Force d'appui - Downforce

Trois styles différents d'ailes avant de trois époques différentes de Formule 1 , tous conçus pour produire une force d'appui à l'avant des voitures de course respectives. De haut en bas : Ferrari 312T4 (1979), Lotus 79 (1978), McLaren MP4/11 (1996)

La force d'appui est une force de portance vers le bas créée par les caractéristiques aérodynamiques d'un véhicule. Si le véhicule est une voiture, le but de l'appui est de permettre à la voiture de rouler plus vite en augmentant la force verticale sur les pneus, créant ainsi plus d' adhérence . Si le véhicule est un avion à voilure fixe, le but de l'appui sur le stabilisateur horizontal est de maintenir la stabilité longitudinale et de permettre au pilote de contrôler l'avion en tangage.

Principes fondamentaux

Le même principe qui permet à un avion de décoller du sol en créant une portance à partir de ses ailes est utilisé en sens inverse pour appliquer une force qui presse la voiture de course contre la surface de la piste. Cet effet est appelé « adhérence aérodynamique » et se distingue de « l'adhérence mécanique », qui est fonction de la masse, des pneus et de la suspension de la voiture. La création d'appuis par des dispositifs passifs ne peut être obtenue qu'au prix d'une traînée aérodynamique (ou frottement ) accrue , et la configuration optimale est presque toujours un compromis entre les deux. La configuration aérodynamique d'une voiture peut varier considérablement d'un circuit à l'autre, en fonction de la longueur des lignes droites et des types de virages. Parce qu'elle est fonction du flux d'air au-dessus et sous la voiture, la force d'appui augmente avec le carré de la vitesse de la voiture et nécessite une certaine vitesse minimale pour produire un effet significatif. Certaines voitures ont eu une aérodynamique plutôt instable, de sorte qu'un changement mineur de l' angle d'attaque ou de la hauteur du véhicule peut entraîner de grands changements dans l'appui. Dans les pires cas, cela peut entraîner une portance de la voiture, pas une force d'appui ; par exemple, en passant sur une bosse sur une piste ou slipstreaming sur une crête: cela pourrait avoir des conséquences désastreuses, comme Mark Webber 's et Peter Dumbreck de Mercedes-Benz CLR dans les 1999 24 Heures du Mans , qui a renversé spectaculairement après avoir suivi de près une voiture concurrente sur une bosse.

Deux composants principaux d'une voiture de course peuvent être utilisés pour créer une force d'appui lorsque la voiture roule à vitesse de course :

La plupart des formules de course interdisent les dispositifs aérodynamiques qui peuvent être réglés pendant une course, sauf lors des arrêts aux stands .

Le plancher en PRFC de la Panoz DP01 ChampCar présente une conception aérodynamique complexe.
Les courbes de dessous de la Panoz DP01 ChampCar .

L'appui exercé par une aile s'exprime généralement en fonction de son coefficient de portance :

où:

  • D est l'appui (unité SI : newtons )
  • W est l' envergure (unité SI : mètres)
  • H est la corde de l'aile (unité SI : mètres) si F est la base de la surface de l'aile, ou l'épaisseur de l'aile si vous utilisez la base de la surface frontale
  • F est le coefficient de portance
  • ρ est la densité de l'air (unité SI : kg/m 3 )
  • v est la vitesse (unité SI : m/s)

Dans certaines plages de conditions d'exploitation et lorsque l'aile n'est pas décrochée, le coefficient de portance a une valeur constante : l'appui est alors proportionnel au carré de la vitesse.

En aérodynamique, il est habituel d'utiliser la surface projetée vue de dessus de l'aile comme surface de référence pour définir le coefficient de portance.

Corps

La forme arrondie et effilée du toit de la voiture est conçue pour fendre l'air et minimiser la résistance au vent. Des pièces de carrosserie détaillées sur le dessus de la voiture peuvent être ajoutées pour permettre un flux d'air fluide pour atteindre les éléments créant l'appui (c'est-à-dire les ailes ou les spoilers et les tunnels de soubassement).

La forme générale d'un tramway ressemble à une aile d'avion. Presque tous les tramways ont une portance aérodynamique en raison de cette forme. Il existe de nombreuses techniques utilisées pour contrebalancer un tramway. En regardant le profil de la plupart des voitures de rue, le pare-chocs avant a la garde au sol la plus faible, suivi de la section entre les pneus avant et arrière, et suivi encore d'un pare-chocs arrière avec généralement la garde au sol la plus élevée. En utilisant cette méthode, l'air circulant sous le pare-chocs avant sera resserré à une section transversale inférieure, et atteindra ainsi une pression inférieure. Une force d'appui supplémentaire provient de l'inclinaison (ou de l'angle) de la carrosserie du véhicule, qui dirige l'air du dessous vers le haut et crée une force vers le bas, et augmente la pression sur le dessus de la voiture car la direction du flux d'air se rapproche de la perpendiculaire à la surface. Le volume n'affecte pas la pression de l'air car ce n'est pas un volume clos, malgré l'idée fausse commune. Les voitures de course illustreront cet effet en ajoutant un diffuseur arrière pour accélérer l'air sous la voiture devant le diffuseur et augmenter la pression d'air derrière pour réduire le sillage de la voiture. D'autres composants aérodynamiques qui peuvent être trouvés sur le dessous pour améliorer la force d'appui et/ou réduire la traînée, comprennent les séparateurs et les générateurs de vortex.

