaliser la synchronisation, tous les pignons étant solidaires du mouvement de rotation des arbres.


Boîte à pignons toujours en prise


C'est aujourd'hui la plus répandue. Chaque couple correspondant aux divers rapports est constitué par un pignon calé sur un arbre et un pignon fou ( sur un autre arbre ) ne pouvant pas se déplacer axialement.

Les deux pignons sont donc toujours engrenés l'un dans l'autre ou, comme l'on dit couramment, en prise.
Lorsque la vitesse n'est pas engrenée, il n'y a pas de transmission de puissance entre les deux pignons ( l'un d'eux est fou ). Au moment de la sélection du rapport, le pignon fou devient solidaire de son arbre au moyen d'un manchon ( synchroniseur ) fixé sur l'arbre lui-même par des cannelures et commandé par une fourchette. L'accouplement entre le manchon et le pignon correspondant s'effectue au moyen des dents de pignons, qui peuvent être droites ou périphériques.

Dans le premier cas, les dentures droites du manchon s'encastrent dans les engrenages correspondants, également droits, du pignon fou. Dans le deuxième cas, les engrenages périphériques extérieurs du manchon s'encastrent dans l'engrenage intérieur du pignon fou. On fabrique parfois les manchons à dents intérieures et les pignons à dents extérieures. Pour la prise directe, l'un des manchons rend le pignon de sortie de l'arbre primaire solidaire de l'arbre secondaire.

De cette façon, les pignons fous ont deux dentures différentes : l'une, périphérique, qui sert à transmettre le mouvement de l'arbre primaire au secondaire par l'entremise de l'arbre auxiliaire ; l'autre, droite ou périphérique, pour le passage des vitesses.
Ainsi, le choc qui se produit au moment de l'engrènement n'est pas supporté par une ou deux dents seulement, mais par l'ensemble des dents d'engrènement, qui ont cette mission précise, au grand bénéfice de la denture principale périphérique à prise constante.

Dans ces types de boites, on adopte généralement des pignons à dents hélicoïdales. Ils sont plus silencieux que les pignons à dentures droites et distribuent la poussée sur une plus grande surface ( ils provoquent aussi une poussée axiale ). Les pignons des arbres primaire et secondaire sont aussi à dentures hélicoïdales dans un sens opposé à celui des pignons de l'arbre auxiliaire. Pour un bon équilibrage des poussées axiales, il est nécessaire que l'inclinaison des dents soit différente pour chaque couple de pignons, leur diamètre étant différent.

L'usinage d'une boite de vitesses à pignons toujours en prise est un peu plus coûteux que celui d'une boite à train baladeur; mais ce léger inconvénient est très
largement compensé par la possibilité de montage de dispositifs de synchronisation. Dans le but d'économiser un ou plusieurs pignons, la première vitesse et la marche arrière sont montées avec des pignons mobiles, dans certains types de boites économiques, suivant le schéma déjà examiné.

Ce montage permet également d'éviter que les pignons de la première et de la marche arrière, qui sont utilisés moins fréquemment, ne tournent en roue libre de façon continue à une vitesse supérieure à celle de l'arbre, avec une perte de puissance importante due au frottement.

Cette solution qui rend plus difficile l'engrènement de la première vitesse, si le véhicule n'est pas arrêté, est toutefois de moins en moins utilisée au bénéfice de la première synchronisée.


Les boîtes synchronisées

Aussi bien dans les boites à pignons mobiles que dans celles à pignons toujours en prise, l'engrènement d'une vitesse doit toujours être précédé par la manoeuvre de débrayage.
Ceci n'évite toutefois pas des chocs entre les dents, toujours préjudiciables, à moins que le conducteur soit particulièrement habile dans la conduite et qu'il ait recours à des manoeuvres d'une certaine difficulté, telles que le double débrayage. On peut réaliser une manoeuvre de changement de vitesse beaucoup plus aisée grâce à la synchronisation. Ce dispositif n'est adaptable qu'aux boîtes à prise constante.
Dans ce cas, les pignons fous et les manchons cannelés sont pourvus non seulement de dents, mais également d'embrayages à friction.

Le premier contact entre le pignon et le manchon, au moment de l'engrènement d'une vitesse, s'effectue évidemment entre les surfaces de ces embrayages. C'est seulement lorsque (après le glissement initial) le pignon et le manchon ont acquis par frottement la même vitesse angulaire que se produit l'engrènement des dents, ce qui évite tout choc.

