LA DISTRIBUTION

bases
historique
les courroies crantées - réglage de la tension
poussoirs hydrauliques
distribution pneumatique
distribution variable

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Bases

- Bibliothèque technique de base
Voici une sélection de livres ou de documents de ma bibliothèque, à lire absolument, avec, en rouge, ceux qu'il me reste à me procurer...
Automotive Engine Valve Recession - R. Lewis and RS Dwyer-Joyce 2002
How To Choose Camshafts and Time For Maximum Power - Des Hammil



La Distribution
Identifier les éléments constitutifs de la distribution et énoncer leurs fonctions.
Identifier les éléments constitutifs de la distribution (synchronisation) et énoncer leurs fonctions.
Etablir une épure circulaire de distribution.

Fonction
Admission des gaz, échappement des gaz brûlés, commande d'ouverture et fermeture des soupapes.
Synchronisation des mouvements :
synchronisation de l'arbre à cames et du le vilebrequin.
angle parcouru par le vilebrequin pendant un temps : angle d'avance + 180° + angle de retard à la fermeture.
l'arbre à cames tourne à demi-vitesse du vilebrequin.

L'épure circulaire de distribution
Représentation graphique des angles de la distribution,
Angles exprimés en degré d'avance ou de retard par rapport aux points morts :
A.O.A. : avance ouverture admission, x degré avant le P.M.H.
R.F.A. : retard fermeture admission, x degré après le P.M.B.
A.O.E. : avance ouverture échappement, x degré avant le P.M.B. du second tour.
R.F.E. : retard fermeture échappement, x degré après le P.M.H.
Le croisement des soupapes est l'angle correspondant à l'ouveryre simultanée des soupapes d'admission et d'échappement dans le cycle à quatre temps.
Le temps échappement se termine, le temps admission débute.
On parle aussi de balayage, pour les gaz, de balance, pour les culbuteurs.

Epure relevée avec un jeu théorique de 0,37 mm


Moteur Peugeot

cm3chAOARFAAAAOERFEadmissioncompressioncombustion
détente
échappementcroisement
XU51580653,5°34°10°38°-1°217,5°136°152°217°2,5°
pour 3 000 tr/mn12.1 ms7.5 ms8.4 ms12.1 ms0.2 ms
XU71762748,5°39°10°43°-6°227,5°131°147°217°2,5°
XU1019988944°10°40°225°126°150°225°

3 000 tr/mn représentent 50 tr/s (3 000 / 60), soit 50 x 360° = 18 000°/s, donc, 1 /18 000° est parcouru en 1 s.
Pour 217,5° par exemple, il faudra 12 ms (217,5 x 1 / 18 0000 = 0,0126 s).

Documents fournis
Arbre à cames, soupape (coupe culasse)
distribution - épure circulaire de distribution
système Honda Vtec - système distribution variable Fiat
relever l'épure circulaire de distribution - caler la distribution
pour les calages, un cercle gradué et un un rapporteur d'angle.

Maintenance
Relever l'épure circulaire de distribution.
Caler la distribution avec repères : comprenant réglage du jeu des soupapes.
Remplacer la chaîne de distribution.
Remplacer la courroie de distribution.

Recherche
Relever les valeurs des angles d'un moteur dont l'épure circulaire de distribution est symétrique et celles d'un moteur dont l'épure est asymétrique.



Fonctionnement
Identifier les éléments constitutifs de la distribution et énoncer leurs fonctions.
Connaître l'influence des jeux de réglages des soupapes sur le fonctionne_ment du moteur.

Eléments de la distribution
Soupapes :
tête large mais limitée par l'encombrement et le poids, portée conique d'angle 90 ou 120°.
soupapes d'admission : monométallique pleine, en acier mi-dur au chrome ou chrome-molybdène, traitée localement (sommet de tige, zone de clavetage).
soupapes d'échappement : monométallique pleine, acier austénitique (chrome-nickel-tungstène, chrome-manganèse-nickel avec addition d'azote), monométallique creuse, contenant du sodium, bimétallique pleine, tête en acier austénitique et tige en acier de traitement, traitée localement pour : faciliter le coulissement (chromage, niturage) et résister à la corrosion (stellitage).
Guides et sièges :
guides en fonte douce montés serrés dans la culasse,
sièges rapportés en fonte blanche au nickel ou en acier austénitique (compatibilité essence sans plomb).
Ressorts de soupapes :
à boudins ou à barres de torsion.
fonctionnement de chaque ressort limité par sa fréquence d'entrée en résonance.
ressorts à pas variables, ressorts antagonistes, commandes désmodromiques.
Eléments intermédiaires :
poussoirs : limitant l'usure des cames et des soupapes, hydraulique.
tiges de culbuteurs.
jeu de fonctionnement : étanchéïté à toutes températures, réglage, avec précision, des angles de distribution.


