Däckfriktion i vinterväglag

Transkript

1 Däckfriktion i vinterväglag Roland Larsson och Lennart Fransson April 2005 Testning och modellering av friktion mellan vägbana och däck samt karaktärisering av isiga och snöiga ytor Tema och mål Projektets huvudtema är att utveckla metoder för att snabbt och enkelt bestämma ett däcks friktionsegenskaper. Detta gäller speciellt vinterväglag. Eftersom vinterväglag kan innebära väldigt skiftande förhållanden, från blixthalka vid hög luftfuktighet nära fryspunkten till torr kall snö vid -30ºC, måste en karaktärisering av väglaget också ingå i projektet. De övergripande målen sammanfattas som: Att utveckla en testutrustning för däckfriktionstestning med följande egenskaper: Vara enkel att flytta till den typ av vägunderlag som önskas för testet Korta testtider så att flera tester kan genomföras på kort tid med samma underlag Enkelt kunna variera typ av test (start, inbromsning, vridmotstånd, tvärglidning etc.) Tester av däck på fälg med rätt lufttryck (ej modelltest) Att göra en vetenskaplig karaktärisering av vinterväglag som kan användas av de lokala entreprenörerna inom norrbottnisk biltestindustri. Att utifrån de experimentella studierna och vägkaraktäriseringen ta fram modeller som beskriver hur däck- och vägparametrar påverkar friktionen Att skapa en stark koppling mellan lokala entreprenörer inom norrbottnisk biltestindustri, stora däcktillverkare och Luleå tekniska universitetet. Att tillföra de lokala entreprenörerna inom biltestindustrin ytterligare vetenskaplig kompetens och konkurrenskraft Fler och bättre tjänster att marknadsföra Kunskap! Lokala entreprenörer inom norrbottnisk biltestindustri Däcktillverkare Konkurrensfördelar Luleå tekniska universitet Ökad grad av vetenskap och samverkan Forskningsprojekt 1

2 Bakgrund och behovsbeskrivning Däckfriktion vid vinterväglag är ett av många viktiga forskningsområden som har stark koppling till testindustrin i Norrbotten. Det finns idag ett antal entreprenörer som tillgodoser däck- och fordonstillverkare med goda förutsättningar för tester på varierande typ av vinterväglag. Vid LTU finns två forskargrupper med stor kompetens inom områdena friktion, testning och snö/is-karaktärisering. Den ena gruppen finns inom avdelningen för maskinelement. Där drivs med stor framgång forskning inom tribologi, d.v.s. läran om friktion, nötning och smörjning. Där finns förutom en stor forskargrupp också ett av Europas bäst utrustade laboratorium för tribologiska studier (Tribolab Luleå). Gruppen har gott internationellt rykte och är en av Europas strörsta inom området. Den andra gruppen finns inom avdelningen för byggkonstruktion. Här finns motsvarande mångåriga kompetens och erfarenhet inom snö- och iskaraktärisering. De har dessutom erfarenhet av istillverkning för biltest. Tillsammans ger dessa grupper mycket bra förutsättningar för kvalificerade vetenskapliga studier av däckfriktion och dess relation till vägunderlagets egenskaper. Behovet av vetenskapliga studier inom däckfriktion kan uttryckas på två sätt, dels ur entreprenörernas synvinkel och dels ur däcktillverkarnas synvinkel. Däcktillverkarnas behov kan belysas av att en av världens största däcktillverkare kontaktade LTU under vintern 2005 och efterlyste en vetenskaplig studie av friktionsfenomenet under vinterförhållanden. Denna tillverkare har givetvis egen forskning och utveckling men man säger sig sakna egentlig förståelse för vilka däck- och vägparametrar som bestämmer friktionsförhållandet. Företaget har också en omfattande testning i vinterklimat, dock ej ännu i Sverige. Ur entreprenörernas synvinkel kan det vara av intresse att utöka sortimentet i de erbjudanden man kan ge till kunderna. I detta fall att erbjuda en testverksamhet som inte däcktillverkarna själva kan åstadkomma. Det föreslagna projektet kommer alltså att gynna både lokala entreprenörer och däcktillverkarna. Dessutom kommer Luleå tekniska universitet få en starkare koppling till den lokala testindustrin. Ett utökat samarbete eftersträvas både inom testindustrin och av LTU. Detta intygas av Per-Gunnar Sundström ordförande för SPGA, testföretagens branschorganisation. Projektaktiviteter Projektets huvudaktiviteter är: Utveckling av testutrustning och testmetoder samt testning Snö- och iskaraktärisering Modellering av däckfriktionsfenomenet Kunskapsöverföring till entreprenörer och däcktillverkare Utveckling av testutrustning och testmetoder samt testning Den första delen i projektet är utvecklingen av en testutrustning för däckfriktionsmätningar. Det finns redan idag ett antal labutrustningar bl.a. vid VTI i Linköping. Problemet med dessa anläggningar är att de förutsätter konstgjorda vägbanor. Det vill säga det är inte möjligt att enkelt testa under de mycket varierande villkor som kan uppstå t.ex. i Norrbotten under en och samma vecka. Därför ska vår testutrustning vara enkel att flytta till den typ av vägunderlag som önskas för varje test. Utrustningen ska dock inte vara monterad på ett fordon utan vara stationär så att inte vägförhållandena ändras under testet. Däcktillverkarna har ofta ett stort antal tänkbara gummiblandningar, däckmönster etc. att testa och det är därför viktigt att testtiderna görs så korta som möjligt för att tillåta en snabb screening av hur friktionen varierar då däck- och vägparametrar ändras. Man ska också kunna variera testtypen, det ska vara möjligt att studera både start- och inbromsningsförlopp, vridmotstånd (parkering och styrning) samt risken för glidning i sidled under rullning. Testet ska innehålla verkliga däck monterade på fälg. 2

