F1, LMH and carbon fibre-reinforced polymer chassis'

Châssis F1, LMH et polymère renforcé de fibres de carbone

En Formule 1 (F1) et en Le Mans Hypercar (LMH) , le châssis est un élément essentiel de la conception globale du véhicule, offrant les caractéristiques de structure, de sécurité et de performance nécessaires. Le châssis doit être léger , rigide et capable de résister à des forces extrêmes , ce qui rend le choix des matériaux crucial. Les polymères , en particulier les matériaux composites avancés, jouent un rôle essentiel dans la construction des châssis de voitures modernes de F1 et de LMH, permettant aux équipes d'équilibrer résistance, sécurité et poids.

Le matériau principal utilisé dans la construction de ces châssis de voitures de course est le polymère renforcé de fibres de carbone (PRFC) , qui est constitué de fibres de carbone intégrées dans une matrice polymère. Le PRFC offre un rapport résistance/poids exceptionnel, ce qui en fait le matériau de choix pour les applications de sport automobile de haute performance. En outre, d'autres polymères sont utilisés dans des domaines tels que les composants de sécurité , les zones d'impact et l'amortissement des vibrations .

Comment les polymères sont utilisés dans la construction des châssis

1. Polymères renforcés de fibres de carbone (PRFC) pour la résistance structurelle

Le matériau principal utilisé dans le châssis des voitures de F1 et de LMH est le CFRP . Ce matériau associe des fibres de carbone à une résine polymère, généralement de l'époxy , pour créer un composite à la fois léger et extrêmement résistant . La combinaison des fibres de carbone (qui apportent de la résistance) et de la matrice polymère (qui lie les fibres et répartit les charges) confère au CFRP un rapport résistance/poids inégalé, ce qui le rend idéal pour une utilisation dans le châssis.

  • Structure monocoque : Les voitures de F1 et de LMH utilisent toutes deux un châssis monocoque , où toute la zone du cockpit est constituée d'une seule coque rigide en PRFC. Cette conception offre une rigidité structurelle supérieure et une protection contre les collisions tout en réduisant le poids au minimum. En F1, le châssis monocoque est la cellule de sécurité centrale qui protège le pilote en cas de collision, et il doit être incroyablement solide tout en restant aussi léger que possible.

  • Résistance et rigidité : Les fibres de carbone du PRFC sont alignées dans des directions spécifiques pour maximiser la résistance dans les zones critiques du châssis. La résine polymère aide à répartir les charges sur toute la structure, évitant ainsi les fractures ou les déformations. Cette combinaison garantit que le châssis peut résister aux fortes contraintes de la course, notamment à l'appui généré par les composants aérodynamiques et aux forces générées lors des virages à grande vitesse.

  • Réduction du poids : Le PRFC est nettement plus léger que les métaux comme l'aluminium ou l'acier, ce qui le rend idéal pour réduire le poids total de la voiture. En course d'endurance et en F1, un châssis léger améliore l'accélération , la maniabilité et le rendement énergétique , autant de facteurs essentiels pour maintenir des performances compétitives sur les longues courses.

2. Sécurité et absorption des chocs

Les polymères jouent un rôle essentiel pour assurer la sécurité des pilotes en cas d'accident. Les voitures de Formule 1 et de LMH sont soumises à des réglementations de sécurité strictes et le châssis doit être conçu pour absorber et dissiper efficacement l'énergie d'impact. En plus de la résistance structurelle fournie par le CFRP, d'autres matériaux à base de polymères sont utilisés dans les zones de collision pour améliorer la sécurité.

  • Structures d'absorption d'énergie : Dans les voitures de Formule 1 et de LMH, des structures de collision en polymères composites sont intégrées à l'avant et à l'arrière du châssis pour absorber l'énergie lors d'un impact. Ces structures sont conçues pour se déformer de manière contrôlée, dissipant la force de l'impact avant qu'elle n'atteigne le pilote. Les composites en fibre de carbone et les polymères renforcés en Kevlar sont souvent utilisés dans ces zones en raison de leurs propriétés d'absorption d'énergie élevées.

  • Zones d'impact : Le nez et les coques latérales de la voiture, qui sont conçus pour absorber l'impact en cas de collision, sont également fabriqués à partir de polymères composites. Ces zones doivent être à la fois légères et capables de résister à des forces importantes. Du Kevlar est parfois ajouté à ces sections pour améliorer la résistance aux impacts violents et empêcher le châssis de se fissurer ou de se briser lors d'un accident.

