Förord Förord Dea examensarbee ugör en del i e sörre forskningsprojek för a öka kunskapen inom ämnesområde vinerväglag. Syfe med examensarbee är a konsruera en esrigg som en sar på forskningsprojeke. Tesriggen skall möjliggöra forskning på sambande mellan olika egenskaper hos däck och vinerväglag. Examensarbee har uförs disribuera på Luleå ekniska universie, insiuionen för maskineknik och Tribolab, och på Caran i Göeborg under idsperioden okober 005 ill mars 006. E fleral personer har engagera sig i arbee och förjänar e erkännande. Vid Caran är de främs vår handledare Sefan Brnic för si söd och bidrag av erfarenhe men också vår konakperson David Zeeberg. Iniiaivagare ill projeke är Roland Larsson som även är vår examinaor och handledare illsammans med Elisabeh Kassfeld vid Luleå ekniska universie. Vill även acka annan berörd personal vid universiee och Caran som engagera sig och visa inresse i projeke. Tack! Sluligen vill vi acka våra familjer för söd och yckande. Luleå, 006-04-07.... Luleå ekniska universie i
Sammanfaning Sammanfaning Dea examensarbee har bedrivis disribuera vid Luleå ekniska universie sam i Göeborg på konsulfirman Caran som e produkuvecklingsprojek. Uppdrage var a uifrån en kravspecifikaion uveckla en esrigg för a uföra mäningar på däckfrikion mo vinerväglag, dea som en följd av a däckillverkaren Michelin och Luleå ekniska universie, nyligen sara e samarbee. Tanken med a uveckla esriggen är a avdelningen maskineknik på Lu, Luleå ekniska universie, skall erhålla de grundliga kunskaper om hur e däck fungerar med alla dess ingående paramerar för a sedan leda arbee ill näsa nivå. Examensarbees mål var a uveckla en esrigg som möjliggör snabba eser av däck samidig som väglage skall kunna karakeriseras. Syfe med a uveckla esriggen är a kunna uvärdera vilken yp av däck som passar bäs för de väglage som råder för dagen och a finna sambande mellan väglages egenskaper som.ex. emperaur, luffukighe, hårdhe, opografi, ec. och däckes såsom mönsergeomeri, gummiblandning, ec. En kravspecifikaion uarbeades för esriggen där alla krav som sälls på esriggen lisades. De krav som anses vikigas är a ese skall ha god repeerbarhe med minsa möjliga anal inverkande fakorer som möjlig. Tese skall vara snabb a genomföra så a e fleral däck kan esas på en relaiv kor id. En person skall lä kunna uföra eserna själv uan a oergonomiska siuaioner uppsår vid hjulbyen och iordningsällande. Uifrån dessa krav uarbeades e anal olika koncep som alla mer eller mindre uppfyllde kraven för esriggen. Av dessa koncep valdes e u för a undersöka dess relevans och genomförbarhe. De slugiliga koncepe bygger på en gammal eori som är uvecklad på Lu kallad Jumping ball där syfe är a undersöka oljor och feers frikionshämmande egenskaper. Koncepe besår av vå skenor med sällbar vinkel mo väglage. Hjule vilar på en uppläggningsram som är monerad på en släde vars hjul rullar inui skenorna. När hjule sudsar mo väglage lämnar de samidig uppläggningsramen. E momen uppsår kring konakyan som förenkla kan berakas som en linje. Beroende på hur mycke frikion som uppsår mellan däcke och väglage så kommer däcke a roera med en viss hasighe. Denna roaionshasighe mäs med hjälp av en kamera och kan översäas ill frikion. De slugiliga koncepe uppfyller alla de högs värderade kraven väl. Några av de lägre värderade kraven och önskemålen gavs avkall på. Luleå ekniska universie ii
Absrac Absrac This maser hesis is a produc developmen projec ha has been carried ou in Luleå a he Universiy of Technology and a Caran in Gohenburg. The assignmen was o develop a es rig for measuremens of fricion beween a ire and he surface of differen winer roads on he basis of a lis of requiremens. Since recenly Luleå Universiy of Technology (LTU) cooperaes wih Michelin. The idea wih his maser hesis is ha he division of machine elemens a LTU will receive he fundamenals in ires and heir including parameers o lead he projec o nex level. The objecive for his work is o develop a esrig ha enables a quick procedure, which conains he es iself, and characerizaion of he surface. The purpose in developing he esrig is o evaluae which ype of ire ha suis bes for he curren road condiions and o find he relaion beween he characerisics of he surface such as emperaure, humidiy, hardness, opographic, ec. and he characerisics of he ire for example geomerics of he paern, he consiuion of he rubber mixure, ec. A specificaion of requiremens was prepared conaining all demands se on he es rig. Among all demands he mos imporan ones o fulfill is o achieve superior repeaabiliy, he fewer facors influencing he es resuls he beer. The es procedure mus be rapid so a number of ires can be esed during a relaively shor period of ime. I mus be possible o carry ou he es by one operaor wihou being exposed o non ergonomic