La denture d'engrènement reste toutefois indispensable. En effet, les synchroniseurs ne fonctionnent que lorsque la voiture est débrayée et que, de ce fait, l'arbre primaire ne transmet pas de puissance au secondaire. Les synchroniseurs sont de fabrication relativement simple et économique.
Si, par contre, on voulait transmettre toute la puissance motrice par des embrayages à friction, la transmission serait d'un poids, d'un encombrement et d'une complication excessifs et son prix de revient très élevé.

Dans les boites de vitesses synchronisées, les dents destinées à l'accouplement entre le manchon et le pignon correspondant de l'arbre secondaire sont, en règle générale, périphériques, intérieures ou extérieures, en restant toutefois bien distinctes de la denture principale.
En effet, celle-ci est destinée uniquement à l'engrènement des pignons du secondaire et de ceux, correspondants, de l'auxiliaire.

Comme nous l'avons indiqué, la synchronisation de tous les rapports avant a été généralisée et, sur certaines voitures de luxe, même la marche arrière est synchronisée. Enfin, en ce qui concerne les boîtes de vitesses synchronisées de même que celles à train baladeur ou à pignons toujours en prise non synchronisés deux solutions sont possibles :

-la solution à trois arbres décrite précédemment

-et celle à deux arbres seulement, qui convient particulièrement lorsque le différentiel forme un seul bloc avec la boite de vitesses.


La boîte de vitesses à engrènement rapide:

Les boites de vitesses non synchronisées sont désormais très rarement utilisées dans le domaine des voitures de série. Parmi les rares exceptions, on peut citer la Fiat 500, pour laquelle cette solution est dictée surtout par des motifs économiques. Toutefois, la nouvelle version, la Fiat 126, a abandonné la transmission à crabots, pour une boite dont trois vitesses ( 2-3-4 ) seulement sont synchronisées. La première ne l'est pas.
Les boîtes non synchronisées sont, par contre, couramment utilisées sur les véhicules lourds et sur ceux de compétition, surtout pour des raisons de solidité. La majeure partie des voitures de compétition est équipée de boîtes non synchronisées, dites à engrènement rapide.

Les dents des engrenages entre les manchons et les pignons fous sont droites et leur forme très étudiée pour assurer un engrènement rapide et limiter l'usure. Utilisées en compétition, ces boîtes permettent d'effectuer des manoeuvres très rapides avec une utilisation très limitée de l'embrayage.

Porsche seulement fait exception à cette tendance en utilisant des synchroniseurs à anneaux bi-coniques ( qu'il a fait breveter ) qui présentent notamment l'avantage de s'opposer au désengrènement spontané de la vitesse. Sans avoir besoin d'utiliser les dispositifs généralement employés à cet effet. Il faut noter que les boîtes de vitesses de compétition sont la plupart du temps équipées d'engrenages à dentures droites pour éviter des pertes de puissance. Il est évident que dans ce domaine le silence n'est pas une qualité indispensable.


Les boîtes épicycloïdales:

Certaines boites utilisent un train d'engrenages épicycloïdaux plus ou moins complexe, qui offre différentes possibilités de réduction en agissant sur les divers organes par l'intermédiaire de freins, d'embrayages de roues libres à action mécanique, électromagnétique ou hydraulique. La prise directe s'effectue en faisant tourner solidairement l'ensemble du train.
Les boites épicydoïdales furent souvent montées sur les premières voitures américaines. Leur structure était relativement simple, les métaux utilisés étaient de qualité courante et ne nécessitaient aucun traitement spécial. Les paliers étaient garnis de coussinets et, de ce fait, la fabrication était peu onéreuse. Par rapport aux boîtes à train baladeur de l'époque, leur fonctionnement était plus aisé.

Toutefois, elles présentaient l'inconvénient de ne permettre que l'installation de deux marches avant et d'une marche arrière.

