Les technologies de la course dans nos voitures - L'aérodynamisme

À une certaine époque, la mécanique et l’électronique étaient les deux éléments clés de la course automobile. Aujourd’hui, il faut immanquablement ajouter l’aérodynamisme à cette liste. D’ailleurs, les écuries de F1 travaillent activement à l’amélioration du coefficient de pénétration (Cx) et à l’augmentation de l’appui aérodynamique. En plus d’améliorer les temps et la vitesse de pointe, un meilleur aérodynamisme permet d’obtenir une plus grande autonomie et donc de ravitailler moins souvent. Sur nos voitures de série, on cherche également à améliorer l’aérodynamisme, mais dans ce cas, on le fait principalement pour abaisser la consommation d’essence.

Puissance limite

Évidemment, pour atteindre des chiffres de consommation moins élevés, il serait facile de diminuer la cylindrée de nos motorisations. Mais dans bien des cas, elle se trouve déjà au niveau minimal et l’abaisser d’avantage pourrait nuire à la sécurité des occupants en plus d’être insuffisant pour vaincre la friction de l'air. Car au-dessus de 90 km/h, une grande partie de la puissance sert à compenser cette friction de l'air que doit combattre la voiture pour maintenir sa vitesse.

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Sur un petit véhicule, on remarque souvent cet effet désagréable lorsque la transmission automatique rétrograde constamment à une vitesse inférieure pour dégager plus de puissance du moteur et maintenir la vitesse demandée. Une autre façon de dégager plus de puissance consiste à augmenter la cylindrée de la motorisation. Ce faisant, on augmente également le poids du véhicule, il faut alors plus de puissance pour compenser, et on revient au point de départ où l’on demande plus de puissance.

Pour éviter de tomber dans ce cercle vicieux, une solution consiste à diminuer le coefficient de pénétration (Cx) de la voiture. Idéalement, on doit tenter également d’éliminer au maximum les turbulences à l’arrière qui agissent comme un aspirateur et qui ralentissent le véhicule. On doit donc fendre au maximum l’air à l’avant et disperser au maximum l’air à l’arrière. Ce sont deux principes fondamentaux de l’aérodynamisme.
En F1, plusieurs technologies ont été expérimentées au fil du temps. En ce moment, trois innovations permettent de gagner des km/h et d’augmenter l’autonomie de la voiture. Il s’agit du diffuseur soufflé, du double diffuseur et de l’aileron arrière mobile.

Le diffuseur soufflé (Blown diffuser)

Le diffuseur soufflé est en fait un aileron spécialement conçu et placé à l’arrière du véhicule, tout juste après les embouts d’échappement, au bas du véhicule (photos 2 et 3). Il est fait de carbone et utilise le flot d’air engendré par les gaz d'échappement pour donner plus d'appui au train arrière, et donc, une performance accrue pour le véhicule de course, même lorsque le pilote lève le pied de l'accélérateur à l’approche des virages.

Le diffuseur soufflé, interdit pour le dernier Grand Prix de Grande-Bretagne de Formule 1 pour des raisons de sécurité, sera autorisé jusqu'à la fin de cette saison, a confirmé la Fédération internationale de l'automobile. Il sera vraisemblablement banni totalement pour la saison 2011-2012 car jugé trop dangereux sous sa forme actuelle. Il est cependant fort probable que ce genre d’appui aérodynamique soit de retour très rapidement, une fois mis au point et sécuritaire.

Sur nos voitures de production, ce type d’aileron ne sera probablement jamais offert sous sa forme actuelle. Quelques fabricants proposent cependant des diffuseurs au bas du pare-choc arrière afin améliorer le flot d’air mais aucun ne se trouve après les embouts d’échappement. De plus, à des vitesses inférieures à 100 km/h, ce type d’aileron n’est pas très efficace.

Double diffuseur (F-duct)

Le double diffuseur (F-duct pour les initiés de la F1) permet de gagner des km/h en ligne droite en régulant mieux le flux d’air à l’arrière de la voiture (photos 4 et 5). Dans sa forme actuelle en F1, ce système n’est pas automatisé et c’est le pilote qui agit sur une entrée d'air à l'avant de la voiture afin de faire ressortir le flux d’air à l’arrière de manière à disperser la turbulence provoquée par l’aileron arrière. Certains pilotes activent le système avec leur genou alors que pour d’autres c’est en utilisant le dos de leur main gauche. Bref, en éliminant une grande partie de la turbulence, il est possible de diminuer l’effet de succion sous la voiture et ainsi augmenter la vitesse de pointe du bolide. Élaboré en 2010, le principe du double diffuseur a été adopté par l'ensemble des écuries cette saison.

