Mécanismes came-suiveur : Définition, types et applications

Le mécanisme came-suiveur (cam-follower) est un couple cinématique de classe supérieure (contact ponctuel ou linéaire) transformant un mouvement de rotation continu en mouvement alternatif ou oscillant précis. Il est au cœur de nombreuses machines automatiques, moteurs à combustion interne, machines-outils et équipements d'automatisme.

Définitions

• Came : élément moteur (généralement en rotation) au profil géométrique spécifique, qui impose son mouvement au suiveur par contact direct.
• Suiveur (follower) : élément mené, en translation (alternatif) ou rotation (oscillant), guidé par un bâti.
• Bâti : référence fixe supportant la came et guidant le suiveur.

Fonctions principales

• Transformation mouvement continu (rotation) ↔ mouvement discontinu (translation/oscillation) selon une loi de mouvement programmée (levée, repos, retour).
• Distribution des efforts homogène sur un cycle.
• Absorption des chocs grâce à l'épaisseur de la came/galet (supérieure aux roulements standards).
• Polyvalence : lois de mouvement complexes (sinusoïdale, cycloïdale, polynomiale, trapézoïdale) réalisables par usinage du profil.

Applications industrielles

• Moteurs thermiques : arbre à cames → commande soupapes admission/échappement (levée, durée, diagramme de distribution).
• Machines automatiques : presses, machines d'emballage, machines textiles, machines à imprimer (commande de mouvements séquencés).
• Systèmes hydrauliques : pompes à pistons axiaux (came à gorge), distributeurs.
• Tournage automatique, rectifieuses, machines à tailler les engrenages.
• Horlogerie : cames de sonnerie, complications.
• Convoyeurs à bande : cames de déclenchement, arrêts indexés.
• Automobile : pompes d'injection, correcteurs de phase, systèmes de levée variable des soupapes (VVT).

Terminologie géométrique de la came

• Profil de came : surface de contact came-suiveur.
• Cercle de base : plus petit cercle centré sur l'axe de rotation, tangent au profil.
• Point de trace (trace point) : point de référence sur le suiveur (ex: centre du galet, sommet couteau) servant à générer le profil.
• Courbe de pas (pitch curve) : lieu du point de trace relatif à la came fixe.
• Angle de pression : angle entre la normale à la courbe de pas et la direction du mouvement du suiveur. Détermine l'effort radial/axial et le risque de grippage.
• Point de pas (pitch point) : point où l'angle de pression est maximal.
• Cercle de pas / cercle premier : cercles de référence pour le tracé.

Types de cames

Type	Géométrie	Mouvement suiveur	Applications typiques
Came disque / plateau (plate cam)	Profil sur face plane, rotation ⊥ plan	Alternatif radial	Soupapes moteurs, machines automatiques
Came cylindrique (cylindrical cam)	Gorge hélicoïdale sur cylindre	Alternatif parallèle à l'axe / oscillant	Machines d'emballage, commande séquentielle
Came plane translatrice (translating cam)	Plaque rainurée en translation	Oscillant	Machines spéciales, outillage
Came coin (wedge cam)	Profil plan incliné	Alternatif (forte force, course courte)	Presse, serrage, commande de frein
Came spirale (spiral cam)	Gorge spiralée demi-circulaire	Alternatif (retour par gravité/ressort)	Mécanismes de retour, distributeurs
Came en cœur (heart-shaped cam)	Profil asymétrique type cardioïde	Oscillant (retour forcé par galet)	Retour à position zéro, indexage

Types de suiveurs

Type	Contact	Avantages	Limites	Vitesse max
Suiveur à couteau (knife-edge)	Pointe effilée	Simple, précis, pas de jeu	Usure rapide, contrainte de contact énorme, vitesse lente seulement	Faible
Suiveur à galet (roller follower)	Galet roulement (rouleau/aiguilles)	Frottement roulant, faible usure, haute vitesse, charge élevée	Encombrement, coût, jeu radial possible	Élevée
Suiveur à face plate (flat-faced)	Plan, glissement	Compact, résiste à la poussée latérale, précision	Usure par glissement, lubrification critique	Moyenne
Suiveur sphérique (spherical follower)	Surface sphérique	Compense léger désalignement, dérivé face plate	Contact ponctuel → contrainte élevée	Moyenne
Suiveur radial (radial follower)	Mouvement passant par centre came	Guidage simple	Identique sphérique	Moyenne
Suiveur décentré (offset follower)	Axe de translation décalé	Réduit l'angle de pression, évite interférence	Moment de flexion sur tige	Moyenne

Principes de conception clés

• Loi de mouvement (diagramme levée-temps) : choix du polynôme (3-4-5, cycloïdale, trapézoïdale modifiée) pour limiter jerk (dérivée 3ème de la position) → vibrations, chocs, usure.
• Angle de pression max < 30° (translation) / < 35° (oscillant) : au-delà, risque de grippage, efforts radiaux excessifs.
• Rayon de courbure minimal du profil > rayon du galet : évite le sous-courbage (undercutting) et l'interférence.
• Lubrification / matériaux : acier trempé/cémenté came + galet roulement ; ou came acier + suiveur bronze/ polymère pour vitesses modérées.
• Ressort de rappel (pour cames à gravité/ressort) : dimensionné pour maintenir le contact à toutes les vitesses (éviter le décollage / « valve float »).

Conclusion

Le couple came-suiveur est une solution mécanique élégante pour générer des mouvements complexes, précis et répétitifs. Sa conception rigoureuse (loi de mouvement, géométrie de contact, matériaux, lubrification) conditionne la durée de vie, le silence de fonctionnement et la dynamique de la machine. Les logiciels CAO/FAO modernes intègrent des modules dédiés au tracé et à la simulation cinématique/dynamique des cames.