La transmission
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- La transmission d’une Formule 1
La
Ferrari 640 fut, en 1989, la première F1 à être équipée d'un
dispositif électro-hydraulique permettant, grâce à une boîte séquentielle,
de passer les vitesses sans débrayer, à l'aide de deux manettes au
volant. Ce système est aujourd'hui généralisé. Étudions-la de plus près.
La
transmission est directement fixée derrière le moteur et fait passer les
800CV aux roues arrières et influe
sur la répartition des masses, donc sur la manœuvrabilité de la
voiture. Son positionnement affecte aussi le rendement aérodynamique de
la partie inférieure du châssis : le diffuseur.
Chaque écurie construit sa propre boîte de vitesses, seule ou en
collaboration avec des sociétés telle que X-Trac.
Un
moteur de compétition possède une plage optimale de performance
relativement étroite. Ses régimes de puissance et de couple maximal sont
assez rapprochés tandis que sa courbe de puissance est pointue. Et ce, même
si la tendance est à l'augmentation de la souplesse, de façon à le
rendre plus utilisable. Donc, plus la boîte dispose de rapports, plus le
moteur pourra travailler dans sa plage de puissance maximale. Dans
certains cas, l'utilisation d'une boîte à 7 rapports permettra de
disposer des rapports 6 et 7 de façon très rapprochés. Cela est
particulièrement utile à Monza pour rester calé sur le régime de
puissance maximale aussi bien avec un vent de dos sur la ligne droite des
stands, qu’avec un vent de face sur celle conduisant à la Parabolique.
Les pignons de boîte qui déterminent la longueur des rapports ne peuvent
être utilisés que pour une seule course et sont remplacés plusieurs
fois par week-end pour prévenir les pannes. Ils sont facilement
interchangeables car la direction du vent peut amener à devoir rallonger
ou raccourcir la boîte très rapidement avant une course ou une séance
d'essais. Les mécaniciens mettent environ 40 minutes pour effectuer l'opération.
L'huile utilisée dans la boîte de vitesse offre de très hautes
performances. Elle doit être efficace à 125°C et en théorie, deux pièces
de métal ne se touchent jamais.
Depuis l'embrayage, on trouve l'arbre de transmission en entrée où sont fixés en permanence sept rapports. Ils pilotent les six rapports correspondant sur l'arbre de sortie. Les rapports de l'arbre de sortie ne sont pas fixés sur celui-ci mais sont montés libres sur des paliers. Pour verrouiller un engrenage de sortie sur l'arbre de transmission et ainsi engager le rapport, une roue dentée est glissée par une fourchette et s'engage alors dans des rainures usinées dans l'engrenage lui-même. Ces dents sont appelées 'dogs'. Une fois le rapport engagé, l'arbre de sortie se mettra à tourner et transmettra le mouvement au différentiel. Bien évidemment, le mouvement doit dépasser 90° et donc les engrenages sont chanfreinés. Juste après, un réducteur à engrenages cylindriques sert à autoriser plus de liberté dans le positionnement du différentiel (désalignements) et permet aux rapports de tourner plus près du régime moteur. Ce principe permet les forts coefficients de réduction nécessaires au fonctionnement des moteurs tournants à des régimes supérieurs à 18000 tours/mn et ce sans accroître la taille des engrenages. La lubrification est fournie par des pompes de type Gerotor qui sont emmenées par l'arbre de transmission d'entrée.
Le
moteur est relié directement à l'embrayage en fibre de carbone, fixé
entre le moteur et la boîte de vitesses. L'embrayage est contrôlé électro-hydrauliquement
et peut peser moins de 1,5 kg. Deux manufacturiers, AP Racing et Sachs,
produisent ces transmissions en carbone qui sont capables de tolérer des
températures de plus de 500°C. Le design et le poids optimisés de
l'embrayage permettent d'avoir une inertie moindre afin d'obtenir des
changements de vitesses plus rapides. Les pilotes n'utilisent plus
l'embrayage manuellement par une pédale avant de passer une vitesse : en
pressant simplement un petit levier derrière le volant, l'ordinateur
coupe automatiquement le moteur, desserre l'embrayage et change de vitesse
en un clin d'œil. L’embrayage d’une F1 ne fait que 100 mm de diamètre.
