Wpływ cech nawierzchni drogowych na parametry ruchu pojazdu w okresie zimowym

WALUŚ Konrad J. 1 WARSZCZYŃSKI Jerzy 2 Wpływ cech nawierzchni drogowych na parametry ruchu pojazdu w okresie zimowym WSTĘP Parametry ruchu pojazdów w okresie jesienno-zimowo-wiosennym są zdeterminowane warunkami środowiskowymi (temperatura otoczenia, temperatura nawierzchni, temperatura punktu rosy [14,15], wilgotność, ciśnienie atmosferyczne) oraz stanu i rodzaju nawierzchni [1-13]. W okresie tym opady atmosferyczne pojawiają się ze wzmożoną częstotliwością i mogą zalegać na jezdni. Opady śniegu, w przypadku braku odśnieżania, kumulują się na drodze pokrywając ją ubitą warstwą. Cechy tej narastającej warstwy, jej twardość i gęstość, zależą od intensywności opadów, intensywności użytkowania badanego odcinka jezdni oraz temperatury nawierzchni i parametrów środowiskowych. Interakcja czynników atmosferycznych oraz parametrów eksploatacji danej drogi ma bezpośredni wpływ na bezpieczeństwo ruchu drogowego w warunkach jezdni zaśnieżonej [2,4,6-9,16]. W artykule przedstawiono wyniki badań doświadczalnych cech kinematycznych ruchu pojazdu oraz parametrów stanu nawierzchni i otoczenia. 1. METODYKA BADAŃ Śnieg znajdujący się na drodze nie tworzy struktury jednorodnej i nie jest podobny do nawierzchni asfaltowej, dlatego opracowano procedurę służącą do parametryzacji właściwości śniegu na nawierzchni drogi. Badania wykonano we współpracy zespołów Politechniki Poznańskiej i Ośrodka Badawczo Rozwojowego Przemysłu Oponiarskiego Stomil w Poznaniu. W ośrodkach tych, w latach ubiegłych, podjęto próbę rozpoznania charakterystyki cech kinematycznych ruchu pojazdów w zakresie twardości i gęstości warstwy śniegu zalegającej na nawierzchni [3]. Realizacja tego zadania badawczego obejmowała wykonanie przyrządu, w oparciu o amerykańską normę ASTM F185- [1], służącego do określania twardości śniegu (rysunek 1). Według normy pomiar twardościomierzem opiera się na założeniu, że ubicie oraz wytrzymałość na ścinanie śniegu mają główny wpływ na osiągi trakcyjne opon. Rozdzielenie tych parametrów nie jest możliwe, jednak można dokonać oceny obu wartości jednocześnie poprzez test polegający na pomiarze zagłębienia, jakie powstanie po pocisku zrzuconym z zadanej wysokości. Energia kinetyczna pocisku jest wykorzystywana na jego penetracje w warstwę śniegu oraz na kompresję śniegu. Zmierzona wartość zagłębienia jest odniesiona do skali twardości. Kształt pocisku, masa i wysokość zrzutu były znormalizowane. 1 Politechnika Poznańska, Wydział Maszyn Roboczych i Transportu, Katedra Podstaw Konstrukcji Maszyn; 6-965 Poznań; ul. Piotrowo 3 tel.: + 48 61 665-25-53 fax: + 48 61 665-2-74 e-mail: konrad.walus@put.poznan.pl 2 Ośrodek Badawczo Rozwojowy Przemysłu Oponiarskiego Stomil w Poznaniu 1615

Rys. 1. Widok twardościomierza CTI do pomiaru twardości śniegu oraz charakterystyka twardości wg ASTM w funkcji wielkości zagłębienia pocisku [1] Twardościomierz CTI posiada obciążony stożkowy wgłębiacz, którego promień podstawy wynosi 1,6 mm (patrz rysunek 2). Wgłębiacz przyczepiony jest do pręta pomiarowego, który zakończony jest karbowaną nakrętką. Rys. 2. Wgłębiacz Pocisk umieszczony jest w tulei prowadzącej, której dolne dno podczas testu leży na powierzchni śniegu. Głębokość wgłębienia odczytuje się przy użyciu skali głębokościomierza. Skala pomiarowa naniesiona jest w podziałce od 1 do 5, gdzie 1 oznacza brak wgłębienia, a 5 oznacza wgłębienie na głębokość około 5 cm. Widok urządzenia pomiarowego twardości śniegu podczas badań przedstawiono na rysunku 3. Rys. 3. Widok urządzenia pomiarowego twardości śniegu podczas badań 213.2.12 1616

