De nombreux moteurs européens et asiatiques utilisent des arbres à cames en tête depuis des années. Ainsi, lorsque Ford a opté pour la voie des arbres à cames en tête avec son moteur V8 de 4,6 L, certains moteurs à poussoir prévus étaient sur le point de disparaître. Mais GM et Chrysler sont restés fidèles à la conception de la tige de poussée pour leurs moteurs LS et 5,7 L et 6,2 L Hemi, respectivement.
Il est facile de comprendre pourquoi les culbuteurs et les culbuteurs sont toujours un sujet brûlant pour la construction de moteurs de performance lorsque vous ajoutez tous les moteurs plus anciens et les combinaisons bloc/culasse actuelles du marché secondaire qui utilisent encore des culbuteurs et des culbuteurs.
Les culbuteurs redirigent le mouvement ascendant des poussoirs et des poussoirs vers le mouvement descendant requis pour ouvrir les soupapes. L'arbre de culbuteur ou le montage du goujon à rotule sert de point d'appui autour duquel ce mouvement se produit, et la longueur relative du culbuteur de chaque côté du point d'appui central détermine le rapport de portance du culbuteur.
Comme tout levier, l'effet de levier est multiplié lorsque le côté soupape du culbuteur est plus long que le côté poussoir. Plus le côté poussoir du culbuteur est court et plus le côté soupape du culbuteur est long, plus le rapport de levage du culbuteur est élevé.
Si la longueur du côté soupape du culbuteur est de 1,5 fois celle du côté tige de poussée, le rapport de levage sera de 1,5:1. Si le côté soupape du culbuteur est 2x la longueur du côté tige de poussée, le rapport de levage sera de 2,0:1.
Si vous utilisez une came de performance de rue typique dans un petit bloc Chevrolet V8 qui produit 0,480˝ de portance totale au niveau de la soupape, la came elle-même ne produit qu'environ 0,320˝ de portance au niveau du lobe. Les culbuteurs à rapport de 1,5 multiplient la levée (0,320 x 1,5) pour obtenir une levée de 0,480 ˝ au niveau de la soupape.
L'avantage d'utiliser des culbuteurs à rapport plus élevé est que le même profil de lobe de came peut produire la levée totale des soupapes pour plus de puissance.
Un culbuteur à rapport plus élevé nécessite également moins de déplacement du poussoir et de la tige de poussée pour obtenir la même quantité de portance qu'un culbuteur à rapport inférieur. Un rapport de culbuteur plus élevé réduit également la quantité de couple d'arbre à cames nécessaire pour ouvrir les soupapes pour une quantité de levée donnée. De plus, plus le côté soupape du culbuteur est long, plus le diamètre de l'arc qu'il suit est grand lorsqu'il monte et descend. Cela réduit la charge latérale, ainsi que la friction et l'usure sur les tiges de soupape et les guides. C'est pourquoi de nombreux moteurs NASCAR à haut régime exécutent généralement des rapports de bascule très élevés allant jusqu'à 2:1 ou plus.
Modification des rapports de bascule
Disons pour remplacer les culbuteurs d'origine à rapport 1,5 par des culbuteurs à rapport 1,6 plus élevés. Le même arbre à cames produira désormais 0,512˝ de levée à la soupape (0,320˝ fois 1,6). Ainsi, en remplaçant simplement les culbuteurs d'origine par des culbuteurs à plus haute portance, vous augmentez la portance totale de 6,7 % et gagnez probablement 15 à 20 chevaux.
Comment le changement des rapports de bascule affecte-t-il la durée de l'arbre à cames ? Parce que le lobe de la came est toujours le même, le point où la came commence à déplacer le poussoir est toujours le même. Il en est de même pour le côté fermeture de la rampe. Mais, la vitesse à laquelle la soupape s'ouvre est maintenant un peu plus rapide en raison du rapport plus élevé du culbuteur, de sorte que la durée effective de l'arbre à cames est légèrement augmentée - peut-être quelques degrés dans l'exemple ci-dessus.
