Formule 1 : A la recherche du set-up parfait

Contrairement à ce que l'on pourrait croire, un week-end de course ne commence pas au moment des qualifications pour le Grand-Prix. Ingénieurs comme pilotes sont constamment à la recherche du maximum de performance et ce travail débute dès que l'auto pose ses pneus sur la piste. Les temps réalisés lors des séances d'essais libres et d'avant-saison sont donc à prendre avec des pincettes, puisque chaque équipe teste une multitude de réglages afin d'arriver au set-up le plus adapté.
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Chaque pilote a un style de pilotage distinct et doit donc trouver le set de réglages qui lui convient.
© Red Bull / Chaque pilote a un style de pilotage distinct et doit donc trouver le set de réglages qui lui convient.

L'avance à l'allumage, générateur de puissance



Bien entendu, le premier élément mécanique sur lequel chaque team peut influer est le groupe motopropulseur. Composé d'un moteur thermique assisté d'un moteur électrique, il est paramétrable à foison. Bien que les développements de ce composant soient extrêmement réglementés et donc limités, les ingénieurs moteur peuvent ajuster différents paramètres afin de tirer un maximum de puissance du V6 turbo-hybride.

Si l'on ne devait en retenir qu'un, ce serait l'avance à l'allumage. Elle s'exprime en degrés et définit l'anticipation avec laquelle l'étincelle de la bougie va apparaître par rapport au "Point Mort Haut", moment où le piston atteint le plus haut point de sa course dans la chambre de combustion.

Pour résumer, plus l'avance de phase est élevée, plus la puissance retirée du moteur l'est également. Malgré tout, les ingénieurs doivent être extrêmement prudents avec ce réglage puisque choisir une valeur trop agressive peut provoquer l'apparition de cliquetis, une auto-inflammation désordonnée du mélange air-essence qui détruit littéralement le cylindre et donc le moteur.

La valeur limite acceptable d'avance de phase variera d'un circuit à l'autre, notamment en fonction de la température de l'air extérieur.
Autre précision : l'étagement de la boîte de vitesse, chargée de transmettre la puissance aux roues arrières, n'est modifiable qu'au prix d'un joker en cours de saison. Il ne s'agit donc pas d'une caractéristique ajustable d'un circuit à l'autre.

Etudier la vitesse des 4 roues permet d'avoir une idée précise du comportement de la voiture
© FIA / Etudier la vitesse des 4 roues permet d'avoir une idée précise du comportement de la voiture.


La vitesse des roues, un indicateur fiable



Une voiture de course est bardée de capteurs récoltant un nombre incommensurable de données : débatement des suspensions, angle du volant, température des freins, pression des pneus, etc...

Afin de trouver des pistes d'amélioration des réglages de l'auto, la donnée la plus pertinente à étudier est la vitesse de chacune des quatre roues du véhicule. En effet, ces 4 canaux permettent notamment d'identifier les phases de blocage et de patinage. C'est un bon indicateur du comportement de la voiture.
A titre d'exemple, ces données permettent d'évaluer si l'on est dans la bonne fenêtre concernant :

  • Le comportement du différentiel : le différentiel doit être pratiquement bloqué en phase de freinage puis s'ouvrir graduellement dans le virage avant de se bloquer de nouveau en sortie.

  • Le comportement des freins : on peut accepter un petit blocage des roues avant à la fin du freinage. Par contre, un blocage des roues arrière au début du freinage est problématique et engendre un manque de confiance du pilote.



Avec des réglages inadaptés, le comportement survireur d'une formule 1 peut se trouver exacerbé.
© FIA / Avec des réglages inadaptés, le comportement survireur d'une formule 1 peut se trouver exacerbé.


Le secret : avoir une auto équilibrée



De manière générale, on cherchera à avoir une auto équilibrée sans aller chercher des réglages extrêmes, afin que la voiture soit performante sur des pistes variées et dans des conditions diverses. Dans les grandes lignes, une monoplace peut être qualifiée de "sous-vireuse" dans le cas où la voiture a tendance à continuer tout droit, même si l'on tourne les roues avant.