La levée de soupape
Pour une rotation donnée de l'arbre à cames, plus on avance sur celle-ci,plus la levée est importante (faible pente, à partir de la zone de recouvrement, forte pente sur le flanc de came).
Si le jeu augmente :
le temps d'ouverture diminue, ainsi que le temps d'ouverture, à un régime donné, augmente,
le remplissage des cylindres diminue, les performances du moteur chutent,
le risque de "tasser" les soupapes sur leur siège est important.
Si le jeu diminue :
le temps d'ouverture augmente, ainsi que le temps d'ouverture, à un régime donné, augmente,
le remplissage des cylindres augmente, les performances du moteur s'acroissent,
le risque de "griller" les soupapes est important.
Le jeu de réglage (relevé de l'épure circulaire) est plus important que le jeu de fonctionnement pour en améliorer la précision de lecture.
Le début de levée correspond bien à l'attaque de la came et non à la zone de raccordement.
Il est à noter que la température normale de fonctionnement de la soupape d'échappementétant plus élevée que celle de la soupape d'admission, son jeu de fonctionnement est supérieur (dilatation plus importante).
Sans cela, la soupape resterait ouverte, entraînant perte de compression, donc perte de performances du moteur, "grillage" rapide de la soupape (par effet chalumeau).



Arbre à cames
Fonte moulée, acier forgé ou cémenté trempé.
lois d'ouverture et de fermeture des cames fonction de la hauteur de levée, l'angle d'ouverture, la vitesse de rotation du moteur.
Positions : arbre à cames latéral, en tête, soupapes culbutées ou non, deux arbres à cames en tête.
Entraînement : engrenages, pignons reliés par chaîne, par courroie crantée.

Documents fournis
Organes de distribution - soupape - angles de soupape - levée
montage soupape (coupe culasse) - ressorts - barre de torsion
poussoir hydraulique Mercedes - poussoir hydraulique Peugeot commande desmodromique
arbres à cames - came - positions d'arbre à cames - commande par courroie crantée
culasse 2 ACT en coupe - 3 et 4 soupapes par cylindre
déposer - contrôler - reposer les soupapes - contrôler les ressorts de soupapes contrôler un poussoir hydraulique - régler le jeu de fonctionnement aux soupapes

Maintenance
Contrôler les soupapes : métrologie, jeu dans le guide.
Roder les soupapes : comprenant dépose-pose de la culasse, contrôle de l'étanchéïté de la chambre de combustion, pose des larmiers.
Contrôler les ressorts de soupapes : tarage, garde avant spires jointives.
Contrôler les poussoirs : usure, fonctionnement (poussoir hydraulique). Remplacer l'arbre à cames.
Contrôler le jeu latéral de l'arbre à cames.
Contrôler l'arbre à cames.
Régler le jeu aux soupapes.

Recherche
Citer un moteur à arbres à cames en tête, un à arbre à cames latérales, un autre par courroie crantée.
Rechercher le principe de fonctionnement des poussoirs hydrauliques.
Nommer un type de moteur équipé de ce système.

Porsche 911 Carrera 3.0


Les courroies
Continental

courroies trapézoïdales
étroitesclassiqueslargespour transmission
variable
assembléesde transport
courroie à revêtement)
polyuréthane
Transmission
de puissance
par courroie
jusqu'à 70 kW
largeur 21
jusqu'à 70 kW
largeur 40
jusqu'à 60 kW
hauteur 25
jusqu'à 20 kW
largeur 22
jusqu'à 5 kW
4 poulies
à J section
largeur 10
-jusqu'à 1 kW
largeur 6
Rapportmaxi 1/10maxi 1/10maxi 1/9
avec 2 poulies
variables
maxi 1/5maxi 1/30maxi 1/5maxi 1/10
Tension initiale
(charge sur palier)
en fonction de
la force
circonférentielle Fu
(1,5 à 2) . Fu(1,5 à 2) . Fu(1,5 à 2) . Fu(1,5 à 2) . Fu(1,5 à 2) . Fu(1,5 à 2) . Fu(1,5 à 2) . Fu
Vitesse
linéaire
élevéemoyenneélevéetrès faibleélevée
maxi 40 m/smaxi 30 m/smaxi 25 m/smaxi 30 m/smaxi 50 m/smaxi 40 m/s
Entretienretension
après démarrage
Contrôle
retension
après démarrage
Contrôle
aucunretension
après démarrage
Contrôle
retension
après démarrage
Contrôle
retension
après démarrage
Contrôle
retension
après démarrage
Contrôle
Bruitfaiblefaiblefaiblefaibletrès faiblefaiblefaible
insensibilité
aux à-coups
et aux vibrations
moyennemoyennemoyennemoyennemoyennemoyennefaible
Réglage
de la vitesse
de rotation
possible sous
certaines
conditions
possible sous
certaines
conditions
construit dans
ce but
----
Entraînement
d'arbres tournant
en sens inverse
(transmission
de puissance
bilatérale)
---construit
dans ce but
possible--
Rendement94 à 98 %94 à 98 %94 à 98 %94 à 98 %96 à 98 %94 à 98 %94 à 98 %
Tenue
aux huiles
relativerelativerelativerelativerelativerelativebonne tenue
aux huiles
Encombrement
comparé à celui
d'une transmission
à engrenages
à grand entraxe
très faiblefaibleextrêmement faibletrès faibletrès faiblefaible