Un petit changement de rapport n'aura pas un grand impact sur la plage de régime où le moteur produit de la puissance, ou son couple à bas régime, la qualité du ralenti ou la quantité de vide d'admission qu'il produit. Mais, un changement important du rapport de portance qui augmente considérablement la durée du milieu de gamme déplacera le pic de puissance du moteur vers le haut de l'échelle de régime. C'est pourquoi les cames sauvages avec beaucoup de durée et de chevauchement des soupapes qui produisent des tonnes de puissance à haute vitesse sont généralement mauvaises pour le couple à bas régime, la qualité du ralenti et la conduite au quotidien.
Il y a quelques choses auxquelles vous devez faire attention lorsque vous changez les rapports de bascule. La première consiste à s'assurer que les ressorts de soupape ont suffisamment d'espace entre les bobines pour que les ressorts ne se lient pas. Une autre consiste à s'assurer que la fente d'un culbuteur monté sur goujon peut s'adapter à l'augmentation de la course sans heurter le goujon. Quelque chose va casser si c'est le cas. Assurez-vous également que la cale de soupape ne touche pas le haut du guide de soupape lorsque la levée est augmentée. Il doit y avoir un certain jeu pour empêcher le contact mécanique - ce qui serait un autre tueur de valvetrain.
Montage sur goujon vs culbuteurs montés sur arbre
Jusqu'au milieu des années 1950, les moteurs à soupapes en tête utilisaient des culbuteurs montés sur arbre. Lorsque Chevrolet a présenté ses V8 à petit bloc à haut régime avec des culbuteurs montés sur des goujons en acier estampé, cela a ouvert les yeux des concepteurs de moteurs sur les possibilités des culbuteurs montés sur des goujons. Ford et d'autres ont rapidement emboîté le pas, et les culbuteurs montés sur goujons sont devenus la configuration "chaude" pour l'époque.
Les culbuteurs montés sur goujons ont commencé à montrer leurs faiblesses lorsque les constructeurs de moteurs ont apporté des modifications pour augmenter la vitesse et la puissance du moteur. Les goujons de culbuteur à ajustement serré avaient tendance à se retirer si le moteur tournait trop ou si les pressions des ressorts étaient trop augmentées. Certains constructeurs de moteurs de performance ont commencé à épingler les goujons pour les maintenir en place, tandis que d'autres les ont remplacés par des goujons à ajustement serré avec des goujons vissés.
Alors que la pression du ressort de soupape continuait d'augmenter, il est devenu évident que les goujons du culbuteur fléchissaient excessivement à des régimes élevés. La solution consistait à installer des goujons plus longs et à serrer une barre (ceinture de goujon) sur le dessus de la culasse pour lier tous les goujons ensemble.
Ceci, à son tour, nécessitait des couvercles de valve plus hauts pour accueillir la ceinture de goujon. Cela a également rendu les réglages des soupapes plus difficiles.
Des culbuteurs à rouleaux de rechange ont également été introduits pour remplacer les culbuteurs en acier estampé fragiles et plutôt usés. Les culbuteurs de performance comportaient un pivot central à roulement à rouleaux et un rouleau à l'extrémité de la soupape du bras pour réduire la friction. Il s'agissait d'une énorme amélioration par rapport aux culbuteurs d'origine et permettaient des régimes plus élevés avec plus de fiabilité et moins de friction.
Alors que les coureurs continuaient à repousser les limites, il est vite devenu évident que certains de ces culbuteurs en aluminium montés sur goujons n'étaient pas assez solides pour supporter les charges de ressort de soupape et les régimes qu'on leur demandait de gérer.
Les culbuteurs montés sur arbre du marché secondaire ont été introduits comme moyen de rigidifier le train de soupapes, et les culbuteurs en acier sont devenus une option de mise à niveau pour les courses sérieuses à gros prix.
Selon certains fabricants, le passage de culbuteurs montés sur goujons à des culbuteurs montés sur arbre (en utilisant le même rapport de levage qu'auparavant) produira généralement 10 à 15 chevaux supplémentaires grâce à une stabilité accrue du train de soupapes.
