SRT-4 - nowa generacja zestawu pomiarowego do badania przyczepności nawierzchni drogowych i opon samochodowych

SRT-4 - nowa generacja zestawu pomiarowego do badania przyczepności nawierzchni drogowych i opon samochodowych
Fot. Adobe Stock. Data dodania: 20 września 2022

Zagadnienie oceny współczynnika przyczepności (siły tarcia) zarówno z punktu widzenia nawierzchni drogowej jak i ogumienia koła samochodowego nabiera coraz większego znaczenia wobec rosnących wymagań dotyczących bezpieczeństwa ruchu drogowego. Wiarygodny pomiar wartości tego współczynnika staje się coraz bardziej istotny przy budowie nowych autostrad, które muszą spełniać normy Unii Europejskiej.

1. Wstęp

Jednocześnie zmienność współczynnika przyczepności np. w funkcji poślizgu hamowanego koła ma istotny wpływ na algorytmy sterowania układów antypoślizgowych ABS oraz układów stabilizacji toru jazdy ESP. Układy te stają się obecnie standardowym wyposażeniem pojazdów samochodowych i to właśnie one mają decydujący wpływ na zwiększenie bezpieczeństwa na drogach.

Celem naukowym, realizowanego obecnie m.in. przez autorów artykułu projektu KBN, jest stworzenie nowoczesnego aparatu matematycznego i pomiarowo-badawczego pozwalającego na badanie własności przeciwpoślizgowych nawierzchni drogowych i opon samochodowych. Przez narzędzie to autorzy projektu uważają zarówno nowoczesny aparat matematyczny umożliwiający w miarę precyzyjny opis i badania modelowe zjawisk dynamicznych zachodzących w styku opony z jezdnią [9], [10], [11] jak i aparaturę badawczą pozwalająca na identyfikację zjawisk fizycznych tam zachodzących i ich ilościowy opis. Znajomość charakterystyk przyczepności ma również kapitalne znaczenie przy projektowaniu i doskonaleniu nowoczesnych typów ogumienia oraz opracowywaniu nowoczesnych materiałów i technologii wykonania nawierzchni drogowych [8].

Instytut Pojazdów Politechniki Warszawskiej wraz z Instytutem Badawczym Dróg i Mostów w Warszawie ma spore osiągnięcia w zakresie konstrukcji i eksploatacji systemów pomiarowych służących do badania przyczepności nawierzchni drogowych [3], [4], [5]. Dziesięć zestawów pomiarowych o nazwie SRT-3 od wielu lat wykonuje masowe badania przyczepności nawierzchni dróg krajowych [2]. Eksperymentalny zestaw pomiarowy będący własnością IBDiM, merytorycznie wspomagany przez pracowników IPPW, bierze od kilku lat udział w europejskim programie doskonalenia metodyki pomiarów drogowych [1]. Rosnące wymagania norm europejskich dotyczące zakresu pomiarów szorstkości nawierzchni wymuszają na konstruktorach systemów badawczych poszukiwania nowych rozwiązań układów pomiarowych. Doświadczenia zdobyte przy eksploatacji układów SRT-3 pozwoliły wskazać kierunek modernizacji polskich zestawów pomiarowych. Dla poprawnego wdrożenia tych zmian niezbędne są dalsze badania modelowe dotyczące współpracy hamowanego koła z nawierzchnią drogi, uwzględniające specyfikę pomiarów trakcyjnych.

Jednym z celów projektu było m.in. opracowanie i wykonanie nowej generacji przyczepy dynamometrycznej o roboczej nazwie SRT-4 służącej do prowadzenia prac badawczych i rozwojowych związanych z pomiarami charakterystyk przyczepności wzdłużnej zarówno różnych opon samochodowych jak i różnych nawierzchni drogowych. Poniżej zaprezentowano nowy zestaw pomiarowy i przedstawiono wyniki badań będących wstępem do oceny warunków bezpieczeństwa ruchu na polskich drogach.

