（机械设计及理论专业论文）路面摩擦系数检测方法及纵、横向摩擦系数关联性研究.pdf

摘要 现代交通中随着汽车行驶速度不断提高，交通事故的发生频率和事故的严重性也有 了明显的升高。路面的安全性能是通过路面的抗滑性能来表现的，而路面摩擦系数就是 评价其抗滑性能最重要的指标，因此准确、高效的检测和评价路面的摩擦系数是十分必 要的。但是，目前我国路面摩擦系数的检测只局限于使用横向力系数检测法，对纵向力 系数检测法存在一定的质疑，并没有将其纳入规范中；而在国际标准中虽然规定既可以 使用横向力系数法和也可以使用纵向力系数法对路面摩擦系数进行检测，但是并没有明 确阐明两种检测方法间的关系，这就给使用不同检测方法得到的两个结果间比较带来了 一定困难。本文就是从这种现状出发，证明纵向力系数也可以很好的评价路面的抗滑性 能，并从理论和试验两个方面找出纵向力系数和横向力系数间的关系，从而使路面抗滑 性能的评价体系更加完善。 本文主要论述了轮胎与路面间摩擦形成的机理，并对其影响因素进行具体分析，作 为研究轮胎横向力和纵向力的基础。分析路面摩擦系数的检测方法和检测原理，以及轮 胎和地面的各项参数是如何影响轮胎横向力和纵向力大小的。根据轮胎与地面相互作用 原理，从理论上分析得出横向力小于纵向力，并且当轮胎的侧偏角达到一定值时，横向 力有最大值；从轮胎受力变形入手，计算出轮胎受到横向力和纵向力的大小，得出轮胎 的横向力小于纵向力、横向力可能达到的最大值等于轮胎在同等条件下受到的纵向力的 结论。最后，利用摆式摩擦系数测试仪对旧沥青路面和新铺筑的沥青路面进行检测，通 过对试验数据分析得到：路面的纵向摆值大于横向摆值，而且新路面的纵、横向摆值间 存在一定的关系。这样在我国，纵向力系数也可以作为路面摩擦系数的评价指标，并且 纵向力和横向力间关系的确定有利于路面抗滑性能评价体系的完善，在必要时应该研制 既可检测纵向力系数又可检测横向力系数的双功能检测设备。 关键词：路面，摩擦系数，横向力，纵向力，关系 a b s t r a c t w i t ht h ev e h i c l es p e e di n c r e a s i n gi nm o d e m t r a f f i c ，t h et r a f f i ca c c i d e n tf r e q u e n c ya n d s e v e r i t yo fa c c i d e n t sh a sb e e ns i g n i f i c a n t l yh i g h e r t h es a f e t yp e r f o r m a n c eo fr o a di sa l l i m p o r t a n tf a c t o ro fs a f ed r i v i n g ，w h i c hh a sc a u g h tm o r ea n dm o r ea t t e n t i o nt ot h er e l e v a n t d e p a r t m e n t s r o a ds a f e t yp e r f o r m a n c ei se v a l u a t e dt h r o u g ht h es k i dr e s i s t a n c eo fr o a d ，a n d t h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n tt oe v a l u a t et h es k i dr e s i s t a n c ei st h em o s ti m p o r t a n ti n d i c a t o r s ，s o a c c u r a t ea n de f f i c i e n td e t e c t i o na n de v a l u a t i o no fr o a ds u r f a c ef r i c t i o nc o e f f i c i e n ti se s s e n t i a l h o w e v e r , a tp r e s e n tt h ed e t e c t i o no fr o a ds u r f a c ef r i c t i o nc o e f f i c i e n tu s i n gl a t e r a lf o r c e c o e f f i c i e n ti so n l yl i m i t e dt ot h ed e t e c t i o nm e t h o d ，d e t e c t i o no f l o n g i t u d i n a lf o r c ec o e f f i c i e n t t h e r ea r es o m eq u e s t i o n sa n dn o tb ei n c l u d e di ns p e c i f i c a t i o n s ；a n dt h ei n t e m a t i o n a ls t a n d a r d w h i c hp r o v i d e st h ed e t e c t i o no fr