Les pneus

1. Un peu d'histoire
2. Structure et fabrication d'un pneu conventionnel

2.1 Le pneu radial

2.2 La bande de roulement

2.3 L'hystérésis

3. Le pneu de Formule 1

3.1 Le pneu pour temps sec

3.2 Le pneu intermédiaire

3.3 Le pneu pluie

3.4 Les roues

3.5 Les câbles d'attachement

3.6 Un week-end de Grand Prix

3.7 Les compagnies de pneumatiques en Formule 1

4. La tenue de route

4.1 Les transferts de charge

4.2 L'effet de la variation de la charge verticale

4.3 Les effets aérodynamiques

5. L'équilibrage des roues

Les pneus en Formule 1 prennent de plus en plus d’importance, à cause des progrès toujours grandissants afin de permettre à cette voiture de gagner constamment du temps, et d’aller de plus en plus vite. Leur importance se situe à permettre ces progrès car le pneu est le seul organe en contact avec le sol. Étant donné qu’ils ont à peu près tous la même forme (à cause de la réglementation de la FIA), c’est dans la composition de la gomme que l’on retrouvera des différences. Bien entendu, un pneu identique réagira différemment selon la conduite du pilote, la conception de la voiture et ses réglages.

Afin d’avoir une bonne idée de ce qu’est un pneu de Formule 1, étudions un peu le développement de cet organe (en général), et voyons un peu en détail sa fabrication.

Nous parlerons aussi de la roue qui se situe à cheval entre le pneu et la suspension, car elle constitue le support qui est essentiel pour l’utilisation des pneus.

1 - 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).

2 - Structure et fabrication d’un pneu conventionnel

Même si les pneus conventionnels et ceux de Formule 1 sont différents, ils sont construits selon une technique similaire. Voyons comment on fabrique un pneu.

Tout d’abord, 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. Ces toiles sont constituées par des cordonnets de section relativement grands, disposés en nappes, sur lesquelles le mélange de caoutchouc est appliqué par calandrage.

La trame est constituée par des fils très fins et éloignés les uns des autres d’autant qu’ils ne supportent aucun effort et qu’ils servent seulement à maintenir en place les cordonnets pendant l’application de la gomme. La fabrication du pneu s’effectue au moyen d’une machine spéciale, constituée par un tambour tournant et expansible radialement, sur lequel on superpose les matériaux en commençant par ceux qui se trouvent le plus à l’intérieur.

Par la suite, on procède à l’enroulement et à la réunion sur le tambour de la feuille de caoutchouc, à la fois aux petites toiles de renforcement des talons et à la toile de la carcasse (les cordonnets sont parallèles à l’axe du tambour si la structure est radiale, ou bien les nappes sont disposées obliquement si la structure est diagonale). Ensuite on procède à la mise en place des tringles, au rabattement des extrémités de la toile autour de ces mêmes tringles, et à la pose de bandes et bandelettes prises dans des feuilles caoutchoutées de qualité différente dans les zones de talon, des flancs et de la bande de roulement.

À ce stade, le futur pneumatique constitue un manchon cylindrique sans cohésion et visqueux. L’étape suivante est la vulcanisation où on procèdera au collage de la bande de roulement sur les toiles de ceinturage et où on fera perdre au mélange de caoutchouc sa plasticité initiale en lui donnant des propriétés élastiques stables.

La vulcanisation en moule se réalise dans des presses spéciales en utilisant l’action combinée de la chaleur et de la pression. Le corps du pneu est chauffé simultanément de l’extérieur (avec de la vapeur circulant à l’intérieur des parois du moule) et de l’intérieur (par de l’eau chaude sous pression contenue dans une membrane de caoutchouc à l’intérieur de l’enveloppe).

Une pression de 15 à 20 atmosphères ou plus, sert à comprimer le pneu de l’intérieur et à l’appliquer contre le moule de façon à ce qu’il puisse prendre la forme, les sculptures et les inscriptions correspondantes. Le temps de vulcanisation varie en fonction des dimensions du pneu, des techniques opératoires et des mélanges utilisés. La température de vulcanisation est en général de 200°C.

