Pour commander et coordonner certaines fonctions mécaniques, le moteur à combustion nécessite un dispositif qui fait fonction de relais entre les soupapes et le vilebrequin. Il s'agit de l'arbre à cames ou arbre de distribution.
Dans les véhicules conventionnels, l'arbre à cames se trouve dans la culasse. Cet emplacement s'est imposé techniquement, mais il existe d'autres systèmes. La fonction de l'arbre à cames consiste à contrôler l'ouverture et la fermeture des soupapes d'admission et d'échappement. Avec cet objectif et en fonction du nombre de soupapes, l'arbre à cames dispose de cames excentriques, qui sont décalées les unes par rapport aux autres, suivant un angle précis. Ce décalage des cames permet la commande synchronisée des soupapes.
L'arbre à cames est mis en mouvement par une courroie de distribution crantée, et plus rarement, par un système de pignons. La courroie est montée parallèlement à la culasse et de façon à ce qu'elle puisse coulisser. Afin d'assurer la lubrification, soit le vilebrequin repose dans un carter d'huile, soit le graissage est effectué via un système de canaux. La lubrification est assurée par l'huile du moteur.
Pour commander l'ouverture d'une soupape, la came se déplace et repousse une tige permettant l'ouverture de la soupape. La came poursuit sa rotation et le ressort de soupape repousse la soupape vers sa position initiale, celle-ci se refermant mécaniquement. En raison de la dilatation thermique de tous les composantsen fonctionnement, il est prévu un espace entre la came et la queue de la soupape, appelé jeu de soupape, mais on peut aussi trouver un compensateur hydraulique produisant le même effet. Ainsi, les poussoirs hydrauliques de soupape se sont imposés, et ils compensent le jeu en permanence grâce à une chambre qui se remplit d'huile lorsque le moteur est en marche
Il existe des moteurs à arbre à cames unique ou à double arbre à cames. Ils fonctionnent tous sur le même principe, mais diffèrent par le nombre et la forme des cames excentriques. Pour les moteurs diesel à injecteurs-pompe, l'arbre à cames prend également en charge l'alimentation en pression nécessaire pour l'injection de carburant diesel dans la chambre de combustion. A cet effet, une came supplémentaire par cylindre est prévue sur l'arbre à cames. Cette conception du moteur permet d'éliminer une pompe à injection.
L'arbre à cames est particulièrement sensible à un manque de lubrification dû à un trop faible niveau d'huile. Pour cette raison, des essais ont été entrepris pour remplacer l'arbre à cames par des unités de commande électro-hydrauliques, mais elles entrainent un surcoût non négligeable. L'arbre à cames s'avère la solution la plus robuste et la moins coûteuse.
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