2. Prezentacja zestawu pomiarowego SRT-4

Na rys. 1 oraz 3 zaprezentowano nowy zestaw pomiarowy SRT-4 służący do badania zarówno przyczepności nawierzchni drogowych jak i właściwości antypoślizgowych różnych opon samochodowych. Cechami, odróżniającymi go od poprzedniego układu pomiarowego są:
  • pojazd ciągnący w postaci mercedesa sprintera,

  • przyczepka dynamometryczna o zmiennym wymiarze ogumienia od 14 do 17 cali i zmiennym obciążeniu koła pomiarowego,

  • rozszerzony układ pomiarowo-sterujący PCI-EPP,

  • system GPS wspomagający lokalizację punktów pomiarowych,

  • oprogramowanie pomiarowo-sterujące pozwalające m.in. na wyznaczanie pełnych charakterystyki przyczepności (s).
Niezmienionym pozostał oryginalny schemat kinematyczny przyczepki dynamometrycznej, opracowany w pierwszej połowie lat sześćdziesiątych przez dr inż. Stanisława Kowalskiego i prof. Edwarda Habicha (rys. 2). Charakterystyczną cecha tego układu jest dwuwahaczowe (dwudrążkowe) prowadzenie koła pomiarowego z dwudźwigniowym układem sprzęgająco-wyrównoważającym. Układ ten zapewnia możliwość pomiaru siły tarcia T między kołem pomiarowym a nawierzchnią w każdych warunkach ruchu, zarówno w fazie swobodnego toczenia, jak i przy przyhamowywaniu (zwalnianiu) koła pomiarowego lub przy całkowitej jego blokadzie. Z układem dźwigniowym związane są dwa tory pomiarowe (czujniki pomiarowe). Pierwszy z nich FC1 - mierzy moment hamujący W•h na tarczy hamulcowej, drugi FC2 - siłę tarcia T w styku koła z jezdnią. W momencie całkowitego zablokowania koła pomiarowego oba czujniki mierzą (w odpowiedniej skali) tę samą siłę, co stwarza możliwość kontroli poprawności działania układu pomiarowego w warunkach trakcyjnych. Dodatkowy tor pomiarowy FC3 mierzący dynamiczne obciążenie koła Fz w czasie pomiarów został wprowadzony przez dr inż. Bogusława Szwabika i mgr inż. Janusza Pokorskiego do zestawów SRT-3 w pierwszej połowie lat dziewięćdziesiątych. Tor ten pozwala wprowadzić korektę obciążenia normalnego koła pomiarowego w czasie jazdy, co ma istotne znaczenie jedynie przy pomiarach na wyjątkowo nierównych drogach.

Na rys. 4 przedstawiono przebieg procesu pomiarowego podczas hamowania koła przyczepki dynamometrycznej przy ustalonej prędkości zestawu badawczego vs wynoszącej vs= 60 km/h.

Uśrednione wartości współczynników przyczepności koła do nawierzchni drogi wyznaczane są z zależności:

M=W/Fz, T=T/Fz . (1)

Przy całkowicie zablokowanym kole obydwie wartości powinny być sobie równe. Dopuszczalna odchyłka, decydująca o przydatności wykonanego pomiaru nie może przekraczać wartości ∆=0.05. Należy podkreślić, że zestawy SRT-3 oraz SRT-4 zostały wyposażone w system dynamicznego pomiaru siły wleczenia koła pomiarowego, co znacznie poprawia zgodność wyników pochodzących z obu kanałów pomiarowych.

Na rys. 5 zamieszczono zdjęcie ilustrujące nowy układ pomiarowo-sterujący zastosowany w zestawie SRT-4.

Układ PCI-EPP posiada budowę modułową. Ułatwia to rozbudowę i modyfikację zespołu pomiarowo-sterującego. Moduły 1 i 2 stanowią przetwornice zasilające moduły funkcyjne i komputer pomiarowy. Moduł 3 jest interface’em sprzęgającym z komputerem pomiarowym. Moduły 4 i 5 - służą do pomiaru drogi i prędkości zestawu pomiarowego vs i koła pomiarowego vk. Moduł 6 obsługuje pneumatyczne zawory elektro-magnetyczne sterujące układem hamulcowym i wypływem wody oraz zaworem proporcjonalnym sterującym przebiegiem ciśnienia hamowania. Moduły 7 i 8 stanowią zespół wzmacniaczy czujników pomiarowych oraz przetwornika analogowo-cyfrowego.

