TOM 4 marzec-czerwiec 2000 r. S tc te tw t& iy nr 2-3
B ogum ił S zw abik*, J a n u s z P okorski**
W poszukiwaniu rzeczywistej skali oceny właściwości przeciw
poślizgowych opon samochodo
wych i nawierzchni drogowych
Zaprezentowano wyniki badań kilku wybranych opon dostępnych na rynku, ze szczególnym uwzględnieniem dynamicznych charakterystyk przyczepności wzdłużnej typu jd = f(s) (współczynnik przyczepności w funkcji poślizgu względnego). Badania prowadzono posługując się polskim zestawem pomiarowym SRT-3.
Z najom ość charakterystyk przyczep n o ści w zdłużnej jd - f(s), odpow iadających przejściow ej, dynam icznej fa zie hamowania koła pomiarowego, pozwala na pełniejsze określenie wpływu różnego rodzaju czynników - zarówno konstrukcyjnych, technologicznych, eksploatacyjnych, jak i atmosferycznych - na właściwości przeciwpoślizgowe badanych opon samochodowych i nawierzchni drogowych, niż wyniki pomiarów wykonanych przy ustalonej wartości poślizgu, jak to ma najczęściej miejsce.
Słowa kluczowe: przyczepność opon samochodowych, metody badań opon samochodowych i nawierzchni drogowych
Searching for real evaluation scale of tyre- pavement anti-skid properties
Test results of a few commercial tyres have been presented, taking into special consideration dynamic characteristics of longitudinal friction of jU = f(s) type (friction coefficient as a function o f relative slip). The tests have been carried out using the Polish tester unit SRT-3.
Knowledge o f longitudinal friction characteristics jd = f(s) relating to transition, dynamic phase opf measuring wheel braking, allows to the fuller extent to determine the influence o f various kind o f factors - constructional, technological, operational as well as atmospheric ones - on anti-skid properties o f vehicle tyres and road pavements. It gives wider picture than the test results carried out with the fixed slip value, as takes place the most often.
Key words: friction o f vehicle tyres, testing methods o f vehicle tyres and road pavements
* Instytut Badawczy Dróg i Mostów
** Instytut Pojazdów Politechniki Warszawskiej.
Autorzy reprezentują dwa odrębne instytuty - resortowy i uczelniany, które od wielu już lat zajmują się problematyką badań przyczepności nawierzchni drogowych - jako zadaniem głównym i opon samochodo
wych -jako zadaniem poznawczym.
S fa A tw t& U f nr 2-3 marzec-czerwiec 2000 r. TOM 4
1. Wstęp
W śród specjalistów , a także w pow szechnym odczuciu utrw ala się przekonanie, że ruch sam ocho
dowy jest jedną z najbardziej niebezpiecznych dzie
dzin działalności człowieka.
Rozwój motoryzacji pociąga za sobą rosnącą licz
bę wypadków drogowych, co przyw ykliśm y już trak- tbwać jako konsekw encję rozw oju cywilizacyjnego.
Jednakże ujaw niane statystyki zabitych i rannych w wypadkach drogow ych są zatrważające i zm uszają do poszukiwania rozwiązań temu przeciwdziałających.
W ydaje się, ze jed nym z działań jest doskonalenie m etod pom iaru i oceny rzeczyw istych w łaściw ości przeciw poślizgow ych opon sam ochodowych na róż
nych naw ierzchniach drogow ych i w różnych w arun
kach atm osferycznych.
O w łaściw ościach przeciw poślizgow ych opon samochodowych nie m ożna m ówić bez odwołania się do konkretnej opony i do danego rodzaju nawierzchni drogowej.
D otychczasow a praktyka'pokazuje, że istnieje duży obszar niejednoznaczności ocen - zarówno opon sam ochodow ych ja k i naw ierzchni drogow ych, co najczęściej wynika z różnorodności stosowanych m e
tod i urządzeń pom iarow ych lub z tradycji utrw alo
nych w danym ośrodku badawczym .
2. Współczynnik przyczepności jako miara właściwości przeciw
poślizgowych opon samochodo
wych i nawierzchni drogowych
M iarą w łaściw ości p rzeciw poślizgow ych na
wierzchni drogow ych jest, jak wiadomo, w spółczyn
nik przyczepności:
(i = F / Q (1)
definiowany jako stosunek wypadkowej reakcji stycznych F (o charakterze sił tarcia) i wypadkowej reakcji norm alnych Q (nacisku) m iędzy nawierzchnią drogi a kołem pom iarow ym urządzenia badawczego.
