Elles ont fort à faire dans une chaleur terrible, sous pression, exposées aux frottements, parfois mal lubrifiées. Bien sûr, il faut qu’elles s’acquittent de leur tâche le plus longtemps possible et de manière fiable. Tout en étant de plus en plus légères à chaque nouvelle génération de moteurs. Bref, les soupapes accomplissent un sacré travail. Le défi pour les constructeurs est en conséquence. Certains matériaux haute technologie offrent des solutions convaincantes … et des idées constructives.

Le système de commande des soupapes est soumis, selon les pièces, à des influences diverses. La soupape est exposée aux conditions les plus rudes d’un point de vue mécanique, thermique et donc tribologique. En tant que masse en mouvement, elle influe en outre directement sur les contraintes mécaniques de la commande des soupapes et les frottements qui s’y créent.

À la base de la fabrication de soupapes : Les alliages de métaux
Selon le champ d’application des soupapes (utilisation côté admission ou échappement, dans un moteur suralimenté ou à aspiration), celles-ci sont fabriquées dans divers matériaux. L’alliage standard est un alliage chromesilicium (X 45 Cr Si 9-3). Pour les soupapes d’échappement hautement sollicitées, on utilise Nimonic 80A^©, un alliage spécial au nickel mis au point par MAHLE qui impose de nouvelles références en termes de déformabilité, de possibilités de soudage et de résistance thermique.

		Épreuve micrographique de l’alliage spécial Nimonic 80A© mis au point par MAHLE pour les soupapes d’échappement soumises à de fortes sollicitations.
		Siège de soupape MAHLE avec blindage.

Mono, bi ou creuse?
Les différents types de sollicitations nécessitent au niveau des soupapes des propriétés diverses, et donc des modes de construction variés. Les soupapes monométalliques sont fabriquées en un seul matériau ou alliage, généralement l’alliage chrome-silicium évoqué ci-dessus ou l’alliage spécial au nickel. Les soupapes bimétalliques sont fabriquées, comme leur nom l’indique, à partir de deux sortes de métaux différentes. La liaison entre la tige et la tête de la soupape est obtenue par soudage à friction. La tête de soupape est en acier hautement allié à grande résistance thermique, tandis que la tige est fabriquée dans un autre alliage d’acier pouvant être trempé.

Le cordon de soudage par friction relie la tige de soupape et la tête de soupape.

La soupape creuse représente un mode de construction novateur aux propriétés de refroidissement optimales : la cavité de la soupape est en partie remplie de sodium qui se liquéfie à 97,5 °C afin d’améliorer la circulation de la chaleur de la tête de soupape chaude vers la tige.

La soupape creuse : régulation thermique grâce au remplissage au sodium.

Bien protégée grâce au stellite
pour résister aux conditions extrêmes (hautes températures et corrosion chimique), les soupapes très sollicitées sont en outre « blindées » par une couche de stellite. Cette couche à base de cobalt et chrome est tout d’abord soudée, puis travaillée.

		La tête de soupape – préparée pour le blindage du siège… et avec couche de stellite soudée.
		Les différentes étapes de fabrication d’une soupape bimétallique.

L’avenir de la construction de soupapes : Une question de poids
l’avenir de la construction de pièces de moteur obéit à un mot d’ordre : L’allégement. Les soupapes présentent à cet égard des possibilités importantes : Des soupapes plus légères vont permettre de concevoir des éléments d’entraînement (arbres à cames et autres) considérablement plus légers également. Dans le cas des soupapes en acier classique, le souci de réduction du poids est toutefois limité par des impératifs de rigidité des composants. De nouveaux matériaux présentant un rapport rigidité-densité très avantageux sont encore à l’essai. Toujours désireux de donner des impulsions nouvelles au développement des pièces de moteur, mahle étudie parallèlement un mode de construction novateur : Dans la soupape ultra-légère de mahle, différentes pièces de déformation sont reliées à l’extrémité massive de la tige de soupape par soudage de précision en utilisant la technique laser et par friction.

Découvrez une actualité brûlante au coeur du système de production des soupapes

		Le gonflement de forme sphérique est obtenu par compression électrique.
		La tige de soupape et la tête de soupape sont reliées par soudage à friction.
		Pour durcir la soupape, elle est réchauffée par induction, puis refroidie brusquement.
		Identification laser d’une soupape MAHLE.