La suspension active en F1 

La technologie des voitures de F1 est stupéfiante, et ce sport est un vivier d’innovations depuis de nombreuses années. Les voitures modernes sont dotées d’un certain nombre de technologies ingénieuses qui doivent leur développement aux ingénieurs de ce sport, et l’une des principales innovations de la F1 est la suspension active.

En F1, la suspension active est un système qui ajuste activement la suspension de chaque roue afin de garantir une hauteur de caisse optimale et constante. Ce système actif peut être hydraulique ou électronique, et il s’ajuste en fonction des conditions de la piste afin de maximiser les performances aérodynamiques de la voiture.

Cependant, la suspension d’une voiture est un système complexe, et encore plus lorsqu’il s’agit de la suspension d’une voiture de F1 ! Ci-dessous, nous vous expliquons plus en détail ce qu’est la suspension active en F1, et comment elle fonctionne.

Qu’est-ce que la suspension active en F1 ?

La suspension active en F1 est un système électromécanique qui peut ajuster activement la rigidité et la position de la connexion de la suspension à chaque roue. Ce système est capable d’ajuster la hauteur de caisse de la voiture pour assurer une position aérodynamique efficace malgré les différentes conditions autour d’un circuit.

Les bases de la suspension

Pour commencer par les bases, la suspension d’une voiture de F1 est la façon dont le corps de la voiture est attaché aux roues. Les pneus touchent la route, mais la carrosserie de la voiture est surélevée par rapport à la route en raison de la façon dont elle est fixée aux roues. Une certaine liberté de mouvement est nécessaire pour cette fixation, afin de tenir compte des irrégularités de la surface de la piste et du passage des bordures.

À l’inverse, la suspension peut également être considérée comme le mécanisme qui maintient les pneus fermement sur la surface de la piste, en veillant à ce que les pneus offrent une adhérence constante. Cette disposition de la suspension doit maximiser la surface du pneu en contact avec la route lorsque la charge est la plus élevée, c’est-à-dire lorsque la voiture prend un virage.

Dans sa forme la plus simple, la suspension se compose d’un ressort et d’un amortisseur (l’amortisseur dans les voitures routières est communément appelé l’amortisseur). Le ressort absorbe l’énergie en se comprimant lorsque la roue se déplace par rapport à la carrosserie de la voiture, par exemple lorsque la roue recule vers le haut en heurtant une bosse. Cependant, si ce ressort libérait simplement cette énergie, la roue rebondirait sur la route et remonterait.

L’amortisseur dissipe cette énergie en fournissant une force dans la direction opposée et en libérant lentement l’énergie. Cet amortisseur est généralement un cylindre hydraulique contenant un piston, avec une vitesse limitée à laquelle le fluide hydraulique peut se déplacer d’un côté du piston à l’autre, ce qui limite la vitesse à laquelle il peut se déplacer, rendant la suspension plus rigide.

Éléments de la suspension active

La suspension active ajoute certains éléments électroniques intelligents, à savoir plusieurs capteurs, des amortisseurs réglables, un servomoteur pour chaque roue et un ordinateur appelé unité de commande électronique (ECU). Les capteurs détectent les changements dans le mouvement de la voiture et de chacune des roues, envoient ces signaux à l’ECU et, en réponse, utilisent les servomoteurs pour ajuster la rigidité et la position de la suspension.

De cette façon, la suspension peut réagir à la pression sur chaque pneu en ajustant la rigidité de la suspension pour maintenir les niveaux d’adhérence souhaités pour chaque pneu. En outre, elle peut relever ou abaisser l’essieu avant ou arrière.

Attitude de la voiture

Dans le cas d’une suspension standard, lorsqu’une voiture freine avant un virage, elle penche vers l’avant car l’inertie de la voiture déplace le poids vers l’avant sur l’essieu avant et incline le nez. De même, lorsque la voiture accélère et que le poids est transféré sur l’essieu arrière, le nez de la voiture est légèrement relevé par rapport à l’arrière de la voiture. Vous constaterez également ces effets sur votre propre voiture de route.

