Professeur Agrégé en ingénierie numérique à l’Université de Versailles, et passionné de Formule 1, ma devise est la suivante: "La 3D au service de l’innovation technologique". Je suis un supporter inconditionnel du coté 'obscur' de l’ex-Renault F1 Team à Enstone ... et supporte maintenant le Lotus Renault GP.

Ma mission ? Expliquer, vulgariser le travail exceptionnel des ingénieurs F1 & techniciens pour rendre un peu plus visible la partie compétition high-tech qui se joue dans les bureaux d’études, CFD Center, et usine entre chaque Grands Prix.

Thierry Chevrot

Les pneumatiques, une ingénierie complexe

Les pneumatiques étaient lors de ce 1er GP (et seront !) pour beaucoup d’entre nous une source de questions et d’inquiétudes. Voici donc quelques explications scientifiques sur ces éléments primordiaux dans la performance d’une Formule 1. En effet, un pneu, cela parait banal, son coté produit high-tech n’est pas direct … Pourtant, les pneumatiques arrières sont les 2 seules interfaces avec la piste pour transmettre la puissance du moteur ! 700cv qui 'passent' à travers 2 surfaces de contact pneu/piste d’environ 400cm² : il faut de ce fait que la gomme 'assure'.

Que se passe-t-il au niveau mécanique ?
• Le couple moteur Cm est transmis à la roue sous la forme d’un effort tangentiel Ft au pneumatique (Rb : Rayon de la bande de roulement du pneumatique arrière) : on a donc Cm = Ft x Rb.
• Le poids P (en Newton, P=m.g) de la monoplace est encaissé par la structure des pneumatiques (on parle de sa raideur K ), et est donc en relation avec sa pression de gonflage Pgonf . Après conversion et simplification du problème de modélisation (répartition des masses, etc.), on a en 1ère approximation : Scont = P/4*1/Pgonf (/4 … car 4 roues, Scont est la surface de contact entre le pneu gonflé et la piste)

En rouge, les surfaces de contact avec la piste (notées Scont):

La problématique d’usure des pneumatiques est liée principalement à ces efforts Ft à transmettre entre le pneumatique et la piste. Sur chaque roue, ces efforts sont transmis via la surface de contact Scont (Bien sûr liée à l’aspect déformable du pneumatique).

Cette résultante d’efforts Ft se répartie localement sur la surface Scont. Localement, on ne parle plus d’effort mais de contrainte mécanique (en quelque sorte une densité d’effort local). Ce sont ces contraintes mécaniques qui en chaque point de la bande de roulement (Scont) déforment et cisaillent la cohésion moléculaire de l’élastomère.

Parlons maintenant du plus gros problème d’usure des pneumatiques en F1 : le graining !

Ce phénomène apparait lorsque les pneumatiques sont 'froids' (température inférieure à celle de fonctionnement d’environ 100°C) : la raideur K du pneu est élevée et les contraintes de cisaillement plus faibles : la matière élastomère s’agglutine localement et forme des petites 'boulettes' qui elles mêmes s’agglutinent et peuvent former des 'plaques'. La surface de contact effective Scont diminue drastiquement puisque c’est la surface grainée qui est en contact et non la totalité du pneu ! Cela provoque une forte diminution d’adhérence et concentre les contraintes de cisaillement sur une surface plus petite, ce qui accélère la détérioration locale de la matière et donc du pneumatique : un cercle vicieux débute: localement les contraintes sont à nouveau plus fortes, donc cela augmente le graining, qui diminue la surface de contact effective, qui augmente localement les contraintes, et ainsi de suite jusqu’à la détérioration du pneumatique.

La conduite du pilote agressive, ou progressive pour protéger ses pneumatiques, l’utilisation du Kers (qui à chaque freinage, pour récupérer du couple afin de recharger ses batterie, fait le transfert inverse des efforts tangentiels Ft vers l’arbre du Kers et donc usent plus les pneumatiques dans ces phases), la température de la piste, autant de facteurs qui influent sur l’usure et l’adhérence des pneumatiques.

La chimie des pneus est complexe ! Ce n’est pas comme un moteur ou il faut concevoir des centaines de pièces, un pneumatique est fabriqué en vulcanisant un mélange très complexe de composants apportant des caractéristiques différentes comme l'adhésion de l’élastomère, la tenue au cisaillement local, la retenue au roulement, ou encore la constance aux changements de températures. La chimie du pneumatique est souvent synonyme de compromis entre ces diverses caractéristiques !
On comprend donc que la tâche n’est pas simple pour Pirelli et que les nouveaux pneumatiques inquiètent et fassent couler beaucoup d’encre, car au final, ce simple 'caoutchouc' est au cœur de la performance des monoplaces et joue un rôle important pour le spectacle.

Dans la même série:

Episode 1 : L'aileron arrière ajustable
Episode 2 : Veille technologique & Essais privés
Episode 3 : Innovation aérodynamique arrière de la R31
Episode 4 : Le KERS démystifié