Les compromis derrière la qualité de roulement optimale des F1

La qualité de roulement en tant que concept est souvent mal comprise. Pat Symonds clarifie sa signification exacte et explique son importance pour les voitures de course, en particulier dans le contexte de la Formule 1.

Les compromis derrière la qualité de roulement optimale des F1
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Le terme "qualité de roulement" est plus généralement associé aux berlines de luxe qu'aux Formule 1 mais, à sa manière, il est tout aussi important pour toute forme de voiture de compétition. Pour comprendre pourquoi, il faut d'abord se demander ce que l'on entend par qualité de roulement.

Tout véhicule roulant sur des bosses subit une force verticale en les franchissant. Une partie de cette force déviera vers le flanc du pneu et une autre sera transmise par la roue à la suspension, où une nouvelle déviation aura lieu. Enfin, une certaine force va agir sur le châssis et le pilote.

La façon dont la force est transmise et absorbée par les pneus et la suspension dépend de leur rigidité, et l'effet final sur le châssis et le pilote dépend à la fois de cette rigidité et de la masse du véhicule. Si vous conduisez derrière une voiture tractant une remorque légère à deux roues sans charge, vous verrez qu'elle fait des bonds sur les bosses. Lorsqu'elle est chargée, le mouvement vertical est en revanche beaucoup plus contrôlé.

Mais pourquoi avons-nous besoin d'un bon roulement ? On pense souvent qu'une voiture à suspension rigide et à amortisseur puissant est très réactive et donc plus adaptée à une conduite sportive. C'est vrai à certains égards, mais cela a un prix.

Si nous repensons à la remorque : si le rebondissement est suffisamment important, les roues peuvent quitter le sol. Lorsqu'elles sont en l'air, elles n'adhèrent évidemment pas à la route et, si cela se produit dans un virage, la remorque ne peut momentanément pas négocier le virage.

En fait, c'est la charge variable à laquelle la remorque doit faire face qui explique en partie pourquoi il est difficile d'obtenir une bonne qualité de roulement dans une voiture de course. La rigidité de l'amortisseur de la remorque doit être conçue pour supporter la charge de la remorque complète. Une F1 devra faire face à une certaine variation de masse entre un réservoir plein et un réservoir vide, mais cela ne représente qu'environ 15% du poids. Cela équivaut à peu près à la différence, pour une petite voiture routière, entre la présence du seul conducteur dans la voiture et celle de trois passagers supplémentaires.

La génération actuelle de F1 à effet de sol est réglée pour rouler très près de la piste

La génération actuelle de F1 à effet de sol est réglée pour rouler très près de la piste

Les énormes forces aérodynamiques que la voiture peut générer et qui doivent être transmises à la route par la suspension sont beaucoup plus importantes. Si les amortisseurs de la F1 étaient suffisamment souples pour offrir un pilotage doux, ces charges énormes écraseraient la voiture au sol à grande vitesse.

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Une autre complication est qu'avec une F1, il faut fournir une plateforme aérodynamique stable. Cela signifie que la voiture produira le meilleur appui possible lorsqu'elle se trouvera à une certaine hauteur du sol, appelée hauteur de caisse.

Idéalement, nous aimerions que la voiture se trouve à cette hauteur quelles que soient les charges qui lui sont imposées, et c'était l'un des objectifs de la suspension active. Cependant, pour y parvenir avec un système passif, il faut une suspension rigide qui, tout comme la remorque qui rebondit, réduit l'adhérence des pneus, en particulier dans les virages lents où la charge aérodynamique est moindre.

Si l'aérodynamisme de la voiture est tel qu'elle n'est pas particulièrement sensible à la hauteur de caisse, elle peut être équipée de ressorts relativement souples. Si l'aérodynamisme de la voiture exige qu'elle soit maintenue près du sol, alors elle aura besoin de ressorts rigides

Alors comment parvenir à un compromis raisonnable ? La réponse réside dans la simulation et les essais sur des bancs de roulement sophistiqués.

Il n'est pas difficile de simuler sur ordinateur la qualité de roulement d'une voiture. Un modèle mathématique est programmé et des mouvements verticaux virtuels sont imposés au pneu. Le modèle calcule alors la variation de la force verticale du pneu et la déflexion du châssis. Ces actions peuvent être effectuées pour différentes fréquences et les résultats sont examinés. La réponse de la roue et du châssis est ensuite tracée en fonction de la fréquence dans ce que l'on appelle un diagramme de Bode.

Tout système de ce type aura des fréquences naturelles. Pour chaque partie qui peut bouger indépendamment d'une autre, il existe une fréquence naturelle. Ainsi, dans notre voiture entière, nous avons des fréquences associées au rebond pur, au tangage et au roulis, ainsi qu'une fréquence de rebondissement de la roue elle-même, connue sous le nom de saut de roue. Il existe de nombreuses autres fréquences naturelles, mais elles ne sont pas aussi pertinentes pour le pilotage.

Les deux fréquences les plus importantes sur une F1 sont les fréquences de rebond et de tangage. Elles déterminent le contrôle des forces verticales des pneus et la stabilité de la carrosserie dans le sens où elle fournit une plate-forme aérodynamique stable.

Les suspensions actives étaient utilisées en F1 pour une hauteur de caisse optimale tout au long du tour, mais ont été interdites en 1994

Les suspensions actives étaient utilisées en F1 pour une hauteur de caisse optimale tout au long du tour, mais ont été interdites en 1994

Malheureusement, avec un système de suspension passif, et en particulier avec un système qui doit supporter une charge variable, il est difficile de dompter ces fréquences. Donc, comme pour tout design d'ingénierie, des compromis doivent être faits.

Les essais permettront d'obtenir ce que l'on appelle des fonctions de transfert. Il s'agit de mesures de la variation de la charge de la roue ou de la position du véhicule. La plupart des équipes auront développé un indice de qualité de roulement pour équilibrer ces fonctions de transfert afin d'obtenir le meilleur compromis entre ces exigences contradictoires, ce qui leur permettra de régler leurs ressorts et leurs amortisseurs pour obtenir les meilleures performances.

Cet indice de qualité de roulement n'est cependant pas un chiffre magique. Des caractéristiques aérodynamiques différentes et même la rugosité de la piste affecteront le comportement. Si l'aérodynamisme de la voiture est tel qu'elle n'est pas particulièrement sensible à la hauteur de caisse, elle peut être équipée de ressorts relativement souples. Si l'aérodynamisme de la voiture exige qu'elle soit maintenue près du sol, alors elle aura besoin de ressorts rigides.

Alors que toutes les F1 depuis l'avènement de l'aérodynamique sous le châssis tendent vers cette dernière option, les règlements actuels, qui reposent en grande partie sur l'effet de sol, ont imposé des réglages de suspension extrêmement rigides. Par conséquent, le roulement est dur et la variation de la charge verticale au niveau de l'aire de contact du pneu est plus extrême que ce que les ingénieurs en dynamique du véhicule, et les pilotes, souhaiteraient.

Cela se traduit par une faible adhérence dans les virages à basse vitesse et les bosses, et par un environnement difficile pour le pilote. Comme pour beaucoup d'autres décisions d'ingénierie, il s'agit de faire des compromis et de redéfinir l'indice de qualité de roulement pour minimiser le paramètre le plus important en sport automobile : le temps au tour.

En cherchant à optimiser le temps au tour face au marsouinage, les équipes ont compromis le confort des pilotes

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