siuaions. On he basis of hese demands a number of differen conceps were prepared, all of hem more or less fulfilling he lis of demands. Ou of hese conceps, one was chosen for invesigaion of is relevance and viabiliy. The seleced concep is based on an old device called Jumping ball whose purpose is o evaluae he obsrucion of fricion for differen oils and greases. The concep consiss of wo rails wih an adjusable angle owards he surface. The wheel ress on a frame on a slider whose wheels runs inside he rails on is way down owards he ground. When he wheel bounces, i immediaely leaves he frame. A momen is engendered around he conac pach which simplified can be regarded as a line. The wheel will sar o roae and he velociy of he roaion is dependen of he amoun of fricion ha occurs in he conac beween he ire and he surface. The rae of roaion will be recorded wih a high-resoluion camera, ransmied o a compuer and ranslaed o he coefficien of fricion. The final concep fulfills all he high valued requiremens wih saisfacion. Some of he low valued requiremens were renounced. Luleå ekniska universie iii
Innehållsföreckning Innehållsföreckning Förord... i Sammanfaning...ii Absrac...iii Innehållsföreckning... iv 1 Inledning... 1 1.1 Bakgrund... 1 1. Uppdragsgivare... 1 1.3 Problembeskrivning... 1.4 Mål... Arbesmeod... 3 3 Teori... 4 3.1 Frikion... 4 3. Väglag... 5 3.3 Frikion vid bilkörning... 6 4 Egenskaper hos däck... 7 4.1 Gummi Däckes byggsen... 7 4. Däckfrikion... 7 4.3 Däckdesign och gummiblandningar... 8 4.4 Beeende hos däck... 9 4.5 Däckeser och uveckling... 9 5 Vinerväglag... 10 5.1 Definiion av vinerväglag i prakiken... 10 5. Snö- och iskrisallers ya... 10 5.3 Snö och is på våra vägar... 10 5.4 Karakerisering av vinerväglag... 11 6 Frikionsmäare idag benchmarking... 1 6.1 Sudiebesök... 1 6. Undersökning på Inerne... 15 7 Mämeoder däckfrikion... 17 7.1 Fixed Slip... 17 7. Variabel Slip... 17 7.3 Reardaionsmeoden... 17 7.4 Porable Skid Resisance Teser Pendulum Teser... 18 8 Kravspecifikaion 1 esurusning... 19 8.1 Krav och framidsspekulaioner... 19 8. Uvärdering av kravspecifikaion 1... 1 9 Kravspecifikaion, esurusning... 9.1 Kravabell... 9. Kosnadskrav... 4 9.3 Tillverkning... 4 9.4 Vikningsmaris... 4 10 Koncepgenerering... 5 10.1 Brainsorming... 5 10. Försudiekoncep... 6 10.3 Slukoncep... 8 11 Koncepvikning och uvärdering... 30 Luleå ekniska universie iv
Innehållsföreckning 11.1 Gallring av koncep... 30 11. Koncepvikning... 30 11.3 Kombinerade koncep... 31 11.4 Uvärdering... 3 1 Slugilig koncep... 33 1.1 Dealjerad funkionsbeskrivning... 33 1. Förusäningar för experimen... 35 1.3 Teoreisk modell... 37 1.4 Simulerad modell... 41 1.5 Kosnadskalkyl... 4 13 Diskussion och slusaser... 43 14 Referenser... 44 Bilaga I Projekplanering... 46 Bilaga II Kalibreringsprookoll... 47 Bilaga III Försudiekoncep... 48 Bilaga IV Huvudkoncep... 50 Bilaga V Vikningsmaris gallrade koncep... 60 Bilaga VI Vikmaris, jämförande... 63 Bilaga VII - Massröghesmomen... 66 Bilaga VIII - Riningar... 69 Luleå ekniska universie v
Inledning 1 Inledning Dea kapiel beskriver problemes bakgrund, probleme i sig och vad som skall lösas. En enklare presenaion av uppdragsgivare och vilka mål som skall uppfyllas ges. 1.1 Bakgrund Pascal Ehre på Michelin og vinern 005 konak med Roland Larsson på Tribolab vid avdelningen Maskinelemen på Lu, Luleå ekniska universie. Frågan som sälldes var om Lu kunde änka sig a påbörja e forskningsprojek på vinerväglag och hur däckes egenskaper påverkar väggreppe. Luleås geografiska läge är opimal, lång norru, lång viner, närhe ill den all mer växande bilesindusrin i inlande och här finns mycke kunnande. Vid Lu finns vå forskargrupper med sor kompeens inom områdena frikion, provning och snö/is-karakärisering. Den ena gruppen finns inom avdelningen för maskinelemen. Där drivs med sor framgång forskning inom ribologi, d.v.s. läran om frikion, nöning och smörjning. Där finns föruom en sor forskargrupp också e av Europas bäs urusade laboraorium för ribologiska sudier, Tribolab. Gruppen har go inernaionell ryke och är en av Europas sörsa inom område. Den andra gruppen finns inom avdelningen för byggkonsrukion. Här finns mosvarande mångåriga kompeens och erfarenhe inom snö- och iskarakärisering, erfarenhe finns dessuom av isillverkning för bilesning. Tillsammans ger dessa grupper mycke bra förusäningar för kvalificerade veenskapliga sudier av däckfrikion och dess relaion ill vägunderlages egenskaper. Som en del i dea forskningsprojek kunde några examensarbeen uformas. Dea examensarbee besår av uveckling och modellering av en mobil esrigg för a esa olika däcks frikion mo olika vinerväglag på e snabb och relaiv enkel sä. 1. Uppdragsgivare Nedan är de inblandade uppdragsgivarna kor presenerade. Dessa är Lu, å vilka uppdrage uförs, och Caran där en av examensarbearna uförde arbee. 1..1 Luleå ekniska universie Tribolab Tribolab är en verksamhe under avdelningen maskinelemen på insiuionen för illämpad fysik, maskin- och maerialeknik. De bedriver ribologisk provning och karakärisering av maerial under olika drifsförhållanden i syfe a minska anale haverier och skador inom indusrin ack vare reducera sliage och förbärad smörjning. Tribolab uför också beräkningar och modelleringar koppla ill laboraiva eser. Luleå ekniska universie 1
