Qu’est-ce qu’une monocoque ?

Le mot monocoque est un mot français qui signifie cellule unique. Monocoque est dérivé des mots grecs : “mono” pour unique et “coque” pour cellule. En Formule 1, le terme monocoque fait référence à la “cellule de survie” qui protège le pilote de la voiture de Formule 1.

En Formule 1, un châssis monocoque est une structure à coque unique qui intègre le cockpit et les éléments porteurs principaux en une seule unité rigide. Construit principalement à partir de composites en fibre de carbone, il offre un rapport résistance/poids exceptionnel, crucial pour la sécurité du pilote et l’efficacité aérodynamique.

Contrairement aux châssis traditionnels de type échelle ou treillis, la conception monocoque répartit uniformément les forces d’impact, renforçant l’intégrité structurelle et la protection contre les collisions.

Imposées par la FIA, les monocoques modernes de F1 sont soumises à des tests de crash intensifs pour répondre à des réglementations de sécurité strictes tout en optimisant la dynamique du véhicule et la rigidité en torsion.

Qu’est-ce qu’une monocoque de F1 ?

Avec l’amélioration des moteurs et des vitesses des voitures de Formule 1, les incidents ont également augmenté sur les pistes. Le risque pour les pilotes, les officiels et les spectateurs s’accroissait. Les blessures et les décès ont également augmenté, soulignant les dangers pour les personnes impliquées dans un Grand Prix. La FIA et les constructeurs ont décidé de rendre les voitures aussi sûres que possible. L’objectif était de minimiser les risques pour les pilotes en limitant les dégâts causés par un impact et en réduisant au minimum les débris résultant d’un incident. Cette démarche visait à améliorer considérablement la sécurité des acteurs de la course.

Le concepteur et patron de l’équipe Lotus, Colin Chapman, fut le premier à utiliser une monocoque dans une voiture de F1. Traditionnellement, on utilisait un châssis tubulaire en aluminium. Chapman a utilisé une coque métallique légère rivetée dans la Lotus 25 en 1962. Ce fut la première utilisation d’une monocoque en F1. L’expérience s’est révélée très réussie. Les autres équipes ont suivi son exemple et ont ainsi commencé à expérimenter divers matériaux pour construire une monocoque.

En 1981, McLaren a introduit une cellule de sécurité en fibre de carbone dans sa voiture de F1. Lotus a commencé la recherche sur des composites à base de carbone et de résine renforcée au kevlar. Ils ont utilisé une méthode de “coupe et pliage” en remplacement des plaques en aluminium pré-liées. En 1983, McLaren dévoile la MP4/1C, première voiture de F1 avec une monocoque moulée en fibre de carbone. Le mérite de la conception revient à l’ingénieur en chef de McLaren, John Barnard. Bien que la voiture ait initialement été propulsée par un moteur Ford, McLaren s’est ensuite tourné vers Porsche. Hercules Aerospace a fabriqué la première monocoque pour McLaren.

Comment fabrique-t-on une monocoque ?

Les premières monocoques étaient fabriquées à partir de deux moules mâles. McLaren utilisait des couches alternées de fibre de carbone entrecoupées d’alvéoles en alliage. Lotus utilisait des feuilles composites de fibre de carbone pliée superposées. Les deux moules étaient collés ensemble aux cloisons pour former la monocoque. L’utilisation de moules mâles entraînait une surface extérieure rugueuse, mais permettait de positionner avec précision les points de fixation de la suspension. Le châssis était solide et absorbait bien les impacts.

Les composites en fibre de carbone se sont révélés très résistants, ce qui a conduit toutes les équipes à adopter ce matériau pour construire les monocoques.

En 1983, l’équipe ATS a expérimenté une nouvelle méthode de fabrication, utilisant un moule femelle pour produire les deux moitiés de la monocoque, donnant une finition extérieure bien plus lisse. Grâce à cette surface nette, ATS a pu supprimer la carrosserie externe, allégeant ainsi la voiture. Ferrari a rapidement suivi cette technique avec la 126C3, dotée d’un châssis entièrement en composite de carbone.

Avec l’avènement de l’aérodynamique avancée, les formes des voitures sont devenues plus complexes. Vers 2000, le moule a été divisé en plusieurs sections, toutes liées ensemble pour former la monocoque. Toutes les équipes ont alors adopté ce concept pour ses qualités de résilience et de sécurité. La recherche a permis le développement de matériaux composites encore plus performants. Le composite actuel est deux fois plus résistant que l’acier tout en étant cinq fois plus léger.

Chaque section d’une monocoque est fabriquée à la main. Douze couches de nappes de fibre de carbone sont superposées dans un moule. Une nappe est faite de fils très fins entrelacés, chacun cinq fois plus fin qu’un cheveu humain. En fonction des charges prévues, des nappes de différents motifs de tissage sont utilisées. Pour renforcer la rigidité, une couche en nid d’abeille d’aluminium est insérée entre deux nappes de carbone.

La coque est ensuite chauffée dans un autoclave — un four géant sous pression négative. Le chauffage dure deux heures et demie à température contrôlée, puis cette opération est répétée deux autres fois pour assurer la stabilité de la coque. Cela rend la coque suffisamment robuste et flexible pour protéger les pilotes lors d’accidents graves. Lors du Grand Prix de Silverstone 1997, Giancarlo Fisichella est sorti indemne d’un crash, ne subissant qu’une légère blessure au genou. Le boîtier noir révéla que sa voiture était passée de 227 km/h à l’arrêt en seulement 0,72 seconde.

