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Les Pneus (théorie) !

Ah le pneu, cela parait si simple quand on le regarde car c’est rond, c’est pas super beau et ça sent mauvais… Mais cet élément est d’une complexité hallucinante dans sa conception et peut rendre fou tous les ingénieurs d’écurie. C’est sur lui que se porte la plus grande attention et c’est lui qui nous dira si un réglage est bon ou mauvais.

Un peu d'histoire

Les premiers développements importants dans le monde du pneumatique commencèrent en 1925 (entre 1890 et 1925, il n’y a pas eu de conception révolutionnaire), assurant au pneumatique une plus grande solidité et une sécurité de marche supérieure. Pour y arriver, on a remplacé les toiles croisées caoutchoutées ordinaires par le tissu câblé (sans trame) dont la structure permet d’éviter les frottements internes, limite l’échauffement et donne aux flancs une plus grande résistance aux flexions continuelles auxquelles ils sont soumis pendant le roulement.

Cette innovation permit de remédier à la cause principale des éclatements assez fréquents à cette époque, et de réaliser les conditions préalables pour une réduction progressive des pressions de gonflage.

Les étapes les plus importantes et les plus récentes du développement du pneumatique sont :

L’utilisation de fils d’acier dans la composition des toiles (1936)


L’apparition de carcasses à structure radiale (1947)

 

La création de pneumatiques sans chambre à air (1950)
 

La production d’enveloppes du type radial munies d’une bande de roulement séparée et interchangeable (1959)

Structure

Un pneu moderne est constitué par une enveloppe qui comprend une carcasse, une bande de roulement et des talons, ainsi qu’une valve qui permettra de la gonfler. L’élément d’étanchéité est représenté par une mince couche de caoutchouc imperméable que l’on nomme cale d’épaisseur (liner), qui recouvre toute la partie intérieure de l’enveloppe et du canal de la jante (assume des fonctions d’étanchéité). La structure de la carcasse doit posséder des caractéristiques d’élasticité et de résistance à la fatigue très élevée.

Comment le fabrique t-on? Une solution universellement adoptée consiste en la superposition d’un nombre pair de toiles caoutchoutées, découpées et croisées les unes par rapport aux autres selon des angles différents en fonction de la structure choisie.

La F1 !!!

Après avoir vu les caractéristiques d’un pneu conventionnel, on constate que la différence principale entre ces deux types de pneus est leur rôle : un pneu de Formule 1 sera conçu pour permettre une bonne performance au niveau de l’adhérence en premier, et une résistance à l’usure en deuxième.

Ces pneus auront une carcasse radiale très mince pour avoir la légèreté maximale et n’auront pas de couche imperméable comme pour les pneus conventionnels. On a choisi le type radial car il a l’avantage de conserver un comportement plus constant aux petits angles de dérive et par conséquent, assure non seulement une meilleure tenue de route mais aussi une conduite plus facile et plus précise.

Ce type de pneu doit être capable de résister à de très gros stresses et à de hautes températures. La température optimale pour les pneus de Formule 1 est de 125°C (c’est pourquoi on leur applique des couvertures chauffantes leur permettant de maintenir une température de 80°C; ils peuvent ainsi atteindre une température optimale plus rapidement lorsque le pilote prend son départ), et ils auront une vitesse de rotation d’au-dessus de 3000 tours/minute lorsqu’ils rouleront à pleine vitesse.

Auparavant sujet quasi anecdotique, les pneus F1 (en 2013) font l'objet de toutes les intentions. Le manufacturier Pirelli propose aux écuries un large choix reconnaissable au liserer de couleur sur le flanc :

Pneus Pluie : Orange
Intermédiaire : Bleu électrique
Super tendre : Rouge
Tendre : Jaune
Medium : Blanc
Dur : Argent

L'adhérence

L'adhérence du pneu est primordiale pour la sécurité mais aussi sur l'efficacité sur circuit.
Elle peut varier selon le type de pneu, son profil, sa dureté, ses dimensions, la nature et la qualité du revêtement du sol, mais également suivant les conditions climatiques et bien entendu la profondeur des rainures.

 

Type de pneu :

° Slick

° Semi-slick

° Rainuré

La qualité du revêtement :

° Asphalte

° Béton

° Lisse

° Bosselé

° Imbrasif

 

Dureté de la gomme :

° Une gomme dure permet de maximaliser les efforts latéraux (virage)

° Une gomme tendre est favorable aux efforts longitudinaux (freinage, accélération)

Conditions climatiques :

° Sec

° Froid (moins de pression afin de faire monter les pneus à température)

° Chaud

° Humide (sur-gonfler légèrement afin de diminuer la surface de contact au sol)

° Pluie (sur-gonfler de 0,3 à 0,7 bar par rapport à une piste sèche pour diminuer la surface de contact au sol et compenser la baisse de monter en pression)

Rainures & Usure :

° Sec

° Froid

° Chaud

° Humide

° Pluie

Comme on peut le voir, l'adhérence varie en fonction de multiples critères. On évalue son niveau grâce au "Coefficient d'Adhérence".

Ce dernier est calculé en fonction du rapport entre le poids du véhicule, et la force nécessaire pour faire glisser ce véhicule sur la surface sur laquelle il se trouve.


° Si la force nécessaire est égale au poids du véhicule, l'adhérence est de 1,
° S'il suffit d'une force 2 fois plus faible, l'adhérence est de 0,5,

° Sur du verglas, l'adhérence est souvent inférieure même à 0,1,
° S'il faut une force 2 fois plus élevée que le poids du véhicule, l'adhérence est de 2.

