Fakta om friktion Mattias Hjort, VTI
Friktion på sommarvägar – 2014-05-27
Fakta om friktion av Mattias Hjort, VTI
Friktion på sommarvägar – 2014-05-27
1
Vad är friktion? • Den motståndkraft som uppkommer genom ojämnheter och adhesion mellan två material i kontakt med varandra • Skiljer mellan statisk och dynamisk friktion • Friktionskoefficienten är förhållandet mellan friktionskraften och normalkraften µ=F/N
Friktionskoefficient för några ämnen Ämnen
Ytornas beskaffenhet
Friktionskoefficient Rörelse
Vila
Trä mot trä
torra
0,3–0,6
0,25–0,5
Trä mot trä
bestrukna med torr tvål
0,15
0,36
Trä mot trä
bestrukna med torr talg
0,07
0,19
Trä mot trä
fuktade med vatten
0,25
0,68
Trä mot metall
torra
0,42
0,60
Trä mot metall
fuktade med vatten
0,24
0,65
Metall mot metall
torra
0,18
0,18
Metall mot metall
bestrukna med svinfett
0,09
0,10
Läder mot trä
lädret något fettigt
0,30
0,47
Läder mot gjutjärn
lädret något fettigt
0,23
Hamplina mot trä
träytan skrovlig
Hamplina mot trä
träytan polerad
Sandsten mot stål
stenen finkornig, våt
0,94
Sandsten mot smidesjärn
stenen finkornig, våt
1,0
Stål mot is
0,28 0,50 0,33
0,014
0,027
Från Wikipedia Källa: Nordisk familjebok, Uggleupplagan (1908) samt Physics Handbook (1996)
2
Historia •
1699: Guillaume Amontons ”återupptäcker” Leonardo da Vincis teorier om friktion och publicerar två friktionslagar:
1. Friktionskraften är direkt proportionell mot pålagd last 2. Friktionskraften är oberoende av kontaktytans storlek
• 1781: Charles-Augustin de Coulomb 3. Den dynamiska friktionskraften är oberoende av hastighet (endast vid torr friktion utan smörjmedel)
Mekanismer 1.
Adhesion: Ytorna fäster i varandra genom molekylära bindningar
2.
Hysteres: Energiförluster uppstår vid tillfälliga deformeringar av ytmaterialen, vilket resulterar i en friktionskraft. Även slitage av ytorna kostar energi och kan räknas in här.
3.
Ihakning: Ojämnheter i ytorna hakar i varandra vid glidning.
3
Hur mäter man friktion? Med en dynamometer => statisk + dyn.
Vad menas med friktionstal?
4
Ett försök att karaktärisera en vägytas friktion mot känd referens
Brittisk pendel => dynamisk friktion
Utvecklades i USA på 1940-talet Vidareutvecklad i England på 1960-talet
Även kallad CRT-pendel
Friktionen hos ett rullade hjul
Kontaktytans storlek gör att både statisk och dynamisk friktion förekommer samtidigt.
5
Fritt rullande (obromsat) hjul: Kontaktytan fixerad vid vägytan. Ingen glidning!
Jämför rullbandet hos en bandvagn!
Ett något bromsat hjul: Färdhastigheten är något högre än rotationshastigheten
Gummiytan töjs gradvis, men glider inte! Variende friktionskraft upp tom statisk friktion
Gummiytan glider! dynamisk friktion
6
Summeras friktionskrafterna från de olika delarna i kontaktytan fås: Bromsning Graden av hjullåsning definieras som locked
optimal slip
friction coefficients
max
0
Slip = (vfordon – vhjul)/ vfordon
20
40
60
longitudinal slip (%)
80
100
0% slip = fri rull 100% slip = låst hjul
Ett liknande förhållande finns mellan lateral friktionskraft och hjulets styrvinkel
Är maximal broms- och styrfriktion lika stora? • •
Långt ifrån säkert. Finns en assymmetri som ofta illustreras med en s.k. Friktionsellips:
7
Är maximal broms- och styrfriktion lika stora? •
Går att skräddarsy däck som är speciellt bra på antingen broms eller styrning. Exempel styrtest med lastbilsdäck (mätt i VTI däckprovningsanläggning)
Framhjul
Drivhjul
1
1
0.8
0.8
10000 N 25000 N 40000 N 55000 N
0.4 0.2 0 -0.2 -0.4 -0.6
0.4 0.2 0 -0.2 -0.4 -0.6
-0.8 -1
10000 N 25000 N 40000 N 55000 N
0.6 Normalized lateral force (Fy/Fz)
Normalized lateral force (Fy/Fz)
0.6
-0.8
-20
-15
-10
-5
0 5 Slip angle [deg]
10
15
-1
20
-20
-15
-10
-5
0 5 Slip angle [deg]
10
15
20
Notera hur olika de båda däcken klarar höga styrvinklar!