Inledning 1.. VW-Daa Caran AB Föreage bildades 003 uifrån de verksamheer som idigare var kända som Knigh och Caran och är idag en av de sora akörerna inom den svenska konsulbranchen. De är inom produkuveckling som föreage har en sark posiion. Föreage har fullsändiga resurser inom design, konsrukion och avancerad prooypillverkning, men också för uveckling av produkionsmeoder och verksamhessöd. Caran är mycke delakig inom uvecklingsarbee i svensk bilindusri och med ovan nämnda resurser möjligheer ill a in house a full ansvar för konsrukion, uformning och analys av nya produker och dess funkion. 1.3 Problembeskrivning A kunna erhålla e värde på frikionen mellan e däck och de specifika väglage är idag önskvär från däcksleveranörer, bilillverkare och esindusrin. Dagens esriggar för däck är främs konsruerade för a uföra si arbee saionär i labbmiljö. De riggar som finns för eser i fäl använder sig av e s.k. referensdäck som allid skall användas och är dessuom komplicerade a uföra e däckbye på om man vill jämföra olika däcks egenskaper. Michelin bad Luleå ekniska universie a uveckla en esrigg som möjliggjorde snabba eser av däck samidig som väglage skall kunna karakeriseras. Dea för a kunna uvärdera vilken yp av däck som passar bäs för väglage som råder för dagen. Examensarbee omfaar ine a uveckla karakeriseringsurusningen ill färdig produk men förslag ill vilka paramerar som bör suderas lämnas av examensarbearna. 1.4 Mål Examensarbees mål är a genomföra en koncepsudie på en esrigg för mäning av däckfrikion i vinerväglag. Koncepsudien skall leda fram ill e slugilig koncep som uppfyller de krav och om möjlig de exra önskemål som sälls på projeke så go som möjlig. De slugiliga koncepe dimensioneras och rias upp i e 3D CAD-program. Luleå ekniska universie
Arbesmeod Arbesmeod Dea kapiel beskriver översiklig hur arbee har uförs och vilka faser som examensarbearna har gå igenom. Arbee inleddes med a en försudie genomfördes för a undersöka vilka yper av esanordningar som exiserar och esriggar inom andra områden som skulle kunna ge idéer s.k. relaed echnology. Tillsammans med handledare i Luleå uppräades en kravspecifikaion för esriggen, även innehållandes några önskemål från handledarnas sida. En inledande projekplanering uppräades också vid exjobbes början, se Bilaga I. En uvecklingsprocess kan uarbeas med hjälp av flerale olika meoder som srukurerar upp genomförande. figur 1 är en schemaisk bild över hur arbee med a uveckla esriggen har uformas. figur 1 - Scemaisk bild över uvecklingsarbee, Ulrich & Eppinger (1995) Koncepgenereringsfasen sarades med hjälp av samarbesparners på Caran och andra inressener. Under perioden gjordes sudiebesök för a få mer idéer och feedback ill olika koncep. Sluligen fanns de e fleral förslag ill hur esriggen skulle kunna uformas. Dessa koncep granskades och uvärderades sedan noga. Därpå, i samråd med inresserade parer, valdes de koncep som bäs uppfyllde kravspecifikaionen och inressenernas önskemål. De slugiliga koncepe förfinades och granskades noga för a a reda på om de var genomförbar och funkionsduglig. Luleå ekniska universie 3
Teori 3 Teori I Kapile beskrivs den grundläggande eorin gällande frikion, även väglages karakär och inverkande paramerarna vid däckfrikion behandlas. 3.1 Frikion Konakkrafer uppsår då vå kroppar kommer i konak med varandra. Dessa konakkrafer besår av normal- och frikionskrafer. Normalkrafen är resulanen ill en kropps yngdkraf (beecknas N). Frikionskraf är en komponen som är parallell med yan (beecknas F k ), se figur. F k = μ N figur - Formel för beräkning av frikionskrafen. Frikionskrafens rikning är allid den mosaa ill rörelserikningen. Den frikion som uppsår då e föremål glider över en ya kallas den kineiska frikionskrafen, F k. Frikionskrafer uppsår även när de ine förekommer någon relaiv rörelse, dea kallas för den saiska frikionskrafen, F. Se figur 3 för frikionsprincipen. s figur 3 - Princip för kineisk frikion. Frikionskoefficienen μ är en enheslös och den är ine konsan för e maerial uan är en karakerisisk enhe för egenskaperna som de vå maerialen/kropparna under vissa förhållanden har illsammans. Luleå ekniska universie 4