courroies
hexagonales
courroies
rondes
courroies
plates
courroies
synchrones
courroies de transmission
extensibles
(sans armature)
galets de friction
Transmission
de puissance
par courroie
jusqu'à 5 poulies
à section 22
jusqu'à 12 kW
diamètre 20 mm
jusqu'à 8 kW
largeur 10 mm
jusqu'à 10 kW
largeur 10 mm
faibles puissancesjusqu'à 50 kW
diamètre 1000 mm
Rapportmaxi 1/10maxi 1/5maxi 1/20
avec galet d'appui
maxi 1/10égal ou supérieure à
1/20
maxi 1/20
Tension initiale
(charge sur palier)
en fonction de
la force
circonférentielle Fu
(1,5 à 2) . Fu2 . Fu( 2 à 2.5 ) . Fu1 . Fu-maxi 1.5 . Fu
Vitesse
linéaire
moyennetrès élevéemoyennepetite
maxi 30 m/smaxi 20 m/smaxi 60 m/smaxi 20 m/smaxi 25 m/s
Entretienretension
après démarrage
Contrôle
retension
après démarrage
Contrôle
retension
après démarrage
Contrôle
aucunaucunaucun
Bruitfaiblefaiblefaiblemoyentrès faibletrès faible
insensibilité
aux à-coups
et aux vibrations
bonnemoyennemoyennefaiblefaiblemoyenne
Réglage
de la vitesse
de rotation
-----possible sous
certaines
conditions
Entraînement
d'arbres tournant
en sens inverse
(transmission
de puissance
bilatérale)
-possible
sur plusieurs plans
dans l'espace
possiblepossible avec
courroies synchrone
doubles
possible avec
sections symétriques
-
Rendement94 à 98 %95 %98 %98 %
pas de glissement
98 %95 à 98 %
Tenue aux huilesrelativerelativerelativerelative
avec courroie
polyuréthane
relativebonne tenue
aux huiles
Encombrement
comparé à celui
d'une transmission
à engrenages
à grand entraxe
faibletrès faiblefaiblefaibletrès faibleextrêmement faible


Réglage de la tension des courroies de distribution

- Vérification de la courroie crantée (VAG Service, 10.1995)

Véhicules avec moteur à essence sans galet-tendeur automatique de courroie crantée d'entraînement de l'arbre à cames (également valable avec effet rétroactif)
Sur ces véhicules, l'opération mentionnée ci-après doit être réalisée tous les 30.000 km:
Courroie crantée d'entraînement de l'arbre à cames:
contrôle de l'état et de la tension,
réglage de la tension si nécessaire


Vérifier si la courroie crantée ne présente pas:
des amorces de fissures ou des fissures (A), des fissures transversales,
des frottements latéraux (B),
des bords effrangés ou des arrachements (C),
des fissures au fond des dents (D),
des décollements de nappes (corps de la courroie et cordes de traction),
des traces d'huile et de graisse.
Si des défauts sont constatés, la courroie crantée doit absolument être remplacée pour éviter des pannes et perturbations de fonctionnement.
Le remplacement de la courroie crantée constitue une mesure de réparation.

- Placer les courroies sous bonne tension (Daniel Descamps, l'Argus, 3.4.2003)

Régler la tension d'une courroie de distribution nécessite une documentation et un équipement adaptés. Faute de quoi, les risques de rupture peuvent s'avérer dramatiques.