Les avantages d'une configuration de culbuteur d'arbre sont que l'arbre maintient les culbuteurs dans un meilleur alignement, éliminant ainsi le besoin d'une plaque de guidage séparée pour les poussoirs. Cela réduit la flexion du train de soupapes à des vitesses plus élevées pour un meilleur contrôle des soupapes. La position de l'arbre peut également abaisser légèrement le point de pivot des culbuteurs par rapport aux soupapes et aux poussoirs pour réduire le frottement entre les pointes des bras et le haut des soupapes. L'arbre peut également fournir une pression d'huile directement aux culbuteurs pour améliorer la lubrification et réduire la friction.
Un système de culbuteur monté sur arbre est exagéré pour la plupart des applications de performance de rue, car un tel moteur n'a pas vraiment besoin de ce niveau de rigidité et de résistance. Mais pour la course, un système monté sur arbre peut offrir une rigidité et une fiabilité accrues.
Soutenir les culbuteurs sur un arbre rigide en acier ou en aluminium signifie que les culbuteurs ne peuvent pas dévier de leur emplacement fixe en raison de la flexion du goujon ou du mouvement vertical sur le goujon du culbuteur. La rigidité fournie par l'arbre maintient tous les culbuteurs dans un alignement parfait et leur permet de gérer en toute sécurité des charges et des régimes plus élevés. Les culbuteurs montés sur arbre ne nécessitent pas non plus de fente sur la face inférieure du corps de culbuteur pour dégager un goujon, de sorte que les culbuteurs d'arbre sont intrinsèquement plus solides.
Des culbuteurs montés sur arbre sont disponibles pour de nombreuses culasses performantes du marché secondaire. Dans de nombreux cas, il s'agit d'une simple installation boulonnée qui nécessite peu ou pas de modifications de la tête. Des culbuteurs montés sur socle sont également disponibles pour de nombreux moteurs équipés de culbuteurs montés sur goujons.
Un système de montage sur piédestal peut offrir bon nombre des mêmes avantages qu'un système à bascule monté sur arbre, mais à moindre coût. Beaucoup d'entre eux sont de simples installations boulonnées, mais ne fonctionneront pas au même niveau qu'un véritable système de montage sur arbre dans une application de course complète.
Choisir des culbuteurs
Aujourd'hui, les constructeurs de moteurs ont le choix entre une grande variété de culbuteurs et de systèmes de culbuteurs performants. Il existe des culbuteurs en aluminium «économiques» généralement fabriqués à partir d'aluminium moulé sous pression qui offrent une amélioration des performances par rapport aux culbuteurs en acier estampé d'origine. Mais pour les applications plus exigeantes, une mise à niveau vers des culbuteurs en aluminium extrudé ou forgé CNC ou des culbuteurs en acier est souvent nécessaire.
Les culbuteurs légers sont indispensables car ils réduisent la masse dans le train de soupapes. La réduction du "moment d'inertie" avec des culbuteurs plus légers permet au moteur de tourner plus haut avec les mêmes ressorts.
Les culbuteurs doivent évidemment être solides pour supporter les charges qui leur sont imposées, mais la réduction de la masse du côté soupape du culbuteur a plus d'effet positif sur la réduction de l'inertie que la modification de la masse du côté poussoir du culbuteur . Cela explique également pourquoi les tiges de poussée plus grandes ou plus rigides qui pèsent plus que les tiges de poussée d'origine ont un effet minimal sur l'élan du train de soupapes. Vous voulez des tiges de poussée plus rigides et plus solides pour la fiabilité et la stabilité du train de soupapes, en particulier avec des pressions de ressort de soupape plus élevées dans un moteur à haut régime hautement modifié.
Certains des culbuteurs en acier d'aujourd'hui sont tout aussi légers, sinon légèrement plus légers, qu'un culbuteur en aluminium aux performances comparables. L'acier peut supporter en toute sécurité beaucoup de pression de ressort de soupape, jusqu'à 950 livres ou plus, disent les gens qui fabriquent de tels culbuteurs. L'acier a une meilleure résistance à la fatigue et une meilleure rigidité que l'aluminium, et résistera aux rigueurs de la course pendant une plus longue période de temps - souvent 2x à 4x plus longtemps que les culbuteurs en aluminium comparables.
