Notions

1. Introduction et conception d'une F1
2. L'influence des pneus et les forces qu'ils subissent
3. Poids et centre de gravité
4. Le sous-virage
5. Le survirage
6. Comportement neutre de la voiture
7. Comportement stable/instable de la voiture
8. Roulis et tangage
9. Le rebond
10. Le lacet
11. Le contre-braquage
12. La dérive
13. La dynamique du véhicule
14. La portance
15. Le pincement
16. L'angle de chasse
17. L'inclinaison du pivot
18. Freinage/entrée de virage

18.1 Freinage en ligne droite lente

18.2 Freinage et entrée dans un virage lent

18.3 Freiner en ligne droite rapide

18.4 Freinage et entrée dans un virage rapide

19. Virages

19.1 Virage lent

19.2 Virage rapide

20. Sortie de virage/accélération en ligne droite

20.1 Accélération en sortie de virage lent

20.2 Accélération en ligne droite à petite vitesse

20.3 Accélération en ligne droite à grande vitesse

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1 - Introduction et conception d'une F1

Dans de cette section du site nous tenterons de vulgariser et d’expliquer le plus possible comment est conçue et comment fonctionne ce véhicule étonnant que l’on nomme Formule 1 à l’aide de quelques notions qui aideront à comprendre le comportement sur piste de ce véhicule, en rapport avec tous les éléments techniques qui la composent.

D’abord définissons ce qu’est une Formule 1 : Une formule 1 est un véhicule terrestre de type automobile qui essayera d’aller le plus vite possible à l’intérieur d’un règlement. Ce règlement en question est régit par un organisme nommé FIA. Ses composantes sont les mêmes qu’une voiture conventionnelle (moteur, roue, frein, boîte de vitesse, etc.) mais ce sont les caractéristiques de ces éléments qui font la différence. Les écuries les plus riches dépensent jusqu’à $2 milliards par année pour développer ce véhicule.

Pour plusieurs, la Formule 1 est considéré comme la NASA de l’industrie automobile car les grandes découvertes que l’on retrouve sur nos voitures de tous les jours sont la plupart du temps découvertes sur des Formules 1 comme bien des choses qui nous entourent aujourd’hui sont le fruit des découvertes de la NASA.

Une Formule 1 est un véhicule très sensible à chaque petite variation dans l’ajustement ou la modification d’une pièce ou d’un ensemble de pièces; que ce soit un petit ajustement au moteur, aux ailerons, à la suspension ou tout autre. Étant donné qu’elle atteint plus de 350 km/h en ligne droite, les virages sont pris à grande vitesse et les pilotes subissent donc des forces de plus de 4G (4 fois leur poids). La Formule 1 subit donc des conditions extrêmes en tout temps et l’analyse de son comportement est très complexe.

Bien des gens voient une Formule 1 comme une oeuvre d’art car cette voiture est entièrement fabriquée à la main et est le fruit de recherches intensives.

Mais pour mieux comprendre ce que veux dire toutes ces phrases, analysons ensembles chaque élément technique de ce véhicule, mais tout d'abord, voyons comment on conçoit une F1.

La fabrication d'une Formule 1 est le résultat d'un travail acharné couvrant une période d'à peu près 15 mois. Ce lapse de temps explique pourquoi on ne peut apporter que des changements mineurs sur une voiture en pleine saison, à moins que des changements plus majeurs ont été prévus à l'avance. Voici en gros, la démarche prise par une écurie (elle peut différer d'une écurie à l'autre) pour concevoir une Formule 1 :

1. Les premiers dessins de la voiture sont présentés devant un conseil pour en déterminer le concept . On lance les études sur la boîte de vitesse.

2. Début des études en soufflerie.

3. Première définition des caractéristiques techniques de la voiture.

4. Début du travail de conception du moteur avec essais sur banc monocylindre. Rencontre avec les techniciens du châssis.

5. Début du travail d'intégration moteur/châssis. Lancement de la fabrication du moteur prototype.

6. Intégration moteur/châssis terminée.

7. Fabrication des culasses et des blocs du moteur définitif.

8. Définition de la dimension du châssis.

9. Fabrication des boîtes à air d'essai.

10. Présentation de la première maquette 3D.

11. Définition du circuit des conduites d'essence.

12. Lancement de la production de la boîte de vitesse.

13. Lancement de la fabrication du châssis. Les équipes techniques se relaient jour et nuit.

14. Réception des pièces du moteur prototype, essais au banc et choix des boîtes à air.

15. Essais avec entraînement électrique du premier moteur réel. Ces essais sont peu exigeants, ils servent uniquement à valider certaines solutions.

16. Démarrage du moteur pour le premier essai sur banc thermique. Contrôle de température des fluides et de diverses pièces. Prise des premières courbes de puissance.

