Formule 1 2009 - 2019 : étude comparée des freins

27/09/2019

 Il y a 10 ans, l’écurie Brawn GP vivait un conte de fée avec des freins Brembo

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La surprise. Voilà ce qui manque à la Formule 1 de ces dernières années, caractérisées par les succès en série de Mercedes et par les victoires sporadiques de Ferrari et Red Bull. Dix ans plus tôt, la situation était bien différente : une écurie en passe d’être démantelée, rachetée pour une livre sterling puis rebaptisée « Brawn GP », parvint à s’adjuger les championnats du monde des pilotes et des constructeurs.

La Formule 1 d’alors était toutefois différente à bien des égards : caractéristiques des moteurs (V8 aspirés de 2,4 litres avec un régime de rotation maximal de 18 000 tours/minute), pneumatiques (Bridgestone), ravitaillements en course, absence de limite de consommation et nombre plus élevé de propulseurs (8 pour toute la saison composée de 17 GP seulement) à la disposition de chaque pilote.

La Formule 1 d’alors était toutefois différente à bien des égards : caractéristiques des moteurs (V8 aspirés de 2,4 litres avec un régime de rotation maximal de 18 000 tours/minute), pneumatiques (Bridgestone), ravitaillements en course, absence de limite de consommation et nombre plus élevé de propulseurs (8 pour toute la saison composée de 17 GP seulement) à la disposition de chaque pilote.

En effet, depuis les années 1980, Brembo fournit ses systèmes de freinage non seulement aux écuries les plus titrées, mais aussi aux « teams » qui, si elles disposent de budgets plus restreints, veulent s’équiper avec les meilleurs freins présents sur le marché. Tel fut précisément le choix de Ross Brawn quand il racheta l’écurie à Honda et définit les caractéristiques que devait présenter la BGP001.​

Ross Brawn avait été séduit par la puissance de freinage et la fiabilité démontrées par les freins Brembo au cours de leurs quinze années de présence en Formule 1, d’abord avec Benetton (1991-1996) puis aux côtés de Ferrari (1997-2006), l’écurie anglo-italienne avec laquelle Brembo remporta deux championnats du monde des pilotes et un championnat du monde des constructeurs. À Maranello, elle s’adjugea six championnats du monde des constructeurs et cinq championnats du monde des pilotes.


 

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Fin 2007, les freins Brembo équipèrent l’écurie Honda, mais ne suffirent pas, à eux seuls, à garantir le succès à la monoplace. L’année 2008 fut particulièrement noire pour l’écurie anglo-japonaise qui ne réalisa en 18 GP qu’un seul podium, en ne s’adjugeant des points que dans quatre courses et en terminant la saison à l’antépénultième place dans le classement des constructeurs, avec seulement 14 points, devant Force India et Super Aguri.

En 2009, Ross Brawn révolutionna l’approche technique dans le design de la voiture, en introduisant un double diffuseur qui assurait une charge aérodynamique exceptionnelle. C’est surtout grâce à cette solution que Brawn GP offrit à Brembo, à la fin de l’année, le 19e championnat du monde des constructeurs et, avec Jenson Button, le 15e championnat du monde des pilotes.

Pour en revenir aux systèmes de freinage Brembo, leur évolution au cours de la dernière décennie a été impressionnante, concernant notamment l’amélioration des performances offertes par les systèmes de freinage Brembo de dernière génération. L’effort accru demandé aux freins est dû, d’une part, à l’augmentation de la vitesse sur le tour des monoplaces actuelles de Formule 1, par rapport aux monoplaces de 2009, d’autre part, à une plus grande capacité à transférer au sol le couple de freinage grâce à l’utilisation de pneus dotés d’une bande de roulement plus large.​

Pour mettre en lumière ces améliorations, nous avons comparé les données des freinages de plusieurs circuits dont le tracé n’a pas changé : GP d’Italie (Monza), GP d’Abou Dabi (Yas Marina), GP de Monaco, GP de Belgique (Spa-Francorchamps) et GP du Brésil (Interlagos).​

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PUISSANCE DE FREINAGE : JUSQU’À +50 % ​


La puissance de freinage signifie la quantité d’énergie dissipée durant un freinage. Cette valeur est celle qui a le plus augmenté au cours de la dernière décennie, comme le confirment les exemples que nous allons vous exposer.

À la Sainte Dévote, le premier virage après le départ du GP de Monaco, qui est parfois le théâtre d’accidents spectaculaires, la puissance de freinage de chaque monoplace de 2009 était de 1 588 kW alors qu’elle a atteint cette année, en moyenne, 2 175 kW. Il s’agit donc d’une augmentation de 37 %.

Des augmentations encore supérieures de la puissance de freinage devraient être enregistrées sur d’autres tracés : en 2009, au premier virage après le départ du GP du Japon, la valeur atteignait un peu plus de 2 000 kW alors qu’elle grimpera cette année à environ 3 000 kW, soit une hausse de 50 %.