Teori 3. Väglag Vid uveckling av däck srävar illverkarna efer a rullmosånde dvs. frikionen mellan däck och väglag vid roaion skall vara så lien som möjlig. Dea leder ill a bränsleförbrukningen blir låg och däckljude i kupén blir lägre. Samidig efersrävar illverkarna a frikionen vid handling (acceleraion, reardaion och syrning) skall vara så sor som möjlig då de är dessa fakorer som ugör rafiksäkerheen. Dea är en balansgång som däckillverkaren måse anpassa sig och sina produker ill. Väglages ya kan karakäriseras med mikro- och makroslähe sam mikro- och makroråhe, figur 4 beskriver skillnaderna mellan dessa, Denna karakerisering kan göras på väglag av både viner och sommaryp. figur 4 - Beskrivning av vägyans karakär, Michelin 001. Makroråheen dränerar och förvarar vaen men kan ine brya igenom den åersående vaenfilmen. Denna vaenfilm är då en risk för vaenplaning vilke moverkas om mikroråhe exiserar då denna råhe bryer igenom vaenfilmen och skapar punker med mycke hög konakryck mellan däck och vägya. Båda ovan nämnda kan ses i figur 5. figur 5 - Makro- och mikroråheens egenskaper, Michelin 001. Luleå ekniska universie 5
Teori 3.3 Frikion vid bilkörning Fakorer som påverkar frikionen mellan e däck och väglage är många och de är bara e fåal som föraren av fordone kan påverka. I figur 6 illusreras dea med hjälp av maerial från Coralba. o o o o o Vägunderlag Maerial/råmaerial Sammansäning Mikro och makro exur/mönser Temperaur Ålder o o o o Lokala fakorer Nederbörd Klimaförhållanden Geomeri Föroreningar o o Säsongsvariaioner Tid på åre Vägförhållanden (vaen, is modd, snö) o o o o o Trafik Trafikinensie Far Bilens vikfördelning Axellas Andel dubbade däck Frikion o o o o Mäurusning Far Typ av urusning Mämeoder Operaör o o o o Däckfakorer Gummiblandning Mönser/sajpning Däcksorlek Lufryck figur 6 - Fakorer som påverkar frikionen (Coralba) De väglag som råder i e land som Sverige är många och olika under e år. Frikionskoefficienen för konaken mellan däck och väglag varierar mycke och ugör en sor fara i rafiken vid oaksamhe, se abell 1. Väglag Frikionskoefficien Vå is 0.05-0.15 Torr is 0.15-0.3 Fassand (vaen befukad) på is 0.3-0.5 Torr sand på is 0.5-0.3 Vå bar asfal 0.4-0.9 Torr bar asfal 0.9-1.0 abell 1 - Ungefärliga frikionskoefficiener för olika väglag. Luleå ekniska universie 6
Egenskaper hos däck 4 Egenskaper hos däck Kapile kommer a ge en inblick i bildäckes uppbyggnad, egenskaper och uveckling. De kommer även beskrivas varför vissa däck är mer lämpade för olika applikaioner än andra. Huvudsakligen har informaionen hämas från Haney, P The racing and high-performance Tire och Michelin The yre grip, även sidor på inerne har biså med informaion. 4.1 Gummi Däckes byggsen Gummi är kän i sin naurliga form sedan 500 år illbaka, då infödingar i Cenral- och Sydamerika uppäcke dess vaenavvisande egenskaper. På 1600-ale kom de Spanska uppäcksresande i konak med maeriale och förs i början på 1700-ale kom de ill Europa. Under den idigare halvan av 1800-ale uppäckes vulkaniseringsprocessen som gjorde gummi mer användbar då de i sin naurliga form hade en endens a bli en klibbig massa sommarid och senhår vinerid. I och med vulkaniseringen behöll gummi sina elasiska och viskösa egenskaper över alla emperaurer. I början av 1900-ale uvecklades syneisk gummi som följd av a naurgummi ine kunde uppfylla indusrins mängdbehov. Gummi är uppbygg av långa polymerkedjor besående av upprepade kemiska enheer, så kallade monomerer. Naurgummi, mer kän som laex, är en blandning av polymerer. Den dominerande är isopren och laex är ill sörs del en polyisopren polymer. Innan vulkanisering är gummi mjuk, läformlig och ändrar lä karakär efer emperauren. Dea innebär a polymererna rör sig fri mo varandra. När man vulkaniserar gummi illsäs bl.a. svavel och sedan värme. Sarka bindningar skapas då mellan polymerkedjorna och från a ha vari e rinnig, klibbig maerial blir de värmeresisen, fas och får ökad öjbarhe. Generell kan sägas a gummi är e viskoelasisk maerial med egenskaper som ligger någonsans miemellan en viskös väska och en elasisk solid. En grov förklaring är a gummi har egenskaper som e komple fjäderben ill en bil, de har elasicieen som en fjäder och den viskös dämpande effeken som en södämpare. Beroende på hur gummi framsälls och vulkaniseras kan önskad fördelning av dessa egenskaper uppnås. 4. Däckfrikion Frikion i däck uppkommer på re huvudsakliga sä, adhesion, deformaion och sliage. Alla påverkar de frikionsale i konakyan på si speciella sä och illsammans ugör de däckes frikionsegenskaper, de vå förs nämnda yperna ses på näsa sida i figur 7. Adhesion är en egenskap hos gummi som får den a fäsa vid andra maerial. Generell se är de e resula av illfälliga molekylära bindningar i konakyan mellan de vå yorna. Om bindningssyrkan är densamma över alla konakpunkerna så är krafen som mosår glidning proporionell mo den oala konakyan. Skulle båda yorna vara perfek släa skulle konakyan vara den med öga observerade men så är ine falle med verkliga maerial. På en molekylär nivå är yan väldig grov vilke gör a konakyan kan bli mycke sörre beroende på egenskaper hos maeriale och vilka krafer som inverkar vid konaken. Ju sörre konakarea som uppsår deso sarkare blir adhesionen. Luleå ekniska universie 7