Dans le cas contraire, l'auto est dite "survireuse". Cela signifie que les roues arrières ont tendance à patiner en virage et à provoquer des têtes-à-queue. Chaque pilote a ses préférences mais globalement, une auto sous-vireuse sera plus lente tout en limitant le risque d'erreur de la part du pilote.

Il est intéressant de noter que les voitures de course ont une répartition des masses généralement comprise entre 44% et 48%. Cela signifie qu'entre 44% et 48% de la masse totale de l'auto est supportée par l'essieu avant. Cette valeur peut être quelque peu ajustée lors des week-ends de course en jouant sur le positionnement du lest dans le chassis.

Sur piste humide, la balance aérodynamique est déplacée vers l'arrière pour éviter le survirage.
© FIA / Sur piste humide, la balance aérodynamique est déplacée vers l'arrière afin d'éviter le survirage.


La balance aérodynamique, le nerf de la guerre



A partir d'un concept aérodynamique global défini par les équipes en amont de la saison et guidant le dessin de la monoplace, les ingénieurs du bureau d'études apportent des évolutions Grand-Prix après Grand-Prix afin d'optimiser au mieux la voiture aux spécificités de chaque tracé. En plus de cela, les ingénieurs d'exploitation piste disposent d'une palette de réglages au niveau des braquages des ailerons avant et arrière. Ceux-ci sont ajustés en concertation avec pilote.

Sur une Formule 1, la majorité de l'appui aérodynamique produit provient de 3 zones : l'aileron avant, l'aileron arrière et le diffuseur. Si le diffuseur génère de l'appui "gratuitement", entendez par là qu'il ne se fait pas au prix d'une augmentation de la traînée aérodynamique, une augmentation du braquage des deux ailerons provoque non seulement une augmentation de l'appui mais aussi de la traînée, ce qui pénalise en particulier la vitesse de pointe en ligne droite (pensez au "DRS").

La courbe "L/D" (appui/traînée) de ces ailerons a un gradient décroissant. Cela signifie que plus on travaille à des angles de braquage élevés, plus chaque unité d'appui ajoutée est coûteuse en termes de traînée.

Finalement, pour chaque circuit de la saison est défini une valeur objectif pour le rapport L/D. Par exemple, elle sera de 1:1 pour Monaco, circuit sur lequel la vitesse de pointe n'a que peu d'importance, et de 4:1 à Monza où l'on mise tout sur les lignes droites.

Cette valeur permet de régler l'aileron arrière. L'aileron avant est ajusté par la suite afin d'affiner la balance aérodynamique.

Celle-ci est la plupart du temps 3 à 4% inférieure à la valeur de répartition des masses, afin que la voiture reste stable dans les courbes rapides. Elle correspond au ratio entre l'appui généré par l'avant de la voiture et l'appui global.

Dans les faits, on l'augmente jusqu'à la limite acceptable par le pilote. En effet, cela est fait en augmentant le braquage de l'aileron avant et donc en maximisant l'appui aérodynamique total généré par l'auto. Dans le cas de conditions pluvieuses, cette balance aérodynamique sera diminuée de 2 à 3% afin d'augmenter le comportement sous-vireur de la voiture et donc d'aider le pilote à la contrôler.

Moins de roulis permet d'optimiser le comportement aérodynamique mais complique le passage des vibreurs.
© FIA / Moins de roulis permet d'optimiser le comportement aérodynamique mais complique le passage des vibreurs.


Un centre de roulis correctement défini et tout roule



Sans rentrer dans des considérations trop techniques et géométriques, le centre de roulis est le point de l'espace au niveau duquel le chassis de la monoplace roule d'un côté à l'autre lorsque la voiture manoeuvre dans un virage.

On trouve un centre de roulis à l'avant et un centre de roulis à l'arrière. Ce qu'il faut retenir, c'est que le centre de roulis est toujours placé à un niveau inférieur à celui du centre de gravité.

Plus le centre de roulis et celui de gravité sont proches, moins le phénomène de roulis est présent (la voiture ne se balance pas d'un côté à l'autre en virage). Physiquement, cela s'explique par le fait que plus le centre de roulis est haut, plus les forces sont répercutées par les triangles de suspension au lieu des suspensions et amortisseurs.