Certaines voitures, comme la DeltaWing , n'ont pas d'ailes et génèrent toute leur force d'appui à travers leur carrosserie.

Profils aérodynamiques

L'ampleur de la force d'appui créée par les ailes ou les spoilers sur une voiture dépend principalement de trois choses :

Une plus grande surface crée une plus grande force d'appui et une plus grande traînée . Le rapport hauteur/largeur est la largeur du profil divisé par sa corde. Si l'aile n'est pas rectangulaire, le rapport d'aspect est écrit AR=b 2 /s, où AR=rapport d'aspect, b=envergure et s=surface de l'aile. De plus, un plus grand angle d'attaque (ou d'inclinaison) de l'aile ou du becquet crée plus d'appui, ce qui exerce plus de pression sur les roues arrière et crée plus de traînée.

L'aileron arrière d'une voiture de Formule 1 de 1998, avec trois éléments aérodynamiques (1, 2, 3). Les rangées de trous pour le réglage de l' incidence (4) et l'installation d'un autre élément (5) sont visibles sur le flasque de l'aile.

Devant

La fonction des profils aérodynamiques à l'avant de la voiture est double. Ils créent un appui qui améliore l'adhérence des pneus avant, tout en optimisant (ou en minimisant les perturbations) le flux d'air vers le reste de la voiture. Les ailes avant d'une voiture à roues ouvertes subissent des modifications constantes au fur et à mesure que les données sont recueillies d'une course à l'autre et sont personnalisées pour chaque caractéristique d'un circuit particulier (voir les photos du haut). Dans la plupart des séries, les ailes sont même conçues pour être ajustées pendant la course elle-même lorsque la voiture est entretenue.

Arrière

Le flux d'air à l'arrière de la voiture est affecté par les ailes avant, les roues avant, les rétroviseurs, le casque du conducteur, les cosses latérales et l'échappement. Cela rend l'aileron arrière moins efficace sur le plan aérodynamique que l'aileron avant. Cependant, parce qu'il doit générer plus de deux fois plus d'appui que les ailes avant afin de maintenir la maniabilité pour équilibrer la voiture, l'aileron arrière a généralement une beaucoup plus grande rapport hauteur/largeur, et utilise souvent deux éléments ou plus pour aggraver la quantité de force d'appui créée (voir photo à gauche). Comme les ailes avant, chacun de ces éléments peut souvent être réglé lors de l'entretien de la voiture, avant ou même pendant une course, et fait l'objet d'une attention et d'une modification constantes.

Des ailes dans des lieux insolites

En partie à cause des règles visant à réduire l'appui des ailes avant et arrière des voitures de F1, plusieurs équipes ont cherché à trouver d'autres endroits pour positionner les ailes. De petites ailes montées à l'arrière des pontons des voitures ont commencé à apparaître à la mi-1994 et étaient pratiquement standard sur toutes les voitures de F1 sous une forme ou une autre, jusqu'à ce que tous ces dispositifs soient interdits en 2009. D'autres ailes ont vu le jour dans divers autres endroits sur la voiture, mais ces modifications ne sont généralement utilisées que sur les circuits où l'appui est le plus recherché, en particulier les circuits sinueux de Hongrie et de Monaco.

La McLaren Mercedes MP4/10 de 1995 a été l'une des premières voitures à disposer d'un "midwing", utilisant une faille dans la réglementation pour monter une aile sur le capot du moteur. Cet arrangement a depuis été utilisé par toutes les équipes sur la grille à un moment ou à un autre, et lors du Grand Prix de Monaco 2007, toutes les équipes sauf deux l'ont utilisé. Ces ailes médianes ne doivent pas être confondues ni avec les caméras montées sur arceau que chaque voiture porte en standard dans toutes les courses, ni avec les contrôleurs de débit en forme de corne de taureau utilisés d'abord par McLaren et depuis par BMW Sauber, dont la fonction principale est de lisser et rediriger le flux d'air afin de rendre l'aileron arrière plus efficace plutôt que de générer eux-mêmes de l'appui.

Une variation sur ce thème était "X-wings", des ailes hautes montées sur le devant des pontons qui utilisaient une échappatoire similaire aux ailes médianes. Ceux-ci ont été utilisés pour la première fois par Tyrrell en 1997, et ont été utilisés pour la dernière fois lors du Grand Prix de Saint-Marin 1998, date à laquelle Ferrari, Sauber, Jordan et d'autres avaient utilisé un tel arrangement. Cependant, il a été décidé qu'ils devraient être interdits en raison de l'obstruction qu'ils occasionnaient lors du ravitaillement en carburant et du risque qu'ils représentaient pour le conducteur en cas de renversement d'une voiture. (On raconte que Bernie Ecclestone les a vus comme trop laids à la télévision et les a donc fait interdire).

Diverses autres ailes supplémentaires ont été essayées de temps en temps, mais de nos jours, il est plus courant pour les équipes de chercher à améliorer les performances des ailes avant et arrière en utilisant divers contrôleurs de débit tels que les "bull-horns" mentionnés ci-dessus. utilisé par McLaren.

Voir également

Lectures complémentaires

  • Simon McBeath, Competition Car Downforce: A Practical Handbook , SAE International, 2000, ISBN  1-85960-662-8
  • Simon McBeath, Aérodynamique des voitures de compétition , Sparkford, Haynes, 2006
  • Enrico Benzing , Ali / Ailes. Progettazione e application su auto da corsa. Leur conception et leur application aux voitures de course , Milano, Nada, 2012. Bilingue (italien-anglais)

Les références

Liens externes