Lorsque la voiture prend un virage à grande vitesse, le corps de la voiture a un « roulis » naturel vers l’extérieur du virage. Cela est dû à l’inertie de la voiture et aux forces centrifuges qui exercent une pression plus importante sur les pneus situés à l’extérieur du virage, ce qui a pour effet d’enfoncer davantage la suspension que celle des pneus situés à l’intérieur.

De plus, lorsque la voiture passe dans le virage, elle se déplace dans une direction qui n’est pas exactement la même que celle vers laquelle pointe l’avant de la voiture. Cette légère différence est appelée lacet. Ensemble, le tangage, le roulis et le lacet constituent l’attitude d’une voiture – son approche de l’air (et de la route) devant elle.

L’attitude d’une voiture a un impact majeur sur l’efficacité de son aérodynamisme, car elle modifie la façon dont l’air s’écoule sur la voiture lorsqu’elle avance.

Pour la F1, cela signifie que la suspension active peut contrôler la hauteur de caisse de l’avant et de l’arrière de la voiture tout au long du tour, ainsi que l’attitude de la voiture dans les virages et l’ajustement du roulis dans les virages. La suspension active permet donc de maintenir la voiture dans la position la plus efficace sur le plan aérodynamique à tout moment.

Comment fonctionne la suspension active en F1 ?

L’une des principales raisons du développement de la suspension active en F1 est l’aérodynamique à effet de sol.

Qu’est-ce que l’effet de sol ?

L’effet de sol a été découvert et exploité en F1 par Colin Chapman chez Lotus. Il a découvert qu’en concevant la voiture de manière à accélérer l’air sous la voiture à l’aide d’une section Venturi, on pouvait créer une zone de basse pression et aspirer la voiture vers le sol. La carrosserie entière de la voiture fonctionne effectivement comme une aile d’avion inversée, utilisant le flux d’air pour forcer la voiture vers le bas.

Cependant, pour maximiser cet effet, il était important de rendre étanche le flux d’air sous la voiture par rapport à l’air circulant sur les côtés de la voiture. L’écart entre le plancher de la voiture et la surface de la piste était également essentiel pour tirer le meilleur parti de ce flux d’air.

Histoire de la suspension active en F1

La suspension active a en fait été développée séparément par deux équipes différentes. Lotus, le pionnier de l’effet de sol, a été la première équipe de F1 à essayer un système actif sur piste en 1983. L’équipe s’est concentrée sur le contrôle de la hauteur de caisse afin d’optimiser et de contrôler la force d’appui générée par l’effet de sol.

Cependant, leur suspension active n’a pas été utilisée régulièrement et a été utilisée pour la dernière fois en 1987. À cette époque, Williams développait son propre système de suspension active. Le leur était moins axé sur la hauteur constante de la suspension, mais plutôt sur l’efficacité aérodynamique globale. Ils ont expérimenté un système de suspension hydraulique réactif à la fin des années 1980, avant d’essayer un nouveau système entièrement actif au début des années 1990.

C’est en 1993, sur la Williams FW15C, que le système s’est révélé le meilleur, chaque roue étant contrôlée indépendamment par un système électronique. De cette façon, la suspension active pouvait s’adapter et contrer le roulis dans les virages, ou le tangage lors du freinage et de l’accélération.

En fait, la voiture pouvait être « entraînée » en fonction de chaque circuit. Elle pouvait être programmée avant une course pour anticiper les ajustements qui seraient nécessaires pour le prochain virage du circuit. Cela rendait la voiture incroyablement stable – et une plus grande stabilité permet de réaliser des temps au tour plus rapides.

Suspension active vs suspension passive

La suspension actuelle en F1 est un système entièrement passif. Il se compose de bascules, de barres de torsion et d’amortisseurs. Le balancier convertit le mouvement vertical de la roue en un mouvement rotatif et angulaire.

Le « ressort » qui absorbe cette énergie est en fait une barre de torsion – une barre métallique maintenue fixe à une extrémité qui se tord avec le mouvement de rotation du balancier. La barre de torsion emmagasine cette énergie de rotation et la restitue lorsqu’elle ramène la bascule à sa position zéro.

Un amortisseur est relié à la bascule pour ralentir ce mouvement et dissiper l’énergie associée. L’amortisseur est un cylindre hydropneumatique, c’est-à-dire un cylindre qui contient à la fois de l’air compressible et un liquide incompressible.