Do określenia gęstości śniegu konieczne było wykorzystanie zaprojektowanego i wykonanego przyrządu umożliwiającego pobranie próbki śniegu o określonej objętości z badanego odcinka drogi, tak, aby nie spowodować miejscowego ubicia śniegu. Pobrany śnieg został stopiony, co umożliwiło określenie jego masy i objętości wody pobranej próbki. Gęstość śniegu została wyznaczona na podstawie znajomości objętości i masy próbki (zawartej w niej wody). Uzyskana wartość gęstości jest wartością średnią z uwagi na cechy leżącego na drodze śniegu, który stanowi mieszaninę sypkiego, zbitego i zlodowaciałego śniegu oraz kawałków lodu. Badania drogowe zostały przeprowadzone w dwóch kolejnych dniach. Umożliwiło to wykonanie pomiarów dla różnych warunków środowiskowych. Podczas testów dokonywano pomiarów następujących cech kinematycznych ruchu pojazdu oraz parametrów środowiskowych: chwilowe wartości kąta obrotu bryły nadwozia, wartości przyspieszenia (opóźnienia) liniowego w 3 osiach, pomiar temperatury otoczenia, pomiar temperatury nawierzchni, pomiar temperatury śniegu, pomiar temperatury punktu rosy, pomiar ciśnienia atmosferycznego, pomiar twardości śniegu, pomiar gęstości śniegu, pomiar pochylenia nawierzchni. Testy przeprowadzono w górach, na odcinku tak zwanej drogi sudeckiej, w okolicach miejscowości Borowice z wykorzystaniem samochodu Skoda Octavia wyposażonego w opony zimowe 195/65 R15. Pojazd podczas badań były wyposażony w głowicę pomiarową Datron, zamocowaną z przodu i z tyłu pojazdu oraz zestaw pomiarowy ADIS 16385. Widok pojazdu badawczego wraz z układami pomiarowymi przedstawiono na rysunku 4. Rys. 4. Widok samochodu Skoda Octavia II Tour wraz z aparaturą badawczą Zakres badań procesu hamowania samochodu obejmował intensywne przyspieszanie samochodu ze startu zatrzymanego do uzyskania prędkości około 5-6 km/h oraz hamowanie samochodu od tej prędkości aż do zatrzymania. Podczas wszystkich prób samochód obciążony był 3 osobami (kierowca oraz dwoje pasażerów na tylnej kanapie) o masie około 8 kg każda. Na fotelu obok kierowcy zabudowano część aparatury pomiarowej. Samochód był kierowany przez doświadczonego kierowcę wyścigowego. 2. WARUNKI ŚRODOWISKOWE W pierwszym dniu (213.2.12) badania przeprowadzone zostały na nawierzchni pokrytej grubą, jednorodną warstwą śniegu, która została wcześniej ubita na skutek ruchu samochodów w czasie trwających opadów. Cechy geometryczne nawierzchni zostały wyznaczone z wykorzystaniem przyrządu geodezyjnego tachimetru [5]. Wyniki pomiarów geodezyjnych przedstawiono na rysunkach 5 i 6. 1617

Promień krzywizny [m] Niweleta [m] Sy [m] 25 2 15 1 5-3 -25-2 -15-1 -5 5 1 Rys. 5. Widok punktów, leżących na krawędziach odcinka badawczego w rzucie z góry, których współrzędne zostały zmierzone za pomocą tachimetru; strzałka pokazuje kierunek ruchu samochodu w czasie eksperymentów [5] Sx [m] 2 15 y =,253x - 7,3892 2 1 1 R min = ok. 27 m 5 R min = ok. 6 m 5 1 15 2 25 3 35-5 -1-15 -1-2 -3-4 -5-6 -7-2 Długość odcinka pomiarowego [m] -8 Promień krzywizny Niweleta Aproksymacja liniowa (Niweleta) Rys. 6. Charakterystyka promienia krzywizny oraz niwelety osi odcinka badawczego w funkcji długości tej osi; strzałka pokazuje kierunek ruchu samochodu w czasie eksperymentów [5] Ruch samochodu w czasie eksperymentów odbywał się nieznacznie pod górę. Na podstawie kształtu niwelety oraz równania jej aproksymacji liniowej, zapisanego na rysunku 6, można stwierdzić, że kąt nachylenia nawierzchni na całej długości odcinka był praktycznie stały, a jego średnia wartość wynosiła około 1,45 (czyli około 2,53%), co obliczono poniżej (1). o a tan(,253) 1, 45 y x,253 7,3892 7,39 y,253 356 7,3892 1,62 x 356 y x 356 y x 1 2,53% 356 Wartości przyspieszenia, uzyskane w badaniach zostały skorygowane o wyznaczony wyżej kąt nachylenia odcinka badawczego, na podstawie wzoru (2). akor _ apom cos g sin (2) gdzie: a pom wartość opóźnienia poddawanego korekcie, g = 9,81 [m/s2] przyspieszenie ziemskie. Wyniki pomiarów cech środowiskowych wykonane w pierwszym dniu badawczym przedstawiono w tabelach 1 i 2. Widok nawierzchni drogowej podczas badań w dniu 213.2.12 przedstawiono na rysunku 7. (1) 1618