Le coefficient d’adhérence évolue en fonction du glissement. Le glissement est défini par la formule  ci-dessous :

Une des caractéristiques du caoutchouc est la progressivité de la rupture d'adhérence : on passe doucement de la zone de glissement élastique à la zone de dérapage avec arrachement de particules de caoutchouc et ce en fonction du glissment. On remarque que le coefficient d’adhérence est maximal pour un glissement de l’ordre de 20 % .

Les dernières remarques à prendre en compte concernent les Coefficient d'Adhérence Latérale (virage) et Longitudinale (accélération - freinage). En effet, l'un impacte l'autre dans des proportions inhérente aux propriétés du pneu lui-même. Concrètement, si l'adhérence latérale est sollicitée et bien cela se fera au détriment de l'adhérence longitudinale et vice et versa (si je roule à 160km/h, j'aurai moins d'adhérence pour tourner que si je roulais à 90km/h).

La Pression

Le seul réglage possible du pneu est la pression, il influera sur la tenue de route (virage, freinage, accélération), sur la motricité de la voiture, la consommation de carburant et évidemment sur l’endurance même du pneu (les températures). Il est important de comprendre qu’une pression excessive ou insuffisante n’engendrera que des désagréments sur le comportement de la voiture et la durée de vie du pneumatique.

Les + et les – si je descends la pression :


+ d’adhérence en virage (jusqu’à un certain point)
+ de grip au freinage
+ de grip à l’accélération


- de vitesse de pointe (et consommation d’essence en hausse)
- d’endurance
- d’agilité en entrée de virage (réponse du pneu moins bonne)

Les + et les – si j’augmente la pression :


+ d’endurance (jusqu’à un certain point)
+ d’agilité en entrée de virage (meilleur réponse du pneu)
+ de vitesse de pointe (et consommation d’essence en baisse)


- d’adhérence en virage
- de grip au freinage
- de grip à l’accélération

Une pression pneumatique défaillante peut engendré un certain nombre de problématiques dont les principales sont illustrées ci-dessous :

Sur-gonflage

° Usure du pneu très accentuée au centre de la bande de roulement.

° Pression de gonflage excessive ou jante trop étroite.

° Usure du pneu trop rapide, mauvaise tenue de route, confort détérioré.

Sous-gonflage

° Usure du pneu très accentuée sur les bords de la bande de roulement.

° Pression de gonflage insuffisante.

° Durée de vie du pneu réduite, échauffement, risque d’éclatement et de déjantage.

 

Parallélisme défectueux

° Usure du pneu très irrégulière sur un côté de la bande de roulement.

° Réglage du train avant défectueux. Défaut de parallélisme.

° Usure du pneu trop rapide, vibrations et désagrément dans la conduite.

° Tenue de route détériorée.

 

Carrossage défectueux

° Usure du pneu régulière très accentuée sur un côté de la bande de roulement.

° Défaut de carrossage et réglage du train avant défectueux. Suspension avachie

° Mauvaise portée du pneu, entrainant une usure du pneu trop rapide.

 

Balourd

° Usure du pneu localisée, Méplat. Usure en vague, en facette.

° Mauvais équilibrage, jante mal centrée. Coup de frein brutal, amortisseurs défectueux, jeu dans la direction.

​° Vibrations dans le volant ou dans la caisse. Usure prématurée des pneus.​

La Température

La pression d’un pneu est donc la quantité d’air à l’intérieur de celui-ci. L’air agit comme un isolant thermique, c’est pour cela
que moins il y a d’air, plus le pneu chauffe vite, et inversement. La température a une influence directe sur la tenue de route de la voiture et la durée de vie du pneu. En effet, un pneu trop froid offrira très peu d’adhérence, et un pneu trop chaud s’usera trop vite donc perdra vite en adhérence.

 

La température du pneu se mesure à 3 endroits différents, c’est-à-dire à l’intérieur, au milieu et à l’extérieur. En effet, le carrossage est quasiment tout le temps réglé en négatif (afin de garder le plus de surface d’appui en courbe), la bande intérieure du pneu est donc plus sollicitée, la température est donc plus élevée dans cette zone et va décroître vers l’extérieur. On accepte entre l’intérieur et l’extérieur un écart maxi de température d’environ 10%.

Il sera difficile (voire impossible sur les tractions) d’obtenir les mêmes valeurs et mêmes écarts sur les 4 roues (les circuits tournent plus souvent dans un sens que dans l’autre), mais dites-vous que l’objectif sera de s’en approcher le plus possible afin d’atteindre le meilleur rapport performance/endurance.

L’intérieur du pneu surchauffe :


Diminuer le carrossage
et/ou agir sur le pincement/ouverture en fonction
du train et de votre réglage

Le milieu du pneu surchauffe :


Diminuer la pression du pneumatique

 

Tout le pneu surchauffe :out le pneu surchauffe


Augmenter la pression du pneumatique et/ou
diminuer la rigidité de la détente et/ou diminuer
la rigidité de l’amortissement et/ou diminuer
l’angle de braquage (si pilotage volant)

L’extérieur du pneu surchauffe :

Augmenter le carrossage
et/ou agir sur le pincement/ouverture en
fonction du train et de votre réglage

 

Le milieu du pneu est trop froid :

Augmenter le carrossage
et/ou agir sur le pincement/ouverture en
fonction du train et de votre réglage

 

Tout le pneu est trop froid :


Diminuer la pression du pneumatique
et/ou augmenter la rigidité de la détente et/
ou augmenter la rigidité de l’amortissement et/
ou augmenter l’angle de braquage (si pilotage
volant)

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