Les freins
Quatre disques pour stopper net
La capacité des freins à ralentir la voiture est primordiale. Elle permet d’adapter la vitesse en chaque point du circuit, et les propriétés doivent pouvoir être performantes durant toute la longueur d’un Grand Prix.
Les freins sont sollicités le plus au bout des lignes droites afin de passer de 300 km/h à 80 km/h comme à Montréal (fig. 1) ou de 350 km/h à 60 km/h dans la première chicane de Monza. (Fig. 1.1)
Figure 1– Télémétrie des décélérations à Montréal
Figure 1.1 – Télémétrie des décélérations à la première chicane de Monza
Le Grand Prix du Canada se dispute sur l’une des pistes les plus éprouvantes pour le freinage. Six décélérations violentes de 300 à 80 km/h sollicitent fortement les étriers de frein comme le montre la Figure 1. Le temps y est donné en abscisse, et la pression exercée par le pilote en ordonnée : il est possible ainsi d’avoir une image précise du freinage à Montréal. La pression est montrée en bleu, la décélération en rouge et la vitesse est indiquée en bar par seconde.
Sur la Figure 7.1 on a rajouté à la télémétrie de Monza la courbe de montée en température des freins. La température est à la fois l’allier et l’ennemie des freins. En effet les freins des F1 ne fonctionnent parfaitement qu’à partir de 200 à 300°C, températures atteintes grâce aux vitesses de rotations élevées. Lors du freinage cette température augmente de 100°C tous les 0,1 secondes durant les quatre premiers dixièmes pour atteindre les 1 000°C.
A 300 km/h lorsque le pilote lâche l’accélérateur pour appuyer sur le frein il subit 1G de décélération due seulement à la traînée aérodynamique (en comparaison, c’est l’équivalent pour un conducteur normal qui freine à fond avec sa voiture) puis lors du freinage il subit environ 3,25G.
Pendant le freinage, le pilote doit moduler la pression des freins via la pédale de frein et le système hydraulique de serrage de patins, contrôler les à-coups causés au passage des vitesses et doit maîtriser la charge aérodynamique qui diminue violemment. C’est là que l’on reconnaît les bons pilotes des moins bons car on peut voir leur habilité à tenir la voiture d’un la trajectoire optimale sans évidemment abuser des freins et ainsi bloquer les pneus. Pour aider le pilote lors du freinage, les ordinateurs de bords demandent aux roues arrière motrices de tourner 8% plus vite que les roues avant. Ces capteurs positionnés sur les quatre roues commandent au moteur de tourner plus ou moins vite.
Pour avoir le maximum de frictions entre les disques de frein et les étriers, on fabrique les freins en carbone, technologie qui est apparue sur les Brabhams en 1970 et qui est issue de l’aéronautique. De plus on gagne énormément de poids avec ce matériau mais en 1993 on utilisa un alliage de béryllium et d’aluminium pour les étriers afin d’alléger encore l’ensemble. Malheureusement les règlements imposèrent en 2000 un module de Young de 40GPa impossible à respecter avec ces alliages. Donc aujourd’hui on en est revenu à des systèmes de freinage tout en carbone tout de même spécial pour respecter les contraintes exigées. C’est un carbone différent de celui utilisé pour le châssis, un carbone pur et onéreux à produire. Il est obtenu par un procédé de déposition de vapeur chimique. On fabrique une matrice que l’on installe ensuite dans un four enrichi d’un gaz hydrocarboné comme le méthane. Le carbone pur se dépose progressivement dans la matrice pour fabriquer les disques et les pédales. C’est un procédé qui prend malheureusement 150 jours.
Pour gérer les problèmes de températures, l’ensemble du système de freinage entre intégralement dans le packaging aérodynamique de la voiture. Situé par exemple pour les freins avant juste derrière l’aileron avant, il profite du flux d’air contrôlé pour le guider vers dans les écopes de freins puis via un circuit interne va se diriger dans des trous creusés dans le disque pour dissiper au maximum la chaleur générée au freinage (Fig. 1.2). Pour chaque Grand Prix on utilisera des solutions spécifiques mais se sont surtout les dimensions des composants qui feront la différence, au niveau des écopes de frein et de la dimension des disques qui ne peuvent pas excéder les 28 mm d’épaisseur. L’autre innovation des dernières années fut de positionner les étiers sous les disques afin d’abaisser le centre de gravité.
Figure 1.2 – Parcours de l’air dans le système de freinage
Figure 1.3 – Détails d’un système de frein
Légende :
Cold air in : entrée d’air ambiante ; Hub carrier : porte moyeu ; Caliper and pad cooling : étrier et patte de refroidissement ; Hot air out : sortie d’air chaud |
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