汽車試驗道路附著系數(shù)的測試

閆仕軍

1991年畢業(yè)于清華大學(xué)，2001年畢業(yè)于吉林大學(xué)，碩士研究生?，F(xiàn)就職于泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，任產(chǎn)品數(shù)據(jù)及知識工程部總監(jiān)，高級工程師。主要研究方向：汽車自動化設(shè)計、產(chǎn)品數(shù)據(jù)智能化管理和汽車法規(guī)認證等，已發(fā)表論文數(shù)篇。

摘? 要：汽車試驗道路的路面附著系數(shù)直接影響汽車行駛的動力性能、制動性能和操控性能等。本文分析了國內(nèi)外路面附著系數(shù)的測試方法及儀器設(shè)備，結(jié)合測試實踐，提出了汽車試驗道路建設(shè)及使用各階段的測試策略，有利于保證汽車試驗結(jié)果的有效性和可比性，具有較高的推廣應(yīng)用意義。

關(guān)鍵詞：試驗道路;附著系數(shù);測試

中圖分類號：U467.1+1? ? ?文獻標(biāo)識碼：A? ? ? 文章編號：1005-2550（2022）03-0010-04

The Testing of Coefficient of Adhesion for Pavement

YAN Shi-jun

（ Pan Asia Technical Automotive Center Co.， Ltd，? Shanghai 201208， China ）

Abstract： The coefficient of adhesion for vehicle testing pavement directly influences the vehicle driving performance， like dynamic performance， braking performance， controllability and stability and so on. This article has analyzed the testing techniques and instrumentation of coefficient of adhesion for pavement here and aboard. Combined with testing practice， it has also put forward testing strategies of testing pavement construction and use proposal for different stages， which help to ensure the effectiveness and comparability of vehicle test results. Thus， these testing strategies have a highly promotion and application significance.

Key Words：? Testing Pavement; Coefficient of Adhesion; Testing

1? ? 引言

輪胎與道路間的附著系數(shù)（φ）是指由輪胎傳遞給地面的切向力與法向力之比，其主要因素包括：路面的構(gòu)造特征、紋理、平整度以及輪胎的材質(zhì)、花紋、胎壓等。正常情況下路面的影響要顯著高于輪胎，因此也常稱為路面的附著系數(shù)，它直接影響汽車行駛的動力性、制動性能、操縱穩(wěn)定性、ABS性能及ESP性能等。為保證汽車試驗結(jié)果的有效性和可比性，試驗道路的路面參數(shù)應(yīng)符合相應(yīng)的技術(shù)要求并保持穩(wěn)定，附著系數(shù)是其中的關(guān)鍵指標(biāo)之一[1-2]。

歐洲和美國等制定了很多測試路面附著系數(shù)的方法，開發(fā)了相應(yīng)的測試儀器設(shè)備。測試方法有制動力系數(shù)法、橫向力系數(shù)法、實車減速度法、擺式儀法等，測試儀器設(shè)備包括路面橫向力系數(shù)測定儀、縱向附著系數(shù)測試車、道路摩阻力測試系統(tǒng)、擺式儀等。這些方法和測試儀器在特定場景下分別得到應(yīng)用，但獲取的數(shù)據(jù)相互獨立，沒有可以互相轉(zhuǎn)換的公式。

我國交通行業(yè)從評價道路路面抗滑性能的角度出發(fā)，對路面附著系數(shù)的評價包括直接和間接測量兩大類。其中直接測量方法所應(yīng)用的儀器既有國外進口，也有部分國產(chǎn);間接測量方法主要是對路面宏觀構(gòu)造進行測定，如鋪砂法、涂脂法、激光測量法等。

試驗道路的建設(shè)和應(yīng)用，往往包括路面特殊材料選擇及試鋪、鋪裝、竣工驗收道路使用等階段。目前國內(nèi)外尚沒有一種公認、統(tǒng)一的測試方法和指標(biāo)，來確認各階段試驗道路的路面附著系數(shù)。并且，在提出試驗道路設(shè)計技術(shù)要求和進行施工設(shè)計時也缺乏統(tǒng)一的技術(shù)基準。