o a ds u r f a c ef r i c t i o nc o e f f i c i e n tc a ne i t h e ru s et h el a t e r a lf o r c e c o e f f i c i e n to ru s et h e l o n g i t u d i n a lf o r c ec o e f f i c i e n t , b u td i dn o tc l e a r l ya r t i c u l a t e dt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h et w od e t e c t i o nm e t h o d s ，w h i c hb r i n g ss o m ed i f f i c u l t i e st oc o m p a r i s o n o fr e s u l t so b t a i n e du s i n gd i f f e r e n td e t e c t i o nm e t h o d s t h i sp a p e ri sf r o mt h i sc u r r e n ts i t u a t i o n s h o wt h a tt h el o n g i t u d i n a lf o r c ec o e f f i c i e n tc a na l s ob ea g o o de v a l u a t i o no fp a v e m e n ts k i d r e s i s t a n c e ，a n db o t ht h e o r ya n de x p e r i m e n tt of i n do u tt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ec o e f f i c i e n t o fl a t e r a lf o r c ea n dt h el o n g i t u d i n a lf o r c ec o e f f i c i e n t ，s ot h a tt h es u r f a c er e s i s t a n c es l i d i n g p e r f o r m a n c ec o u l de v a l u a t es y s t e mm o r ep e r f e c t t h i sp a p e rd i s c u s s e st h ef r i c t i o nb e t w e e nt i r ea n dr o a df o r m a t i o nm e c h a n i s m ，a n dt h e f a c t o r sa f f e c t i n gt h es p e c i f i ca n a l y s i so ft h et i r ea st h el a t e r a la n d l o n g i t u d i n a lf o r c e sb a s e do n a n a l y s i so ff r i c t i o nc o e f f i c i e n tt e s tm e t h o da n dt e s tp r i n c i p l ea n dt h ep a r a m e t e r so ft h et i r e a n dt h eg r o u n di sh o w t h e ya f f e c tt h et i r el a t e r a lf o r c ea n dl o n g i t u d i n a lf o r c es i z e a c c o r d i n g t ot h ei n t e r a c t i o np r i n c i p l e sb e t w e e nt i r ea n dt h eg r o u n d ，k n o wt h a tl a t e r a lf o r c el e s st h a nt h e l o n g i t u d i n a lf o r c ef r o mt h e o r e t i c a la n a l y s i s ，a n dw h e nt h et i r es l i pa n g l er e a c h e sac e r t a i n v a l u e ，am a x i m u ml a t e r a lf o r c ec o u l db eo b t a i n e d ；f r o mt i r ed e f o r m a t i o nt h es i z eo ft h el a t e r a l f o r c ea n dl o n g i t u d i n a lf o r c ea r e c a l c u l a t e d ，t h el a t e r a lf o r c eo b t a i n e di sl e s st h a nt h