L’embrayage d’une Formule 1 transmet la puissance par frottement. Aujourd'hui, les embrayages sont extrêmement petits. Celui de la Ferrari fait 110 mm de diamètre. L'embrayage Sachs est constitué d'une cage en titane et de multiples disques renforcés à la fibre de carbone (le même matériaux que les freins et les garnitures). Les disques en mouvement ont juste 97 mm de diamètre. La masse de l'ensemble n'excède pas 830 grammes. La dernière génération d'embrayage de Formule 1 est actionnée par traction plutôt que par poussée. Ceci permet un gain de masse en supprimant une pièce intermédiaire (Figure 5). Les images suivantes montres différents types d’embrayage.
Figure 5 |
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Engrenage pour différentiel |
Pompe à huile |
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Type de roulement utilisé en Formule 1 |
Le règlement
veut que les monoplaces aient de 4 à 7 vitesses avant, et une arrière.
La plupart ont 6 vitesses avant, bien que de plus en plus penchent vers
sept. Sept vitesses sont utilisées lorsque le moteur a une étroite plage
d'utilisation et pour avoir plus de vitesses permettant au moteur de
travailler dans les meilleurs régimes. La boîte de vitesses est attachée
derrière le moteur par 4 ou 6 rivets. La suspension arrière est
directement rattachée à la boîte de vitesses afin de porter le plus de
poids vers l'arrière. De ce fait, la boîte de vitesses doit être très
solide, et est faite en magnésium pressé. En 1998, Stewart et Arrows
produisirent des boîtes en fibre de carbone. Cela permettait de réduire
le poids de l'ensemble, mais n'était pas très fiable, notamment à cause
de la chaleur. Ferrari et Minardi expérimentent à partir de 2002 des boîtes
de vitesse en Titane. Les engrenages ou ratios ne sont utilisés que pour
une course, et sont souvent changés durant le week-end pour éviter les
pannes car ils sont soumis à de fortes pressions. Le réglage de ces
ratios est une part importante du set-up de la voiture pour une
course. Il est différent pour chaque circuit. Le dernier ratio (sixième
ou septième vitesse) est réglé de manière à obtenir une vitesse
maximum en fin de ligne droite. En course, ce dernier est réglé de manière
à ce qu'il reste quelques "tours" pour avoir une vitesse de
pointe supérieure dans l'aspiration d'un autre pilote. Le premier ratio
est ajusté de manière à avoir la meilleure accélération possible après
un virage ou un départ. Les autres ratios sont réglés pour être répartis
également entre les deux prédéterminés.
La
boîte de vitesse d’une F1 est séquentielle, c'est-à-dire équipée de pignons à denture droite et de crabots (ou
clabots : dent d’un embrayage pour accoupler deux pièces mécaniques
par saillies et rainures), commandée par un barillet, comme sur une moto
ou un super kart. La prouesse technique réside dans la gestion informatisée
de l'ordre de changement donné par le pilote. Sous l'action de l'une des
palettes fixées derrière le volant, un dispositif électro-pneumatique
(ou électro-hydraulique) fait tourner le barillet pour monter ou
descendre un rapport. La rapidité du changement résulte de la gestion du
régime moteur par le calculateur de bord, alors que le pilote garde l'accélérateur
enfoncé (montée d'un rapport) ou relâché (rétrogradation). Pour être
instantané et sans à-coup, la séparation des crabots ne peut se faire
qu'en l'absence de couple, et leur enclenchement doit s'effectuer à la
bonne vitesse de rotation. On obtient cela en jouant sur le régime du
moteur. A la réception de l'ordre de passage du 2e au 3e rapport par
exemple, le calculateur de bord analyse le régime moteur courant, la
vitesse de la voiture et le rapport enclenché pour déterminer le régime
idéal à atteindre. Alors, il ralentit la rotation du moteur en réduisant
l'injection et en coupant l'allumage sur un certain nombre de cylindres.
Une fois le rapport enclenché, il réactive progressivement l'injection
et l'allumage des cylindres " éteints " pour minimiser les à-coups.