Comme la position du centre de gravité est une caractéristique intrinsèque de l'auto (issue de sa conception initiale), le seul paramètre sur lequel l'équipe peut influer est la position des centres de roulis. Celle-ci varie en fonction de la position des triangles de suspension, du carossage des roues et surtout du réglage de la barre anti-roulis.

D'un point de vue géométrique, on tentera d'élever le centre de roulis avant afin de le rapprocher du centre de gravité et donc d'améliorer la réactivité du train avant. Par contre, on s'appliquera à conserver le centre de roulis arrière à un niveau inférieur afin de conserver un peu de roulis et donc de privilégier un transfert de masse vers l'arrière au moment de la réaccélération en sortie de virage, au bénéfice de la traction.

En termes chiffrés, cela se matérialise par une distribution de rigidité de roulis ("Roll Stiffness Distribution") toujours supérieure à 50%, c'est-à-dire que l'essieu arrière est plus souple que l'avant, ce qui permet aux pneus arrières d'être autant au contact du sol l'un que l'autre au moment de la remise des gaz.

Au travers de cette réduction des mouvements de caisse, on améliore également l'aérodynamique de la voiture puisqu'elle reste plus stable face au flux d'air qu'elle traverse.

Par contre, en allant trop loin dans cette rigidification du chassis, les suspensions font moins leur travail et le passage des vibreurs se complique pour le pilote.

Le réglage des barres anti-roulis est un outil rapide de set-up entre les sessions de roulage. On comprendra donc aisément que, dans le cas d'une auto trop survireuse, on tentera d'assouplir la barre anti-roulis arrière afin d'améliorer l'adhérence du train arrière.

A l'inverse, dans le cas d'une auto trop sous-vireuse, on assouplira la barre anti-roulis avant. Enfin, par temps de pluie, il peut même arriver de déconnecter complètement la barre anti-roulis arrière afin de limiter au maximum le phénomène de survirage.

L'angle d'ouverture des roues avant d'une formule 1 est compris entre 1° et 2°.
© FIA / L'angle d'ouverture des roues avant d'une formule 1 est compris entre 1° et 2°


En pincer pour le parallélisme des roues



Si vous avez suivi la saison 2020 de Formule 1, vous vous souvenez certainement du fameux "DAS : Dual Axis Steering" de Mercedes qui influait, en course, sur le parallélisme des roues avant.

Bien que ce système ait été interdit à compter de 2021, le parallélisme des roues reste un élément de réglage pour pilotes et ingénieurs une fois la voiture dans son stand. Ce terme définit en fait l'angle que les roues font avec l'axe longitudinal de l'auto, lorsque celle-ci est vue du dessus.

Le pincement signifie que les roues sont tournées vers l'intérieur du véhicule. A l'inverse, l'ouverture signifie que les roues pointent vers l'extérieur.

En Formule 1, on a généralement de l'ouverture pour les roues avant et du pincement pour les roues arrières. Dans les 2 cas, les valeurs ne dépassent pas 2°. L'ouverture des roues avant permet de mieux inscrire la voiture en virage : de manière imagée, la roue avant intérieure pointe vers la corde du virage avant même de tourner le volant. Le pincement des roues arrières est quant à lui utilisé pour combattre le survirage. En effet, au moment du freinage, les roues arrières ont tendance à se remettre droite. Ce léger angle de pincement permet de maximiser la zone de contact pneu-piste à ce moment précis et donc d'augmenter l'adhérence.

Le réglage de ce parallélisme s'effectue en jouant sur la biellette de direction et en mesurant la distance entre des points pris à l'avant et à l'arrière des roues à l'aide d'une barre de type "canne à pêche". Malgré tout, on privilégiera d'autres leviers de réglage avant de toucher au parallélisme des roues puisque celui-ci influe directement sur l'usure des pneumatiques. D'où le DAS de Mercedes...

Un carrossage négatif permet d'améliorer l'adhérence en courbe.
© FIA / Un carrossage négatif permet d'améliorer l'adhérence en courbe.