Un autre élément de la suspension passive actuelle est la barre antiroulis. Celle-ci relie les deux roues de part et d’autre d’un essieu, afin de limiter le déplacement de chaque roue par rapport à l’autre. En d’autres termes, si le pneu avant gauche se déplace légèrement vers le haut, la barre antiroulis déplacera également l’avant droit vers le haut. Cela permet de contrer le roulis de la voiture dans un virage, d’où son nom.

Suspension à tirants et suspension à poussoirs

La liaison de chaque roue au balancier à l’intérieur de la carrosserie est assurée par une tige de traction ou une tige de poussée. La différence entre les deux est la disposition géométrique du moyeu de roue par rapport à la suspension de la carrosserie. Les tiges de poussée sont montées plus haut sur la carrosserie par rapport au moyeu de roue et « poussent » les culbuteurs. Les tiges de traction sont montées plus bas et « tirent » les culbuteurs.

Les voitures de F1 (depuis 2009) sont généralement équipées d’une suspension à poussoir pour l’essieu avant et à tirants pour l’essieu arrière, car cette géométrie favorise généralement l’écoulement de l’air sur les éléments aérodynamiques de la voiture.

Toutefois, il ne s’agit que d’une généralisation : pour la saison 2022, McLaren et Red Bull ont toutes deux utilisé une suspension à tirants pour l’essieu avant, et McLaren est même passée à une suspension à poussoirs pour l’essieu arrière. Ces différences dans l’agencement de la suspension étaient une autre tournure intéressante de la variation des voitures dans le cadre du règlement 2022.

Les avantages de la suspension passive

Les avantages de la suspension active sont alléchants depuis que ses avantages ont été démontrés si clairement en 1993, avant d’être interdits. Cependant, les équipes de F1 ont trouvé des moyens astucieux d’utiliser des éléments de suspension passive pour tenter d’extraire certains des avantages de la suspension active. Cela a donné lieu à des arrangements hydrauliques incroyablement complexes.

La suspension FRICS en F1

Le système FRICS de la saison 2014 en est un exemple. FRICS est l’abréviation de Front Rear InterConnected Suspension. Dans ce système, la suspension de l’essieu avant était reliée hydrauliquement à la suspension de l’essieu arrière.

De façon simple, cela signifie que, lorsqu’une voiture freine et qu’elle tangue vers l’avant, la pression supplémentaire sur la suspension de l’essieu avant peut être traduite en une pression supplémentaire au niveau de la suspension de l’essieu arrière, poussant l’arrière de la voiture plus bas et compensant le tangage.

Dans les arrangements complexes, les roues individuelles étaient reliées de différentes manières aux autres roues par un système hydraulique, la réaction relative des roues étant contrôlée par des valves de contrôle du débit du fluide hydraulique qui les reliait. Véritables ordinateurs mécaniques, ils étaient presque capables d’être préprogrammés mécaniquement en fonction de chaque circuit.

Là encore, l’objectif principal de cette suspension était d’influencer l’attitude de la voiture pour maximiser l’efficacité aérodynamique. Ce système a donc été interdit à la fin de la saison 2014 car il était considéré comme un dispositif mobile dans le but d’influencer l’aérodynamique. Le règlement stipule désormais expressément que la suspension de l’essieu avant doit être totalement indépendante de celle de l’essieu arrière.

La suspension active est-elle autorisée en F1 ?

La suspension active n’est pas autorisée en F1. Le règlement de la Formule 1 fait des efforts considérables pour s’assurer que seuls les systèmes de suspension conventionnels et passifs sont utilisés. La suspension active a été interdite en F1 pour la saison 1994.

Parmi les détails de ces restrictions, citons que « tout dispositif motorisé capable de modifier la configuration ou d’affecter les performances de toute partie d’un système de suspension est interdit. Aucun réglage ne peut être effectué sur un système de suspension lorsque la voiture est en mouvement ».

Autoriser le retour de la suspension active en F1 permettrait une aérodynamique hautement optimisée (« peakier »), qui aurait une plus grande perte de vitesse dans des conditions non idéales. Cela irait à l’encontre de l’esprit du règlement de 2022, qui exige que l’aérodynamique des voitures soit aussi peu affectée que possible afin que les voitures puissent suivre de près avec une baisse de performance minimale.     