Taką definicją posługują się naukowcy i specja
liści związani z teorią ruchu samochodu lub praktyką motoryzacyjną, rzeczoznaw cy - oceniający przyczy
ny lub odtwarzający przebieg wypadku drogowego,
jak również drogowcy - oceniający jakość naw ierzch
ni drogowej.
W yniki pom iarów w spółczynnika przyczepno
ści określone wg przytoczonej, pozornie oczywistej definicji, są często przyczyną nieporozumień, zw łasz
cza w przypadku, gdy są to pom iary na użytek drogo
wnictwa.
U podstaw takiego stanu rzeczy leży fakt, że róż
ne urządzenia pom iarow e pracujące z reguły przy róż
nych stopniach poślizgu i z zastosowaniem różnych opon testowych, m ierzą siły tarcia i współczynnik przy
czepności w odm iennych warunkach. Np. zupełnie inna jest skala oceny w łaściw ości przeciw poślizgo
wych naw ierzchni drogow ej, dokonana za pom ocą popularnego w krajach zachodnich urządzenia SCRIM (z bocznym znoszeniem koła pom iarowego) lub za pom ocą francuskiego urządzenia LCPC (z pełną blo
kadą koła pom iarow ego), am erykańskiego ASTM E- 274 (również z pełną blokadą koła pom iarowego), a jeszcze inna, gdy badania są prowadzone za pom ocą urządzenia Skiddom eter BV-11, przy poślizgu 20 % [1,2]. Ilustruje to ry s.l, na którym poszczególne urzą
dzenia, pracujące przy określonym (rzeczywistym lub obliczeniowym ) poślizgu, pokazano na tle hipotetycz
nych charakterystyk typu |i = f(s) (współczynnik przy
czepności w funkcji poślizgu względnego) [6]. Na nie
których u rząd zen iach m ożna dokonyw ać pom iaru w spółczynnika przyczepności dwiema różnym i m e
todami, przy różnych w artościach poślizgu koła po
miarowego, uzyskując praw ie dwukrotną rozpiętość wyników (np. w p rzy p a d k u u rząd zeń S kid d o m eter BV-8 i S tu ttg arter R eib u ngsm esser), co zm usza do szczególnej o strożn ości przy k orzystaniu z ró żn e go ro d zaju p u b lik a c ji. Jed n ak że n ajw ażn iejszy m w nioskiem , ja k i w ynika z analizy rys. 1, je s t stw ier
dzenie, że n iew ielk a ró żn ica w p rzebiegu rzeczy w istej charak tery sty k i \x = f(s) m oże prow adzić do znacznych różnic w yników pom iarów - d o k on y w a
nych różnym i m etodami.
W grupie urządzeń pracujących przy pełnej blo
kadzie koła pom iarow ego znajduje się również pol
skie urządzenie SRT-3. Jest to tylko jedno z m ożli
wych zastosowań tego urządzenia. W załączniku A do Projektu Europejskiej Norm y pr E N 00227-115 z mar
ca 1999 r., dotyczącej w yznaczania dynam icznych charakterystyk dróg i pasów startowych lotnisk, SRT-3 jest w ym ienione jako urządzenie referencyjne i ma przypisane określone współczynniki przeliczeniowe, wiążące przyczepność danej opony testowej z tekstu
rą badanej nawierzchni drogowej [3].
TOM 4 marzec-czerwiec 2000 r. nr 2-3
Rys. 1. Zróżnicowanie mierzonych wartości współczynnika przyczepności w róż
nych metodach pomiaru (przy różnym poślizgu - na mokro) na tle przykłado
wych charakterystyk|x =f(s)
3. Szczególne właściwości zesta
wu pomiarowego SRT-3
Istnieje kilka typów urządzeń pomiarowych, któ
re um ożliw iają w yznaczanie pełnych charakterystyk przyczepności wzdłużnej i poprzecznej danej opony sa
mochodowej do określonej nawierzchni drogowej. Dla przykładu można tu wymienić amerykańskie urządze
nie MTTD (Mobile Tire Traction Dynamometer) [4], lub holenderski “kombajn” Delft Tyre Test Trailer [5].
Polski zestaw pom iarowy SRT-3 - stosow any do badania przyczepności nawierzchni drogowych w pol
skim i litew skim drogow nictw ie - posiada w yposaże
nie um ożliw iające w ykorzystyw anie go do badania przyczepności opon sam ochodowych.