3 När utrustningen färdigställts och kalibrerats ska den användas för ett antal vetenskapliga studier inom LTU för att sedan kunna användas av någon eller några lokala entrprenörer. På sikt kan ett antal utrustningar bli aktuella för lokala entreprenörer. Snö- och iskaraktärisering Isens ytegenskaper förändras ständigt genom termisk och mekanisk påverkan. Det är i praktiken omöjligt att återskapa identiska isförhållanden vid två olika testtillfällen och det skapar osäkerhet och spriding i mätresultaten. Följden blir att det krävs många tester vilket i sin tur leder till längre tidsintervall mellan första och sista testet. Vilket i sig innebär att det är önskvärt att göra testproceduren så snabb som möjligt. Värdet av tester där is eller packad snö utgör underlag skulle kunna höjas genom att: Förbättra metoderna för ispreparering Mäta isen ytegenskaper. Här gäller det också att identifiera de viktigaste ytparametrarna. Några exempel är hårdhet och topografi. Mäta inverkande miljöfaktorer. Exempel på såna faktorer är väderfaktorer, nedsmutsning och vägsalt. Undersöka eventuella samband mellan andra och tredje punkterna ovan. Modellering av däckfriktion Denna fas av projektet avser sammanlänkningen av friktionsmätresultaten med snö- och iskaraktäriseringen. En modell för hur friktionen varierar med vägparametrar som t.ex. hårdhet, yttemperatur, luftfuktighet, föroreningar etc. kan därmed tas fram. Denna modell kan användas av däcktillverkarna för ytterligare optimering. Kunskapsöverföring till entreprenörer och däcktillverkare Överföringen av kunskapen till entreprenörerna och givetvis också till däcktillverkarna är en mycket viktig fas. Tanken är att utrustningen ska finnas i en eller flera versioner och vara stationerad hos någon/några av entreprenörerna så att de kan bygga upp en kompetens som i sin tur kan användas för att tillfredsställa däcktillverkarnas framtida behov. Preview ett associerat projekt Det pågående projektet Preview vid avdelningen för experimentell mekanik ska associeras till dessa projekt. Projektets syfte är att utveckla sensorer och signaltolkning för bedömning av vinterväglag. Ett fordon ska kunna utrustas med ett system som varnar föraren samt förbereder fordonets system (ABS, ESP etc) för eventuella problem, t.ex. sladd. Det projektet kompletterar däckfriktionsprojekten på ett ypperligt sätt. Tidplan Följande är en grov tidplan för projektet: År 1: Utveckling och tillverkning av testutrustning. Inledande arbete med snö- och iskaraktärisering. År 2: Utveckling av testprocedur. Vetenskapliga studier av friktion mellan däck och väg. Fortsatt karaktärisering av snö- och is. En testutrustning levereras till Norrbottnisk entreprenör som vill utvidga sin service för bil- och däcktestföretag. År 3: Fortsatta studier samt modellering. Under hela projekttiden pågår en aktiviteter i syfte att stärka samverkan mellan entreprenörer och LTU. Dessa aktiviteter kan vara i form av studiebesök, seminarier, utbildningar och 3

