Comment construit-on une F1 ?

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Comment construit-on une F1 ?

Message par dom465 le Mar 8 Jan - 23:04:41

#1 : La conception

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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 à 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.

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On commence par tenir compte du réservoir et de la taille du cockpit.

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.

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La boîte de vitesses (Red Bull, à gauche) et le moteur (Mercedes à droite) déterminent la répartition des masses.

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.

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…

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(à suivre)
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Re: Comment construit-on une F1 ?

Message par Modena49 le Ven 11 Jan - 4:41:31

La fabrication

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Durant l’hiver, une course se dispute, loin des circuits, dans les ateliers des écuries de Formule 1. Concevoir et fabriquer un châssis s’apparente à 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.

Après avoir déterminé la répartition optimale des masses et les contraintes dynamiques de la monoplace, puis défini le concept aérodynamique général de la voiture, il est grand temps de commencer à fabriquer les composants de la voiture ! “Il faut en effet tenir compte des délais de fabrication des pièces, explique Jacky Eeckelaert, notre consultant technique. Dessiner la géométrie d’un carter de boîte demande environ six semaines, puis il y a la fabrication, les contrôles de qualité en laboratoire, les tests…”

“La F1 n’est pas un centre de recherche, c’est une écurie qui doit produire des voitures de course. La conception de la voiture est donc figée à une certaine date pour pouvoir fabriquer ses composants. Et à partir du moment où la conception d’une pièce est gelée, les ingénieurs commencent déjà à se demander comment la rendre plus légère, plus rigide, plus résistante.”
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De gauche à droite : Jacky Eeckelaert (notre consultant technique, ex-Peugeot, Jordan, Honda et HRT), une modélisation de la transmission par un logiciel de CAO, et une aléseuse-fraiseuse de précision dans les ateliers de Williams à Grove.

Pour finaliser différents éléments, les designers utilisent l’énorme puissance de calcul de la conception assistée par ordinateur (CAO), qui offre toute la précision nécessaire. Car si toutes les pièces sont dessinées séparément, elles doivent toutefois s’agencer à la perfection. Un soin maniaque est dès lors apporté à leur fabrication (en partie confiée à des sous-traitants : amortisseurs, disques de frein, roues) et à leur contrôle. Les dimensions des pièces sont ainsi vérifiées par des outils de mesure dont la précision est de quatre microns, soit vingt-cinq fois moins que l’épaisseur d’un cheveu !

Étape essentielle dans la fabrication d’une F1, ce contrôle de qualité différencie souvent les petites écuries des teams de pointe. La résistance des éléments est ensuite éprouvée au banc d’essai (comme pour les moteurs et les boîtes de vitesses), car leur solidité et leur rigidité doivent être garanties. C’est d’ailleurs pour cela qu’une coque de F1 doit résister à une batterie de crash-tests variés, imposée par la FIA.

Pour 2013, la force impulsée sur le chariot roulant auquel est fixé la monocoque de test est passée de 75 Newton à 90, tandis que deux nouveaux contrôles (l’un depuis arrière et l’autre latéral) ont été introduits en vue de protéger encore mieux le pilote. Certains de ces tests se déroulent à l’usine, d’autres à l’université de Cranfield, entre Bedford et Milton Keynes (là où sont établis la plupart des teams), sous l’œil des inspecteurs de la Fédération. Vu le prix d’une coque (autour de 100 000 dollars), les équipes procèdent à une batterie d’essais préalables pour augmenter leurs chances de réussite.
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Une machine à ultrasons découpe les feuilles de carbone, qui sont ensuite assemblées puis emballées dans des poches hermétiques sous vide d’air, avant d’être cuites.

De nombreuses pièces d’une F1 (carrosserie, aileron, suspensions, siège) sont fabriquées en carbone, matériau résistant mais relativement difficile à travailler. Il est stocké à – 18 °C, car il durcit à température ambiante. Les feuilles de carbone, découpées par une machine à ultrasons, sont collées les unes aux autres puis posées dans un moule (certaines zones, comme le cockpit, nécessitent plus de trente couches pour offrir la résistance voulue.).

L’ensemble est emballé dans une poche hermétique puis cuit dans un four autoclave à 130 °C. En créant une pression quatre fois plus élevée que la pression atmosphérique, ce four crée un vide d’air qui empêche la formation de bulles d’air et oblige le carbone à épouser parfaitement les formes du moule. C’est à partir de ces feuilles de carbone collées et cuites qu’est fabriquée la coque de la monoplace.

Une fabrication rapide et efficace des pièces est essentielle afin de respecter la planification des tâches : “Entre le premier jour de la conception et la mise en piste de la voiture pour les premiers essais, il faut compter huit mois, précise Jacky Eeckelaert. On fixe une date de premier roulage (cette année début février), et à partir de là, on établit une sorte de compte à rebours en imposant un délai de réalisation pour chaque pièce.”