Najważniejszymi cechami funkcjonalnymi zesta
wu są:
• m ożliwość pom iaru w spółczynnika przyczepności wzdłużnej (przy zerow ym kącie odchylenia koła pom iarowego od kierunku ruchu) dwiem a m eto
dami, na dwu całkow icie niezależnych torach po
m iarowych, polegającym i na oznaczaniu m om en
tu ham ującego (linia gruba na rys. 2) i siły przy
czepności (siły tarcia m iędzy kołem pom iarowym a nawierzchnią drogi) w w arunkach pełnej bloka
dy koła pom iarow ego (linia cienka na rys. 2).
• m ożliwość w yznaczania pełnych charakterystyk przyczepności wzdłużnej danej opony sam ochodo
wej i danej naw ierzchni drogowej typu |Li = f(s) (współczynnik przyczepności w funkcji poślizgu
względnego) - w zakresie początkowych, obw o
dowych prędkości koła pom iarowego od 30 do 120 km/h.
• m ożliwość badania opon o średnicy osadzenia od 13 do 15” - przy ograniczeniu ich średnicy ze
wnętrznej do Dz = 650 mm i szerokości opony do B = 195 mm.
Dzięki cechom kinem atyczno-konstrukcyjnym przyczepy dynamom etrycznej (patrz rys. 2) siła F C2 odczytyw ana na poziom ym czujniku, ustalającym wahacz koła względem samochodu ciągnącego, jest rów na sile przyczepności F m iędzy kołem pom iaro
wym a naw ierzchnią drogi w całym zakresie cyklu hamowania, a więc i w fazie przejściowej, w której koło pom iarowe wytraca swoją prędkość kątow ą od wartości cok= co0 do wartości cok = 0 i nie zależy od intensywności tego procesu. Inaczej mówiąc - m oment stycznych sił bezwładności koła pomiarowego w przej
ściowej, dynamicznej fazie procesu ham ow ania, za
m yka się w układzie wew nętrznym i nie przenosi się na czujnik siły przyczepności FC2 [6, 7].
N a rys. 3 p rzed staw io n o w yod ręb nio ne spo
śród innych w ielkości po m iaro w ych przebieg i siły przyczepności F(t) i prędkości obw odow ej koła p o m iarow eg o cok(t) (przy stałej p rędk ości u rządzen ia pom iarow ego ) w funkcji czasu. Po odfiltrow aniu zaburzeń d y nam iczny ch d ają one m ożliw o ść w y z n a c z e n ia c h w ilo w y c h w a rto ś c i w sp ó łc z y n n ik a p rzy czep n o ści
|4 (t) = F(t) / Q0 = c F cl(t) (2)
SCa&totK&Uf, nr 2-3 marzec-czerwiec 2000 r. TOM 4
Rys. 2. Schemat kinematyczno-konstrukcyjny przyczepy dynamo
metrycznej zestawu pomiarowego SRT-3 oraz poślizgu względnego
s(t) = 1 -CDk( t) /a > 0 (3) w fazie przejściow ej procesu ham ow ania, ja k rów nież uśrednionej w artości w spółczynnika przy
czepności
rakterystyką p rzyczepności w zdłużnej (opony, n a
wierzchni) w funkcji poślizgu względnego koła po
miarowego. Przykład takiej charakterystyki - w yzna
czonej dla opony testowej gładkiej z obwodowymi rowkami - podano na rys. 4.
Poza odpow iednim filtrow aniem przebiegów dynam icznych |i(t) i s(t) nie są stosowane żadne inne zabiegi obliczeniowe sprzyjające otrzym ywaniu cha
rakterystyk (i = f(s).
Podczas badania faza przejściow a procesu ha
m owania trw a - tak ja k w pojeździe, który wpada w poślizg - 0,2 - 0,3 s. Są to więc warunki oceny w łaści
wości przeciw poślizgow ych nawierzchni drogowych (dla tej fazy ham ow ania) zbliżone do rzeczywistych.
Rys. 3. Przebiegi rzeczywiste F(t) i co k(t) - i odfiltrowane F(t)f i co f t ) - w całym procesie hamowania koła pomiarowego
w w arunkach pełnej blokady koła pom iarowego (w przyjętym czasie uśredniania tu).
Przez w yelim inow anie czasu z zależności (2) i (3) m ożna wyznaczyć przebieg [i = f(s) będący cha-
TOM 4 marzec-czerwiec 2000 r. Sta& tO łK & iy nr 2-3
Rys. 4. Charakterystyka \1 =f(s) odpowiadająca odfiltrowanym prze
biegom F(t)f i (£>k(t)f z rysunku 3
Podane poniżej przykłady charakterystyk [i = f(s) uzyskane z użyciem sześciu różnych opon w w arun
kach ham ow ania na m okro - przy grubości filmu w od
nego 0,5 mm - ilustrują m ożliw ości zaprezentowanej metody ich wyznaczania.