Afin d'ajuster la tension des courroies de distribution, de nombreux outils existent. Ces appareils sophistiqués peuvent être dédiés à un fournisseur de courroies ou de tendeurs, à un réseau de marque d'automobile, ou être totalement indépendants et polyvalents. Diverses méthodes de réglage des courroies cohabitent : par torsion, par vibrations (mesurées en hertz) sans contact physique, ou à l'aide d'ondes radar.
Certains appareils intègrent une banque de données mémorisant, à partir des références d'un fournisseur, les valeurs de réglage. De nombreux professionnels utilisent ces données, quelle que soit la marque des courroies utilisées. Cette méthode nous paraît critiquable car la précision des mesures dépend du poids de la courroie et de sa fabrication. La justesse de ces relevés est aussi liée au niveau de charge des accumulateurs des contrôleurs électroniques.
Sur les outils pourvus d'une banque de données, il manque un écran pour afficher le dessin de la distribution et des repères de placement de la courroie. Ces informations sont vendues par les éditeurs techniques comme Autodata ou l'Expert automobile...
Des programmes techniques, comme le X'Tech de l'Expert automobile, sont également disponibles. Enfin, d'autres banques de données, comme Sidexa ou X'Cat2, mentionnent les références, les prix des pièces et les temps de remplacement.
Le STT-1 de Gates, à l'image du Seem Diapaz préconisé par Renault, utilise un radar pour capter les ondes sonores émises par les vibrations des courroies. L'appareil, qui tient dans la main et fonctionne à l'aide d'une pile de 9V, comporte certes un écran, mais il est trop petit pour afficher le dessin de la distribution. La banque de données ne mentionne que les courroies vendues par Gates. La mise à jour, annuelle, s'effectue par le remplacement d'une Eprom mémorisant 180 références, qui couvrent 90 % des besoins du marché. Lors d'une mesure, le technicien entre manuellement la référence de la courroie à contrôler sur son clavier numérique. Le capteur, de petite taille, se glisse dans la distribution et n'entre pas au contact de la courroie en place. En retour, l'appareil indique la qualité des valeurs relevées. Signalons enfin que l'équipementier propose un cédérom, un manuel en papier et des informations figurant sur l'emballage des courroies. Ces supports mentionnent les instructions d'installation, parfois les détails des distributions.
Le Facom DM.16 est, lui, un appareil mécanique et multimarque, pour tous les types de courroies du marché. La composition standard comprend une clé ronde à fourche, associée à six cales de réglage, afin de mesurer l'épaisseur des courroies. Les cales sont vissées sur le corps de l'appareil pour éviter qu'elles ne tombent dans le carter de distribution. Toutefois, si le filetage n'est pas vissé à fond, cela augmente les risques d'erreur. L'appareil mesure la flexion d'une courroie reposant sur trois points d'appui. Le technicien estime, en fonction du positionnement du piston de son appareil, si la tension est correcte. Une cale de calibrage, livrée avec l'ensemble, permet d'étalonner régulièrement l'outil de mesure.
Autre appareil, le TensiCheck SKF est un contrôleur électronique qui tire son énergie des accumulateurs du véhicule ou d'une pile intégrée. Une alarme indique ici l'état de charge des accumulateurs. L'outil possède une banque de données qui couvre 95 % des courroies SKF dédiées aux véhicules circulant à travers l'Europe. Sa précision de mesure est de plus ou moins 10 %. Lors d'une mesure, l'opérateur entre à l'aide du clavier la référence de la courroie à remplacer, et place son pont de mesure sur la courroie. Une pulsion permet ensuite d'activer le vérin qui va mesurer le réglage de la courroie en la mettant en torsion sur trois points.

Les prix et la concurrence
- Documentation technique et informatique : programme X'Tech, abonnement avec deux remises à jour par an 83,72 EUR H.T., X'Cat2, programme de mécanique élargi à la réparation collision 717,60 EUR, manuel papier de l'Expert automobile 71,5 EUR, Autodata 2003 "courroie distribution" 125 EUR
- Matériels : Gates STT-1 600 EUR, Facom DM.16 122,30 EUR, SKF TensiCheck 591 EUR

- Conversion des unités SEEM (tension en daN par brin / unités SEEM)


Les valeurs en daN sont fournies par les constructeurs.

IMPORTANT : Les présentes valeurs sont indicatives, elles sont le résultat de moyennes réalisées sur des courroies de différents fabricants.
Elles ne sauraient en aucun cas suppléer aux valeurs méthode réparation constructeurs qui les seules valeurs officielles.


