Comment construit-on une F1 ? #1 : La conception

Cet hiver, une course très particulière est en train de se disputer, loin des circuits, dans les usines des équipes de Formule 1. Concevoir et fabriquer un châssis de Grand Prix s’apparente en effet une course contre la montre. Cette entreprise complexe et longue demande de six à dix mois de travail, depuis les premiers coups de crayons sur les planches à dessin jusqu’à ce que la monoplace effectue ses premiers tours de piste.

D’autant que pour la seconde année consécutive, les monoplaces doivent passer tous les crash-tests de la FIA avant de pouvoir prendre part aux essais hivernaux, ce qui n’était pas le cas auparavant.

Ce premier volet d’une série de quatre articles consacrés à la construction d’une monoplace de F1 se penche sur la phase de conception du châssis.

Avant d’assembler les 4.500 pièces qui composent une F1 actuelle, il faut en effet commencer par définir les principes et grandes orientations techniques de la monoplace. Cette phase de conception commence par organiser ensemble les pièces les moins “variables” d’une monoplace : le réservoir, le moteur et la transmission. Le premier élément que définissent les ingénieurs du groupe de design, c’est la capacité du réservoir.

Pour 2013, il n’y a guère de changement : le réservoir doit pouvoir embarquer 200 litres d’essence environ. Si l’on ajoute au réservoir le cockpit du pilote (obligatoirement placé derrière l’axe des roues avant), ainsi que l’espace nécessaire pour le moteur et la boîte de vitesses, on obtient déjà une première idée des volumes du châssis et de la répartition des masses.

Depuis 2011, la distribution du poids est fixée par le règlement : environ 46 % du poids total (640 kg) sur l’avant et 54 % à l’arrière. “Nous nous étions mis d’accord à l’origine, explique James Allison, le directeur technique de Lotus, pour un nombre d’ajustements limités concernant la répartition des masses sur les voitures 2011 pour faciliter l’introduction des pneus Pirelli. Cet accord, qui était prévu pour une seule année, s’est révélé efficace et a été prolongé jusqu’en 2013.”

Plus précisément, la masse totale de la voiture doit être répartie comme suit : entre 45,5 % et 46,7 % devant et entre 53,3 % et 54,5 % derrière. Les parties les plus lourdes de la voiture (moteur : 100 kg, pilote : 70 kg) – celles qui ont donc le plus d’impact sur la distribution du poids – ne peuvent pas vraiment être déplacées : on imagine mal le pilote assis derrière le moteur…

En revanche, certains boîtiers électroniques se placent avec plus de liberté, mais comme ils ne pèsent que 2 ou 3 kg, ils n’ont pas beaucoup d’influence.

Du coup, c’est sur le positionnement de l’axe des roues que peuvent (un peu) jouer les ingénieurs, à la recherche du meilleur compromis. Avancer l’axe antérieur favorise l’aérodynamique mais pénalise l’exploitation des pneus si ceux-ci exigent une répartition des masses vers l’arrière. En revanche, reculer l’axe postérieur produit certes de l’appui aéro mais crée également un angle par rapport à l’axe moteur, qui absorbe de la puissance. En parallèle, le département chargé de la dynamique du châssis identifie, avec le plus de précision possible et au moyen de la conception assistée par ordinateur, les besoins des pneus en matière de charge.

Autrement dit, il s’agit de bien répartir le poids de la voiture sur les gommes, afin que celles-ci délivrent leur potentiel. Certes, la marge de manœuvre des designers en la matière est faible (1,2 %), mais le niveau de la F1 actuelle est tel que ce sont sur des détails que se fait la différence.

En général, on préfère mettre un peu plus de poids que nécessaire sur l’avant de la voiture parce qu’un pneu avant travaillant trop générera “seulement” du sous-virage (qu’un pilote peut gérer), alors qu’un pneu arrière qui surchauffe risquera de faire glisser l’arrière de la monoplace en entrée de virage, voire de provoquer un tête-à-queue. Cet aspect est aussi capital pour définir les épures de suspension du châssis. Ceci est particulièrement important cet hiver, puisque les Pirelli 2012 adopteront un profil plus carré, afin de présenter au bitume une empreinte plus grande et, ainsi, mieux contrôler l’usure.

Une fois les grandes orientations techniques décidées et les éléments invariants de la voiture intégrés, les ingénieurs vont consacrer l’essentiel de leurs ressources à l’aérodynamique, le facteur de performance le plus important en F1 aujourd’hui...