En comparaison, les culbuteurs en aluminium moulé sous pression économiques typiques ne doivent pas être utilisés avec plus de 350 à 450 livres de pression de ressort ouvert selon la marque de culbuteur. Les culbuteurs en aluminium extrudé peuvent généralement supporter jusqu'à 700 livres de pression de ressort ouvert, certains pouvant supporter jusqu'à 900 livres de ressorts. Suivez toujours ce que le fabricant du culbuteur dit que ses bras peuvent supporter en toute sécurité. Ne poussez pas les bascules au-delà de leur capacité nominale, sauf si vous voulez casser quelque chose.
Une autre chose à laquelle il faut prêter une attention particulière lors du choix des culbuteurs est la conception des rouleaux et des roulements à aiguilles. Plus d'aiguilles dans le roulement central, c'est mieux car cela répartit la charge sur une plus grande surface pour une meilleure durabilité. Les galets aux extrémités de nombreux culbuteurs n'ont pas de roulements à aiguilles, mais certains en ont, ce qui aide à réduire la friction et l'usure de la tige de soupape.
Le type de culbuteurs autorisés peut être limité par les règles de certaines applications de course. Si les règles exigent des culbuteurs "d'origine" ou des culbuteurs en acier estampé, cela ne signifie pas que vous êtes coincé en utilisant les culbuteurs d'origine. De nombreuses entreprises du marché secondaire proposent des culbuteurs en acier estampé d'origine qui sont fabriqués à partir d'alliages plus solides pour une fiabilité améliorée.
Et même si les règles ne sont pas un facteur limitant, les culbuteurs en acier embouti peuvent généralement gérer des régimes moteur jusqu'à 6 500 tr/min et des levées de soupapes jusqu'à 0,600˝ tant que la fente du culbuteur a un jeu de goujon suffisant pour gérer une came à haute levée. Il en va de même pour les culbuteurs en acier moulé sur les moteurs Ford et Chrysler qui utilisent un type de configuration de culbuteur monté sur arbre.
Pour les applications de moteur qui exigent une montée en puissance, le remplacement des culbuteurs en acier estampé ou coulé par des culbuteurs à rouleaux en aluminium produira généralement un gain de 10 à 15 ch avec le même rapport de portance, et encore plus de puissance avec un rapport de portance plus élevé. La puissance supplémentaire provient de la réduction de la friction fournie par les culbuteurs à rouleaux, ce qui aide également à maintenir l'huile plus froide.
Problèmes d'installation
Selon la conception des culbuteurs, le changement de culbuteurs nécessite souvent de changer la longueur des tiges de poussée. Avec les culbuteurs montés sur goujon, l'emplacement du culbuteur sur le goujon détermine la géométrie du train de soupapes.
Lorsque la tige de poussée est de la bonne longueur pour l'application, la pointe du culbuteur sera centrée sur la pointe de la tige de soupape lorsque la came est à 50 % de levée. Si la tige de poussée est trop longue ou trop courte, la pointe du culbuteur sera décalée vers l'extérieur ou l'intérieur de la tige de soupape plutôt que centrée dessus. Cela peut créer des charges latérales sur la tige de soupape qui augmentent la friction, l'usure de la tige et du guide.
Une tige de poussée à longueur réglable peut être utilisée pour déterminer la longueur de tige de poussée optimale pour toute combinaison culbuteur/arbre à cames.
Ajustez la tige de poussée lorsque la came est à 50 % de levage afin que la pointe de la bascule soit parfaitement centrée, puis retirez la bascule et la tige de poussée, et mesurez la longueur de bout en bout de la tige de poussée pour déterminer la longueur optimale de la tige de poussée.
Si le moteur est équipé de poussoirs hydrauliques, le poussoir s'effondrera légèrement lorsque le train de soupapes sera sous charge. L'utilisation d'un ressort de contrôle léger plutôt qu'un ressort de soupape réel permettra une lecture plus précise de la longueur de la tige de poussée.
Une fois la longueur de la tige de poussée déterminée, recherchez les tiges de poussée les plus rigides et les plus solides qui conviendront à l'application et à la plage de régime prévue du moteur. Les tiges de poussée d'origine peuvent convenir aux ressorts de soupape d'origine et à 5 500 tr/min, mais elles se plieront et fléchiront avec des charges de ressort et des tr/min plus élevés.