Egenskaper hos däck När gummi kommer i konak med en slä ya, som.ex. glas, är de i sor se bara genom adhesion som frikionskrafer uppkommer. Är yan ojämn börjar även deformaionsmekanismen hos gummi a generera frikionskrafer. Om en bi gummi förs över en ojämn ya, resulerar de i deformaionsoppar på gummiyan, skapade av de mycke små ojämnheerna på konakyan. Om konakyan var blö i dea fall, skulle ingen direkkonak med gummi ske och därmed ingen påverkan av adhesionskrafen. Frikionskrafer genom deformaion är de som ger mes frikion mellan e däck och en vå vägbana. figur 7 - Frikionsyperna deformaion och adhesion - Michelin 001. Uöver adhesion och deformaion producerar gummi även frikionskraf genom sliage. När deformaionskrafer sam glidhasigheer siger, ökar ibland de lokala rycke ill en nivå över gummis sräckgräns vilke leder ill permanen deformaion. När dea sker absorberas energi och exra frikionskraf illkommer. Usäs gummi för sådan belasning under längre id kan maerial börja separera från yan, dvs. gummi slis loss. Kan kännas igen som svara sreck på asfalen som kan uppkomma vid krafig inbromsning eller acceleraion med.ex. bil. 4.3 Däckdesign och gummiblandningar Vid framagning av nya däck finns de många inverkande paramerar gällande uformning och gummiblandningar. Paramerar som adhesionsförmåga, sliagebesändighe och emperaurberoende inverkar på varandra och för a uppnå önskade egenskaper måse ibland kompromisser göras. E däck med bra fäse (racingdäck) har ine lika lång livslängd som e vanlig personbilsdäck, som i sin ur har sämre fäse. Densamma gäller för däckmönsre och hur de är uforma, olika gummiblandningar ger olika ljuddämpande egenskaper illsammans med useende på mönsre. E däck är ine bara en massa olika gummiblandningar och illsasämnen, som.ex. de vikiga carbon black (so) och svavel. För a däcke skall klara av de olika påfresningar de usäs för är olika lager försärkande sålråd och exiler sammanfläa inui gummi. Luleå ekniska universie 8
Egenskaper hos däck 4.4 Beeende hos däck Under användande av däck skifar beeende med karakären på körningen, acceleraion, bromsning eller kurvagning ger alla upphov ill olika krafer. Vid acceleraion och bromsning är kraferna på däcksidan så pass sora a konakyan mo underlage förändras, i dessa fall flyas yan bakom respekive framför e änk cenrum på däcke. Vid kurvagning gäller densamma men beroende på hjules vinkling får konakyan olika böjd form, se figur 8. Alla dessa ovan nämnda siuaioner ger upphov ill viss glidning i konakyan, hur mycke beror på underlag och däckes vidhäfningsförmåga. När inverkande krafer blir för sora och frikionen mellan däck och underlag för låg resulerar de i a däcke appar greppe och börjar sladda eller slira. figur 8 - Däck vid kurvagning, Michelin 001. 4.5 Däckeser och uveckling Den försa halvan av 1900-ale gick uvecklingen av däck saka framå då de egenligen ine fanns någon direk anledning ill konkurrens mellan däckillverkarna. När inresse för bilracing ökade framå 70-ale insåg de dock möjligheerna inom denna nisch. Men för a få de bäsa eamen a köra med jus sina däck var de vungna a uveckla de bäsa däcken, dea ledde i sin ur ill a uvecklingen gick framå i rasande far. I dagsläge har däcksuvecklingen nå uanför racingvärlden och eser görs numera även för personbils- och lasbilsdäck på en hög nivå. Alla sörre däckillverkare har egna esområden och även olika esriggar för esning av däck inomhus i laboraoriemiljö. För simulering av orr väglag och i viss mån även vå väglag går de bra med eser i konsgjord miljö, svårare blir de när man vill esa däckbeeende i vinerväglag. De eser som uförs i dag sker på esanläggningar belägna i områden med lämplig klima. Men ros a klimae är de räa har man bara kunna uföra fäleser med full urusade bilar som ine ge lika mycke mädaa och informaion som eser i laboraoriemiljö. Luleå ekniska universie 9