et i r e l o n g i t u d i n a lf o r c e ，a n dt h em a x i m u ml a t e r a lf o r c et oa c h i e v ep o s s i b l ei se q u a lt ot h et i r e l o n g i t u d i n a lf o r c eu n d e rt h es a m ec o n d i t i o n sb yt h ec o n c l u s i o n f i n a l l y , o l da s p h a l tp a v e m e n t a n dn e wa s p h a l tp a v e dr o a ds u r f a c ea r ed e t e c t e db yu s eo ft h ep e n d u l u mf r i c t i o nc o e f f i c i e n t i i i t e s t e ra n db yt h ea n a l y s i so fe x p e r i m e n t a ld a t aw ec a no b t a i nt h ef o l l o w s ：t h el o n g i t u d i n a l p e n d u l u ms w i n gv a l u eo fr o a di sg r e a t e rt h a nt h el a t e r a lp e n d u l u ms w i n gv a l u e ，a n dt h e r ei sa c e r t a i nr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h en e wr o a dl o n g i t u d i n a la n dl a t e r a ls w i n gv a l u e s ot h a ti no u t c o u n t r y , t h el o n g i t u d i n a lf o r c ec o e f f i c i e n tc a na l s ob eu s e da st h ee v a l u a t i o no fr o a ds u r f a c e f r i c t i o nc o e f f i c i e n t ，a n dt od e t e r m i n et h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h et i r el o n g i t u d i n a lf o r c ea n d l a t e r a lf o r c ei sc o n d u c i v et oi m p r o v et h ep a v e m e n ts k i dr e s i s t a n c ee v a l u a t i o ns y s t e m w h e n n e c e s s a r y , t h et e s t i n ge q u i p m e n ts h o u l db ed e v e l o p e dw h i c hc a l ld e t e c tt h el o n g i t u d i n a lf o r c e c o e m c i e n ta n dt h el a t e r a lf o r c et o e f f i c i e n t k e yw o r d s ：p a v e m e n t ，f r i c t i o nc o e f f i c i e n t ，f o r c e ，l o n g i t u d i n a lf o r c e ，r e l a t i o n s i v 长安大学硕士学位论文 1 1 课题研究的背景 第一章绪论 随着我国公路建设力度的不断加大，我国高速公路总里程在快速的增加，交通运输 部部长李盛霖在列席十一届全国人大三次会议湖南团审议预算和计划报告时说：“截至 目前，我国公路总里程己达3 7 0 万公里，其中高速公路总里程6 5 万公里，居世界第二 位，仅次于美国。”此外，由于现代交通的车速不断提高，在高速公路上行驶车辆的速 度越来越快，这样行车安全的重要性就显得更为突出。车辆行驶的安全性受主观因素和 客观因素的共同影响，具体包括人、交通管理系统、路、车和外界环境等，但是其与路面 抗滑性能的关系是最直接、最密切的。据统计，在雨天发生的交通事故占事故总数的2 0 左右，经分析雨天事故发生的原因主要是由于路面滑溜造成的i l 】。对于机场跑道来说， 跑道的抗滑性能与飞机起飞和降落时的安全性有着更为密切的关系。据统计，飞机在起 飞、开始爬升和最终进场着陆过程发生的事故约占了事故总数的6 7 2 1 。要解决这一问 题，在对飞机的性能、驾驶员的驾驶技术以及空中交管能力进行改进的同时，使机场跑 道时刻保持较好抗滑性能是十分必要的一个方面。因此，高效、准确的检测和评价路面 和机场跑道的抗滑性能对于现代交通的安全性非常重要。 