Däckfriktion är komplicerat! 0-0.1
0.1-0.2
0.2-0.3
0.3-0.4
0.4-0.5
0.5-0.6
0.6-0.7
Locked wheel Braking
ABS braking
Utöver beroende av underlaget, är friktionen också
0.7 0.5 0.4 0.3 60
40
0.2
• Hastighetsberoende • Lastberoende • Tidsberoende
80
0.1 90
100
80
70
60
50
40
30
20
10
0 120
100
speed km/h
ra p p o rt F x/F z
0.6
slip rate %
Från INTRO deliverable 2.1
8
Exempel på hastighetsberoende: Peak-friktion
Låst hjul De friktionsmätningar som dagens värden i VGU baseras på utfördes av VTI under tidsperioden 1967 – 1969 på ett antal provsträckor i mellansverige
Notera: Peak-friktion ganska okänslig för hastighet Låst hjul-friktion väldigt känslig för hastighet
Vid broms och styr på lösa underlag • Exempelvis grus eller snö • Friktionskurvornas utseende ändras markant • Ofta maxvärde för låst hjul, eller stora styrvinklar • Anledning: vid låsning plogar hjulet upp en vall med snö eller grus som skjuts framför hjulet och resulterar i en bromsande kraft
9
Så vad menar vi med en vägytas friktionstal? • Friktionstalet definierad enligt en standardiserad mätprocedur. • Kan vara baserad på mätning med bromsat eller styrt hjul. Friktionen mäts vid specificerat bromsslip eller slipvinkel. • Hjullast, hastighet etc. enligt standard • Vid mätning på högfriktion används ofta vattenbelagd yta. • Och framför allt behövs ett specificerat referenshjul!
Test på slät is: Från VTI notat 58-2005
Stor skillnad mellan olika däck! Rak bromsning:
Ren styrning:
0.2 0.18
0.2
0.16
S ty rfrik tion ( y )
B rom s frik tion ( x )
0.14 0.12 0.1
0.15
0.1
0.08 0.06
0.05
0.04 0.02
Dubbdäck Friktionsdäck Terräng/allseason-däck
Dubbdäck Friktionsdäck Terräng/allseason-däck 0
20
40
60 Slip [%]
80
100
0
0
5
10
15
20
Avdriftvinkel [grader]
10
Tankar om vad som är ett bra referensdäck • Tillverkat med en väl specificerad blandning där tillverkaren kan garantera leveranser av däck med i praktiken identiska egenskaper. • Samstämmighet mellan länder om vilket referensdäck som ska användas • Tåligt mot åldring • Speciellt utformat för tester på ett visst underlag, exempelvis vinter- eller sommarväglag. • Bör inte ha en för smal peak i däckkurvorna, eller vara för känsligt för hastighet och lastvariationer. • Prestanda bör kunna relateras till de däck som rullar på vägarna
Hur garantera kvaliteten hos sitt eget exemplar av referensdäck? • Viktig fråga! • VTI gjorde jämförande mätningar med ett referensdäck för istester, där däcket lagrat varmt några veckor och sedan inte körts in på nytt: • Resultatet: 8-10% längre bromssträcka. • Efter ny inkörning återfick däcket sin ursprungliga prestanda.
11
Tack för uppmärksamheten!
12