Vinerväglag 5 Vinerväglag Dea kapiel beskriver korfaa beeende och egenskaper hos snö och is sam dess definiion och förekoms på vinervägar. De paramerar som måse undersökas vid en karakerisering av underlage beskrivs. De huvudsakliga maeriale är häma från Persson, B.N.J Physics of sliding fricion, Perenko, V.F Physics of ice, Vägverke och VTI. 5.1 Definiion av vinerväglag i prakiken Den generella definiionen av vinerväglag är när de är snö, is eller fros på vägbanan. I prakiken är de Polisen som bedömer om de är vinerväglag eller ine i Sverige. Från den 1:a Okober ill 30:e April är de illåe a använda vinerdäck, den 1:a November sänks hasigheen på vägar som anses farliga vid vinerväglag och mellan den 1:a December ill den 31:a Mars är de lag på a använda vinerdäck vid vinerväglag. Sommardäck får användas om de skulle vara orr väglag i Januari, dock rekommenderar Vägverke a vinerdäck används hela vinerperioden då snö och halka kan komma snabb och oväna. Dessuom hårdnar sommardäck vid låga emperaurer och ger sämre vägegenskaper än vid dess egenliga användningsemperaur. 5. Snö- och iskrisallers ya Yan hos e soli maerial, vad den än är i konak med, är en region där egenskaperna skiljer sig markan från ämne uan yre konak. Skillnaden är a de yre aomlagre ine har samma bindningar som de innanför vilke resulerar i speciell beeende. Forskning om yegenskaper är någo som expandera de senase åren och då speciell inom isområde. Is är de enda ämne folk dagligen kommer i konak med som befinner sig run sin smälemperaur kring 0 C. Alldeles under denna emperaur är isen (snön) väldig formbar och kan lä kompakeras ill en snöboll. Sjunker emperauren yerligare fås en kall, orr is som är en pulverliknande subsans som ine alls är lä a packa. Förklaringen ill dea är a i närheen av smälemperauren har de fria yorna e slags väskeliknande lager som vid konak med varandra bildar solid is. Dea är någo som bevisas gälla även för andra maerial när ämne befinner sig jus under sin smälpunk. 5.3 Snö och is på våra vägar Isen, eller snökrisallerna, som påräffas på vinervägar är i mycke skifande karakär, mycke beroende på var i Sverige påräffande sker. Under vinerhalvåre har södra delen av lande problem med emperaurväxlingar run 0 C vilke är den besvärligase emperauren. Blixhalka genom underkyl regn är mycke vanlig och försök a moarbea dea sker genom salning vägarna. I de nordligare delarna påräffas ine samma problem då emperauren ofas ligger konsan under den besvärliga smälpunken och salning är ine lika nödvändig. E besvärlig vinerväglag är när de kommer nederbörd i form av snö vid srax under 0 C i kombinaion med salad vägbana. Snömodd bildas och uanför befinliga hjulspår kan de vara mycke svår a hanera bilen. I norrland är isälle snörök e vanlig problem, orr snö som yr pga. farvindar kan minska siken markan. Uöver dessa är de blixhalkan som orsakar fles olyckor under vinerhalvåre, ofa i form av singelolyckor. Luleå ekniska universie 10
Vinerväglag 5.4 Karakerisering av vinerväglag Vid karakerisering av vinerväglag finns de många olika paramerar som måse beakas. Dessa påverkar alla mer eller mindre eses ufall och måse således suderas för a full kännedom av vad som sker vid däck/väglags konak. Nedan kan läsas vilka olika paramerar som bör undersökas vid en omfaande karakerisering av underlage. Snöemperaur kan mäas med samma urusning som används för mer avancerad vallning av längdskidor där en mäprob sicks ner i snön. Dessa är mycke exaka men även en vanlig ermomeer fungerar för ändamåle. Isemperaur kan mäas med en yp av scanner som använder sig av infrarö ljus. Av våglängden som reflekeras i isen kan emperauren hos yan man. Lufemperaur Även dea kan mäas med insrumen som används vid längdskidåkning. De finns insrumen kallade Thermohygromeer som kan mäa både lufemperaur och relaiv luffukighe vilke också är en parameer värd a undersöka. För a vara exak behövs mäning av lufens ångryck och konvekion i konaken mellan luf och isya. Den relaiva luffukigheen är allid ca 100 % vid yan. Snö- och ishårdhe är en annan parameer som bör beakas. När hårdheen mäs på relaiv mjuka maerial kan e skrapes uföras. E sådan skrapes skulle kunna beså av e hår meallsif som skrapar i en flack vinkel mo yan. Krafen kan då mäas i vå vinkelräa rikningar. De skulle också fungera a låna mämeoder från hårdhesmäningar av mealler där Vickers och Brinell är vanliga meoder där en spes av väldefinierad form rycks med en exak kraf in i maeriale. Avryckes må mäs sedan och behandlas med en formel som ger e svar på hårdheen, porabla och exaka urusningar som uföra dessa es finns på marknaden. Sorlek och form på snö/iskrisaller kan undersökas med den urusning som idag används av skidparuller som arbear med a säkra skidområden ur lavinsynpunk. Med lupp och e kor med olika sora runä som krisallen läggs på kan sorleken undersökas. Krisallens form ureds på liknande sä genom användning av lupp och jämförelse med foograferade krisaller i e regiser. Solinsrålning bör mäas då dea kan påverka isen/snön. Dea kan mäas med en pyranomeer. Srålningsbalansen, dvs. skillnaden mellan in- och usrålning är en inressan parameer a undersöka. Elekrisk ledningsförmåga och joninnehåll hos is/snö underlage. Dea uförs genom a prov av underlage samlas in och smäls för a sedan undersökas. Vid analys av smälan kan även undersökning av pariklar.ex. sand göras. Topografi A sudera yans opografi kan vara mycke inressan. De krävs avancerad urusning.ex. en 3d-scanner, opisk opomeer eller liknande som klarar av a arbea i uomhusmiljö. Luleå ekniska universie 11