Même en dehors de la piste et en pleine intersaison, la rapidité est déterminante en Formule 1.
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Le four autoclave (ici celui de McLaren) cuit le carbone sous haute pression, afin que le matériau épouse parfaitement les formes du moule.
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Re: Comment construit-on une F1 ?

Message par Modena49 le Ven 11 Jan - 4:44:53

L’aérodynamique

Les mois d’hiver, une course très particulière se dispute, loin des circuits, dans les ateliers des équipes de Formule 1. Concevoir et fabriquer un châssis s’apparente en effet à 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.

Après avoir défini la répartition optimale des masses et les contraintes dynamiques de la monoplace, les aérodynamiciens définissent le concept général de la voiture. Chez Red Bull, par exemple, c’est Peter Prodromou qui a dessiné les formes de la carrosserie de la future RB9, en étroite collaboration avec Adrian Newey, qu’il avait connu chez McLaren. Jason Somerville (Williams) Nikolas Tombazis (Ferrari), Doug McKiernan (McLaren), Mike Elliott (Mercedes) et Dirk de Beer (Lotus) exercent les mêmes fonctions.
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Peter Prodromou (Red Bull), Jason Somerville (Williams), Nikolas Tombazis (Ferrari) et Doug McKiernan (McLaren) planchent déjà sur les monoplaces 2014.

En sculptant les courbes des monoplaces 2013, les aérodynamiciens ont surtout cherché à peaufiner les acquis de 2012, puisque le règlement n’évolue quasiment pas. 2013 est une année de transition, avant le retour des moteurs turbo en 2014.

Plusieurs changements ont toutefois dus être analysés en soufflerie. Tout d’abord, l’interdiction d’installer un conduit visant à canaliser de l’air à l’intérieur de la zone centrale de l’aileron avant, dont le profil est standardisé. Le but est d’interdire les double DRS type Mercedes. Ensuite, la possibilité de cacher la cassure du nez à l’aide d’un cache facultatif en carbone pourra amener certains ingénieurs à redessiner le museau de leur voiture. Ceux-ci devront sans doute également revoir le dessin de l’aileron avant, puisque des tests de flexibilité plus contraignants sont désormais en vigueur afin de limiter leur supposée déformation sur certaines monoplaces.

En revanche, le règlement n’impose aucune restriction supplémentaire au niveau des échappements : les sorties à effet Coanda restent donc autorisés, tandis que et les règles sur les cartographies moteurs restent inchangées.
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La soufflerie est le principal outil de travail des aérodynamiciens. Ci-dessus, les installations de Red Bull à Bedford.

Pour élaborer le concept aérodynamique global de la monoplace, deux outils sont utilisés. Le plus connu est la soufflerie, où sont testées des maquettes, afin de trouver les formes plus performantes. C’est paradoxalement la modeste écurie Sauber qui possède le tunnel le plus moderne, même si ses concurrentes remettent régulièrement à jour leur soufflerie. Construite par la société allemande TLT-Turbo pour 55 millions de dollars et achevée en 2003, la soufflerie d’Hinwill est capable de faire tourner des maquettes à 60 %, en exploitant, comme celui de McLaren et de Red Bull, la technologie des murs à géométrie variable, qui permet d’utiliser une maquette de plus grande taille qu’avec des murs droits et fixes (un outil qui sera installé dans la soufflerie de Maranello, actuellement en cours de rénovation) .

Le deuxième outil est moins connu, mais il a pris une importance croissante au fil des années et des restrictions réglementaires encadrant l’exploitation des souffleries. La CFD (pour “Computer Fluid Dynamics”) ou dynamique des fluides est un outil informatique simulant l’écoulement de l’air selon des modèles mathématiques. Concrètement, avant de fabriquer de coûteuses maquettes et de les passer dans le tunnel, les aérodynamiciens affinent les formes de la carrosserie en utilisant cette “soufflerie virtuelle”.
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La CFD (pour “Computer Fluid Dynamics”), comme celle de Lotus ci-dessus à gauche, est une soufflerie virtuelle permettant notamment de visualiser le trajet de l’air (à droite).

En moyenne, le département aéro représente 40 % du budget compétition d’une écurie (soit environ 40 millions de dollars) et occupe une soixantaine de personnes : aérodynamiciens, maquettistes, ingénieurs en informatique, technicien de maintenance, etc. Bien entendu, certaines zones du châssis sont plus travaillées que d’autres : l’aileron avant et l’espace situé en dessous des jambes du pilote, les orifices de refroidissement, le fond plat et le diffuseur, notamment.

“Il est difficile d’identifier avec précision l’appui procuré par chaque secteur de la monoplace, explique Adrian Newey. Néanmoins, il n’est pas faux d’indiquer que le diffuseur génère 40 % de la charge totale, tandis que l’aileron avant en procure 25 % (10 % seulement lorsque la voiture est déventée), et l’aileron arrière 35 %.”
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Le tunnel de Maranello est actuellement en cours de rénovation, afin d’être modernisé.