2? ? 主要的測試方法及設(shè)備

2.1? ?制動力系數(shù)法（BFC）

制動力系數(shù)法是測量路面縱向附著系數(shù)的一種方法。其原理是：在一定的速度下，通過對制動力或縱向附著力以及輪胎豎向載荷的測量，計算二者比值而得到縱向附著系數(shù)。通過對測定時制動力的控制，可以獲得以下三種路面附著系數(shù)值：

1）測定縱向峰值附著系數(shù)

通過對制動力的控制，獲得車輪在抱死之前的最大縱向附著系數(shù)（路面干/濕條件下均可）。此方法在美國應(yīng)用較廣，測試方法和設(shè)備見ASTM E 1337《用參考試驗輪胎測定縱向峰值制動系數(shù)測試方法》[3]。

2）測定某一固定的滑移率下縱向附著系數(shù)

通過特殊的機械結(jié)構(gòu)，使測量輪保持某一固定的滑移率，從而測定路面附著系數(shù)的平均值。此方法在歐洲應(yīng)用較廣，具體見ISO 8349《道路表面附著力測試方法》[4]。

3）測定車輪抱死時的縱向滑動附著系數(shù)

測量輪始終處于抱死狀態(tài)，測定路面的滑動附著系數(shù)（路面濕條件下）。此方法在美國應(yīng)用較廣，具體見ASTM E 274-06《用足尺輪胎測定路面抗滑性的試驗方法》[5]。

采用制動力系數(shù)法時，汽車運行狀態(tài)與實際的制動滑移狀態(tài)十分接近，可以較好地反映汽車制動行駛時輪胎與路面的縱向力作用關(guān)系。該方法所用的測試設(shè)備較復(fù)雜;測試路面需要保證一定長度。另外，道路縱、橫坡會對測試結(jié)果有一定影響。

部分制動力系數(shù)法測試過程中測試設(shè)備如下圖1和圖2所示：

2.2? ?橫向力系數(shù)法（SFC）

橫向力系數(shù)法的原理是：測量輪與行駛方向成一定的角度，在行駛過程中（路面濕條件下），測量輪與路面之間有一定的側(cè)向滑移，產(chǎn)生側(cè)向附著力，它與測量輪所受正壓力的比值便是橫向附著系數(shù)。

橫向力系數(shù)體現(xiàn)了車輛變道、轉(zhuǎn)彎時路面抗側(cè)滑的特性，是行車安全的重要影響因素。橫向力系數(shù)是公路建設(shè)和養(yǎng)護中重要安全指標(biāo)，在國內(nèi)外的公路系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。下圖3為橫向力系數(shù)法測試過程中常見的測試設(shè)備。

2.3? ?擺式儀法

擺式儀法原理是：擺錘的頭部安裝有橡膠頭，如圖4所示，擺錘自水平位置在重力作用下擺過被測路面，然后通過擺錘擺起的角度來評價被測路面的摩擦性能。

1955年擺式儀在英國研制成功，目前在許多國家都得到應(yīng)用。其結(jié)構(gòu)簡單、輕便，操作方便，能夠?qū)τ诖笮驮O(shè)備無法進入的小型區(qū)域、小樣段及路面材料進行測試。但是該方法與路面實際行車條件無直接關(guān)系，且對于大面積路段測試時耗費人力多、測試時間長，存在一定的局限性，只能作為一種對比試驗法。參考標(biāo)準：ASTM E 303《用英國擺錘試驗儀測量表面摩擦性能的標(biāo)準試驗方法》。

2.4? ?實車減速度法

實車測試不借助另外的測量輪，但是需要安裝相應(yīng)的測量儀器。測試時，需要逐次增加制動管路壓力進行多次試驗，每次試驗時，保持腳踏板力不變。取車速從40km/h降到20km/h的平均減速度，計算路面附著系數(shù)。同時根據(jù)繪制的滑移率曲線，獲得峰值附著系數(shù)[2] [6]。