17. Début du développement du moteur.

18. Première épreuve d'endurance du moteur au banc d'essai.

19. Présentation de la maquette du moteur grandeur nature. La monocoque est fabriquée selon l'adjonction de 6 moules (2 pour la partie inférieure et 4 pour la partie supérieure) qui seront par la suite collés pour former un tout. 2 monocoques seront produites à la fois.

20. Présentation de la première boîte de vitesse.

21. Premier test de simulation de la boîte de vitesse.

22. Réception des pièces moteur définitives. Fin des essais performances et définition de la calibration spécifique pour le premier Grand Prix.

23. Présentation de la maquette de la coque en version définitive grandeur nature. Chaque pièce en carbone, bois, métal ou résine est fidèle à l'originale. Cette étape est fondamentale pour régler tous les problèmes d'assemblage, d'ancrage du moteur, des circuits d'essence, d'eau, d'huile, etc.

24. Derniers essais de la carrosserie en soufflerie.

25. On installe les pilotes dans la maquette de la coque.

26. Montage du premier moteur définitif pour essais avec la boîte de vitesses accouplée sur banc dynamique.

27. Le premier châssis est prêt à l'assemblage.

28. Tests en pleine puissance de la boîte de vitesse sur le banc d'essai.

29. Essais d'écrasement de la coque imposée par la FIA, qu'elles soient homologuées ou non.

30. Montage du premier moteur destiné aux essais en piste.

31. Fin des essais d'endurance pour la définition de la calibration pour le premier Grand Prix.

32. Passage au banc du premier moteur pour essais en piste.

33. Mise au point de la cartographie du moteur pour les essais en piste.

34. Début du montage de la première monoplace.

35. Livraison du premier moteur pour essais privés.

36. On applique la peinture sur la carrosserie (plus de 5 kg de peinture sont nécessaire).

37. Homologation du moteur.

38. Le montage de la première monoplace est terminé.

39. Début du montage de la deuxième monoplace.

40. Montage final du moteur.

41. Premiers essais sur piste.

42. Production de la carrosserie de course.

43. Passage au banc d'essai du moteur pour test final.

44. Livraison de tous les moteurs requis.

45. Derniers essais privés sur piste.

46. Embarquement des monoplaces pour le premier Grand Prix de l'année.

2 - L’influence des pneus et les forces qu’ils subissent

Étant donné que le pneu est la seule partie de la voiture qui est en contact avec le sol, son influence est très importante. Plus le pneu est efficace, plus la voiture l’est. Il y’a beaucoup de recherches chez les manufacturiers de pneus afin de trouver le type de gomme qui sera le plus performant selon la configuration d’un circuit donné et selon la température de la piste.

Un pneu subit deux types de force :

• Une latérale, qui agit sur le pneu en l'attirant vers la droite ou la gauche selon le virage, appelée adhérence.

• Une longitudinale, appelée force de traction, qui agit à l'accélération et au freinage.

C'est de ces deux forces que naissent les problèmes de patinage au démarrage, de blocage des roues au freinage, et de sous virage ou de survirage dans les courbes.

Afin de tester les performances des pneumatiques, les manufacturiers chiffrent leur résistance aux forces d'adhérence et de traction.  Pour mesurer cette résistance, ils font varier la direction de la force exercée sur le pneu puis mesurent sa réaction. Les ingénieurs ont ici (voir Figure 8) fait varier la direction de la force d'un angle formé par les deux flèches. On mesure ainsi sa résistance à un certain angle, appelée dérive, sa résistance latérale. Les tests sont réalisés selon plusieurs paramètres (braquage des ailerons, masse de la voiture, etc.).

Lorsque le pilote aborde un virage, il tourne les deux roues avant. Les deux pneus frontaux subissent alors un changement de direction. Cet angle de braquage, qui change l'orientation de la force qui s'exerce sur le pneu, est la dérive, et est illustrée par les flèches bleues sur le schéma. De cette dérive naît une force d'adhérence Fy (en vert). Cette force d'adhérence agit comme un levier sur le centre de gravité G, ce qui a pour effet de faire tourner la monoplace à gauche. Plus la dérive est importante, plus la voiture tourne mais moins la vitesse pourra être grande, car il y aurait alors une rupture de la force d'adhérence Fy (voir figure 9).

Le même phénomène se produit sur le train arrière de la monoplace. À la dérive, en bleu, provoquée par le braquage des roues avant, correspond une autre force d'adhérence Fy (en rouge), toujours vers la gauche. Celle-ci agit toujours sur le centre de gravité, mais s'exerçant à l'arrière de ce point, l'effet de levier qu'elle génère est inverse et tente de faire pivoter la voiture vers la droite. C'est de cette lutte permanente entre train avant et train arrière que naît le comportement de la monoplace. 

Une autre force s'applique également au centre de gravité: c'est la force d'inertie qui a tendance à pousser la voiture à l'extérieur du virage, soit vers la droite dans cet exemple (voir figure 10). Elle s'exprime sous la forme suivante:

Masse de la F1 x (Vitesse de la F1)²

Rayon de braquage

3 - Poids et centre de gravité

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