Pour
rétrograder, c'est l'inverse : à la réception de l'ordre, le
calculateur agit sur l'avance, les injecteurs, et ouvre les papillons pour
augmenter le régime moteur à la valeur "ciblée" (coup de gaz) afin de craboter à la bonne vitesse. En situation
extrême, cette gestion de l'électronique embarquée rend en outre
impossible le moindre sur-régime autrefois fatal aux mécaniques.
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Boîte de vitesse utilisée en Formule 1 |
5.6
- Paramétrage de la boîte de vitesses
Que la boîte soit semi-automatique ou manuelle, son
paramétrage se fait toujours dans le même ordre: d'abord le rapport
final, ensuite le premier rapport, et enfin les intermédiaires.
Le rapport final permet à la voiture d'atteindre sa
vitesse maximale. Son choix dépend de la charge aérodynamique adoptée,
donc de la traînée, et de la topographie de la plus grande ligne droite
du circuit. Si elle est très longue, il doit permettre d'accéder
rapidement à la vitesse de pointe, puis de la maintenir avec le moteur au
régime de puissance maximal. Si elle est plus courte, il vise à obtenir
une accélération maximale pour atteindre la plus grande vitesse possible
de bout en bout, sans dépasser le régime maximal. Il est bien évident
que le rapport final permettant d'atteindre 280 km/h, à 100 mètres avant
d’atteindre la chicane du port à Monaco sera différent de celui qui
permet, à Barcelone, d'être au-delà des 300 km/h au bout de la plus
longue ligne droite du championnat. En F1, les équipes disposent de
logiciels leur permettant de définir à l'usine les rapports de boîte
pour une piste donnée. Ces outils tiennent compte de la topographie du
circuit qu'ils couplent avec les appuis prédéterminés et les
performances du moteur. Le but est de faire travailler ce dernier dans sa
plage la plus favorable.
Hormis quelques exceptions, le premier rapport sert
exclusivement au démarrage. Pour cela, il doit être choisi en fonction
de l'éventuelle pente de la piste dans la zone du départ et de la
quantité de carburant embarqué en fonction de la stratégie de course.
Avec une première trop courte, le pilote risque de faire patiner ses
roues motrices, tandis qu'il pourra, si elle est trop longue, caler à la
moindre hésitation dans sa manœuvre d'embrayage. En dehors du départ,
rares sont les occasions de " tomber " tous les rapports. L'épingle
du Loews ou la Rascasse, à Monaco, peuvent en faire partie. Passer la
première donne un frein moteur qui contribue à la stabilité. En
revanche, au point de corde, lorsque le pilote remettra les gaz, il aura
plus de mal à contrôler le patinage de ses roues arrière. C'est la
raison pour laquelle certains doivent composer : entrée en première,
passage de la deuxième pour la réaccélération. De cette façon, bien
qu'un peu bas sur la vitesse, ils gagnent nettement en motricité, et
prennent moins de risques.
Les autres rapports sont alors étagés
pour que le moteur puisse toujours évoluer entre le régime du couple
maximal et celui auquel intervient le limiteur de vitesse(pour l’entrée
aux puits). Toutefois, pour garder une capacité d'accélération
confortable en toute circonstance, l'étagement des plus hauts rapports
est resserré. L'inconvénient d'avoir les premières vitesses un peu plus
espacées est compensé par leur plus grande démultiplication, donc par
leur capacité à monter rapidement en régime. A ce stade intervient la
topographie du circuit. A l'époque des leviers de vitesses, le pilote évitait
de s'en servir en virage pour garder les mains sur le volant et parce que
le moindre à-coup dans la transmission aurait déstabilisé le train arrière.
Avec la douceur relative des boîtes semi-automatiques, le problème est
moins crucial. Cependant, beaucoup de pilotes s'abstiennent de manipuler
les palettes de commande en plein appui, surtout avec un volant fortement
braqué. Ils préfèrent exploiter la souplesse du moteur, ce qui leur
permet de descendre en dessous du couple maximal, et de mieux transférer
la puissance vers le sol lorsqu'ils réaccélèrent avant la sortie du
virage.