2.1 - Le pneu radial

	Phase 1 – L’orifice de sortie d’un malaxeur travail le mélange de gomme par frottement, en le portant à une température de ramollissement de l’ordre de 150°C.
	Phase 2 –  La toile synthétique, tissée de gros fils dans le sens vertical, est imprégnée de caoutchouc et ensuite découpée en bandes transversales d’environ 50 cm de hauteur.
	Phase 3 – Les bandes de toile gommées, simple ou double, sont enroulées sur un tambour jusqu’à ce que l’on obtienne un cylindre aux deux extrémités duquel on pose les talons constitués d’un fil d’acier (tringle) enrobés dans un disque de gomme.
	Phase 4 – Une machine effectue le rabattage et l’adhérisation du talon à la toile.
	Phase 5 – On pose sur les rabats les bandes qui constitueront les gommes de flanc.
	Phase 6 – Le cylindre ainsi obtenu au diamètre de la jante à laquelle il est destiné est transféré sur un tambour de confection équipé d’une membrane gonflable (en rose) qui en se gonflant, déforme le cylindre et augmente son diamètre dans la partie centrale.
	Phase 7 – Le cylindre est serré entre deux matrices qui, forçant contre les talons, les rapproche l’un de l’autre, galbant ainsi la carcasse. Durant le gonflage de celle-ci, les gros fils des toiles s’éloignent les uns des autres.
	Phase 8 – Sur la partie centrale de la carcasse, qui a atteint son diamètre définitif, on applique les toiles métalliques qui constituent la ceinture.
	Phase 9 – La bande qui constituera la bande de roulement est colorée en fonction de la largeur et de l’épaisseur des pneumatiques.
	Phase 10 – Pose de la bande de roulement.
	Phase 11 – Enroulement de la bande de roulement.
	Phase 12 – Adhérisation par galetage de la bande de roulement.
À ce stade, la carcasse est terminée, mais les couches de caoutchouc n’adhèrent les unes aux autres que par contact et elles doivent être vulcanisées. Cette opération terminale consiste à « cuire » le pneumatique dans un moule jusqu’au ramollissement et à la liaison de tous ses composants. Le moule forme également les dessins de la surface de la bande de roulement, ainsi que les inscriptions des flancs.
	Phase 13 – La partie centrale du moule (noyau) est constituée par une boule de caoutchouc déformable, pouvant être gonflée avec de l’eau chaude.
	Phase 14 – Autour de cette boule dégonflée, on installe la carcasse, puis on reconstitue les deux coquilles du moule divisées en secteurs chauffés à la vapeur. On commence alors par gonfler le noyau, puis on procède à la cuisson.
	Phase 15 – Après la réouverture du moule, le pneumatique sera acheminé vers les divers contrôles, afin de constater si le pneumatique est bien construit.

Chaque fabricant confectionne ses pneus de cette façon, mais avec des différences pour tout ce qui concerne le choix des matériaux et la disposition de chacun des éléments constitutifs de la structure. Ces différences sont causées par les caractéristiques particulières exigées par l’utilisation à laquelle est destiné le pneu, comme par exemple si on exige des vitesses basses ou élevées, les charges que subiront ces pneus et le type de terrain sur lequel il doit travailler; et par le niveau de technologie du fabriquant.

Il existe de nombreuses autres différences plus ou moins visibles concernant la matière des toiles, leur nombre, les mélanges et le dessin de la bande de roulement, qui ont aussi une répercussion sur le plan de l’utilisation pratique. Par exemple, la structure radiale peut être confectionnée de diverses manières tout en utilisant les mêmes matériaux. Le produit de chacune de ces combinaisons constitue un pneu particulier qui aura un comportement différent de celui des autres (adhérence, usure, bruit, etc.).

Pour ce qui est de la carcasse, il en existe deux types : à structure métallique et à structure textile. Le choix de l’un ou l’autre dépendra du résultat recherché. La carcasse à structure métallique sera plus résistante et s’échauffera moins, donc il sera plus rigide; ainsi il répondra plus vite aux manœuvres d’un pilote. La carcasse à structure textile est plus molle, il répondra donc moins brusquement aux sollicitations de la direction, et pour une même rigidité, il sera plus lourd que l’autre type et aura l’inconvénient de se déformer plus facilement; par contre, il aura un travail de rupture plus élevé en ce qui concerne la ceinture. Il est à noter qu’en Formule 1 on utilise une carcasse à structure textile et non pas métallique pour un gain en poids et aussi parce que le matériel de la toile permet d’éviter les inconvénients d’une toile textile conventionnelle.

2.2 - La bande de roulement

C’est l’élément distinctif le plus apparent d’un pneumatique car il est en surface. Les éléments fondamentaux sont le mélange et le dessin. Le mélange de la bande de roulement est le fruit de la recherche du meilleur compromis entre la durée, l’adhérence et l’usure, facteurs qui sont souvent en conflit direct les uns envers les autres : un mélange très mou est très adhérent aura une durée de vie plutôt réduite et, en s’échauffant facilement, il s’usera d’une façon irrégulière. Au contraire, un mélange très dur aura une grande résistance à l’usure, mais une adhérence réduite. Ces deux conditions s’appliquent aux pneus d’une Formule 1.

Cependant, ce type de pneu perd toute son adhérence lorsque le sol est détrempé car la bande de roulement ne peut évacuer l’eau. C’est pourquoi on a conçu deux autres types de pneus : le pneu intermédiaire pour un revêtement peu mouillé, et le pneu pluie pour un revêtement détrempé.

Bien entendu, il est facile de changer ses pneus lors d’une course, mais pour une voiture conventionnelle, il faut une bande de roulement avec un dessin approprié pour tout type de température, car il serait inimaginable de devoir changer ses pneus à chaque fois que le temps change, que ce soit chez soi ou sur la route, et aussi, il faudrait emmener avec soit un ou deux autres trains de pneu (4 ou 8 pneus) à l’aide d’une remorque car il n’y a pas de voiture possédant un coffre assez grand pour contenir tout cela.

2.3 - l’hystérésis