Pourquoi la F1 a-t-elle interdit la suspension active ?

La F1 a interdit la suspension active en 1994 parce que les voitures étaient jugées trop dépendantes des aides à la conduite. La suspension active a également été interdite en raison de l’augmentation des coûts de développement de la technologie, ainsi que pour des raisons de sécurité, car les voitures pouvaient devenir imprévisibles dans de mauvaises conditions.

La suspension active a été interdite dans les règlements de la F1 après la saison 1993. Le raisonnement a beaucoup à voir avec le contexte du sport à l’époque. Il est largement reconnu que les voitures de la saison 1993 étaient les voitures de F1 les plus avancées technologiquement. Pour être plus précis, il s’agissait des voitures qui possédaient le plus de technologies électroniques pour l’époque, intégrées dans le fonctionnement de la voiture.

La Williams FW15C était un exemple parfait de l’apogée des aides électroniques au conducteur en 1993. Elle était équipée d’un contrôle de traction, d’une boîte de vitesses semi-automatique, d’une suspension active et de freins antiblocage (ABS).

Il y avait même un bouton « push-to-pass », qui utilisait la suspension active pour abaisser l’arrière de la voiture afin de réduire la traînée de l’aileron arrière et de caler le diffuseur (réduisant encore plus la traînée), permettant une vitesse de pointe plus élevée sur les lignes droites. Ceci, associé à une augmentation temporaire de 300 tours par minute du régime maximal du moteur, a facilité les dépassements.

Il est clair que toutes les commandes électroniques intelligentes de la voiture la rendent beaucoup plus facile à conduire.

Suppression des aides

Dans le contexte de cette époque du sport, il était temps de se débarrasser des ordinateurs qui rendaient le travail du pilote relativement facile – les ordinateurs qui géraient de manière surhumaine toutes les parties délicates. En excluant l’utilisation d’un grand nombre de ces technologies numériques, le contrôle et la responsabilité étaient fermement remis entre les mains des pilotes.

L’objectif était également de réduire les coûts. La FW14B était déjà dominante en 1992, mais l’écart avec le reste du peloton n’a fait que croître en 1993 avec les perfectionnements apportés à la FW15C. Les autres équipes auraient été obligées de développer leurs propres systèmes électroniques complexes pour pouvoir rivaliser. L’interdiction visait à éviter les énormes sommes d’argent que cette course au développement aurait coûté à chaque équipe.

Raisons de sécurité

En outre, la suspension active a permis de maintenir l’attitude de la voiture dans une petite fenêtre optimale. Cela signifie que l’aérodynamique a été conçue pour être beaucoup plus « maximale », c’est-à-dire pour fournir une efficacité aérodynamique maximale dans une petite fenêtre de conditions, sans tenir compte de la nécessité d’avoir des niveaux raisonnables d’appui dans d’autres scénarios non idéaux.

Les niveaux d’appui élevés permettaient des vitesses de passage en courbe plus élevées. Cela a introduit un risque de sécurité, car si, pour une raison quelconque, la voiture n’était pas maintenue dans cette étroite fenêtre qui lui permet de fonctionner au maximum de ses performances, l’appui aérodynamique diminuerait, et la voiture se comporterait de manière imprévisible ou quitterait tout simplement la piste.

La suspension active résoudrait-elle le problème du marsouinage en F1 ?

La suspension active est redevenue un sujet populaire depuis que l’effet de sol a été réintroduit dans le règlement technique 2022. L’aérodynamique de l’effet de sol a introduit un effet néfaste appelé marsouinage, et la suspension active semble pour beaucoup être la solution la plus simple au problème.

Qu’est-ce que le marsouinage ?

Le marsouinage ou porpoising est le rebondissement rapide de l’arrière d’une voiture de F1, en particulier sur les lignes droites. Il s’agit d’une conséquence indésirable du retour de l’aérodynamique à effet de sol dans les F1 de 2022. Le plancher de la voiture crée une force descendante importante vers l’essieu arrière, comme il est conçu pour le faire.

