Le manuel du pneu pour le Formula Student | sur tirendo.fr

La recherche de l’efficience en matière de consommation de carburant représente un enjeu écologique majeur pour l’industrie automobile. C’est d’ailleurs un des éléments sur lesquels sont jugés les participants du Formula Student, concours réunissant les écoles d’ingénierie automobile à travers le monde, les chargeant de concevoir et construire une monoplace de course et de la tester en conditions réelles sur circuit. Leurs véhicules sont destinés à évoluer sur des parcours très sinueux, où les qualités dynamiques doivent être exploitées au maximum. La recherche de la performance est constante et passe évidemment par un choix judicieux des pneumatiques.

Ayant noué un partenariat avec les étudiants du projet Formula Student de l'ISAT, nous avons décidé de leur dédier un article, afin de les guider dans l'exploitation de leurs pneumatiques.

Adhérence et consommation

Un élément trop souvent sous-estimé est l’influence des pneus sur la consommation de carburant. Elle se révèle déjà très importante lorsque l’on se réfère aux véhicules grand public – la variation de consommation pouvant atteindre 25% - mais elle devient déterminante en compétition, en particulier dans le domaine de la Formule 1, où la tendance est à l'économie de carburant. L'objectif est donc d'éviter les pertes et de transmettre le maximum d'énergie au sol.

Intéressons nous d'abord au lien entre la friction et l'adhérence, qui conditionne ce transfert d'énergie :

Le coefficient de friction d’un pneu sur le sol est conditionné par de nombreux facteurs : vitesse, température, différentes charges, surface de contact, pression…

L'effort maximal transmissible (le principe étant de l’optimiser par rapport à la consommation de carburant) par frottement dépend en grande partie de la composition de la gomme qui constitue la bande de roulement et de l'état de la surface du sol, mais est aussi influencé par la pression de contact moyenne. Une composition de gomme plus dure peut permettre d'atteindre une plus grande force latérale, mais provoque une diminution (changement) de l'effort maximal de freinage et d’accélération; l'adhérence n'est donc pas qu'une question de frottement. Elle est liée à de nombreux facteurs : le profil du pneu, les matériaux utilisés pour la gomme, la construction de la carcasse (exprimée à l’aide de l’indice de vitesse du pneu, de l’indice de charge) et de l’utilisation faite du pneu.

L’adhérence optimale (et non maximale) est liée à de nombreux paramètres. En compétition il est important de bien les comprendre pour ensuite effectuer les bons réglages. Nous allons vous exposer les principaux paramètres, ainsi que leurs influences sur le comportement du véhicule.

Facteurs d'influence

Influence de la température de la gomme :

1. Si le pneu n’est pas adapté (type de gomme, pneus hiver etc), le principal problème est la température ambiante. Le froid rend les composants des pneus moins élastiques et la chaleur ambiante accélère le processus d’oxydation et cause le vieillissement de pneus. Les rayons ultraviolets sont aussi la source d’un vieillissement accéléré de la gomme des pneus.
2. Une surchauffe des matériaux peut survenir, mettant à mal l’intégrité de la gomme et de la carcasse. En plus de la température ambiante, le type de sol, la température de l’air, le poids de la voiture et le type de conduite ont un effet sur la température de la gomme et de la carcasse. La bande de roulement n’est pas la seule concernée, car ce sont les flancs qui chauffent le plus, et ceci particulièrement lors des virages et freinages, car ils subissent des pressions importantes.

Influence de la température interne :

1. Une trop haute température interne (de l’air sous pression) peut détériorer le profil du pneu en rendant les composants moins résistants à la friction, et en déformant le pneu par augmentation de la pression interne, et ce faisant, diminuant l’adhérence. Ce risque de surchauffe est quasi inexistant dans le cas des voitures de série, mais il existe de façon marginale sur circuit, et c’est sur cette marge qu’un gain de performance peut-être réalisé afin de prendre l’avantage.
2. La température de l’air du pneu affecte également la consommation d’essence car sa tendance à dissiper l’énergie diminue avec l’augmentation de la température, pour ensuite se stabiliser (principalement causée par les changements de pression dus à la déformation de la carcasse – par inertie, l’état et les matériaux de la route - puis par la température ambiante et celle de la gomme). Le risque d’une surchauffe est minime, mais il existe. Les pneus sont par conséquent adaptés pour certaines températures données, à laquelle ils donneront le meilleur de leurs performances en matière de transfert d’énergie au sol, de déformation de la carcasse et donc, de consommation.

Influence de la charge verticale :

1. Une variation de la charge verticale induit une variation de l’effort latéral maximum, mais pas de façon proportionnelle car un transfert de charge latéral provoque une perte de l’effort global transmissible par un essieu.

Influence de la pression des pneus :

1. En ligne droite ou à l’arrêt, une pression de gonflage trop faible surcharge les bords de la bande de roulement, alors qu'une pression trop forte en surcharge le centre. Une pression optimale (vis-à-vis de l'usure) pour un parcours autoroutier est donc insuffisante lorsque l'on veut attaquer sur route sinueuse, du fait des transferts de charge, et donc du déplacement de la symétrie du pneu.
2. La pression a une influence sur la consommation d’essence car les déformations de la bande de roulement augmentent ou réduisent la surface de contact, et influencent donc le transfert d’énergie par friction.

Influence de la surface de contact au sol :

1. Une augmentation de la surface de contact augmente la force latérale maximale, et donc l’adhérence (d’où la mode de l’augmentation de la largeur des pneus, à la fois de série et en compétition). Cette surface de contact dépend de la pression du pneu et de la vitesse de rotation de la roue (et donc de celle du véhicule) car un pneu en rotation se déforme du fait de la force centrifuge.