Rys. 6 przedstawia pełną charakterystykę przyczepności (s) uzyskaną z pojedynczego hamowania koła pomiarowego przyczepki dynamometrycznej SRT-4 (linia koloru czerwonego). Jest to szczególna własność, której praktycznie nie posiadają żadne inne układy pomiarowe. Możliwość uzyskiwania takiej charakterystyki z jednego testu hamowania wynika z oryginalnego schematu kinematycznego tej przyczepy. Dla porównania linią czarną zaznaczono odpowiednią charakterystykę wyznaczoną przy zastosowaniu modelu Pacejki [6] oraz modelu Dugoffa (linia niebieska). Modele te wymagają dysponowania wartościami wielu, trudno dostępnych i skomplikowanych pomiarowo parametrów.

Zestawy pomiarowe wykonujące masowe badania przyczepności nawierzchni na drogach krajowych wykorzystują system punktów referencyjnych do lokalizacji miejsca wykonanych pomiarów. System ten jednak dotyczy jedynie dróg pozamiejskich. Wychodząc naprzeciw potrzebom lokalizacji punktów pomiarowych na innych drogach układ pomiarowy SRT został uzupełniony o system nawigacji satelitarnej GPS. Rys. 7 ilustruje zmienność współczynnika przyczepności na odcinku testowym w Warszawie, a rys. 8 wskazuje miejsca tych pomiarów.

3. Technologia warstwy wierzchniej a współczynnik przyczepności

Dla zilustrowania wybranych wyników pomiarów wykonanych przy użyciu zestawu pomiarowego SRT-4 w kolejnych rozdziałach omówiono zróżnicowanie wartości współczynnika przyczepności na różnych nawierzchniach i na różnych odcinkach pomiarowych. Pełne wyniki pomiarów są dostępne w Pracowni Pomiarów i Obliczeń Komputerowych (PPiOK) Instytutu Pojazdów Politechniki Warszawskiej.

W tabeli 1 zamieszczono wartości współczynników przyczepności dla kilku różnych rodzajów warstwy wierzchniej.

Należy wyraźnie podkreślić, że wszystkie prezentowane w artykule wyniki dotyczą pomiarów na mokro - za wyjątkiem tabeli 4. Jeżeli wyraźnie nie zaznaczono, prędkość pomiarowa wynosiła vs=60 km/h. Omawiane pomiary zostały wykonane we wrześniu 2009 r.

Największe przyczepności wykazują nawierzchnie z boksytów spiekanych. Wartości współczynnika przyczepności na mokro sięgają tu M=0.86 i są większe od odpowiednich wartości na sucho dla powszechnie stosowanych nawierzchni wykonanych w technologii SMA (por. tab. 4). Technologia boksytów spiekanych jest dzisiaj jednak praktycznie nieobecna na drogach krajowych. Stosunkowo wysokie wartości przyczepności wykazują nawierzchnie z powierzchniowym utrwaleniem - w przedziale M=0.53…0.71. Nawierzchnie te stosowane są jedynie jako tymczasowe i to wyłącznie na drogach lokalnych. Powszechnie stosowana na drogach krajowych technologia SMA wykazuje duży rozrzut przyczepności - w przedziale M=0.33…0.54. Nawierzchnie z betonu cementowego wykazują stosunkowo dobrą przyczepność (M=0.50) pod warunkiem zastosowania technologii "ryflowania". Należy wyraźnie zaznaczyć, że wartość współczynnika przyczepności zależy od wielu czynników, m.in. czasu eksploatacji nawierzchni, natężenia ruchu, pasa ruchu na danej drodze [6], pory roku i oczywiście prędkości ślizgania koła w czasie hamowania.

W tabeli 2 zamieszczono bardziej szczegółowe wyniki pomiarów na nowej drodze wykonanej w technologii SMA. Rys. 9 przedstawia tzw. charakterystykę prędkościową dla omawianego odcinka.