Cependant, lorsque la voiture roule en ligne droite, les niveaux d’appui générés rapprochent l’arrière de la voiture de la piste. Lorsque l’écart entre le plancher et la piste est trop faible, le flux d’air sous la voiture se bloque. L’air qui se bloque entraîne une perte soudaine d’appui et la voiture se redresse. Cela rétablit le flux d’air le long du plancher, générant à nouveau la force d’appui.

Cela provoque une oscillation rapide de l’arrière de la voiture. Ces oscillations sont appelées porpoising car elles rappellent la nage d’un marsouin, qui monte et descend dans l’eau. Le marsouinage crée de véritables problèmes de fiabilité pour les voitures, en raison des vibrations de la carrosserie et des chocs de l’arrière de la voiture sur la piste. Il rend également les voitures incroyablement inconfortables pour les pilotes.

L’une des raisons pour lesquelles les voitures de la série 2022 sont confrontées à ce problème est qu’il est très difficile de reproduire cet effet dans une soufflerie ou une simulation.

La suspension active résoudrait-elle le problème de marsouinage ?

La suspension active résoudrait le problème du marsouinage, car elle permettrait à la voiture de maintenir une hauteur fixe au-dessus de la surface de la piste, même en cas de force descendante accrue. Cette hauteur constante empêcherait le plancher d’être aspiré vers le sol, ce qui garantirait que le flux d’air sous la voiture ne décroche pas.

Cependant, la suspension active présente également des inconvénients. Elle ajouterait du poids aux voitures, qui sont déjà les plus lourdes de l’histoire du sport. Le poids des voitures n’a cessé d’augmenter depuis 2009.

Le coût de la suspension active

En outre, cela augmenterait les coûts. Si la suspension active était à nouveau autorisée en 2022, chaque équipe devrait développer son propre système sur mesure. On prévoit qu’il faudra au moins un an, voire deux, pour intégrer un système prêt pour la course dans les voitures. La course au développement entraînerait invariablement des coûts supplémentaires, ce qui va à l’encontre de la philosophie du plafonnement des coûts récemment introduit.

Il a été suggéré de fournir un système standardisé « spec », que toutes les équipes seraient tenues d’utiliser. Cependant, étant donné les nombreuses différences dans l’aérodynamique de chaque voiture, sans parler du fait que McLaren et Red Bull utilisent des suspensions à tirants plutôt que des suspensions à poussoirs pour leurs essieux avant, l’incorporation d’un système standard aurait des répercussions importantes.

Dans le temps qu’il faudrait pour incorporer une suspension active (qu’elle soit sur mesure ou spécifique), les ingénieurs de chaque équipe auraient probablement maîtrisé le problème du marsouin dans le cadre des règlements existants, à moindre coût et sans poids supplémentaire.

Quelles sont les autres solutions au problème du marsouinage ?

La suspension active n’est pas la seule solution pour résoudre le problème du « porpoising ». Les équipes de F1 disposent encore d’un certain nombre de solutions pour réduire le problème. Malheureusement, les plus simples d’entre elles entraînent une perte importante d’appui aérodynamique, c’est pourquoi les équipes font preuve de prudence.

Une méthode simple pour combattre le marsouin consiste à faire rouler la voiture avec une certaine inclinaison, c’est-à-dire que l’arrière de la voiture est plus haut que l’avant. Lorsque l’importante force d’appui générée par le plancher agit vers l’essieu arrière, la hauteur de caisse plus importante à cet endroit empêche le bas de la voiture d’être trop près de la route. Toutefois, ce réglage entraîne une certaine perte de performances.

Il existe quelques astuces astucieuses qui peuvent être incorporées dans la conception des planchers pour aider. L’une d’entre elles consiste à créer des tourbillons sur les bords extérieurs du plancher qui « scellent » le flux d’air sous le plancher, réduisant ainsi la force d’appui perdue en augmentant la hauteur de caisse. Une autre astuce consiste à inclure des fentes ou des découpes dans des zones stratégiques du plancher qui empêchent le flux d’air sous la voiture de caler.