Une fois que les départements de la dynamique (train roulants, répartition des masses) et de l’aérodynamique ont chacun défini leurs spécifications, celles-ci sont regroupées et fondues dans un document unique – qui établit la carte d’identité de la voiture – par le directeur technique, le designer en chef et le responsable aéro. Chez Red Bull, ce sont Adrian Newey, Rob Marshall et Peter Prodromou qui rédigent ce document exhaustif, qui reprend tous les composants de la voiture et les adapte au concept aérodynamique général, qui est le facteur de performance principal en F1.

Sur cette base, et en collaboration avec les autres services (électronique, hydraulique…), le département aéro optimise le package et effectue les derniers arbitrages (finesse aéro / bon refroidissement, rigidité / légèreté, etc.). La domination de Red Bull et le fait qu’Adrian Newey soit aérodynamicien de formation sont intimement liés. “Vu la standardisation des pneus et du moteur, la différence se fait surtout dans le domaine aéro, confirme Jacky Eeckelaert, notre consultant. Et là, l’équation est simple : la performance est proportionnelle aux nombres d’heures passées en soufflerie.”

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La soufflerie ultramoderne de Sauber, à Hinwill, permet d’utiliser des maquettes à 60 %, en exploitant la technologie des murs à géométrie variable.


écrit le mercredi 9 janvier 2013 à 17h53 Par Nicolas Carpentiers
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Re: Comment construit-on une F1 ?

Message par Modena49 le Lun 14 Jan - 10:11:41

Comment construit-on une F1 ? : Le montage
Quatrième et dernier chapitre du dossier que notre partenaire F1i consacre à la construction d'une monoplace.
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Avec leur robe étincelante, on les dirait sorties d’une boîte à jouets. Sous leurs carrosseries en carbone, si lissess qu’elles feraient presque penser à des modèles réduits, les châssis de Formule 1 cachent en réalité une technologie ultrasophistiquée, dans tous les domaines : électronique, matériaux composites, aérodynamique… Mais pour que ces bijoux de technologie puissent prendre part aux essais hivernaux (dont les premiers se dérouleront du 5 au 8 février à Jerez) et être sur la grille de départ le 17 mars à Melbourne, il aura d’abord fallu assembler près de 4.500 pièces !

Une fois que toutes les pièces ont été fabriquées et vérifiées, elles sont en effet assemblées dans l’atelier de montage, en six étapes :

1° La coque reçoit la direction, le tableau de bord, le faisceau électrique et les composants électroniques, le pédalier, le siège, le harnais, le volant, le réservoir de carburant. "On commence par installer le réservoir de carburant, en contrôlant sa pressurisation et sa capacité, explique Mark Smith, le directeur technique de Caterham. Ensuite, on monte la suspension avant."

2° Le moteur et les échappements sont installés.

3° On passe ensuite au montage des radiateurs et du système de refroidissement.

4° La transmission, une fois assemblée, est accolée au moteur.

5° Les trains avant et arrière (avec leur suspension complète, leurs tirants, biellettes et freins) sont ajoutés.

6° La monoplace reçoit son capot avant, pourvu de son aileron, puis son aileron arrière et sa carrosserie complète, qui est peinte et décorée. Enfin, les roues sont montées.

Toutes les pièces sont peintes en cabine. Les grandes équipes construisent deux châssis en parallèle : l’un pour satisfaire aux crash-tests prescrits par la FIA, l’autre pour les premiers tests. Les formations plus modestes, elles, doivent attendre d’avoir achevé un châssis pour entamer la construction d’une deuxième voiture.

Dernière étape avant le roulage : le contrôle de qualité. Sur plusieurs bancs d’essais, on vérifie, notamment, la programmation correcte du différentiel, le bon fonctionnement du boîtier électronique standard, la rigidité et la capacité de torsion des éléments de suspension et du train roulant, la stabilité de la barre antiroulis, etc. Bien entendu, le moteur et la transmission auront déjà passé des milliers de kilomètres au banc avant d’être montés sur la coque. Une fois ces contrôles effectués, l’équipe peut commencer à faire rouler la voiture.

Après quelques vérifications sur une ligne droite proche de l’usine, l’écurie se rend en Espagne, où le temps est plus clément, pour y conduire des essais privés. Le but ? Évaluer la fiabilité des pièces en accumulant des milliers de kilomètres et cerner le comportement du châssis en balayant un large spectre de réglages. Ce n’est qu’ensuite qu’un plan de développement sera mis en place en vue de faire progresser les performances. La monoplace est alors prête pour disputer son premier Grand Prix. Une autre course commence… C’est actuellement le rush dans les ateliers pour finaliser le montage des monoplaces.
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Re: Comment construit-on une F1 ?

Message par dom465 le Lun 14 Jan - 12:35:22

Toujours excellent et très intéressants, ces reportages !
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Re: Comment construit-on une F1 ?

Message par Modena49 le Lun 14 Jan - 12:42:01

dom465 a écrit:Toujours excellent et très intéressants, ces reportages
!

oui ils sont superbes dom465 et comme ont le dit souvent ont apprend tous les jours.



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