Fakta om friktion Fakta om friktion

Transkript

1 Fakta om friktion Mattias Hjort, VTI Friktion på sommarvägar Fakta om friktion av Mattias Hjort, VTI Friktion på sommarvägar

2 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 0,28 Hamplina mot trä träytan skrovlig 0,50 Hamplina mot trä träytan polerad 0,33 Sandsten mot stål stenen finkornig, våt 0,94 Sandsten mot smidesjärn stenen finkornig, våt 1,0 Stål mot is 0,014 0,027 Från Wikipedia Källa: Nordisk familjebok, Uggleupplagan (1908) samt Physics Handbook (1996) 2

3 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

4 Hur mäter man friktion? Med en dynamometer => statisk + dyn. Vad menas med friktionstal? 4

5 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

6 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

7 Summeras friktionskrafterna från de olika delarna i kontaktytan fås: Bromsning max Graden av hjullåsning definieras som friction coefficients optimal slip locked Slip = (v fordon v hjul )/ v fordon longitudinal slip (%) 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

8 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 Normalized lateral force (Fy/Fz) N N N N Normalized lateral force (Fy/Fz) N N N N Slip angle [deg] Slip angle [deg] Notera hur olika de båda däcken klarar höga styrvinklar! Däckfriktion är komplicerat! Locked wheel Braking ABS braking speed km/h slip rate % rapport Fx/Fz Utöver beroende av underlaget, är friktionen också Hastighetsberoende Lastberoende Tidsberoende Från INTRO deliverable 2.1 8

9 Exempel på hastighetsberoende: Peak-friktion Låst hjul De friktionsmätningar som dagens värden i VGU baseras på utfördes av VTI under tidsperioden 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

10 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! Stor skillnad mellan olika däck! Test på slät is: Från VTI notat Rak bromsning: Ren styrning: Bromsfriktion ( x ) Styrfriktion ( y ) Dubbdäck 0.04 Friktionsdäck Terräng/allseason-däck Slip [%] 0.05 Dubbdäck Friktionsdäck Terräng/allseason-däck Avdriftvinkel [grader] 10

11 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

12 Tack för uppmärksamheten! 12