对于新建公路，在项目施工过程中需要按照路基路面现场测试规程的规定检测 路面的抗滑性能，使之满足技术交底的要求；在项目竣工验收时质量检验部门也要检测 路面的抗滑性能是否满足公路的设计标准，抗滑性能不符合要求的公路不能投入使用。 路面结构在使用过程中，由于车辆及自然因素的反复作用，会出现不同程度的自然 老化、损坏以及使用性能的逐渐衰变，其中抗滑性能也会变差，以至于其使用性能不能 满足使用要求的状况。为了了解和掌握路面使用性能的变化情况，对其满足使用要求的 程度做出及时的评价，以便在必要时采取相应的养护和改建措施，延缓使用性能的衰变 或恢复使用性能，使公路保持良好的技术状态，必须通过科学的手段和方法定期对路面 的使用性能进行监测。路面的使用性能主要包括路面的功能性能、路面的结构性能和路 面的安全性能三个方面，它们能从不同角度反映路面状况对于行车要求的满足情况【3 】。 其中路面安全性能的重要评价指标就是路面抗滑性能。路面在使用过程中，随着车轮对 路面的不断磨损，路表面的抗滑能力会因为集料被逐渐磨光而逐渐下降【4 j 。当路表面的 抗滑能力下降到不安全或不可接受的水平时，则必须采取措施以恢复其抗滑能力，以保 第一章绪论 证车辆能够在路面和行驶条件最不利的情况下高速安全行驶。 总之，路面的抗滑性能越来越多的得到相关公路建设和养护部门的重视，已经成为 高等级公路交工验收、竣工验收和养护质量评价中一项十分重要的指标，尤其是机场跑 道的抗滑性能更是日常检测中一个很重要的项目。因此，准确、及时的检测和评价路面 及机场跑道的抗滑性能极其重要。但是，目前我国路面抗滑性能的检测方法和检测设备 存在着多样性的问题，甚至在检测原理上还存在着严重分歧，并且由此而产生了路面抗 滑性能评价体系的多样性给工程实际应用和相关性的研究带来诸多不便1 1 2 路面抗滑性能评价指标和检测方法概述 1 2 1 路面抗滑性能的评价指标 路面的抗滑性能是车辆轮胎受到制动时沿路表面滑移所产生的抗滑力1 5 j 。抗滑性能 经常被看作是路面的表面特征，所以实际中一般只对公路表面层的抗滑性能提出具体的 要求。我国评价路面抗滑性能的抗滑力既可以用摩擦系数直接评价，也可以通过对路面 构造深度检测做出间接评价。 ( 1 ) 路面的摩擦系数表示的是车辆轮胎受到制动时沿路表面滑移所产生的力与轮 胎受到垂直力的比值。它受到路面的表面特性、外界环境对路面的影响以及车辆行驶速 度等因素影响。摩擦系数越小，在紧急制动和拐弯时汽车的制动距离就越长，车轮就容 易产生空转或打滑，则发生事故的可能性就越大。 ( 2 ) 路面的构造深度是指路面完工后，其表面的几何粗糙度，也称为路面的构造 纹n t 6 j 。构造深度有宏观构造和微观构造之分。微观构造是指集料表面的粗糙度，集料 表面会随着车轮的反复作用而逐渐被磨光，粗糙度逐渐降低，进而路面的抗滑能力下降， 路表面的微观构造在车辆低速( 3 0 , - - , 5 0 k m h 以下) 时，对路表抗滑性能起到决定性作 用；宏观构造是由路表面外露集料间形成的构造，当车辆高速行驶时宏观构造对路表面 的抗滑性能起着关键作用，因为路表面的宏观构造有利于路表水的迅速排除，以避免形 成水膜而发生水漂现象，同时宏观构造还影响到高速行车时轮胎的噪声和夜间照明的效 果等。 1 2 2 路面抗滑性能的检测方法 路面抗滑性能的检测方法因其评价指标的不同而有所不同，并且每种评价指标都有 多种检测方法，有各自的适用条件和优缺点。 2 长安大学硕士学位论文 ( 1 ) 路面摩擦系数的检测方法有多种分类方法，如有：静态和动态检测法、纵向 力摩擦系数和横向力摩擦系数检测法、连续和间断检测法等【7 】。目前我国公路系统中应 用较多的检测设备是横向力摩擦系数检测仪和摆式摩擦系数测定仪，并且横向力摩擦系 数检测仪的种类比较多，这就给建立较完善的路面抗滑性能评价体系带来了一定的困 难。根据检测结果，摩擦系数越大，表明路面的抗滑性能越好。 ( 2 ) 路面的微观构造是用集料的磨光值p s v ( p o l i s h e dv a l u e ) 来表征的。p s v 的 检测方法：首先用磨光机对试件表面在不同条件分别进行打磨，然后用摆式摩擦系数测 试仪测定试件表面的摩擦系数，最后再换算成磨光值。磨光值越高，越能长时间保持其 粗糙的微观构造，表明路面的抗滑性能越好。高速公路和一级公路集料的磨光值不得小 于4 2 ，普通公路集料的磨光值不得小于3 5 t 引。 ( 3 ) 路面的宏观构造用构造深度t d ( t e x t u r ed e p t h ) 来表征，t d 是指在一定面 积的路表面上凹凸不平的开口孔隙的平均深度【9 】。具体的检测方法有手工铺砂法、电动 铺砂法和激光构造深度仪测定法。因为手工铺砂受到操作者的影响较大，不同的操作者 测定相同的路段时可能得到不同的结果，为此电动铺砂法和激光构造深度仪测定法受到 越来越多人的喜爱。检测得到的t d 值越大，表明路面的抗滑性能越好。 目前我国是从集料的磨光值、构造深度和摩擦系数三个方面对路面的抗滑性能进行 控制，而有的国家只控制其中的一项或两项指标。为了提高路面的抗滑性能，在设计时 可以选用磨光值较高的集料、合适的配合比；当使用一段时间后发现路面抗滑性能不能 满足要求时，沥青路面可以加铺抗滑表层、水泥路面可以通过刻槽等措施来提高路面的 抗滑能力。 