E   5  10  15  20  25  30  35  40  45  50  55  60  65  70  75  80  85  90  95 100 
-182836445158647076828894100106112
-32414855626976839095102108114120126132138144150
 E10 3241495763697581879399
E113040475461687581879399
E13364952647380869298104110
E1034414855626976838996102
E1137435159667380869298104
E13495763697581879399105111

tension des courroies Peugeot, pour l'exemple

- Contrôlez la courroie d'un doigt (Daniel Descamps, l'Argus de l'Automobile, 3.3.2005)

La tension des courroies de distribution doit être contrôlée régulièrement. Le leader européen de l'outillage à main lance, à cet effet, un appareil polyvalent, le Facom DT Hertz.

Le remplacement de courroies, en particulier celles de distribution, nécessite un bon savoir-faire, un outillage adapté et de la documentation technique. De nombreux équipementiers proposent des matériels spécifiques. Certains, vendus par des fournisseurs de courroies, intègrent une banque de données. Ces informations utilisent les références de l'équipementier par type de courroie sélectionnée.
Le STT-1 de Gates (de même que le Seem Diapaz préconisé par le réseau Renault), capte avec un radar les ondes émises par la vibration de la courroie tendue.
Le Tensi Check de SKF mesure la déformation de la courroie en appuyant sur trois points à l'aide d'un vérin. L'outil de SKF compare les données relevées à celles de sa banque de données intégrée.
Le Facom DM16 est un appareil entièrement mécanique. Il n'utilise pas de gestion électronique des résultats mais des cales de réglage fixées sur le corps de l'appareil pour mesurer l'épaisseur de la courroie. Comme le TensiCheck, le DM16 exerce une torsion en appuyant sur trois points.
Le Facom DT Hertz est un contrôleur de tension multimarque électronique. Il analyse les vibrations des courroies en tension. Le relevé s'exécute en frappant la courroie d'un doigt. Le capteur, placé en suspension à quelques millimètres de cette dernière, réceptionne les vibrations pour les convertir en Hertz. Nous avons apprécié, sur une dizaine de distributions, sa facilité de mise en oeuvre. Il faudrait cependant avoir quatre mains pour s'en servir : une pour tenir le récepteur, une seconde pour placer la sonde à proximité de la courroie, une troisième pour la claquer et une quatrième pour tenir le manuel de référence !
Dans les compartiments moteurs exigus, le remplacement d'une courroie de distribution est difficile à effectuer. Avec le DT Hertz, le technicien n'a d'autre alternative que de poser son appareil sur le moteur. Pourquoi alors ne pas concevoir un support magnétique avec bras articulé qui placerait l'écran à portée de vue pendant le montage ?
Cet appareil ne dispose pas de banque de données intégrée mais la composition standard comprend un fascicule complet donnant les fréquences en Hertz en fonction du type de moteur et de distribution et selon l'année du véhicule . Cette valeur permet de vérifier la juste tension d'une courroie donnée. Une autre rubrique renvoie, à la fin de l'ouvrage, sur un schéma d'implantation de la courroie. Pratique !
De bonne qualité, ce contrôleur peut être complété par des outils vendus séparément : la clé DT CLE, qui permet de tourner facilement les poulies, et le bloc poulie DT Bloc, qui place le moteur dans la position voulue.
Le DT Hertz de Facom a l'avantage d'être précis et totalement polyvalent. Dans le coffret de stockage, figurent des schémas explicatifs. Cet appareil est alimenté par une pile indépendante mais un jack permettant de le connecter sur des accumulateurs aurait été le bienvenu.
Notons toutefois que les contrôleurs sont appelés à être moins utilisés avec la généralisation des tendeurs de distributions automatiques qui règlent, de façon progressive et constante, la tension des courroies.
Une remarque au passage : pourquoi ne pas commercialiser un kit comprenant les différents outils d'aide à la pose et aux réglages des courroie ?

Points forts
Facilité d'utilisation, coffret de stockage, précision, manuel de référence avec données et schémas de montage, nombreux outils complémentaires
Points faibles
Manque un support du tensiomètre, pas de kit comprenant l'ensemble des outils de traitement des distributions, ne se branche pas sur les accumulateurs, pas de banque de données informatisées

La concurrence
Tensiomètre Facom DT Hertz - 525 EUR
Clé Facom à poulie - 40 EUR ; Piges Facom pour tendeurs automatiques - 20 EUR ; Coffret bloc Poulies universel - 1085 EUR
Facom DM.16 - 122 EUR
Gates STI.1 - 600 EUR
SKF TensKheck - 591 EUR


Poussoirs hydrauliques

Poussoirs hydrauliques (Citroën DW8/DW10, 1998)
Les poussoirs hydrauliques sont à rattrapage de jeu automatique (diamètre 12 mm).