4 behovsutredningar. Utbildningen inom bilssystemteknik kan eventuellt också involveras, t.ex. via exjobb och andra projektarbeten. Spin-off Förutom däcktillämpningen finns ett antal ytterligare områden där friktion mellan ytor och snö/is spelar stor roll. Ett exempel är militära tillämpningar som t.ex. friktionen mellan olika bandfordons underrede och snö. Greppet mellan själva bandet och snön är ett annat exempel. Förutom bandfordon är en sån fråga även relevant för snöskotrar. Skidor är givetvis ytterligare en intressant tillämpning av kunskap om friktion mot snö och is. Testning av militär material, testning av andra fordon än bilar (lastbil, skoter, bandfordon, arbetsmaskiner etc.) samt testning av sportprodukter är också områden som kan växa och ge upphov till ytterligare möjligheter för entreprenörer i Norrbotten. Projektorganisation vid LTU Projektgruppen vid LTU kommer att bestå av två doktorander, en från respektive forskningsavdelning (Maskinelement och Byggkonstruktion) och samt deras handledare. Dessutom ska det finnas en projektstyrgrupp med representanter från Norrbottniska entreprenörer i biltestbranschen samt kontaktpersoner från däcktillverkare. Mikael Sjödahl, experimentell mekanik, projektledare för Preview, kommer också att ingå i projektgruppen. Erfarenhet inom området De bägge forskargrupperna vid LTU har kompletterande erfarenheter. Maskinelement inom friktion och Byggkonstruktion inom is- och snökaraktärisering: Avdelningen för maskinelement, LTU Gruppen har en omfattande kompetens inom tribologi, d.v.s. läran om friktion, nötning och smörjning. Maskinelement är en av Europas ledande tribologigrupper och dessutom en LTUs äldsta och största. Totalt 17 personer har disputerat inom området. Tribologi och kopplingen till kyla, snö och is har berörts i ett antal projekt: Studie av olika typer av snö mot olika typer av målade ytor. Studien visar att snöns egenskaper såväl som typen av yta (struktur, färgsammansättning) har stor betydelse. Karakterisering av snö måste speciellt beaktas. Rapporten är konfidentiell. Friktion mellan skidor och snö/is. Dels tidiga projekt under ledning av Eilif Hensvold men också studentprojekt på senare år. I samarbete med Mitthögskolan pågår ett doktorandprojekt om skidfriktion. Anders Bodin disputerade på framkomlighet hos bandfordon i snö. Arbetet innefattade en hel del mätning och karakterisering av snö och dess egenskaper Snöns skjuvhållfasthet är av speciell betydelse och är en viktig parameter även vid analys av lämpligt däcksmönster. Victoria Wikström och J-O Östensen disputerade båda på smörjmedels egenskaper vid låg temperatur. Den kanske största anledningen till att maskinelement, LTU kontaktades av en däcktillverkare är erfarenheten av utveckling av testutrustning och testmetoder för friktionsmätningar. Ett stort antal testutrustningar har utvecklats genom åren. Flera av dem används för uppdragsforskning i Tribolab. För mer information se Avdelningen för byggkonstruktion Efter sammanslagningen (Väg och vattenbyggnad + Samhällsbyggnadsteknik) finns numera en samlad kompetens inom området snö, is och kyla vid institutionen för samhällsbyggnad. Den 4

5 tillämpade is och snöforskningen initierades i slutet av 70-talet av professorerna Lars Bengtsson och Krister Cederwall. Isproblem för sjöfarten var då den viktigaste frågan och det anordnades ett flertal internationella konferenser där detta dryftades (IAHR-symposium on ice problems 1978, konferens om arktisk teknik 1985, port and ocean engineering under arctic conditions 1989, polartech 1994). Tillkomsten av stiftelsen COLDTECH 1986 innebar en rejäl skjuts framåt för den kalla forskningen vid LTU. Då producerades även ett antal doktorsavhandlingar om snö och is (Thermal ice pressure on structures, Lennart Fransson 1988; Tensile fracture of ice, Lars Stehn 1993; Snow qualities in urban areas, Maria Viklander 1997; Frazil ice at water intakes, Annika Andersson 1997). På senare år har dock andelen forskning med anknytning till snö, is och kyla minskat. EU-projekten LOLEIF och STRICE innebar kvalitetshöjning av isforskningen tack vare ett intensivt samarbete med europeisk expertis. Projekten beskrivs på hemsidan: I början på 90-talet inleddes ett visst samarbete med biltestföretagens branschorganisation som bland annat ville ha hjälp med att beräkna lämplig istjocklek vid belastning med snöröjningsfordon. Gruppen anordnade externa kurser för entreprenörer och det skrevs en liten handbok i ämnet. Problem med iskvalitet och möjligheten att bygga testvägar med packad snö är exempel på forskningsuppgifter som delvis har bekostats av biltestföretag. Ekonomi En enkel skiss på kostnaderna ges av nedanstående tabell: Total Seniorforskare - Lön Doktorander - Lön Tekniker - Lön Omkostnader (OH, lokaler) Testrigg (material+utrustning) Datorkostnader Resekostnader Total Några förslag till finansieringskällor: Regionala tillväxtprogrammet (samverkan Länsstyrelsen-LTU) Särskilda medel för stöd till samverkan mellan LTU och biltestindustrin Kempestiftelsen Däcktillverkare Entreprenörer, testföretag 5