1 3 国内外路面抗滑性能检测及评价方法的研究现状 1 3 1 国外路面抗滑性能检测及评价方法的研究现状 在公路建设的初期，路面的抗滑性能并没有引起相关人员的重视。但是随着公路设 计标准的不断提高，车辆行驶速度的不断加快，由于路面抗滑性能不能满足要求而导致 的交通事故迅速增加，路面抗滑性能的重要性才逐渐被人们意识到。 1 9 5 5 年，英国首次研制成功了摆式摩擦系数测定仪。1 9 5 9 年，第一届国际路面抗 滑研讨会在美国维吉尼亚州( 现在翻译为弗吉尼亚州) 的c h a r l o t t e s v i l l e ( 薛伦斯维) 举 行，路面的抗滑性能得到了多数国家的重视。1 9 6 8 年，柏林技术大学召开了在潮湿状态 3 第一章绪论 下公路抗滑性能与交通安全国际研讨会。1 9 7 7 年，在哥伦布召开了第二届国际路面抗滑 研讨会【l o 】。1 9 7 9 年，第1 6 届世界道路会议在奥地利首都维也纳举行，共有6 3 个国家 和地区的代表2 1 5 0 人参加，并且推荐s c r i m ( s i d e w a y - f o r c ec o e f f i c i e n tr o u t i n e i n v e s t i g a t i o n m a c h i n e ) 路面横向力摩擦系数测试仪为国际上通用设备1 1 1 j 。 在1 9 8 6 年国际标准i s o t r 8 3 4 9 中，提出了两种路面摩擦系数的测试方法和四种可 选择的测试轮胎，这两种测试方法是测量纵向力摩擦系数和横向力摩擦系数。但是 i s o t r 8 3 4 9 遭到了美国和其他一些s c 9 ( 小组委员会) 成员的批评，因为它有太多选 择性，并且不同的方案间没有充分明确的相关性。此后，各个国家分别研制各自适用的 路面抗滑性能检测方法，如：u n e c e ( 联合国欧洲经济委员会) 使用测试车辆本身的 轮胎作为测试轮胎的k 值法、美国a s t m ( 美国测试和材料协会) 使用a s t m e1 1 3 6 轮胎测量峰摩擦系数法等。在这种背景下，s c 9 重新审议了i s o t r 8 3 4 9 中所采用的方 法，审议中考虑到存在两种摩擦系数测量方法，而且如果既测量纵向力摩擦系数也测量 横向力摩擦系数太复杂，认为它们之间的相关性很高，所以确定仅用一个就足以证明测 量结果。因为有较完善的汽车法律并且汽车制造商也赞成最初的设备轮胎，所以测量纵 向力摩擦系数法得到了更多国家的青睐。最后，i s 0 8 3 4 9 ：2 0 0 2 确定了可供选择的三种 测量纵向力摩擦系数的方法：分别为在恒定速度和瞬时制动力、恒定速度和恒定制 动滑移、恒定的速度和固定滑移情况下来测量纵向力摩擦系数，应用时具体选择哪一 种方法取决于实际可用的方法和实际需要；同时也确定了可以使用的两种类型标准参考 测试轮胎：一种是客车尺寸轮胎，另种是用于低成本设备的小测试轮胎1 1 2 1 。 近些年来，世界各国研制出了多种路面摩擦系数检测设备。比较有代表性的如美国 的d f t ( d y n a m i cf r i c t i o nt e s t e r ) ( 如图1 1 ) 、瑞典的s a r s y s 、英国的m u - m e t e r 和s c r i m 等。虽然这些设备的检测方法不尽相同，但是每种设备都有各自的优势，因而每种设备 都有各自的市场。但是，这也给使用不同设备国家间的技术交流以及检测数据的横向比 较带来了一定的困难。 1 3 2 国内路面抗滑性能检测及评价方法的研究现状 我国路面抗滑性能检测的研究起步相对比较晚，直到7 0 年代才有人从事相关方面 的研究。1 9 8 0 年，我国自行研制出了第一台摩擦系数测试设备摆式摩擦系数测定仪， 虽然现在认为它只能代表车辆在低速行驶状态下路面的摩擦系数，并且为间断的点测量 方式，但是这种设备目前在我国工程实际中应用仍比较广泛。8 0 年代初，我国石料加速 4 长安大学硕士学位论文 图1 1 美国d f t 摩擦系数测试设备 磨光机研制成功，用于检测集料的磨光值。在摆式摩擦系数测定仪和石料磨光机研制成 功的基础上，通过对我国沥青路面上10 0 0 多个经常发生交通事故的路段进行检测，初 步建立了路面抗滑性能与交通事故频率以及危险程度间的关系，进而确定了我国路面抗 滑能力的评价指标体系。在“七五”计划期间，我国研制出了滑溜拖车，使连续测量 路面摩擦系数成为现实，从而提高了测量效率。从8 0 年代后期到“八五”攻关期间， 我国对水泥混凝土路面的抗滑技术进行了比较深入的研究，在此期间成功研制了横向力 系数测试仪并达到了国外同类产品的水平，成果为t z 5 1 4 0 t l c h j 。目前，国内已有多 个厂家在生产路面横向力系数测试仪，比较有代表性的有交通部公路科学研究院研制生 产的s c r i m 、北京纽利德科技有限公司生产的s f c ( s i d e w a yf o r c ec o e m c i e n t ) ( 如 图1 2 ) 等。 图1 2 北京s f c - - 2 0 0 1 5 第一章绪论 总之，我国在检测路面构造深度和集料磨光值两个方面的技术比较成熟，而在路面 摩擦系数检测仪方面的研究主要集中在横向力系数检测上，由于国内有些认为纵向力摩 擦系数不能很好的反映路面的抗滑性能，所以对其研究比较少。 