B et C -Phase de rattrapage du jeu entre une came et une soupape :
- lorsqu'il existe un jeu, la rotule (18) se soulève sous l'action du ressort (22) ; ceci entraîne une dépression dans la chambre inférieure (24), qui ouvre le clapet (20),
- Il y a équilibre de pression entre les deux chambres (24) et (25) ; le clapet (20) se ferme sous l'action du ressort (21), les deux chambres sont isolées.
D -Phase compression (levée de soupape) :
- dès que la came appuie sur le linguet, la pression monte dans la chambre inférieure (24) ; le clapet (20) est plaqué sur son siège,
le poussoir hydraulique est en fonction butée, le mouvement est transmis intégralement à la soupape.

Contrôle des poussoirs hydrauliques


Testing a hydraulic tappet with a pair of special pliers.
A good tappet will have considerable resistance to movement of the parts.
The valve lifter assemblies must be kept in the proper sequence so that they can be re-installed in their original position.


Distribution pneumatique
(AutoConcept, Roger Guyot, mars 1995)



Le moteur V10 Renault RS 07 dans sa version 3 litres qui, en 1995, équipe les Williams et les Benetton.

Pas d’affolement

La distribution pneumatique est apparue il y a dizaine d’années sur le moteur Renault V6 turbo EF 15 de Formule 1. Il fut monté pour la première fois sur la Lotus 98 T du regretté champion du monde Ayrton Senna dès le premier Grand Prix de la saison 1986. Elle équipe aujourd’hui plusieurs moteurs de F1 notamment le Ford, le Peugeot et.. le Renault, précurseur en la matière.

Appelé système de rappel pneumatique de soupape pour moteur à combustion interne, ce système a pour effet de supprimer les ressorts de rappel des soupapes.
Pour qu’un moteur fonctionne correctement, il est nécessaire de disposer d’un dispositif ayant pour fonction de maintenir les soupapes d'admission ou d’échappement en position fermer dans certaines phases du cycle. Celles-ci ne s'ouvrant au moment opportun que par l'action de came ou par l'intermédiaire de culbuteurs entraînés par un "arbre à cames" soupapes de la position ouverte à la position fermé s’effectue de manière quasi générale à l’aide de ressorts hélicoïdaux.
Tout va bien lorsque l’on a affaire à des moteurs équipant des voitures de tourisme voire de sport, mais des lors que l’on aborde la compétition ou la course à la puissance est effrénée les inconvénients des ressorts métalliques hélicoïdaux se manifestent avec le phénomène bien connu de "l’affolement des soupapes".

L'affolement des soupapes

Il intervient pour des régimes moteurs élevés et se caractérise par la non fermeture de la soupape, lorsque le ressort n’est pas assez raide pour la rappeler suffisamment vite sur son siège.
Il est connu que la fréquence propre de vibration d’un ressort est d’autant plus basse que sa déflexion est grande. Les ressorts de soupapes se mettent ainsi à vibrer à des régimes moteurs relativement bas lorsque la levée de soupape à été définie grande. Ce type de moteur possède des puissances relativement faibles à haut régime maigre une bonne alimentation théorique. La solution du dispositif de rappel de soupape pneumatique apporte une solution et c'est pourquoi il a été réalisé (Jean-Pierre Boudy, brevet déposé en juin 1982).

Un peu de théorie

Le ressort

Il est caractérisé par des valeurs ou grandeurs qui sont essentiellement son encombrement, sa raideur et son taux de fatigue. Précisons que la raideur est son aptitude à exercer une force donnée lorsqu'on le comprime d'une quantité donnée. Le taux de fatigue est sa capacité à fonctionner sans casser dans les limites de déformation imposée.
Si l’on se réfère au croquis, la différence entre les longueurs L2 et L1 donne la course utile de la soupape que l’on appelle "levée". La déflexion du ressort est représentée par L0-L2, c'est-à-dire par la longueur du ressort à l'état libre moins sa longueur correspondante à la levée maximale de la soupape. Plus le ressort est comprimé, donc de longueur L2 petite, plus il travaille et risque de casser. Le dimensionnement est donc un compromis entre la déflexion maximale admissible et les efforts de rappel nécessaires.