Renforcer le plancher en le fixant à des points supplémentaires à l’aide de barres d’étai peut également réduire le portage. Les barres d’étai supplémentaires réduisent la déviation du plancher vers la route en cas de force descendante maximale.

La F1 utilise-t-elle l’aéro actif ?

La F1 n’autorise pas l’utilisation de l’aéro actif. L’utilisation d’une carrosserie mobile ou flexible est spécifiquement exclue en F1 par le règlement actuel. Cependant, techniquement, la F1 dispose d’un système d’aérodynamisme actif – dans le volet DRS que les pilotes utilisent sur les lignes droites pour dépasser les autres voitures plus facilement.

Alors que la suspension active concerne uniquement le système de suspension de la voiture, l’aérodynamique active affecte la façon dont la voiture manipule le flux d’air sur et sous elle. La F1 a spécifiquement pour objectif d’empêcher l’utilisation de dispositifs aérodynamiques mobiles. Cependant, il y a eu quelques controverses liées au contournement de la lettre de la loi en ce qui concerne les dispositifs aérodynamiques mobiles – c’est la F1 après tout !

Au cours de la saison 2010, le F-duct a fait couler beaucoup d’encre. Il s’agissait d’un dispositif utilisé par McLaren pour diriger l’air vers l’aileron arrière afin de le caler (essentiellement pour qu’il cesse de produire de la force descendante), réduisant ainsi considérablement la traînée et augmentant par conséquent la vitesse de pointe.

La clé est que ce dispositif était activé par le conducteur qui recouvrait un conduit avec son genou ou sa main, restant ainsi « légal » car les mouvements du conducteur n’étaient pas réglementés – pour le moment. Pour 2011, tout système « qui utilise les mouvements du conducteur comme moyen de modifier les caractéristiques aérodynamiques de la voiture » est interdit.

Ailerons flexibles

Les ailerons flexibles qui se déforment sous la charge sont un autre domaine où les équipes ont essayé à plusieurs reprises d’obtenir un avantage aérodynamique. Plus récemment, en 2021, l’aileron arrière de Red Bull a fait l’objet d’un tollé parce qu’il semblait pivoter pour réduire la traînée en cas de charge extrême sur les lignes droites.

De même, on a accusé le volet de l’aileron arrière de Mercedes de fléchir sous la charge. Cela a conduit à un incident tristement célèbre lors du Grand Prix de São Paulo 2021, où Max Verstappen a reçu une amende de 50 000 euros pour avoir touché l’aile arrière de Lewis Hamilton alors que la voiture se trouvait dans le Parc Fermé.

La voiture d’Hamilton allait ensuite échouer aux contrôles techniques pour avoir un trop grand espace entre les deux éléments de l’aile arrière (mais pas à cause du contact de Verstappen). En conséquence, Hamilton a été exclu de la séance de qualification du vendredi, ce qui l’a essentiellement forcé à partir du fond de la grille pour la qualification du sprint du samedi. Malgré cela, Hamilton allait remporter la course le dimanche.

La F1 utilisera-t-elle l’aérodynamisme actif à l’avenir ?

L’aéro actif (autre que le DRS) a été interdit pendant une si grande partie de l’histoire de la F1 que l’on ne s’attend pas à ce qu’il soit un jour légal. Cependant, la F1 a déclaré qu’elle prévoyait d’autoriser l’aéro actif dans le cadre de futurs changements de réglementation. L’objectif principal de la mise à jour des règlements sera alors de réduire l’empreinte carbone du sport, afin de respecter l’engagement de la F1 à être neutre en carbone d’ici 2030.

L’aérodynamique active est prévue pour l’avenir afin de réduire la traînée des voitures tout en conservant la même force d’appui dans les virages. Cela devrait permettre d’économiser jusqu’à un tiers du carburant utilisé pendant une course. Cependant, la F1 n’a pas encore donné plus de détails sur l’étendue de l’aéro actif qu’elle prévoit d’autoriser.

Conclusion

La suspension active en Formule 1 est un système de suspension qui ajuste automatiquement la suspension de chaque roue afin de maintenir la hauteur de caisse et l’assiette de la voiture constante. Ce système s’appuie sur des ordinateurs pour contrôler la suspension en fonction des conditions de la piste, afin d’optimiser les performances de la voiture.