Frikionsmäare idag benchmarking 6 Frikionsmäare idag benchmarking E anal föreag/produker besökes och undersökes på Inerne. Syfe var a a reda på vilken verksamhe de driver och vilken yp av produker så som mäare, sensorer och ekniker de använder sig av eller uvecklar. 6.1 Sudiebesök Fyra föreag besökes under en sudiebeöksresa. Resan gav en bra inblick hur de idag arbeas inom område. Två av de besöka föreagen är verksamma inom flygindusrin och de andra vå inom vägransporsekorn. 6.1.1 ASFT Airpor Surface Fricion Teser AB På en skånegård uanför Ysad ligger föreage ASFT. Leif Graflind, VD på föreage, visade run under sudiebesöke. ASFT är en förkorning av Airpor Surface Fricion Teser och är forsäningen på den frikionsmäbil som SAAB uvecklade från slue av 1960-ale och framå under namne SFT, Saab Fricion Teser. SFT, vars grund var en SAAB 99 som urusades e feme hjul (figur 9), e hjul för a mäa frikionen mo sar och landningsbanor på flygplaser. Idag finns urusningen illgänglig i flerale moderna bilar. Via kedjor, drev och en egenuvecklad bakaxel är mähjule sammankoppla med bakhjulen. figur 9 - ASFT s mähjul. Tekniken som används är s.k. Fixed Slip och uväxlingen är sådan a mähjule snurrar någo långsammare i förhållande ill bakhjulen, med e konsan slip på 13 %. Spänningen som uppsår i kedjan är proporionell mo frikionsale µ. Spänningen i kedjan omvandlas ill analoga signaler och e frikionsal erhålls. Bilarnas fjädring i bakvagnen modifieras då bilarna urusas vaenankar för a bevana väglage. Anledningen ill a vaen används vid mäning av landningsbanors frikion är a när en jumboje landar avlägsnas ca 4 kg gummi från de 16 däcken. Dea gummi säer sig i landningsbanan och wors case ur frikionssynpunk uppsår då vaen hamnar ovanpå den gummiimpregnerade yan. När mäningen är sluförd kan mähjule hissas upp via hydraulik och bilen kan användas som en vanlig ransporbil. Med hjälp av hydrauliken appliceras en las på 140 kg på mähjule under mäningarna. Samma sysem finns även a illgå inmonera i en släpvagn. Leif ipsade om Zolan Rado på Penn Sae Universiy. Zolan är den som kan mes inom frikionsområde när de gäller väglagsmäningar och universiee han jobbar vid är eoreisk längs komna. Luleå ekniska universie 1
Frikionsmäare idag benchmarking 6.1. SARSYS Scandinavian Airpor and Road Sysems AB i Trelleborg uvecklar en liknande urusning som ASFT, dock finns de en del skillnader. Paric Ling som är eknisk chef visade run och delog i inressana diskussioner. SARSYS använder sig av Fixed Slip meoden och för a få drivning på mähjule har bakre högra hjulupphängningen omkonsrueras. En ledad axel som kopplas från nave i höger bakhjul ill mäsyseme har uvecklas och driver mähjule. Paric sällde inressana frågor som bör beakas, bl.a. om de avses a urusningen skall mäa frikion i e hjulspår och i så fall vilke? Man srävar efer a ha viss luning på vägbanan (ca 3º) för avrinning av regnvaen. I Norge görs mäningar i de vänsra hjulspåre. Vaen/smälvaen har endens a hamna i de högra hjulspåre p.g.a. luningen och a sliage gör hjulspåren som rännor. En annan fundering från Paric är om ine wors case uppsår vid sidan av hjulspåren då dessa enderar a bli snöfria vid viss mängd rafik. 6.1.3 VTI Saens väg- och ransporforskningsinsiu, VTI, i Linköping besökes för a se hur de arbear och vilken urusning de har uveckla. Beng Wälivaara visade run och insruerade hur deras urusning ill viss del fungerade. En del av urusningen var konfideniell för projeke då examensarbee uppfaades som konkurrerande ill den verksamhe som VTI bedriver. Beng sällde änkvärda frågor och gav informaion och ips gällande saker som i framiden kan vara mycke värdefulla för forskningsprojeke vid Lu,.ex. vilke krav på oleranser som är saa på esriggen och viken av a uveckla e sabil och bra kalibreringsförfarande. Under sudiebesöke visades frikionsmävagnen BV-11 upp som är en släpvagn uvecklad av VTI med vå sandardhjul sam e redje mähjul. Vagnen väger ca 350kg och den las som appliceras på mähjule är ca 100kg, ekniken är av äldre modell men illförlilig. Frikionsmäarlasbilen BV-1 visades också upp, dea är en 1 ons lasbil med e mähjul med fixed slip som är monera på bakändan av lasbilen. För projeke är dea mäfordon inressan då man kan vrida på mähjule så a sidokrafer uppsår vilke är sa som e av önskemålen på projekes mäurusning. De visade sig dock a BV-1, ros sin vik, usäs för märkbar avdrif då mähjule snedsälls. Enlig Beng är de ine akuell a monera en sådan urusning i en släpvagn. Denna bör isälle moneras på e sabil och oleda ekipage med relaiv hög vik. Beng informerade även om en mycke användbar givare för hjulnavsmäning från de Schweiziska föreage Kisler. Givaren vid namn RoaDyn mäer momen och krafer reaxlig och kan vara mycke användbar. Luleå ekniska universie 13
