Race car wind tunnel map centroids and weightings derived from track data

In the realm of motorsport, the primary tool available for aerodynamic development is the wind tunnel. Teams aim to make their car as quick as possible, to achieve this, car aerodynamics must be developed by determining which car attitudes need to be simulated in the wind tunnel and how significantly is their impact on lap times. This study introduces a methodology to define wind tunnel map setpoints and sets out to achieve the following objectives: identify the car states to be tested and quantify the impact of each state on lap time. This study employs track data to delineate the operating envelope of a Formula 4 car. The track data includes general telemetry, such as vehicle velocity, driver inputs, forces experienced by the car, and suspension measurements. The study aggregates data from multiple tracks. Each car attitude is defined by parameters such as front and rear ride height, roll, yaw, steering and exhaust mass flow. Additionally, the study emphasizes the importance of yaw measurements for a racing vehicle. To this end, a custom yaw probe was designed, calibrated, and mounted on the race car to measure yaw angles relative to the airflow during track tests. Given the car states, their probability of occurring around a lap, and their aerodynamic coefficients CZ and CX sensitivities, it was possible to determine the weightings for each setpoint. The resulting list of car attitudes, along with their associated weightings, forms the so-called wind tunnel map. During wind tunnel testing, the model can be adjusted according to this map to simulate each car state. At each setpoint, the vertical load and drag generated by the car are measured, producing weighted coefficients of downforce CZ.w and drag CX.w as outputs. The wind tunnel map is a tool needed to compare different aero packages and decide which one is preferred in terms of lap time considering the load and drag they generate.

In ambito motorsport, il principale strumento utilizzato per lo sviluppo aerodinamico è la galleria del vento. L’obiettivo dei team è rendere la vettura il più veloce possibile e, per raggiungere questo obiettivo, l’aerodinamica deve essere sviluppata conoscendo quali attitudini della vettura devono essere simulate in galleria del vento e quanto significativamente queste influenzano i tempi sul giro. Questo studio introduce una metodologia per definire i setpoint della mappa di galleria e si propone di raggiungere i seguenti obiettivi: identificare gli stati della vettura da testare e quantificare l’impatto di ciascuno di essi sul tempo sul giro. Lo studio utilizza dati di pista per delineare l’inviluppo operativo di una vettura di Formula 4. I dati raccolti includono dati telemetrici, come velocità del veicolo, input del pilota, forze agenti sulla vettura e misurazioni del movimento delle sospensioni, aggregando informazioni provenienti da più circuiti. Ogni stato della vettura è definito da parametri quali altezza da terra anteriore e posteriore, rollio, imbardata, sterzo e portata in massa dei gas di scarico. Inoltre, lo studio sottolinea l’importanza delle misurazioni dell’imbardata per un veicolo da competizione. A tal fine, è stato progettato, calibrato e montato sulla vettura un sensore di imbardata per misurare gli angoli di imbardata all’aria durante i test in pista. Date le attitudini della vettura, la loro probabilità di occorrenza in ogni giro e le sensitività dei coefficienti CZ e CX, è stato possibile determinare i pesi per ciascun setpoint. L’elenco risultante degli stati della vettura, insieme ai relativi pesi, costituisce la cosiddetta mappa di galleria. Durante i test in galleria del vento, il modello è regolato secondo questa mappa per simulare ogni stato della vettura. In ciascun setpoint, vengono misurati il carico verticale e la resistenza aerodinamica generati dalla vettura, ottenendo come output i coefficienti pesati CZ.w e CX.w. La mappa di galleria è uno strumento necessario per confrontare diverse configurazioni aerodinamiche e determinare quale sia preferibile in termini di tempo sul giro, considerando il carico e la resistenza che generano.