La fréquence propre
La fréquence du système ressort-soupape, ou fréquence pour laquelle le système ne suit plus le mouvement imposé par la came, et donc pour lequel la soupape s’ouvre et se ferme à des moments non contrôlés entraînant une mauvaise combustion est donnée par la formule :


où C est la raideur du ressort, m la masse totale du système (m1 soupape + m2 coupelle + m3 ressort).
Le frottement et l’amortissement ainsi que le coefficient y sont ici négligés.

On voit que pour atteindre la fréquence la plus élevée possible, et donc le régime d’affolement des soupapes, il faut augmenter la raideur C du ressort ou bien réduire la masse m.
Pour augmenter C, il faut augmenter le diamètre du fil "f" mais alors la déflexion admissible est faible. Autre solution, on peut réduire la masse du système. C’est ce que font en général tous les motoristes de F1. En jouant sur la masse m1 de la soupape et celle m2 de la coupelle, on gagne du poids en passant de l’acier au titane tout en conservant des caractéristiques mécaniques équivalentes. Mais on peut difficilement réduire la masse m3 des ressorts mécaniques. Par contre, on peut utiliser des ressorts pneumatiques. C’est la solution adoptée par Renault dès 1986 et reprise par quelques motoristes de la F1 depuis, en particulier Ford et Peugeot.

Fréquence propre et affolement

L'arbre à cames appuie sur une soupapes donnée une fois tous les deux tours de vilebrequin.
La fréquence "f" de levée st donc une fonction du régime moteur N (par exemple, N = 6 000 tr/mn).
F = N / (2 x 60) = 50 Hertz (50 levées par seconde)


Croquis A
Si la fréquence propre C du système ressort-soupape est très supérieur à 50 Hz (pour un régime de 6 000 tr/mn), il n'y aura jamais d’affolement, c’est-à-dire que la came rencontrera toujours le poussoir au même endroit.
Le poussoir est passé de l'état 0 à l'état 1 puis est revenu à l'état 1 pendant que la came continue de tourner.
Croquis B et C
Si la fréquence propre C est inférieure à 50 Hz, il y a affolement au moment où la came, qui a fait un tour + x°, revient au contact du poussoir alors qu'il est en position 2 et n'est pas encore revenu à la position 0.
La soupape n'est pas fermée au moment où la came recommence à appuyer.
La levée L qui correspond à la course totale a été réduite de ce fait à L'.
Il en résulte un défaut de compression, un décalage des angle de fermeture et d'ouverture et une levée incomplète de la soupape.
Ces défauts perturbent le fonctionnement du moteur et se traduisent par une perte sensible de la puissance.

Rappel pneumatique des soupapes
Sur ce moteur déposé, on distingue, au centre du V
formé par les rangées de cylindres, la réserve
d'air comprimée destinée à l'alimentation de la
distribution pneumatique. C'est la Lotus 98 T du regretté
Ayrton Senna qui a eu le privilège de faire courir pour
la première fois le V6 Turbo équipé de ce type
de distribution. C'était en 1986, dès le premier Grand Prix.

Avec cette solution, les motoristes se dispensent du ressort de rappel ou du couple de ressorts métalliques concentriques frottant l’un dans l'autre. Les ressorts étant sollicités en efforts alternés de manière continue, ils sont soumis à la fatigue qui réduit leur durée de vie. Avec 8 ressorts par cylindre et la dispersion en qualité de fabrication aidant, le risque de casse moteur n’est pas à négliger, d’autant que la recherche du plus haut régime possible conditionne toujours la puissance.
Autre avantage, la sensible réduction de l’inertie par le gain de poids de la partie en mouvement de la distribution ce qui permet, toutes proportions gardées, un gain en régime de rotation intéressant. De plus l’ensemble est plus léger qu’une distribution classique et ce dans la partie haute du moteur.
Par ailleurs, le rappel pneumatique des soupapes autorise une meilleure harmonisation des profils des lois de cames d’ouverture-fermeture des soupapes pour, en fait, obtenir de meilleures performances du moteur.
Précisons que le rappel par des ressorts classiques est caractérisé par une fonction généralement linéaire du déplacement de la soupape.
L’effort de maintien de la soupape fermée est une donnée fondamentale du bon fonctionnement d’une distribution. Il est nécessaire, en effet, par un effort minimum, d’éviter le rebond de la soupape sur son siège au moment de la fermeture. Comme les dimension du ressort conditionnent sa raideur et aussi son encombrement, l’effet de rappel en pleine ouverture est plus ou moins subit, il est préjudiciable au rendement proprement dit de la distribution et, à terme, générateur d’incidents entre cames et poussoirs.
Dans le système du rappel pneumatique de la distribution, chaque soupape dispose de son ensemble propre de rappel pneumatique. Constitué d’un petit cylindre concentrique à l'axe de la soupape, il occupe la place du ressort hélicoïdal traditionnel. La fonction piston est tenue par la coupelle supérieure dont la périphérie reçoit un joint à lèvre assurant l’étanchéité avec le cylindre.
Le cylindre est alimenté en permanence en gaz à une basse pression, dite de veille, depuis une réserve de 1,5 l à 180 bars contenue dans une sorte de bonbonne placée au centre du V du moteur. Détendue à la pression de ville, cette capacité d’air assure très largement l’autonomie d’un grand prix. La pression maximale dans le cylindre est limitée par un clapet dont le tarage conditionne le niveau de pression entre la came et le poussoir.
Pour être simple, et en résumant, on peut dire que le système se comporte comme une pompe à vélo qui se détend lorsque l’on souffle dedans et qui résiste élastiquement quand on veut la comprimer en ayant bouché l’orifice par le pouce.
A cela, il faut ajouter que ce genre de dispositif a toujours des fuites, aussi bien de gaz que d’huile et qu’il faut d’une par ré-alimenter en continu pour maintenir la pression P1 constante, et d’autre part vidanger l’huile qui s’accumule dans la chambre A et qui perturbe le fonctionnement "normal".
Un clapet anti-retour est également nécessaire sur le circuit d’alimentation