Zwraca uwagę zróżnicowanie wartości współczynnika przyczepności w zależności od kierunku ruchu. Najczęściej lewy pas ma większą przyczepność od pasa prawego. Ze wzrostem prędkości ślizgania znacznie maleje wartość współczynnika przyczepności.

4. Zróżnicowanie współczynnika przyczepności w Warszawie

4.1. Ulice warszawskie

Dla zilustrowania zróżnicowania przyczepności na wybranych głównych warszawskich arteriach komunikacyjnych zamieszczono rys. 10. Wartość średnia współczynnika przyczepności wynosi M=0.41. Maksymalne przyczepności mogą lokalnie przyjmować wartości na poziomie M=0.6, minimalne M=0.3. Rozpiętość między wartością minimalną a wartością maksymalną jest więc dwukrotna. Podobną zależność można zaobserwować na odcinku przestawionym na rys. 7. Na rys. 11 przedstawiono oscylogram pomiaru, podczas którego nastąpiła skokowa zmiana współczynnika przyczepności. Nastąpiło to w wyniku najechania w czasie pomiarów na linię rozdzielająca pasy ruch.

4.2. Mosty warszawskie

Zróżnicowanie przyczepności na warszawskich mostach ilustruje tabela 3. Rozpiętość między minimalną i maksymalną przyczepnością jest tu nieco mniejsza niż na głównych arteriach komunikacyjnych Warszawy. Zwraca jednak uwagę stosunkowo mała przyczepność na mokro na najnowszym z nich - na moście Siekierkowskim. Przyczepność na sucho na tym moście jest prawie dwukrotnie większa (tab. 4).

5. Trasy wylotowe z Warszawy

W tabeli 5 zamieszczono wyniki pomiarów współczynnika przyczepności na kilku trasach wylotowych Warszawy.

Zwraca uwagę niska przyczepność na trasie Warszawa - Kraków. Jest ona na granicy wartości określonych w rozporządzeniu [12].

6. Uwagi końcowe

Zaprezentowane wyniki pomiarów współczynnika przyczepności wskazują na duże zróżnicowanie jego wartości w zależności od miejsca pomiaru, warunków ruchu, czasu eksploatacji nawierzchni i szeregu innych, bliżej nieokreślonych czynników. Dlatego przy szacowaniu jego wartości dla odtwarzania sytuacji przedwypadkowych dla celów np. ekspertyz sądowych należy zachować daleko idącą ostrożność. Najwłaściwszym rozwiązaniem wydaje się być wykonanie pomiarów współczynnika przyczepności przy pomocy zestawu pomiarowego SRT-4 wyposażonego w miarę możliwości w ogumienie pojazdu biorącego udział w kolizji drogowej. Przy symulacji nieustalonego ruchu pojazdów niezbędnym jest wykorzystanie pełnej charakterystyki przyczepności (s) możliwej do sporządzenia w konkretnym miejscu wypadku.

Przedstawione powyżej wyniki badań stanowią rezultaty realizacji projektu badawczego KBN NR N509 028 31/1417.

Literatura

[1] Antle Ch.E., Wambold J.C., Henry J.J.: "International PIARC Experiment to Compare and Harmonize Texture and Skid_resistance Measurement". PIARC Technical Commitee on Surface Characteristics C1.1995.

[2] Szwabik B., Pokorski J., Hanula J.: "Zestawy pomiarowe SRT-3 - podstawowe urządzenia do badania przyczepności nawierzchni drogowych w Polsce". Seminarium Naukowo-Techniczne "Diagnostyka i ocen stanu dróg". Materiały Konferencyjne s.339-348. Politechnika Szczecińska. Szczecin 3-4 kwietnia 1997.

[3] Szwabik B., Mechowski T., Pokorski J.: "Effective Method of Determining Dynamic Characteristics of Road Pavement Friction". Międzynarodowa Konferencja "2nd Eurasphalt & Eurobitume Congress", Barcelona 2000, Book I p.855-861.