Avancées techniques

Les équipes de Formule 1 repoussent sans cesse les limites de la conception et des matériaux pour améliorer les performances et la sécurité. L’un des progrès majeurs a été l’adoption généralisée des polymères renforcés de fibres de carbone (CFRP) pour leur rapport résistance/poids exceptionnel. Cela a été rendu possible grâce à des procédés de fabrication avancés, comme les techniques de superposition de haute précision et la cuisson en autoclave.

Parmi les innovations récentes figure l’intégration de structures en nid d’abeille dans les couches de CFRP. Ces structures, généralement en aluminium ou en Nomex, offrent une meilleure résistance à l’écrasement et à l’absorption d’énergie. En plaçant ces couches dans les zones fortement sollicitées, telles que les côtés et le nez, les équipes ont renforcé l’intégrité globale des monocoques.

Une autre évolution concerne la superposition multidirectionnelle des fibres de carbone, optimisant rigidité et résistance selon les contraintes spécifiques. Cela optimise aussi la maniabilité de la voiture lors de freinages ou virages à haute vitesse.

Certains constructeurs ont intégré des matériaux avancés comme le titane dans les zones soumises à fortes sollicitations (McLaren), ou ont testé l’utilisation du graphène (Ferrari) pour ses propriétés exceptionnelles.

Les technologies de simulation ont permis aux ingénieurs d’optimiser les conceptions en amont grâce à des outils comme l’analyse par éléments finis (FEA) ou la dynamique des fluides computationnelle (CFD), minimisant les prototypages physiques coûteux.

Quels tests subissent les monocoques de F1 ?

La FIA et les équipes de F1 travaillent sans relâche à l’amélioration de la sécurité. Une monocoque en fibre de carbone peut ne peser que 35 kg tout en supportant des vitesses en virage extrêmes, des charges aérodynamiques importantes et d’énormes chocs. Depuis 1985, la FIA impose plusieurs tests de crash obligatoires, devenus toujours plus exigeants.

Depuis 1997, des tests sur les structures arrière, latérales et l’arceau de sécurité sont obligatoires. Ceux-ci sont réalisés sous supervision FIA, avec du matériel étalonné, avant chaque saison. La FIA actualise régulièrement les normes de sécurité en phase avec les performances croissantes des monoplaces.

Les composites sont très résistants, mais la FIA exige une couche interne en Kevlar pour résister aux forces de pénétration. Cette obligation est née après l’accident de Michael Schumacher en 1999, où un bras de suspension a percé sa voiture et blessé sa jambe.

La capacité d’absorption d’impact d’une monocoque est mesurée en Énergie Spécifique Absorbée (SEA), exprimée en kJ/kg. Le SEA de l’acier est de 12 kJ/kg et celui de l’aluminium 20 kJ/kg. Celui des composites atteint 40 à 70 kJ/kg, faisant du CFRP le matériau idéal.

Le pilote est confiné dans la monocoque. La FIA impose donc des dimensions minimales pour protéger les jambes du pilote. Des dimensions maximales et minimales sont aussi définies à l’extérieur pour éviter les excès d’aérodynamisme au détriment de la sécurité.

Impact sur la sécurité des pilotes

L’introduction des monocoques a révolutionné la sécurité en F1, servant de cellule protectrice absorbant les forces extrêmes lors de crashs. Leur efficacité est démontrée par la baisse significative des blessures graves.

Un exemple marquant est l’accident de John Watson au Grand Prix d’Italie 1981. Après un impact frontal à 225 km/h, il s’en sortit avec des blessures mineures grâce à la monocoque. En 2002, Takuma Sato a survécu à un violent crash sans blessure. En 2009, Mark Webber a aussi bénéficié de cette structure lorsque sa voiture s’est retournée sans conséquence grave.

Les tests de la FIA simulent des impacts frontaux, latéraux, arrière et des tonneaux. La monocoque doit préserver l’espace vital autour du pilote. Le test frontal impose un impact à 60 km/h avec une masse de 780 kg. Le test latéral utilise le même poids à 50 km/h.

D’autres éléments de sécurité sont intégrés, comme les panneaux latéraux en nid d’abeille, la mousse absorbante, les rebords de cockpit renforcés, et les appuis-tête et de nuque pour réduire les risques de traumatismes crâniens.

FAQ sur les monocoques

Quel est le but d’une monocoque ?

Une monocoque en F1 a pour objectifs :

• Offrir une structure robuste et légère pour la voiture
• Servir de cellule de survie pour le pilote en cas d’accident
• Protéger les composants critiques comme le moteur, la boîte de vitesses et le réservoir
• Constituer un point central d’ancrage pour les suspensions et la carrosserie

Quelle est la différence entre une monocoque et un châssis ?

Les termes peuvent être interchangeables mais :

• La monocoque désigne spécifiquement une coque unique intégrant cockpit et structure
• Le châssis englobe toute la structure, incluant monocoque et sous-châssis avant/arrière

Exemple de monocoque ?

Un exemple : la cellule de survie d’une F1 moderne construite en CFRP pour :

• Protéger le pilote
• Absorber l’énergie en cas de crash
• Répondre aux normes de crash de la FIA
• Intégrer la suspension et l’unité de puissance

Quelle est la différence entre une monocoque et un châssis tubulaire ?

Monocoque :

• Structure à coque unique
• Composée de CFRP
• Légère, résistante, protectrice mais complexe à produire

Châssis tubulaire :

• Structure en treillis de tubes
• En acier ou aluminium
• Plus lourd, plus facile à fabriquer et réparer
• Utilisé historiquement en F1 et dans d’autres catégories

En F1 moderne, la monocoque est privilégiée pour ses meilleures performances.

Traduit à partir de l’article anglais “What Is A Monocoque?“