由于車輛自身不具備灑水裝置，測試濕狀態(tài)路面時需要借助外部系統(tǒng)。由于測試條件的特殊性，這種測試方法適合在汽車試驗場內(nèi)進行。

相關(guān)的標(biāo)準有：UN R 13-H 、GB 21670-2008等。

應(yīng)用上述各類測試方法測出的附著系數(shù)值是相對獨立的，互相轉(zhuǎn)換的經(jīng)驗公式往往不具備普遍性。

3? ? 測試應(yīng)用案例

3.1? ?某汽車試驗場ABS道路

在玄武巖瓦路面的施工過程中，先后用擺式儀法、制動力系數(shù)法和實車減速度法測量了玄武巖瓦路面和水泥混凝土路面的附著系數(shù)，如表1所示：

3.2? ?某ABS試車道

某ABS試車道有4種典型路面：水泥混凝土路面、瀝青路面、玄武巖路面以及瓷磚路面，分別采用制動力系數(shù)法、擺式儀法和實車減速度法進行了測試，如表2所示：

測試設(shè)備：ASFT Sharan縱向附著系數(shù)測試車、擺式儀、凱越三箱轎車、輪速儀、減速度儀等。

4? ? 汽車試驗道路建設(shè)及使用各階段的測試策略

汽車試驗對路面附著系數(shù)的要求大都是縱向的。受場地條件和成本等因素制約，在汽車試驗場建設(shè)及使用各階段宜采取不同的測試策略。

4.1? ?路面特殊材料選擇及試鋪階段

模擬冰雪路面的特殊材料有玄武巖瓦和瓷磚等，單體面積較小，如10cm×10cm，20cm×20cm等。材料選擇及驗收時，擺式儀法是經(jīng)濟、可行的選擇;若試鋪路段較長，可采用一些動態(tài)測試設(shè)備。

實踐表明，國產(chǎn)和進口擺式儀的測量結(jié)果往往有明顯差異，具體的附著系數(shù)控制數(shù)值需要通過積累和對比測試獲取。

4.2? ?工程竣工驗收階段

公路和市政道路的標(biāo)準及規(guī)范不能涵蓋汽車試驗道路對附著系數(shù)的要求，因此在試驗道路工程設(shè)計和招投標(biāo)過程中，應(yīng)明確路面附著系數(shù)的要求，包括測試方法及數(shù)值范圍，否則竣工驗收缺乏依據(jù)。

對高速環(huán)道和性能路等，可采用縱向附著系數(shù)測試車測試。

對于低附著系數(shù)路面，除了使用縱向附著系數(shù)測試車測試以外，還應(yīng)采用實車減速度法測試（標(biāo)準法規(guī)有明確的指標(biāo)要求和測試方法），對路面質(zhì)量和噴水系統(tǒng)共同檢驗。

4.3? ?道路使用階段

在汽車試驗場的運行階段，雖然可以定期采用上述方式對路面附著系數(shù)進行測定，但進行一次大型測試要耗費不少人力和時間。

各種道路由于路面材料和使用頻率的不同，其附著系數(shù)下降的程度也不同。從經(jīng)濟性角度考慮，對不同道路可以設(shè)立幾個基準點，用擺式儀法定期對基準點進行檢測，若出現(xiàn)較大變化再進行拖車法及減速度法測試。

參考文獻：

[1]余志生. 汽車理論[M].機械工業(yè)出版社，2000.

[2]GB 21670-2008 乘用車制動系統(tǒng)技術(shù)要求及試驗方法[S].

[3]ASTM E 1337-2002. Standard Test Method for Determining Longitudinal Peak Braking Coefficient of Paved Surfaces Using a Standard Reference Test Tire1[S].

[4]ISO 8349：2002（E）. Road vehicles - Measurement of road surface friction[S].

[5]ASTM E 274-2006 Standard Test Method for Skid Resistance of Paved Surfaces Using a Full-Scale Tire1[S].

[6]UN Regulation No.13-H Revision 4 - 2018. Uniform provisions concerning the approval of passenger cars with regard to braking[S].