Przy wyborze opon głównym czynnikiem różni
cującym był charakter bieżnika i wymiary. W śród sze
ściu badanych opon były dwie o wymiarach 185/70 R14 z b ie ż n ik ie m je d n o k ie ru n k o w y m p o d o b n y m do s y m e try c z n e j jo d e łk i, d w ie o p o n y o w y m ia ra c h 175/70 R14 z bieżnikiem dwukierunkowym ze skośnymi klockami, dwie opony o wymiarach 165 R13 również z bież
nikiem dwukierunkowym o dość zróżnicowanej rzeźbie.
Na rys. 5 przedstawiony jest pęk krzywych [i = f(s) sporządzony dla opony Xj (z bieżnikiem jednokierun
kowym) jednego z krajow ych producentów, badanej
na nowej nawierzchni M ostu Gdańskiego w Warsza
wie (odcinek testowy nr 1) - przy prędkości zestawu pom iarowego v = 60 km /h - w kolejnych, co 100 m drogi, punktach pom iarowych (ostre ham ow anie do pełnej blokady kola pom iarowego).
N a rys. 6 przedstaw iono charakterystyki \x = f(s) sporządzone dla wszystkich sześciu opon testowanych na tym samym docinku testowym (w wybranym punk
cie pom iarowym ) przy prędkości zestawu pom iaro
wego v = 90 km / h.
N atom iast na rys. 7 przed staw ion o ch a ra k te rystyki [i = f(s) spo rządzone dla tych sam ych sze
ściu opon na odcinku testow ym nr 2 (jedna z tras dojazdo w ych do W arszaw y) dla tych sam ych sze
ściu opon - rów nież przy p rędkości zestaw u p o m ia
row ego v = 90 km /h.
Rys. 5. Charakterystyki jl = f(s) dla opony X}; odcinek testowy 1, vQ = 60 km/h
SfaA & w t& ity nr 2-3 marzec-czerwiec 2000 r. TOM 4
Rys. 6. Charakterystyki [i = f(s) dla opon X 1 .... , X 6; odcinek testow y 1, v0 = 90 km/h
Rys. 7. Charakterystyki [i = f(s) dla opon X ] .... , X 6; odcinek testo
wy 2, vQ = 90 km/h
Charakterystyki \x = f(s) pokazane na rys 5, mimo, iż wykonane w różnych, przypadkowych w istocie rze
czy punktach pomiarowych na odcinku testowym 1 (dla jednej opony), wykazują dużą zgodność - zarówno mak
symalnej wartości (i odpowiadającego jej poślizgu), jak i “minimalnej” wartości - przy pełnej blokadzie koła pomiarowego, co świadczy o precyzji prezentowanej metody ich wyznaczania. Indywidualne różnice przebie
gu tych charakterystyk można tłumaczyć odstępstwami rzeczywistej prędkości pomiarowej (w danym punkcie pomiarowym) od nominalnej prędkości pomiarowej, jak również niewielkimi, nieuniknionymi różnicami tekstu
ry w miejscach pomiaru.
O dcinek testow y 1, w ykonany w technologii SMA (mastyks grysow y) charakteryzuje się dużą je d norodnością cech powierzchniow ych (równość, wła
ściwości cierne, tekstura). W końcowej fazie budowy został dodatkow o uszorstniony przez wprasowanie w gotowe podłoże drobnego grysu granitowego.
Zaskakująco duża zgodność charakterystyk (i = f(s) występuje również na odcinku testowym 1 dla wszyst
kich badanych opon (rys. 6) - przy prędkości pom ia
rowej v = 90 km/h.
Takiej zgodności nie wykazują charakterystyki
\i = f(s) przytoczone na rys. 7, sporządzone dla tych sa
mych sześciu opon na odcinku testowym 2. Odcinek ten, również wykonany w technologii SMA, odznacza się daleko posuniętą degradacją cech powierzchniowych, głównie tekstury - jest stosunkowo gładki, optycznie śli
ski, mimo, iż według przyjętych w kraju kryteriów oce
ny klasyfikowany jest jako zadowalający. Na tym odcin
ku testowym dwie spośród badanych opon wyraźnie odbiegają od pozostałych, zwłaszcza w zakresie małych poślizgów. Natomiast jedna z opon (z bieżnikiem jedno
kierunkowym) charakteryzuje się bardzo dobrą przyczep
nością również przy poślizgu s = 100%.
