动态路面摩擦系数的分析与测试技术探讨

动态路面摩擦系数的分析与测试技术探讨

陆振盛

柳州铁道职业技术学院    广西柳州545000

摘要：针对高速公路路面，通过选择动态摩擦系数为评判指标，可以使路面评定的指标更加科学合理，既通过对动态道路摩擦力测量的基本原理与测量装置的构造特征的解析，同时又通过对路面上连续动态摩擦系数测量装置在各种速度下测量的摩擦系数，进一步解析了公路路面与车轮间摩擦力的动态特征。

关键词：路面；动态摩擦系数；测试；车辆安全

公路交通运输由于具备了快捷、安全、有效、方便等优点，现已成为中国陆路交通中极其重要的一部分。由于公路交通量的增加，以及高速公路上各种车型速度的增加,车辆安全方面尤为重要，因为道路质量对交通安全关系很大，特别是道路摩擦力大小直接决定了车辆的制动距离，决定了行车的安全性。主要影响道路摩擦力的因子包括有：(1）轮胎及路表面粗糙度；(2）道路表层积水；(3）轮胎路面的接触压力；(4）道路汽车行驶时速等。为保障公路的通过质量和安全性，新建成道路要计算其摩擦力值，而新建设路面又需要经常开展摩擦系数测试，观察道路摩擦力的变动情况，以保证道路质量。本章通过对中国国内公路路面和汽车车轮间摩擦力测定方法的研究，系统阐述了中国道路摩擦力测定方法的理论基础及其检测装置的构造特征，并探讨了动态摩擦系数对道路驾驶安全性和路面状况的影响作用。

一、动态路面摩擦系数的特性

1.1动态路面摩擦系数的意义

道路和车轮间的摩擦力φ是公路工程和汽车设计中的一个关键技术参数，它不但决定了路面通过性能，而且直接关系汽车行驶安全，故一般把摩擦力φ和行驶安全性视为公路工程设计的二个基本参数。摩擦系数φ除了与轮胎的气压、轮胎表面的压力以及车辆状况等相关之外，也与道路上的结构、路面干湿与污染情况和行驶距离等条件有关，同时由于道路使用时间的增长，摩擦力也会变化。道路磨损性能也影响汽车的安全性。路面的摩擦力在不同速度时会测出不同的数值，摩擦力通常是随着速度的增加而减小。对于同一块路面在不同速度时反复计算摩擦力，就会在数字上推导出摩擦力与道路特性间的联系，从而比较精确地体现路面的磨损特性。由图一可得到，车辆速度越快，路面摩擦系数越低。基层刚铺筑完成后，沥青面层骨料表面覆盖有一层沥青薄膜，摩擦力系数较小，但由于轮胎在对路面基层的磨损，摩擦力到达了最大，此后一般在1~2年的时期内，摩擦系数值就会逐步下降，一般的下滑范围都在15%~25%范围内，并一直保持在一个相对稳定的水准左右。根据《公路工程技术标准》(JTJ073-96）和《公路路基路面现场检测标准》(JTJ059-95）中的相关规范，高速公路表面抗滑能的检测仪器一般采用摆式摩擦系数仪，但其值实际上反映了道路的静态抗摩能力，而不是实际道路摩擦力，其动态摩擦系数则代表着实际公路路面的抗滑能力，是在道路保证车辆运行安全的必要条件，动态摩擦系数与速度关系和实际道路条件的相关曲线，如图一所示。

图1 动态摩擦系数和滑转率关系分析

1.2轮胎与路面间的摩擦模型

汽车前进、刹车、加速、转向时主要外力来源是由车轮和道路之间的摩擦所提供的摩擦力。车轮路面接触式特征图可直观表达道路摩擦力的特征，先构建如图二所示车轮与道路地面模型，确定车型的主要材料特征（弹性模量、泊松比）和单元形式，然后虚拟仿真车轮与路面的接触情况，再利用ANSYS中的MESH模式对车轮和道路进行网格分割。根据车轮所施加的位移约束和路面此时所对车轮施加的压力约束，对车轮进行有限元计算，经过运算后可得出在垂直和水平负荷下车轮径向位移。

图2 轮胎和路面模型

车轮与地面的面积区内，通常都被细分成二重划区域：一个是粘着区，即车轮进入接触的一边；一个是摩擦区，即车轮脱离接触的另一边。两个区域的面积大小相似。在一定的压力和速度条件下，测车轮被锁住并在公路上拖行以测量附着力。而锁车轮法其实也是滑移率为100%的一个方法。检测的结果是车轮的一个或几个检测轮组成。检测系统包含了传感器、装置、洒水系统，以及检测车轮的锁死装置。侧向阻力指承载着一定竖向负荷的试验车轮表面与地面接触，并且与试验汽车前进方向有20°的夹角,这样在汽车前进时在试验车轮表面形成的一种侧向滑动摩阻力，侧向压力由一个气压感应器所测得，且与路面车轮之间的摩擦力成正比，侧向压力和竖向荷载之间的比例为

固定滑移率设备可以在15%~20%的某一固定滑移速率状态下，测量路面的摩擦力系数。而与侧向阻力装置相比，固定的滑移速率通常都可以在较低速时测量。

二、动态摩擦系数的评价分析

大量的测量轮测量研究显示，动态摩擦系数具有结构简单、均匀和各态稳定的特点，可以应用于平稳随机过程的模型中进行分析评价。一般测量间隔为1000~1800m,5次均为一组，共测5~10组，将全部的试验数据作为统计采样，并利用样本的几何特性方差以及功率谱密度值来表征动态摩擦系数，平均值、标准差则能够反映动态摩擦系数变化的情况。

测算道路动态摩擦力，不但能够计算道路摩擦力的动态变化，同时能够间接掌握道路的磨损、破坏以及路面平整度的变动状况。因为道路磨损与破坏，导致摩擦力沿道路的纵向位置的不平衡，以及动态摩擦力试验曲线变化。

结论

动态摩擦系数是反映路面通过性能、道路交通安全以及汽车运行损耗情况（包括油耗、轮胎磨损等）的关键参数，经过对道路上动态摩擦系数测定方法的探讨，可以通过动态摩擦系数进行道路抗滑行能判断比较合理，而且通过动态路面摩擦力检测装置不但可以进行路面摩擦力的直接检测，还可以反映出路面的总体状况。

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