1 4 课题研究的目的和意义 1 4 1 研究的目的 本课题研究的目的是在深入分析路面抗滑性能产生机理的基础上，对影响抗滑性能 的各种因素进行具体分析，对我国目前规定仅使用横向力摩擦系数作为路面抗滑性能直 接检测标准的现状提出质疑，认为纵向力摩擦系数同样也可以较好表征路面的抗滑性 能，并进一步找到横向力摩擦系数和纵向力摩擦系数间的关系。 目前，我国在直接检测路面抗滑性能时仅采用横向力摩擦系数作为评价指标，使用 。 一 的检测设备多种多样，而且各种设备问严重缺乏相关性研究。但是，国际上既可采用横 向力摩擦系数也可用纵向力摩擦系数作为评价指标，并且更多用户偏爱使用纵向摩擦系 数。由此可见，在我国当在同一条公路采用不同检测设备进行检测时，得到的结果不具 备直接可比性：而且我国与国际上在路面摩擦系数检测原理的研究上存在着根本的分 歧，因此国际间的相关技术交流更加困难。国际上虽然是可以使用横向力和纵向力摩擦 系数两个指标对路面的抗滑性能进行直接评价，但是目前并没有对它们之间相关性方面 的研究。因此本课题研究的目的是分析路面抗滑性能的产生机理，对影响路面摩擦系数 的各种因素进行量化分析，论证纵向力摩擦系数可以正确的评价路面的抗滑性能，为我 国路面摩擦系数提供另一个检测指标，并找出横向力和纵向力摩擦系数间的关系，为这 两大类型检测设备间的通用性提供便利条件。 1 4 2 研究的意义 随着车辆行驶速度越来越快，路面的抗滑性能得到更多人的关注，如何高效、准确 的检测和评价路面的摩擦系数对于公路管理部门来说很重要，因为路面摩擦系数是评价 路面抗滑性能一个十分重要的指标。一般来讲，汽车在高速公路上行驶时，摩擦系数一 般在0 1 0 9 之间。对于机场来说，对摩擦系数有着更严格的要求：当跑道摩擦系数低 于o 3 0 时应当关闭跑道【1 4 l 。尤其遇到雨雪天气时，更容易出现车辆或飞机打滑和跑偏 现象从而造成事故，当大雪天气时关闭高速公路和机场就是这个原因。目前我国路面摩 擦系数检测在检测设备研究和检测原理确定方面都与国际上有较大的差距，但是国际上 6 长安大学硕士学位论文 在此方面的研究也存在一定不完善之处。因此，对路面摩擦系数检测方面进行研究有一 定的意义。 本课题研究是针对目前我国规定单一采用横向力摩擦系数作为路面抗滑性能直接 评价指标的现状，分析路面抗滑性能产生的机理和影响因素，这是进行路面摩擦系数检 测研究的基础；分析纵向力摩擦系数和横向力摩擦系数检测的原理以及各种检测参数的 确定标准，并通过试验研究他们间的相互关系，从而确定纵向力摩擦系数也可作为路面 抗滑性能的评价标准的可行性，这样可以引进国外较成熟的纵向摩擦系数检测设备，以 提高检测的准确性，同时也使路面摩擦系数的评价体系进一步完善，为工程实际中使用 不同类型检测设备间的检测结果提供有效的可比性。同时，期望本课题为今后路面摩擦 系数检测和评价体系的完善提供一定的方向。 1 5 课题研究的内容 本文所研究的路面摩擦系数的检测方法和评价体系，是对我国现行检测标准的一种 完善，因为现在规定用横向力摩擦系数作为路面抗滑性能检测的直接标准。目前，我国 对纵向力摩擦系数作为检测标准存在一定的争议，并且在实际应用中由于存在两大类检 测设备而无相关性研究，给实际工作带来不便。本课题将在实际考察、试验分析的基础 上进行，其研究的主要内容： l 、分析路面抗滑性能检测的必要性，通过调查目前实际应用的情况提出研究纵向力摩 擦系数的方向。 2 、研究路面抗滑性能产生的机理以及影响抗滑性能的各种因素。 3 、研究路面横向力系数和纵向力系数的检测原理及影响因素，证明纵向力系数也能较 好的评价路面的抗滑性能。 4 、从轮胎与路面相互作用原理和对轮胎受力分析出发，得出轮胎横向力与纵向力间的 关系。 5 、利用摆式摩擦系数测试仪测定新、旧两种路面的横、纵向摆值，并对试验数据进行 分析，找出横向力和纵向力问的关系。 1 6 本章小结 通过对现代交通实际情况的分析，指出路面摩擦系数检测的重要性。结合目前国内、 外路面摩擦系数检测方法的研究，提出了研究纵向力摩擦系数的方向。 7 长安大学硕士学位论文 第二章轮胎与路面间摩擦形成的机理及影响因素 轮胎与路面间的摩擦力对车辆的正常行驶和安全行驶起着至关重要的作用，是评价 路面抗滑性能的重要指标。车辆正常行驶时驱动力是决定动力性的一个重要因素，但是 这个结论只有在轮胎与路面间有足够大的附着力时才能成立。如果轮胎与路面间附着性 能很差，那么再大的驱动力可能会引起车轮在路面上急剧的加速滑转而不是向前滚动。 当车辆制动时，实际作用在车轮上的制动力首先取决于制动器的制动力，但是同时也受 到地面附着条件的限制，所以，只有车辆具有足够的制动器制动力，同时地面又能提供 高的附着力时，车辆才能获得足够的地面制动力。地面的附着性能是用轮胎与地面间的 摩擦来表示的，由此可见对轮胎与路面间摩擦进行检测和评价的重要性，而深入了解轮 胎与路面间摩擦形成的机理及其影响因素是进行此项工作的前提和基础。 2 1 轮胎与路面之间摩擦形成的机理 物理意义上的摩擦力是指：两个互相接触的物体，当它们要发生或已经发生相对运 动时，在接触面上产生的一种阻碍相对运动的力。