Le carrossage...ou comment augmenter le grip mécanique



De la même manière que le parallélisme des roues, le carrossage joue un rôle important dans l'adhérence dont dispose l'auto lors de ses passages en courbe. Il correspond à l'angle que font les roues par rapport à l'axe de symétrie de la voiture lorsqu'on la regarde de derrière. Un carrossage positif signifie que le haut du pneu est plus éloigné du centre de l'auto que le bas, et inversement pour un carrossage négatif.

De nos jours, toutes les voitures de course roulent avec un carrossage négatif. Celui-ci est plus prononcé à l'avant qu'à l'arrière, où il est parfois proche de zéro. En résumé, l'objectif est le suivant : dans un virage, le pneu extérieur de la voiture doit constamment avoir un carrossage négatif ou nul. En aucun cas celui-ci ne doit être positif. Cela permet de maximiser la surface de contact du pneu avec la piste. Dans le même temps, le pneu à l'intérieur du virage va adopter un carrossage positif mais celui-ci a moins d'impact sur la performance.

On retiendra que les valeurs de carrossage sont souvent plus élevées sur les circuits rapides. Puisque l'appui aérodynamique est plus faible sur les tracés à longues lignes droites, les équipes vont compenser cette potentielle baisse d'adhérence par l'apport de grip mécanique, par exemple via des angles de carrossage plus élevés.

Pour autant, on ne peut pas jouer n'importe comment avec ces angles de carrossage pour deux raisons principales. Tout d'abord, l'aérodynamique de la voiture a été optimisée pour une valeur de carrossage donnée. Ainsi, en modifiant le carrossage, le flux d'air autour de l'auto peut se trouver perturbé. Ensuite, avoir trop de carrossage négatif peut entraîner une surchauffe du flanc intérieur des pneumatiques. C'est pour cela que Pirelli, ou tout autre manufacturier, communique sur les valeurs limites à respecter.

Au début de l'ère hybride, les Mercedes dominaient outrageusement grâce, entre autres, à un groupe motopropulseur à la pointe.
© FIA / Au début de l'ère hybride, les Mercedes dominaient outrageusement grâce, entre autres, à un groupe motopropulseur à la pointe.


La chasse au chrono



L'angle de chasse de la monoplace est défini comme étant l'angle que fait la droite passant par les points d'accroche des triangles de suspension avant supérieur et inférieur sur la roue avec la verticale.

Celui-ci est positif lorsque le point d'accroche supérieur est moins avancé que l'inférieur. Pour visualiser la chose, on peut s'imaginer une moto. Dans ce cas, l'angle de chasse est l'angle que fait la fourche avec la verticale.

Bien entendu, cette valeur est principalement définie au moment de la conception de la suspension avant de la voiture. Néanmoins, il peut arriver que l'on joue avec ce paramètre lors du réglage ou du développement de l'auto.

Dans les faits, toutes les monoplaces de Formule 1 ont un angle de chasse positif puisqu'un tel set-up fournit un meilleur feedback au pilote ainsi que plus de charge sur le pneu extérieur en courbe et une meilleure stabilité de la direction puisqu'elle se recentre automatiquement sous l'effet du couple appliqué sur les roues.

Faire monter les pneus en températrure est essentiel. L'apparition de
© FIA / Faire monter les pneus en températrure est essentiel. L'apparition de "graining", par exemple, signifie que sa surface est trop froide.


La seule pression à avoir est celle des pneus



Il faut bien comprendre que les pneumatiques sont les seuls éléments en contact avec la piste. Bien modéliser leur comportement est donc essentiel dans la recherche de la performance. En atteignant une certaine température (supérieure à 100°C pour les voitures de course), une réaction chimique au sein du pneu commence : c'est la fenêtre d'adhérence maximale. Une fois que cette réaction arrive à son terme, le pneu durcit, il est temps de le changer.

Toute la subtilité consiste donc à atteindre la pression pneumatique optimale au moment où le pneu est chaud. Une pression plus faible augmente la zone de contact avec la piste et donc l'adhérence tout en rendant l'auto moins réactive et en augmentant l'usure. On jouera également sur les pressions des pneus avant/arrière afin d'agir sur le comportement sous-vireur ou survireur de la voiture. Abaisser la pression des pneus avant permet d'augmenter l'adhérence à l'avant et donc de privilégier le survirage. A l'inverse, abaisser la pression à l'arrière rend la voiture plus sous-vireuse.