W iększość charakterystyk [i = f(s) ma bardzo stromy przebieg w zakresie niskich poślizgów, osią
gając m aksym alną wartość współczynnika przyczep
ności przy poślizgu w zględnym nie przekraczają
cym na ogół 20%. Przekroczenie tej granicy, np. w czasie ham ow ania panicznego lub awaryjnego, pro
TOM 4 marzec-czerwiec 2000 r. S fa d to m e n y nr 2-3
wadzi z reguły do blokady kół i utraty panow ania nad pojazdem. Indywidualne różnice w usytuow aniu m ak
symalnej wartości w spółczynnika przyczepności róż
nych opon na różnych drogach m ogą rzutować na sku
teczność ham ow ania pojazdów wyposażonych w róż
nego typu układy ABS.
Charakterystyki ji = f(s) z natury rzeczy odnoszą się do tej prędkości, przy której zostały wyznaczone.
Niektórzy badacze preferują w ocenie właściwo
ści przeciwpoślizgowych opon i nawierzchni drogowych charakterystyki typu (a = f(vs) (współczynnik przyczep
ności w funkcji prędkości poślizgu, jako pochodne wzglę
dem charakterystyk \x = f(s). Skalę prędkości poślizgu można otrzymać przez przemnożenie wartości poślizgów względnych przez tę wartość prędkości, przy której cha
rakterystyka [i = f(s) była wyznaczona.
Zdaniem autorów duże znaczenie m ają charak
terystyki [i = f(vs) sporządzone przy kilku prędkościach zestawu pom iarowego - w warunkach pełnej blokady kola pom iarowego. U m ożliw iają one przew idyw anie wartości w spółczynnika przyczepności (w ekstrem al
nych w arunkach ham ow ania) poza tym zakresem prędkości pomiarowych, przy których były sporządzo
ne. Przykład takich charakterystyk, sporządzonych na odcinku testowym 1 (M ost Gdański) dla w szystkich sześciu badanych opon podano na rys. 8.
IB D iM wydają się świadczyć o tym, że m aksi
mum współczynnika przyczepności współczesnych opon, z opasaniem stalowym, przesunięte jest bar
dziej w lewo, w kierunku m niejszych poślizgów względnych niż dotychczas przyjm owano. M a to duże, pozytywne znaczenie, dla przebiegu ham o
wania samochodu.
5. Literatura
1. Antle CH.y Wambold J.C., Henry J.J.: International P1ARC Experiment to Compare and Harmonize Texture and Skid-Resistance Measurements, PIARC Commitee on Surface Characteristucs Cl 1995 2. Pokorski J., Szwabik B.: Współczesne metody po
miaru współczynnika przyczepności nawierzchni drogowych. Materiały z IVMiędzynarodowej Kon
ferencji uTrwałe i bezpieczne nawierzchnie drogo
w e K i e l c e 1998, IBDiM
3. Projekt normy CENpr EN00227-115: Surface Cha
racteristics - Dynamie Measurement o f Frictioin 4. Hegmon R: Reliability ofLocked-Wheel Skid-Resistance
Tester Confirmed. Public Road. December 1981 5. Prospekt reklamowy D elf Vehicles Research Labo
ratory - Netherlands
4. Wnioski
♦ W ocenie właściwości przeciwpoślizgowych opon samochodowych należy uwzględnić różne charakte
rystyki dynamiczne, w tym typu \x = f(s) i [i = f(vs).
♦ Przyczepność opon sam ochodow ych należy roz
patrywać w ścisłym pow iązaniu z typowym i i eks
trem alnie różnym i w łaściw ościam i technologicz
nymi i eksploatacyjnym i naw ierzchni drogowych.
♦ D o ty c h c z a s o w e b a d a n ia p rz e p ro w a d z o n e w
Rys. 8. Charakterystyki typu p =f ( v j dla opon XJ - X6na odcinku testowym 1 (przy pełnej blokadzie koła pomiarowego)
6. Szwabik B.} Pokorski J.: Przesłanki teoretyczne a tech
niczne środki pomiaru współczynnika przyczepności nawierzchni drogowych. Teka Komisji Naukowo-Pro- blemowej Motoryzacji, Zeszyt 8, Odział PAN w Kra
kowie oraz Politechnika Krakowska, 1996
7. Szwabik B., Pokorski J.: Zestawy pomiarowe SRT-3 - Podstawowe urządzenia do badania przyczepno
ści nawierzchni drogowych w Polsce. Seminarium Naukowo-Techniczne <(Diagnostyka i ocena stanu Dróg ”, Politechnika Szczecińska, Szczecin 1997