[4] Szwabik B., Pokorski J.: "W poszukiwaniu rzeczywistej skali oceny własności przeciwpoślizgowych opon samochodowych i nawierzchni drogowych". Elastomery T4 (2000) nr 2-3, s.45-51. Wyd. Instytut Przemysłu Gumowego, 2000r.

[5] Pokorski J., Szwabik B.: "Doświadczalne i obliczeniowe charakterystyki przyczepności opon samochodowych i nawierzchni drogowych". Zeszyty Naukowe Instytutu Pojazdów 3(42)/2001, s.73-84. Politechnika Warszawska, 2001r.

[6] Pokorski J., Szwabik B.: "Zmienność współczynnika przyczepności w przekroju poprzecznym i podłużnym drogi". Zeszyty Naukowe Instytutu Pojazdów 1(40)/2001, s.157-169. Politechnika Warszawska, 2001r.

[7] Pacejka H.B.: Tyre and Vehicle Dynamics". Butterworth-Heinemann 2002. ISBN 0 7506 5141 5.

[8] Luty W., Prochowski L.: "Modelowanie charakterystyk przyczepności ogumienia samochodów ciężarowych". Zeszyty Naukowe Instytutu Pojazdów 1(44)/2002, s.37-47. Politechnika Warszawska, 2002r.

[9] Grzesikiewicz W., Pokorski J., Szwabik B: "Modelowanie i badania eksperymentalne przyczepności hamowanego koła". Przegląd Mechaniczny, Rok Wyd. LXII, Zeszyt 10/2003, str.73-77.

[10] Grzesikiewicz W., Pokorski J.: "Modeling of Tangential Interaction between Braking Wheel and Road Pavement in Aspect of Friction Coefficient Measurement". Materiały z X Międzynarodowej Konferencji "Trwałe i bezpieczne nawierzchnie drogowe", s.585-592. Kielce 2004, IBDiM 2004r.

[11] Grzesikiewicz W., Pokorski J.: "Modelowanie i symulacja cyfrowa zestawu pomiarowego do wyznaczania charakterystyk przyczepności opon samochodowych i nawierzchni drogowych". X Międzynarodowa Konferencja Naukowa nt.: "Badania Symulacyjne w Technice Samochodowej". Kazimierz Dolny 2005.

[12] Rozporządzenie Ministra Transportu i Gospodarki Morskiej z dnia 2 marca 1999r w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać drogi publiczne i ich usytuowanie. Dziennik Ustaw nr 43, Poz. 430.

×

DALSZA CZĘŚĆ ARTYKUŁU JEST DOSTĘPNA DLA SUBSKRYBENTÓW STREFY PREMIUM PORTALU WNP.PL

lub poznaj nasze plany abonamentowe i wybierz odpowiedni dla siebie. Nie masz konta? Kliknij i załóż konto!

Zamów newsletter z najciekawszymi i najlepszymi tekstami portalu

Podaj poprawny adres e-mail
W związku z bezpłatną subskrypcją zgadzam się na otrzymywanie na podany adres email informacji handlowych.
Informujemy, że dane przekazane w związku z zamówieniem newslettera będą przetwarzane zgodnie z Polityką Prywatności PTWP Online Sp. z o.o.

Usługa zostanie uruchomiania po kliknięciu w link aktywacyjny przesłany na podany adres email.

W każdej chwili możesz zrezygnować z otrzymywania newslettera i innych informacji.
Musisz zaznaczyć wymaganą zgodę

KOMENTARZE (0)

Do artykułu: SRT-4 - nowa generacja zestawu pomiarowego do badania przyczepności nawierzchni drogowych i opon samochodowych

NEWSLETTER

Zamów newsletter z najciekawszymi i najlepszymi tekstami portalu.

Polityka prywatności portali Grupy PTWP

Logowanie

Dla subskrybentów naszych usług (Strefa Premium, newslettery) oraz uczestników konferencji ogranizowanych przez Grupę PTWP

Nie pamiętasz hasła?

Nie masz jeszcze konta? Kliknij i zarejestruj się teraz!