DÉCÉLÉRATION : JUSQU’À +23 %


Le recours à des systèmes de freinage Brembo plus performants a également augmenté la décélération à laquelle sont soumis les pilotes. Lors de certains freinages, elle est même supérieure à celle que subissent les astronautes lors de leur retour vers la Terre.
Au Rettifilo, la première chicane de Monza (GP d’Italie), les monoplaces de 2009 assuraient une décélération maximale de 5,1 g alors que les modèles actuels garantissent une valeur de 5,6 g. Il s’agit donc d’une augmentation de 9,8 %, cohérente avec celle de la plupart des virages du championnat du monde.
Il est toutefois possible d’enregistrer de plus fortes variations, comme sur le circuit de Spa-Francorchamps (GP de Belgique). Au freinage de l’Ancien arrêt de bus, la décélération maximale est passée de 5,2 à 5,8 g tandis qu’elle a bondi de 4,3 à 5,3 g à La Source. L’augmentation a été de 11,5 % dans le premier cas et de 23 % dans le second.​

 
 
 

CHARGE SUR LA PÉDALE : JUSQU’À +43 %


Pour exercer une puissance de freinage plus élevée et affronter une décélération supérieure, il est indispensable d’augmenter la charge sur la pédale de frein. Les pilotes d’aujourd’hui sont donc amenés, au moins en ce qui concerne le freinage, à fournir un effort supérieur à celui de leurs collègues de la précédente décennie.

Au virage 11 de Yas Marina (GP d’Abou Dabi) la décélération actuelle est de 223 km/h contre 207 km/h en 2009, mais la charge sur la pédale de frein a augmenté plus nettement encore, passant de 126 kg à 155 kg, soit 23 %. Au virage après le tunnel du GP de Monaco, la charge sur la pédale est passée de 116 kg à 144 kg, soit 19 %.

Par ailleurs, à la chicane du Rettifilo de Monza, la charge sur la pédale est passée de 137 kg en 2009 à 196 kg cette année, soit plus de 43 %. Enfin, au dernier virage avant la ligne d’arrivée du GP de Belgique la charge sur la pédale a augmenté de 30 % en dix ans, en passant de 140,5 kg à 202 kg.​

 
TEMPS DE FREINAGE : JUSQU’À -13,9 %

 

Sur plusieurs tracés, les temps de freinage ne semblent pas très différents de ceux de 2009 : toutefois, le fait de limiter la comparaison au seul temps de freinage, sans tenir compte des vitesses initiales et finales, ne peut qu’induire en erreur.

Au virage 11 de Yas Marina, par exemple, le freinage durait 2,43 secondes il y a dix ans et 2,38 secondes aujourd’hui. Le gain de temps, d’à peine 5 centièmes de seconde, paraît donc presque insignifiant. En réalité, l’écart est bien plus élevé puisqu’en 2009 les monoplaces de Formule 1 perdaient 207 km/h au cours de ce freinage alors que le freinage, au même endroit, fait aujourd’hui chuter la vitesse de 223 km/h. Les monoplaces actuelles perdent donc 16 km/h de plus, mais en moins de temps, ce qui prouve l’augmentation de la puissance de freinage.

Au virage 10 du GP de Monaco, le temps de freinage est passé de 2,60 secondes en 2009 à 2,48 secondes cette année. Au dernier virage du GP de Belgique, la réduction du temps de freinage est plus nette — de 2,71 secondes en 2009 à 2,52 secondes en 2019 — alors qu’aujourd’hui la vitesse perd 218 km/h quand elle ne chutait que de 202 km/h en 2009.

Un calcul rapide montre donc qu’en 2009, au dernier virage du GP de Belgique, la perte de vitesse pour chaque seconde d’utilisation des freins était de 74,5 km/h alors qu’elle atteint aujourd’hui 86,5 km/h. La comparaison entre les 74,5 km/h et les 86,5 km/h fait apparaître ici une amélioration de 13,9 %, plus limitée dans d’autres situations.


 

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DISQUES DE FREIN : DE 300 À 1480 TROUS (+393 %)

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Le disque de frein, que Brembo propose aujourd’hui à l’avant en trois différentes versions — medium cooling avec 800 trous de ventilation, high cooling avec 1250 trous et very high cooling de 1480 trous — est l’un des composants du système de freinage dont l’évolution est visible à l’œil nu.

Au cours de la dernière décennie, le travail de recherche et de développement a permis à Brembo d’augmenter progressivement le nombre de trous et de réduire leurs dimensions : il y a dix ans, en 2009, un disque de Formule 1 comptait environ 300 trous de ventilation.

Trois ans plus tard, leur nombre doublait et passait à 600 trous. L’innovation s’est ensuite poursuivie et, lors du championnat de 2014, certaines monoplaces de Formule 1 ont été équipées de disques qui présentaient plus de 1000 trous de ventilation.