Des boîtes de vitesses à trois rapports ( Cadillac 1906 ) ne pouvaient être construites qu'au prix de très grandes difficultés. Les pannes étaient fréquentes et leur fonctionnement très bruyant. Lorsque les boîtes de vitesses à train baladeur furent suffisamment perfectionnées, les boîtes épicycloïdales furent abandonnées aux États-Unis ( mais la Ford T les utilisa jusqu'en 1928 ).
Elles furent à nouveau adoptées un peu plus tard en Europe ( boites Wilson/Cotal ) pour les transmissions semi-automatiques et à présélecteur. Les boites à trains épicycloïdaux présentent un avantage appréciable: leur manœuvre ne nécessite pas le déplacement de pignons ou de manchons. L'effort nécessaire est donc minime, ce qui les destine particulièrement aux transmissions automatiques.

Leur fonctionnement est aujourd'hui tout à fait au point grâce aux perfectionnements apportés à leur fabrication et l'on utilise couramment des boites épicycloïdales à trois ou quatre rapports et à une marche arrière.


Nombre de vitesses et choix des rapports:

La souplesse du moteur est évidemment déterminante dans le choix du nombre de rapports. Ainsi, un moteur peu souple nécessite plus de rapports qu'un moteur plat.
Une auto de course par exemple, dont le moteur doit toujours tourner à un régime maximal, doit avoir une boite à plusieurs rapports : au moins six en général.

En ce qui concerne les automobiles courantes, en revanche, on adopte quatre ou cinq marches avant et une marche arrière. Un nombre plus grand de rapports ne serait pas souhaitable, car il nécessiterait des boites de vitesses complexes et coûteuses et obligerait le conducteur à effectuer des manœuvres trop fréquentes, rendant ainsi la conduite pénible.

Dans le passé, les boites à trois et même à deux rapports étaient courantes. Actuellement, ce cas ne constitue plus qu'une exception en Europe. D'ailleurs, cette solution ne convient plus aux moteurs actuels, sensiblement poussés et peu souples.
En revanche, sauf de rares exceptions. Les boites automatiques montées sur les voitures européennes comportent trois rapports avant. Des boites à trois rapports sont couramment utilisées aux Etats-Unis pour des voitures dotées de moteurs de grosse cylindrée, dont la courbe de puissance est plus plate que celle des moteurs européens.

Un nombre réduit de vitesses est également adopté pour certaines voitures de compétition destinées à des circuits sur lesquels la différence entre la vitesse minimale et la vitesse maximale n'est pas très importante ( par exemple Indianapolis ou tentatives de records ). Sur les véhicules lourds destinés au transport des personnes ou des marchandises ( et non équipés de transmission hydraulique ) qui, par leurs caractéristiques, doivent toujours disposer d'un couple moteur très élevé.

On adopte souvent un réducteur monté en série avec la boite.

Cette solution évite d'utiliser une boite comportant un nombre plus élevé de rapports. En engrenant ou en désengrenant le réducteur, on dispose, en pratique, d'un nombre double de rapports pour une fabrication assez simple dans son ensemble.
Dans la conception d'une boîte de vitesses, la détermination des rapports est un problème délicat. Un premier élément concerne le rapport de réduction du couple conique. De la valeur de ce rapport dépendent, en effet, le coût et l'encombrement de cette pièce.
Le rapport global de réduction est égal au produit du rapport de la boîte de vitesses par le rapport du couple conique. On calcule ensuite les rapports de la quatrième et de la première vitesse.

Le rapport de la quatrième ( ou de la cinquième s'elle existe... ) est calculé de façon que le véhicule puisse atteindre la vitesse maximale pour laquelle il a été conçu, avec une pente de la route égale à 2-3 % en descente.
Si le véhicule pouvait atteindre sa vitesse maximale sur route plate, lorsqu'il viendrait à se trouver sur une pente légère, difficilement perceptible par le conducteur. Il serait en effet possible de dépasser le régime maximal prévu.

Le rapport de la première vitesse est par contre, est calculé de façon que l'on puisse rouler régulièrement sur la pente maximale que peut rencontrer la voiture dans des conditions exceptionnelles.

Les rapports intermédiaires sont calculés pour qu'il n'y ait pas de" trous ", entre la première et la dernière vitesse, car le régime moteur serait trop important entre les deux. La succession géométrique des rapports, à laquelle il semblerait normal d'avoir recours, n'est pas la plus indiquée pour la traction automobile.