5.7
- Le carter de boîte de vitesses
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Boîte de vitesse comprenant le carter |
L'aluminium est de loin un meilleur matériau que le magnésium de part sa rigidité, particulièrement pour les carters longitudinaux très étroits utilisés aujourd'hui en Formule 1. Hélas, la maîtrise de la fonderie de l'aluminium ne permettait pas jusqu'à présent de réaliser des séparations très fines dans le carter, ce qui est indispensable pour la réalisation d'un carter efficace.
Ceci a changé en 1993 lorsque Sauber et Tyrrell exploitèrent de nouveaux procédés de fonderie pour fabriquer de fines parois en aluminium. En terme de performance à haute température, les matériaux composites et en titane sont bien plus attractifs pour cette application. Avec l'avènement des composites carbone-epoxy à haute température, les pièces en composite peuvent opérer à très haute température sans s'altérer et les faibles coefficients de dilatation sont appréciables.
Le Titane quant à lui, est très stable à haute température mais il est difficile à manier en fonderie et très difficile à souder. Ferrari a commencé à innover avec ces deux matériaux. En utilisant des feuilles de titane soudées par TIG et des éléments usinés, John Barnard avait réussi à créer des carter très rigides et légers. Il utilisait également dans la partie arrière des pièces moulées en fibres de carbone (CFRP). Mais des problèmes apparurent au niveau de la jonction des deux ensembles en titane et en CFRP. Cette jointure se trouvait dans un plan vertical et causait une réduction de la rigidité en torsion de la boîte de vitesses. Des modifications avaient été apportées pour faire cette jonction dans un plan incliné et alors la boîte de vitesses hybride CFRP/Titane fût un succès et permit à Ferrari de reconquérir les titres de champion du monde des pilotes et des constructeurs.
Une autre technologie
utilisée actuellement en Formule 1 est la boîte entièrement en Titane
coulée (seuls Ferrari et Minardi l'utilisent). Ce type de boîte
n'existerait pas sans la technologie stereo-lithographique qui permet de
faire des pièces prototypes de formes très complexes avec une rapidité
déconcertante. La boîte de vitesses utilisée par Arrows en 2002 est
entièrement en fibre de carbone pour ce qui concerne le carter, mais les
éléments sont en titane.
Le règlement en F1 stipule que la transmission de la puissance du moteur doit se faire sur deux roues motrices au minimum, mais quatre sont interdites. Les dispositifs semi-automatiques sont autorisés mais l'ABS et les systèmes de contrôle de la traction (anti-patinage) sont interdits (cette dernière sera à nouveau permise au Grand Prix de Barcelone 2001).
Les voitures de course, sont équipées d'un différentiel autobloquant à
glissement limité. Comme le différentiel classique, celui-ci communique
le couple aux roues motrices en considérant le fait que dans un virage,
elles ne tournent pas à la même vitesse. Contrairement au dispositif
monté sur une voiture de tourisme, qui a le défaut de faire passer la
puissance par la roue la moins adhérente, l'autobloquant rétablit la
motricité en limitant la différence de rotation entre les deux roues par
le biais d'un dispositif à disques à friction ou à visco-coupleur.
Le
différentiel à glissement limité permet également de maximiser la
traction en sortie de virage. Un différentiel ouvert délivre théoriquement
un couple égal à toutes les roues, alors qu'un différentiel à
glissement limité utilise la friction pour répartir le couple entre les
roues : plus il y a de friction détectée sur les engrenages d'une roue,
plus le couple est répartit sur elle. Des dispositifs électro-hydrauliques
sont utilisés en F1 pour répartir l'action du couple sur les roues arrières.
Différentiel d'une Formule 1 |
Type de différentiel en compétition automobile |
Un
rapport de vitesse est le quotient du nombre de dents de 2 pignons de la
boîte de vitesse. Le rapport de sixième est généralement proche de 1
(qui peut être 62/64, 71/72, ou 46/48 par exemple). Le rapport de première
est le plus petit ou le plus court. Le rapport de sixième est le plus
long. On allonge un rapport en augmentant sa valeur, on le raccourcit en
la diminuant. Le calcul se fait comme suit:
Nombre
de dents du pignon de l'arbre primaire
Nombre
de dents du pignon de l'arbre secondaire
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