Avantages du rappel pneumatique des soupapes

- lois de levées de soupapes plus sévères,
- régime moteur plus élevé,
- grande fiabilité.


Nous sommes en 1993, les années ont passées et la réglementation technique a interdit les moteurs turbos. Depuis la saison
1989, seuls sont autorisés les moteurs atmosphériques d'une cylindrée de 3.5 litres (ramenés pour 1995 à 3 litres). Renault,
pour son retour en 1989, a développé un V10 et n'a cessé de l'améliorer. Bien entendu, la distribution à rappel pneumatique
des soupapes a été conservée car elle permet des régimes élevés pour toujours plus de puissance, et ce malgré le
secteur angulaire de rotation très faible pour une bonne combustion.

Principe du rappel pneumatique des soupapes


Le gaz comprimé de la chambre A occupe un volume :
- V1 lorsque la soupape est fermée. Il est soumis à une pression P1.
- V2 lorsque la soupape est ouverte. Il est soumis à la pression P2.
Les efforts de rappel (qui correspondent à ceux du ressort classique) sont F1 = P1 x S et F2 = P2 x S.
La pression P1 est donnée par un compresseur ou, dans le cas qui nous intéresse, par la réserve sous pression. C’est celle qui alimente l’admission de l’air.
La pression P2 est obtenue par la variation du volume de la chambre sous l’action de la came soit :
P1 x V1 = P2 x V2 et V2 = V1 - LS
d’où P2 = (P1 x V1) / (V - LS)
L est la levée de soupape et S la section de la chambre.

Note : Cette formule approchée ne tient pas compte de l'échauffement de l’air qui a pour effet d’augmenter essentiellement P2.
Le dimensionnement de la chambre (S, V1) et le choix de la pression d’alimentation P1 permettent de reculer la limite d’affolement.

Exemple (ordre de grandeur) des deux systèmes comparés
Distribution à ressorts mécaniques
Force F1 de placage : 400 Newton (état fermé de la soupape).
Force F2 à pleine levée : 850 Newton (état ouvert de la soupape).
Fréquence propre : 150 à 250 Hz (ressort + soupape).

Distribution à ressort pneumatique
Chambre : diamètre 27 mm et h0 = 20 mm
d'où S = 5.7 cm2 et L = 15 mm (levée).
V1 = 11.45 cm3 et P1 = 7 bar,
V2 = 2.87 cm3 et P2 > 28 bar,
d'où force F1 de placage : 400 Newton,
F2 à pleine levée : 1600 Newton.
Fréquence propre > 400 Hz.
Cet exemple correspond à une pression d’alimentation régulée de 7 bars depuis une réserve de 100 bars.

L’interêt de la distribution pneumatique est évident, il permet d'augmenter considérablement les efforts à pleine levée pour des levées supérieures à 11 mm (15 dans l'exemple).


Les trois voitures les plus performantes de la saison 1994. La Benetton Ford de Michael Schumacher, la Williams Renault de
Damon Hill et la McLaren Peugeot de Mika Hakkinen. A noter que le moteur Peugeot V10 qui équipait la McLaren de 1994
est signé Jean-Pierre Boudy qui a inventé en... 1982, à l'époque où il travaillait chez Renault,
le système de rappel pneumatique des soupapes.