L’augmentation de la surface du disque exposée à la ventilation garantit en effet une dissipation thermique plus efficace et donc une baisse de la température de fonctionnement. Avec les disques en carbone de Formule 1, la température peut parfois atteindre des pics d’environ mille degrés centigrades pendant de très courts instants.

À partir de 2017, la plus forte épaisseur des disques, passée de 28 à 32 mm, a permis d’augmenter encore l’espace réservé aux trous de ventilation, et donc de garantir une nouvelle évolution du système de refroidissement des systèmes de freinage.

Les trous, à présent disposés sur 4 rangées, mesurent 2,5 millimètres de diamètre et sont réalisés un à un grâce à une machine de précision : l’usinage des trous d’un seul disque requiert 12 à 14 heures de travail. À de tels niveaux, la précision est fondamentale : la tolérance d’usinage n’est en effet que de 4 centièmes de millimètre.​​


 

 

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PLAQUETTES : ÉNERGIE DISSIPÉE +10 %


Les plaquettes ont également subi des changements significatifs au cours de la dernière décennie, concernant aussi bien les dimensions que les géométries.

La surface totale de chaque plaquette a augmenté d’un peu moins de 2 % (de 4000 mm à 4070 mm), mais elles sont aujourd’hui plus allongées qu’en 2009, où elles mesuraient 106 x 25 mm, contre 185 x 22 mm en 2019.

Aujourd’hui, les plaquettes doivent évacuer des quantités d’énergie nettement supérieures : il y a dix ans, au Canada, la température des disques à l’épingle (virage 10) atteignait au maximum 908 °C alors qu’elle a dépassé cette année les 1000 °C au même endroit.

Pour pallier ce problème, la recherche sur les formes des plaquettes a fait l’objet d’une recherche encore plus poussée : les plaquettes disposent en effet de trous de ventilation qui sont personnalisés en fonction des exigences de chaque équipe.​

 

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ÉTRIERS DE FREIN : LÉGÈRETÉ +15 %


Au cours des dix dernières années, les étriers de frein ont subi des évolutions partiellement divergentes : si, d’un côté, Brembo a privilégié la simplification des choix sur la piste, elle a, d’un autre côté, accentué la personnalisation du développement en partenariat avec les écuries.
En 2009, il existait des étriers différents en fonction du circuit que devaient affronter les monoplaces ; en revanche, les caractéristiques des étriers ne présentaient pas de différences significatives entre les diverses écuries.
Depuis quelques années, chaque écurie utilise un type d’étrier de frein unique sur tous les circuits de la saison, mais extrêmement personnalisé en fonction des besoins de la monoplace spécifique de l’équipe. Parallèlement, la complexité du développement s’est accrue.
Aujourd’hui, contrairement à 2009, la Formule 1 requiert une profonde personnalisation des systèmes de freinage liée aux différentes solutions de conception de chaque monoplace. Chacune des écuries équipées par Brembo demande un système de freinage de plus en plus élaboré « sur mesure », étroitement intégré au design de la monoplace et sujet à un développement constant tout au long de la saison.​​

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Concernant les étriers de frein, par exemple, l’intégration parfaite avec le système de refroidissement du demi-train (prise d’air, tambour, déflecteurs…) et avec les solutions aérodynamiques étudiées par chaque équipe rend chaque composant unique.

Aujourd’hui, qui plus est, les préférences des pilotes influent sur les différentes combinaisons de rigidité et de poids.
Certaines équipes privilégient en effet des étriers plus légers, parce qu’elles ont besoin de réduire le poids de l’automobile, même si cela entraîne une diminution de la rigidité. D’autres préfèrent avoir plus de rigidité, au détriment de la masse. Dans l’ensemble, le poids des étriers a été réduit de 15 % par rapport à 2009, tandis que l’usinage est aujourd’hui beaucoup plus complexe qu’il y a 10 ans.

 

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Brake by Wire


Enfin, le frein piloté électroniquement (Brake by Wire) représente une autre nouveauté significative de ces dix dernières années.La nécessité de garantir une action de freinage correct à l’arrière, sans les apports de couple provenant des moteurs électriques, a conduit au lancement, lors de la saison 2014, d’un nouvel élément innovant : le frein piloté électroniquement (Brake by Wire ou BBW).

Le système arrière, dans son mode normal d’utilisation, n’est plus actionné directement par le pilote, mais par l’installation hydraulique en haute pression de la voiture (c’est-à-dire celle qui actionne la boîte de vitesses ou la direction assistée), grâce au contrôle de l’électronique qui tient compte, à chaque instant, des apports liés aux deux MGU et de la répartition de freinage choisie par le pilote.

Le système arrière, dans son mode normal d’utilisation, n’est plus actionné directement par le pilote, mais par l’installation hydraulique en haute pression de la voiture (c’est-à-dire celle qui actionne la boîte de vitesses ou la direction assistée), grâce au contrôle de l’électronique qui tient compte, à chaque instant, des apports liés aux deux MGU et de la répartition de freinage choisie par le pilote.​

 


 

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