Dans nos voitures de production, le but premier n’est pas d’augmenter la vitesse de pointe. En fait, l’idée principale est de limiter au maximum la turbulence pour éviter de « ralentir le véhicule » par cet effet de succion. On applique déjà ce principe en dotant certaines voitures d’aileron. Dans certains cas également, la présence de l’aileron sert autant à limiter les turbulences qu’à éviter que la pluie, la neige et la poussière ne collent à la voiture et la lunette arrière. Toutefois, on voit mal comment le procédé dans sa forme actuelle en F1 pourrait être appliqué sur nos voitures de série. La question des coûts de développement se pose puisque le gain n’est pas très élevé, surtout en conduite urbaine.

Aileron arrière mobile (Movable rear wing)

L'aileron arrière mobile est apparu sur les voitures de F1 en 2011 (photos 6 et 7). Il permet de réduire les effets de turbulence lors des dépassements. Ce phénomène de turbulences est directement proportionnel à la vitesse de la voiture (plus elle va vite, plus les turbulences sont importantes). Comme la turbulence a un effet de retenue sur la voiture, il est primordial de l’éliminer le plus possible en diffusant mieux le flux d’air, comme on l’a vu précédemment avec le diffuseur soufflé. Dans le cas de l’aileron arrière mobile, c’est également le pilote qui activera cet aileron avec un bouton au volant lui permettant de régler la distance entre les deux ailerons arrière.

En effet, l'augmentation de la taille de la fente entre les 2 parties de l'aileron (entre 10 et 50mm) provoque une diminution de la traînée et augmente la vitesse maximale entre 5 et 15 km/h selon la longueur de la ligne droite. L'aileron pivote à l'aide d'un mécanisme électrique ou hydraulique qui soulève la partie avant du volet, appelé bord d'attaque, qui pivotera selon un point arrière, situé près du bord de fuite. L'aileron reprend sa position initiale lorsque le pilote appuie sur les freins. Mais l’utilisation de ce système est restreint puisque la FIA doit d'abord envoyer un signal au pilote afin de lui permettre cette manœuvre. Par exemple, on ne peux l'utiliser à l'intérieur des 2 premiers tours d'une course ou d'une relance et la position d'ouverture pourra varier selon le circuit. De plus, le pilote qui veut doubler doit être à l'intérieur de la seconde d'écart avec celui qui le précède.

Sur nos voitures, la présence d’un aileron arrière mobile permettrait surtout d’éliminer la trainée arrière qui retient la voiture à grande vitesse. De cette manière, la consommation de carburant pourrait diminuer sensiblement, surtout par forts vents sur l’autoroute. Mais encore une fois, une telle pièce mobile se doit d'être efficace et fiable, même en hiver. Il reste du développement à faire à ce niveau.

Calandre ajustable

Toute cette recherche sur l’aérodynamisme par les équipes de course a permis cependant d’aboutir à des techniques simples et concrètes pour nos voitures de tourisme.

Outre les designs de carrosserie qui ont pris des allures de plus en plus aérodynamiques (la nouvelle Hyundai Elantra et la Toyota Prius pour ne nommer que celles-là), le premier signe d’une sérieuse métamorphose dans le domaine aérodynamique automobile est l’arrivée en 2012 des grilles de calandre avec volets actifs. Ce nouveau mécanisme est offert actuellement sur la Chevrolet Cruze ECO et sur la gamme Focus de Ford.

Le système de volets sur la Cruze ECO se trouve au bas de la calandre, sous le pare-choc (photo 8). Ces volets sont automatisés et se referment à plus de 40 km/h afin de donner plus d'aérodynamisme à la voiture, question d'économiser un peu de carburant. Les volets sont activés par des capteurs de pression. À basse vitesse, les volets restent ouverts pour améliorer la ventilation du moteur. À mesure que la voiture accélère, les volets se ferment et réduisent la résistance aérodynamique de 1,6% selon GM. Le constructeur souligne que sans ce gadget, la Cruze Eco consmmerait 5,98 litres aux 100 km, et non pas 5,88 litres aux 100 km. Comment ces volets se comporteront en hiver? Seul un essai routier le démontrera!

Chez Ford, le système est similaire (photo 9). Ford mentionne que pour réduire la résistance de l’air, tous les modèles Focus comprennent un obturateur actif de calandre qui s’ouvre et se ferme automatiquement pour contrôler la quantité d’air qui entre dans le compartiment moteur. Ce dispositif à commande électronique régule la circulation de l’air dans le radiateur et le compartiment moteur afin de réduire la traînée aérodynamique, d'abaisser la consommation de carburant et d'améliorer les performances de montée en température par temps froid.

Et la suite...

Avec la hausse du prix du carburant, on comprend alors que le domaine de l’aérodynamisme est en forte ébullition et le sera pendant plusieurs années encore. Plusieurs améliorations techniques permettent d’augmenter la fluidité de la voiture, entre autre avec une hauteur de caisse abaissée pour aider à améliorer flux d'air autour. Et tout ceci dans le seul but d’économiser du carburant. Avec la venue prochaine des systèmes de récupération d’énergie au freinage, la voiture de demain consommera beaucoup moins qu’avant. Mais mieux que toute amélioration au Cx ou à la carrosserie, c'est la baisse de la vitesse qui permet les améliorations de consommation les plus notables.