对轮胎与路面间摩擦的最初研究就是 从物理意义上的摩擦开始的，但是此摩擦与一般固体与固体间的摩擦有很大的差别，其 根本原因就在于轮胎是由橡胶制造的一种特殊的固体，橡胶所具有的独特的摩擦特性决 定了轮胎与路面之间摩擦的特殊性。 2 1 1 橡胶摩擦的特殊性 我们所熟悉的库仑摩擦定律是：摩擦力与所施加的载荷成正比，而与接触面积无关， 库仑定律主要用于研究刚性材料与刚性材料间的干摩擦特性。但是橡胶是弹性材料，并 不遵守传统的库仑摩擦理论【1 5 1 。橡胶是一种弹性模量较低并且粘性可变的材料，在一定 频率范围内具有较高的内摩擦，这样与一般意义上的摩擦力相比，橡胶摩擦力的大小不 仅与接触面积有关，而且还呈现一定的非线性。传统摩擦理论里所说的摩擦系数小于1 也不再普遍成立，现今橡胶材料的摩擦系数能轻易达到远大于1 的值【1 6 】。橡胶摩擦的特 殊性具体表现在以下三个方面： ( 1 ) 橡胶与接触面间所能产生的最大摩擦力并不是出现在橡胶有运动趋势之前的 瞬间，而是在开始运动之后的某个时刻。设想一下，如果轮胎与路面问的摩擦力与一般 两个固体间的摩擦力形成机理相同的话，那么车辆在刚要起步时就会出现轮胎打滑的现 9 第二章轮胎与路面间摩擦形成的机理及影响因素 象。 ( 2 ) 橡胶与接触面间的摩擦力虽然会随着轮胎所承受载荷的增加而增长，但是并 不是与所受载荷成正比的关系。在实际情况中我们知道，轮胎与地面间的摩擦力有极限 值，它不会随着载荷的增加而一直增加。 ( 3 ) 橡胶与一般固体之间的摩擦力与接触面积有密切的关系，接触面积越大，摩 擦力就越大。如果加大轮胎的尺寸，使轮缘变宽，那么轮胎的接地面积就会变大，进而 轮胎与路面间的摩擦力即抓地力就会增大，这也是轮胎使用者所希望的。 2 i 2 轮胎与路面问摩擦形成的机理 轮胎与路面间的摩擦很特殊，其根本原因是橡胶本身是一种粘弹性体。所谓粘弹性 体，就是它是弹性的，但是当对其做压缩或是拉伸动作时，产生的变形量和承受的作用 力之间的关系不像弹簧那样保持一种近似的正比例关系，而且当卸载后恢复原来状态 时，经历的时间、作用力与变形量之间的关系也会出现与原来不一致的现象【1 7 1 。 一般来讲，轮胎与路面间摩擦形成的机理有以下四个方面： ( 1 ) 轮胎与路面间的分子相互吸引作用 由试验知道，当两个物体表面间的距离足够小时，它们之间的分子引力作用是不容 忽视的，则这种分子间的引力便成为轮胎与路面间摩擦力的一个组成部分【瑚。这种分子 间引力的大小一方面与轮胎和地面的材料有关，另一方面还要受到轮胎与路面接触面积 大小和路面状况等因素的影响。 ( 2 ) 轮胎与路面间的粘着作用 当轮胎和路面相接触时，我们知道轮胎表面就会变形从而与路面紧密接触甚至与路 面细微的凹凸相互嵌套啮合，但是实际的接触面积并不会随轮胎载荷的增加而大幅度的 增加。对于轮胎紧密接地部分，当轮胎与路面间有相对运动的倾向时，根据作用力与反 作用力原理，两者就会表现出相互阻止的作用，这就是所谓的粘着摩擦力【1 9 1 。路面粗糙 度越好，在轮重及载荷作用下，轮胎与路面的摩擦力就越大。在路面上我们经常会发现 上面粘着有橡胶颗粒，同样在轮胎表面我们也会找到路面磨粒；机场的跑道需要定期进 行清理，目的就是要清除飞机在起飞和降落过程中在跑道上残留下来的橡胶颗粒，以恢 复跑道的摩擦系数，这也是轮胎与路面间有粘着作用的较好证明。这种粘着作用在轮胎 与路面间摩擦力中所占的比例很大。 ( 3 ) 轮胎面橡胶的弹性变形 l o 长安大学硕士学位论文 我们知道，橡胶是一种有着很好弹性的复合材料，轮胎与路面的相对刚度决定了轮 胎变形的特点。当弹性轮胎在硬路面( 混凝土路面、沥青路面) 上滚动时，轮胎的变形 是主要的，但是其变形有滞后的特性，轮胎变形滞后的特性可用图2 1 来说明f 2 0 1 。图中 、 。彳 b h a m 图2 1 轮胎( 9 0 0 2 0 ) 的径向变形曲线 0 c a 为轮胎加载变形曲线，面积0 c a b 0 为加载过程中对轮胎作的功；a d e 为轮胎卸 载变形曲线，面积a d e b 为卸载过程中轮胎恢复变形时所放出的功。由图2 1 可知，两 条曲线并不重合，两个面积之差0 c a d e 0 即为加载与卸载过程中的能量损失。此能量是 消耗在轮胎各组成部分问的相互摩擦以及橡胶、帘线等物质的分子间摩擦，最后转化为 热能而消失在大气中，这种损失称为弹性物质的迟滞损失。 如果轮胎面的花纹不同，那么他们在相同载荷下所产生的摩擦力也会有所不同，这 正是由于轮胎产生不同变形所造成的。轮胎与路面接触时弹性变形滞后能量损失所引起 的摩擦力也是轮胎与路面间摩擦力的组成部分，其重要程度仅次于粘着摩擦力【2 。 ( 4 ) 路面上局部微小凹凸体的切削作用 当轮胎在载荷的作用下与路面上的微小凹凸体相互作用时，在局部胎面上就会产生 明显的应力集中。如果这种集中应力超过了轮胎面的断裂强度，则这些凹凸体对轮胎面 就形成了微切削作用，这种微切削作用与金属摩擦学中的犁沟作用有一定的相似之处 2 2 1 。在微切削作用过程中会产生一定的切削阻力，这种阻力构成了轮胎与路面间摩擦力 的组成部分。 第二章轮胎与路面问摩擦形成的机理及影响因素 当轮胎处于制动工况时，轮胎与路面间的摩擦可通过如图2 2 所示的轮胎制动简图 、 一 一 一(， k| y 一l 一 一l | 出善便一 1 一。