Une balance de freinage inadaptée peut aboutir à des plats sur les pneus.
© FIA / Une balance de freinage inadaptée peut aboutir à des plats sur les pneus.


Ça balance pas mal au freinage



Les disques de freins des Formule 1 sont en carbone. De ce fait, le coefficient de friction entre le disque et les plaquettes de frein varie énormément en fonction de leur température.

Sachant que celle-ci varie tout au long de la phase de freinage mais aussi d'un virage à l'autre, imaginez la difficulté à rester dans la bonne fenêtre de fonctionnement ! D'autre part, les températures sont différentes des côtés gauche et droit de l'auto mais aussi entre les essieux avant et arrière. Sans oublier que ces composants sont sujets à un phénomène d'usure qui vient faire varier la pression de freinage au cours de leur cycle de vie.

Afin d'aider les équipes à gérer ce paramètre essentiel, le manufacturier met à leur disposition différents types de disques avec plus ou moins de trous (chargés d'évacuer la chaleur) de diamètres différents en fonction des exigences de chaque tracé.

Sans oublier que les disques en carbone peuvent "glacer" ("glaze" en anglais). Ils deviennent alors quasiment inopérants et il est très compliqué de les "déglacer ("de-glaze") en roulant.

Lorsque le pilote appuie sur sa pédale de frein, la pression qu'il exerce est répartie entre les trains avant et arrière. Durant un Grand Prix, si le pilote bloque trop les pneus avant ou arrière, il peut ajuster la balance de frein afin de contrecarrer le phénomène.

De nos jours, le freinage avant est purement mécanique tandis que le freinage appliqué sur les roues arrières est la combinaison des disque/plaquettes et de la récupération d'énergie.

En fonction de la pression qu'il exerce sur la pédale et de sa répartition de frein avant/arrière, le système "Brake By Wire" (BBW) connaît la pression de freinage à appliquer à l'arrière. Selon la stratégie de récupération d'énergie au freinage en vigueur à ce moment (choix du degré de récupération souhaité), le système BBW va appliquer, via les étriers de freins, la pression de freinage adéquate. La constance et l'étendue des réglages du freinage d'une Formule 1 s'en trouvent encore améliorées.

Red-Bull est fidèle à la philosophie
© FIA / Red-Bull est fidèle à la philosophie "High Rake" : l'angle d'inclinaison entre l'avant et l'arrière est élevé.


Hauteur de caisse et amortisseurs, deux leviers de performance très sensibles



On tentera sur une Formule 1 d'avoir l'avant de l'auto aussi près du sol que possible tout en faisant en sorte qu'il ne touche pas la piste lors des phases de freinage ou sur les bosses. L'arrière de la monoplace, lui, pourra être un peu plus haut afin d'optimiser l'effet du diffuseur ("rake"). Dans tous les cas, un des outils utilisé par les concepteurs pour disposer d'une hauteur de caisse relativement constante est l'ajout d'un troisième amortisseur dans le système de suspension avant.

Sans rentrer dans les détails, les amortisseurs sont des composants complexes qui peuvent avoir une grande influence sur la maniabilité de la voiture. Ils servent non seulement à passer bosses et vibreurs efficacement, mais peuvent également jouer un rôle dans la mise en température des pneumatiques alors que leur réglage permet aussi d'influer sur les comportement sous-vireur ou survireur de l'auto. Les amortisseurs peuvent d'ailleurs être réglés indépendamment en compression et en extension pour que la monoplace ait un comportement dynamique optimal.

Voilà donc une liste non exhaustive de paramètres sur lesquels influer afin d'optimiser le comportement d'une Formule 1. Ils ont été présentés un à un mais il va de soi qu'ils sont tous inter-dépendants. Le travail des ingénieurs consistera à faire évoluer l'ensemble de ces réglages afin que le pilote puisse améliorer sa régularité, ses temps au tour ou limiter l'usure de ses pneumatiques. Le pilote, quant à lui, aidera énormément l'équipe s'il est capable de décrire fidèlement son ressenti au volant.

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