Il ne faut pas oublier qu'aux vitesses réduites la résistance de l'air est très faible. Il sera donc possible d'étendre la limite inférieure d'utilisation du premier rapport.
En passant au rapport supérieur et en augmentant, de ce fait, la vitesse, il sera nécessaire d'augmenter, au fur et à mesure, cette limite inférieure, étant donné que le moteur devra fournir une puissance suffisante pour vaincre la résistance de l'air, toujours croissante.

En outre, il est préférable de disposer, d'une troisième vitesse longue pour faciliter les dépassements, et d'une quatrième vitesse plutôt courte .
Dans les boites à cinq rapports, si la quatrième est en prise directe, la cinquième est surmultipliée ( rapport de démultiplication supérieur à 1 ).

Une vitesse surmultipliée permet de rouler longtemps à une vitesse élevée, surtout sur autoroute, tout en maintenant le moteur à un régime peu élevé.
De cette façon, on réalise également d'appréciables économies de carburant. Dans ces cas, la différence entre la vitesse maximale en cinquième vitesse et en quatrième vitesse est généralement minime et parfois même nulle. En effet, l'équilibre entre la force résistante et la force motrice est atteint pour des vitesses parfois inférieures à celles correspondant au régime de puissance maximale.

Au lieu d'adopter une cinquième ( solution qui semble être préférée actuellement ), on peut avoir recours, pour atteindre le même but, à l'overdrive sur la quatrième vitesse et même, éventuellement, sur la troisième.
L'overdrive agit essentiellement dans le sens opposé à celui d'un réducteur. Par son engrènement, le rapport de quatrième ( 1:1, si c'est en prise directe ) est multiplié par un rapport inférieur à l'unité et le moteur tourne à des régimes qui peuvent être limités, même à des vitesses élevées.

Parmi les principaux inconvénients de l'overdrive, il faut mentionner une plus grande difficulté dans son utilisation et un engrènement plus long. Sur les voitures de compétition, les rapports changent suivant le type de circuit, compte tenu des caractéristiques du parcours. On utilise souvent des rapports rapprochés ( les valeurs de démultiplication sont très voisines ).

Sur certains circuits, en effet, le parcours s'effectue à des vitesses très élevées et, dans ce cas, il est préférable de renoncer à utiliser le moteur aux vitesses réduites, pour avoir, en contrepartie, un plus grand nombre de rapports pour les vitesses élevées.

De même, s'il s'agit d'un circuit lent, il est inutile de demander à la voiture d'être en mesure d'atteindre des vitesses très élevées. Dans ce cas, il est plus utile d'avoir des rapports courts, qui permettront de réaliser des temps intéressants dans les portions du parcours qui sont mixtes.


Entretien et graissage:

La lubrification d'une boîte à baladeurs ne présente pas de difficultés particulières. Tous les pignons, sauf le pignon de la marche arrière, fou sur son arbre; sont solidaires de leurs arbres, ce qui n'occasionne pas de frottement.
Le carter est partiellement rempli d'huile, que les engrenages, en tournant, projettent à l'intérieur.
Pour les boîtes modernes à pignons toujours en prise, le graissage par barbotage est encore possible et reste même la solution la plus couramment adoptée. Pourtant, une partie des pignons est folle sur l'arbre et il serait nécessaire d'assurer leur lubrification grâce à des canalisations. Les meilleurs résultats sont donc obtenus par lubrification forcée au moyen d'une pompe spéciale.

Cette solution, bien qu'étant plus onéreuse, permet de réduire les pertes de rendement dues au barbotage de l'huile, dont le niveau dans la boîte peut, par ailleurs, être maintenu plus bas.
L'entretien de la boîte de vitesses consiste pratiquement dans le remplacement périodique de l'huile, tous les 10 000 ou 20 000 km; mais il existe des cas pour lesquels il n'est jamais nécessaire de remplacer l'huile. Les huiles pour boites de vitesses sont de qualité différente de celles employées pour les moteurs.

Au nombre des additifs utilisés, il faut mentionner les additifs anti-mousse et anti-usure. Sur certaines voitures, surtout sur celles à moteur transversal, la boîte de vitesses forme un seul bloc avec le moteur ( Mini, Peugeot 204, 304 et 104 par exemple ), avec un système de lubrification unique.

Toutefois, on se heurte, dans certains cas, à des problèmes d'une difficulté que la plupart des constructeurs préfèrent éliminer en ayant recours à des carters séparés ( Fiat, VW, Audi ) et à l'emploi d'huiles de qualité différente.