善矗聒 图2 2 轮胎制动简图 来说明。图中表示轮胎旋转角速度，y 表示轮胎中心线速度，m a 表示轮胎制动力矩， y ，表示轮胎在接地滑动区的滑动速度。在刹车工况下，只有在极端情况时才会将轮胎完 全锁死( 处于完全滑动状态) ，而在正常情况下轮胎均表现为滑动和滚动同时存在的状 态。轮胎制动时，接地印迹分成两部分，前部为粘着区，后部为滑动区，地面总的纵向 反作用力主要组成部分为粘着区域的静摩擦力和滑动区( 有运动趋势的区域) 的摩擦力。 单独就滑动区来讲，当滑动速度不同时，轮胎橡胶与地面间的摩擦系数也不是固定不变 的，而是随着车辆滑动速度的变化而变化 2 2 1 。 2 2 轮胎与路面间摩擦的影响因素 轮胎与路面间的摩擦一方面受到轮胎各项参数的影响，另一方面也与路面的状态有 着密切的关系，下面将进一步分析影响轮胎与路面间摩擦的各种因素： 2 2 1 轮胎方面的影响因素 ( 1 ) 轮胎结构的影响 目前普遍使用的轮胎是属于低压轮胎类的子午线轮胎和斜交线轮胎两种，由于这两 类轮胎在结构上有较大的区别，所以在轮胎与路面的摩擦系统中表现也有所不同。子午 1 2 长安大学硕士学位论文 线轮胎与斜交线轮胎最大的区别在于轮胎的胎体：斜交线轮胎的胎体是斜线交叉的帘布 层结构，而子午线轮胎的胎体帘线是并排缠绕的【2 3 】。 当轮胎滚动时，斜交线轮胎交叉的帘布层结构在载荷及轮胎自重作用下会发生一定 的挠曲变形，进而使帘布层交叉部分中的橡胶填料也产生一定的弹性变形。由于橡胶有 弹性滞后的特性，则填料的弹性变形将会产生一定的滚动阻力；此外由于挠曲作用，在 轮胎与路面接触面上便会产生一种揩拭运动，这种运动会使轮胎与路面在接触区域内的 相对运动或相对运动趋势的方向有所改变【2 4 1 。因此斜交线轮胎的这种结构会比较明显地 影响轮胎有效摩擦力的大小。由于子午线轮胎的胎体顶层带有一层由钢丝编成的钢带而 使轮胎的刚度相对较大，在其滚动时产生的弹性变形就会比较小，所以因为橡胶弹性滞 后特性产生的轮胎滚动阻力会比较小；其次，由于在轮胎与地面的接触区域内并不存在 所谓的揩拭运动，所以子午线轮胎与地面间所能产生的有效摩擦力要比斜交线轮胎的高 得多。 ( 2 ) 轮胎花纹形状、密度和深度的影响 我们知道，在轮胎与路面间的相互作用过程中，胎面的花纹对摩擦力的影响是非常 大的。 轮胎表面花纹的形状可分为很多种，如横沟花纹、纵沟花纹、直横沟花纹和块状花 纹等，但是目前的轮胎花纹大致都是由图2 3 所示的三种花纹所组成的1 2 5 1 。每种花纹都 斜对角花纹抛物线型花纹交叉花纹 图2 3 轮胎面上的不同花纹 有各自的优点和缺点，适用于不同类型的车辆。当轮胎同时受到横向力和纵向力作用时， 横沟花纹胎面与路面间的纵向摩擦力较大、纵沟花纹胎面与路面间的横向摩擦力较大、 而直横沟花纹胎面在纵向和横向都存在一定的摩擦力，故相对而言直横沟花纹轮胎抗滑 能力比较强。 轮胎花纹的密度对轮胎与路面间的摩擦力影响也很大，花纹的密度越小，轮胎与地 面的接触面积越大，则轮胎与地面间的附着力就越大，接触面最大的情况就是轮胎成为 1 3 第二章轮胎与路面间摩擦形成的机理及影响因素 光面，也是通常所说的“光头轮胎 。将光面轮胎与有花纹的轮胎进行对比，区别主要 表面在以下两个方面：一是，在干燥路面上光面轮胎与地面的接触面积较大，故其附着 力较大；二是，在同样载荷作用下光面轮胎的变形量要明显小于有花纹的轮胎。轮胎表 面花纹最大的作用就是尽快排除轮胎底下的水膜，它吸进轮胎挤压的水，并将水导出接 地印迹之外，增大轮胎与地面的接触面积，进而增大摩擦力。我们通常说轮胎的花纹可 以增加其与地面间的附着力，是指轮胎在特殊路面上行驶时，如：有水、霜、砂或污染 物较多的路面，轮胎的沟槽可以将水或砂甩到一边，保证轮胎与路面间有较好的接触， 使之在特殊条件下有较大的摩擦力。当轮胎花纹里嵌有石子或其他异物时，一定要将其 及时清理就是这个原因。为什么赛车的轮胎都是只使用光面轮胎，就是因为光面轮胎有 更大的地面附着力，然而它们只适合于在晴天赛车。普通汽车却能够接受轮胎上花纹所 带来的这一点点不足，因为到了湿路面上花纹自然就会显示出它的优越性。 轮胎表面花纹的深度也影响轮胎与路面间摩擦力的一个很重要的因素。在实际中一 般认为，当轮胎沟槽深度小于2 m m 时，为了安全行驶的需要就应该加以更换。有人在 干燥路面上进行了花纹深度对附着率的影响的试验，得到了如图2 4 所示的曲线1 2 6 。 国 嘲咚 踅 沟槽深度( x ) 图2 4 花纹深度对附着率的影响 从图中我们可以清楚地看出：花纹越深，轮胎的附着率就越低。这是因为花纹加深 使轮胎的弹性变形量增大，由摩擦力形成机理我们可知：由于橡胶弹性滞后特性而形成 滚动阻力随之增大。 ( 3 ) 轮胎充气压力的影响 1 4 长安大学硕士学位论文 轮胎充气压力对轮胎与路面问摩擦力的影响可以从正负两个方面来评价：一方面在 硬质路面上( 如沥青路面、混凝土路面) ，充气压力较低的轮胎在滚动过程中会产生比 较大的弹性变形，那么由于橡胶弹性滞后特性而形成滚动阻力就会比较大；另一方面如 果降低轮胎的充气压力，那么将会使轮胎与路面的实际接触面积有一定的增加，进而提 高了轮胎与路面间的摩擦力。因此，对于轮胎的充气压力要寻求一个最佳的平衡值( 一 般在轮胎表面会有所标记) ，以确保轮胎在滚