Frikionsmäare idag benchmarking 6.1.4 Coralba Rober Sundqvis på föreage Coralba konakades för a få hans syn på frikionsesning och lie ips och idéer. Coralba är e föreag som grundades i slue av 70-ale och har sedan dess vari ledande på marknaden för rippmäare både inom rallysporen och som mähjälpmedel för verksamheer inom infrasrukuren. Som illägg har en funkion uvecklas som mäer frikionen med hjälp av bilens bromssysem. Coralbas frikionsmäare (figur 10) är idag den mäare som används av Vägverke i Sverige och dess mosvarighe i Norge och Finland. Syseme använder sig av reardaionsmeoden där fordone körs i ca 70km/h, moorn frikopplas och sedan värbromsas hela ekipage. Med hjälp av bilens sysem och erhållna daa som bromssräcka och hasighe före och efer inbromsningen kan e värde på µ beräknas. figur 10 - Frikionsmäare från Coralba Under förvinern har Coralba bedrivi kalibrering av sina kunders insrumen på olika plaser i Sveriges inland. Examensarbearna blev inbjudna för a dela vid e sådan illfälle med syfe a bekana sig med reardaionsmeoden som hiills bara hade suderas via Inerne och a få insik i hur kalibrering kan uföras av frikionsmäurusning. Plasen som besökes var Bjurholm ca 6 mil väser om Umeå. Fordonen urusade med Coralba frikionsmäare som skulle kalibreras kom främs från Vägverkes regioner Umeå norra, Umeå södra och Vännäs. Även Skanska m.fl. hade fordon på plas. Som referens användes en frikionsmävagn av yp BV-11 från VTI, kalibreringsprookolle finns som bilaga. Se Bilaga II. Väglages frikion mäs förs med frikionsmävagnen och används sedan som referensvärde. För fordonen urusade med Coralba noeras jänsevik, yp av däck (fabrika, sorlek, dubb eller frikionsdäck), däcksryck och mönserdjup. De är vikig a dessa paramerar hålls så konsana som möjlig under hela säsongen för a värdena skall hålla högsa möjliga korrekhe. Försa momene i kalibreringsprocessen är a uföra en disansmäning på en uppmä sräcka som är 1000m. Om Coralban ine visar 1000m så måse disansfunkionen kalibreras då disansmäning är en ingående och vikig fakor vid frikionsmäningen när bromssräckan mäs. För a uföra kalibreringen av frikionsmäningen uförs sedan en serie om sex frikionsmäningar på den av BV-11:an i förväg uppmäa frikionsmäsräckan. E medelvärde av de sex mäningarna räknas sedan u. För a konrollera frikionsmäsräckan igen uförs yerligare mäningar av BV-11:an. Referensvärde som BV-11:an levererar divideras med de medelvärde som respekive provfordon mä upp. De värde som erhålls är kalibreringsvärde som sedan läggs in i frikionsmäaren som en korrekionsfakor ill frikionsberäkningsformeln. För a konrollera a kalibreringen är korrek uförd skall fyra konrollmäningar uföras, dessa skall ge värden näraliggande de som uppmäs med BV-11:an. Luleå ekniska universie 14
Frikionsmäare idag benchmarking 6. Undersökning på Inerne Uöver sudiebesök hos idigare nämnda föreag gjordes e fleral sökningar på Inerne med några inressana räffar som resula. För vidare informaion om dessa hänvisas ill e anal webbadresser i referenslisan. 6..1 Douglas Equipmen Mu-meer Douglas Equipmen grundades 1947 och bedriver sin verksamhe i Chelenham, England. Föreage har blivi en världsledande leveranör av bogserrakorer för flygplan. Man har även uveckla en frikionsmävagn för sar och landningsbanor, se figur 11. Denna urusning heer Mu-meer och är en frikionsmäare av raileryp med en vik på 56 kg. Mu-meer är speciell så ill vida a den mäer sidofrikionen på däcken genom a de vå mähjulen säs i 7.5º oe ou posiion. Med hjälp av e redje hjul som mäer avverkad disans och en lascell som mäer den kraf som vill dra isär mähjulen på grund av oe ou vinkeln kan e värde på väglages frikion levereras. Vagnen anslus ill en lapop som behandlar signalerna från sensorerna och genererar den daa som eferfrågas. Teser uförs normal i hasigheen 40 miles/h (~64km/h). figur 11 - Mu-meer 6.. Findlay Irvine Gripeser De skoska föreage Findlay Irvines Gripeser uvecklades under 1980 ale i samarbee med Cranfield Universiy i England. Sedan 1987 har Gripeser levereras ill flygplaser och vägväsen run om i världen. Gripeser (figur 1) är en lien, kompak vagn som främs dras efer e fordon men den finns även som en porabel version framdriven av handkraf. Gripeser väger 85 kg och kan användas i hasigheer från 5km/h ill 130 km/h. Meoden som används för a mäa frikionen kallas Braked wheel även kallad Fixed slip och fungerar så a vagnens redje hjul är länka ill de båda andra hjulen. Länkage genererar en bromverkan så a 15 % slip uppsår. Sedan mäs momene på de redje hjules axel. Vagnen är PC kompaibel och med en lapop kan all daa samlas in i de fordon som uför ese. figur 1 - Gripeser Luleå ekniska universie 15