3. Résistance au feu et caractéristiques de sécurité

La sécurité du pilote est primordiale dans le sport automobile, et la résistance au feu est un élément clé de la construction du châssis et du cockpit. Des polymères résistants au feu comme le Nomex et le Kevlar sont intégrés à la conception pour offrir une protection supplémentaire en cas d'incendie.

  • Revêtement ignifuge du cockpit : Le cockpit est souvent recouvert de Nomex , un matériau polymère très résistant au feu. En cas d'incendie, le Nomex contribue à protéger le conducteur en créant une barrière entre les flammes et son corps, ce qui lui laisse de précieuses secondes pour s'échapper.

  • Zones renforcées en Kevlar : Le Kevlar, une autre fibre aramide comme le Nomex, est utilisé dans les zones du châssis qui nécessitent à la fois une résistance élevée et une résistance au feu. Le Kevlar peut résister à des températures élevées sans se dégrader, ce qui en fait un excellent choix pour les sections du châssis proches du moteur ou de l'échappement, où l'accumulation de chaleur peut être extrême.

4. Amortissement des vibrations

Les voitures de course, en particulier celles conçues pour les épreuves d'endurance comme Le Mans, sont soumises à des vibrations et des contraintes mécaniques constantes lors des longues courses. Ces vibrations peuvent entraîner une fatigue du pilote et endommager les composants sensibles au fil du temps. Des polymères élastomères sont utilisés dans des zones spécifiques du châssis pour réduire les vibrations et améliorer le confort et la durabilité.

  • Bagues et supports en polymère : des élastomères à base de caoutchouc et de silicone sont utilisés dans des domaines tels que les supports de suspension , les supports de moteur et les connexions de boîte de vitesses pour réduire la transmission des vibrations à travers le châssis. Ces polymères offrent de la flexibilité et absorbent les chocs, empêchant le châssis rigide en fibre de carbone de transférer les vibrations directement au conducteur ou à d'autres composants critiques.

  • Réduction du bruit et des vibrations : Des matériaux d'amortissement à base de polymères élastomères sont également utilisés pour réduire le bruit et les vibrations dans l'habitacle. Cela améliore non seulement le confort du pilote pendant les longs relais dans les courses d'endurance, mais protège également les systèmes électroniques contre les dommages causés par les vibrations constantes.

5. Personnalisation et aérodynamisme

Les polymères permettent également de personnaliser et de mouler le châssis pour lui donner des formes aérodynamiques . La flexibilité des composites polymères permet aux ingénieurs de mouler le châssis pour optimiser le flux d'air autour de la voiture, ce qui est essentiel pour maximiser l'appui et réduire la traînée.

  • Sculpture aérodynamique : La flexibilité du moulage des composites en fibre de carbone permet de créer des formes et des caractéristiques complexes dans le châssis, telles que des coques latérales , des prises d'air et des diffuseurs qui améliorent l'aérodynamisme de la voiture. Cela est essentiel pour garantir que les voitures de F1 et de LMH peuvent atteindre des vitesses élevées tout en maintenant une stabilité et des performances optimales dans les virages.

  • Lissage de surface : les polymères offrent une finition de surface lisse qui réduit la traînée aérodynamique, aidant ainsi la voiture à fendre l'air plus efficacement. La matrice polymère du CFRP peut être finement polie pour garantir une perturbation minimale du flux d'air.

Conclusion

Les polymères, en particulier les polymères renforcés de fibres de carbone (PRFC) , sont essentiels à la construction des châssis des voitures de F1 et de LMH, offrant une combinaison inégalée de propriétés de légèreté , de résistance , de rigidité et de sécurité . Ces matériaux permettent au châssis de résister aux forces extrêmes générées lors des courses à grande vitesse tout en offrant une protection essentielle contre les chocs et la résistance au feu. De plus, les polymères tels que les élastomères et les fibres d'aramide comme le Kevlar et le Nomex contribuent à la sécurité, au confort et à la durabilité, garantissant que le châssis fonctionne de manière fiable dans les conditions les plus exigeantes. En utilisant des composites polymères avancés, les fabricants peuvent repousser les limites de la performance et de la sécurité dans le sport automobile moderne.