Tab. 1. Wyniki pomiarów cech środowiskowych wykonanych przed próbami drogowymi 213.2.12 Temp. otoczenia -2,6 o C Wilgotność 9,7% Ciśnienie atmosferyczne 934 hpa Temp. punktu rosy -3,9 o C Temp. nawierzchni drogi -4,6 o C Tab. 2. Wyniki pomiarów cech środowiskowych wykonanych po próbami drogowymi 213.2.12 Temp. otoczenia -3,4 o C Wilgotność 95,6% Ciśnienie atmosferyczne 934,2 hpa Temp. punktu rosy -3,6 o C Temp. nawierzchni drogi -3,6 o C Rys. 7. Widok nawierzchni drogowej podczas badań w dniu 213.2.12 Wyniki pomiarów cech środowiskowych wykonane w drugim dniu badawczym przedstawiono w tabeli 3 i 4. Widok nawierzchni drogowej podczas badań w dniu 213.2.13 przedstawiono na rysunku 8. Tab. 3. Wyniki pomiarów cech środowiskowych wykonanych przed próbami drogowymi 213.2.13 Temp. otoczenia -3, o C Wilgotność 99,9% Ciśnienie atmosferyczne 935 hpa Temp. punktu rosy -3,2 o C Temp. nawierzchni drogi -5,6 o C Tab. 4. Wyniki pomiarów cech środowiskowych wykonanych po próbami drogowymi 213.2.13 Temp. otoczenia -3,4 o C Wilgotność 84,6% Ciśnienie atmosferyczne 946, hpa Temp. punktu rosy -5,6 o C Temp. nawierzchni drogi -5,4 o C Rys. 8. Widok nawierzchni drogowej podczas badań w dniu 213.2.13 1619

Przyspieszenie [m/ss] Prędkość [m/s] Przyspieszenie [m/ss] Prędkość [m/s] 3. WYNIKI BADAŃ Badania doświadczalne procesu intensywnego hamowania przeprowadzono w warunkach zimowych na ośnieżonej nawierzchni. Miały one na celu zobrazowanie wpływu twardości i gęstości śniegu na cechy kinematyczne ruchu samochodu osobowego i ocenę jego bezpieczeństwa. W ramach przeprowadzonych testów wykonano również pomiary cech środowiskowych (temperatury otoczenia, nawierzchni, punktu rosy oraz ciśnienia atmosferycznego), a także cech opon (temperatury boku i bieżnika, twardości boku i bieżnika). Wykonane testy drogowe podzielono na dwa etapy, które umożliwiły porównanie uzyskiwanych przyspieszeń wzdłużnych pojazdu dla dwóch różnych warunków stanu warstwy śniegu. Badania przeprowadzono w dniach 213.2.12 oraz 213.2.13. Zmiany cech środowiskowych, a także warunki eksploatacji odcinka badawczego wpłynęły na różnicę twardości i gęstości śniegu. Podczas prób wykonano po 1 przejazdów w każdym dniu badawczym, które kończyły się intensywnym hamowaniem pojazdu. Zadaniem kierowcy było stałe naciskanie pedału hamulca do zatrzymania. Uzyskaną wartość pełnego średniego opóźnienia (MFDD) przedstawiono w tabeli 5, a przykładowe wyniki prób przedstawiono graficznie na rysunku 9. Tab. 5. Wyniki pomiarów cech kinematycznych ruchu pojazdu (V h prędkość początkowa procesu hamowania, MFDD pełne średnie opóźnienie hamowania) 213.2.12 213.2.13 V m Lp. h V km s h MFDD m 2 V m h s h V km s h MFDD m 2 h s 1 12,36 44,51 2,86 16,65 59,94 3,11 2 13,4 48,24 2,95 15,44 55,59 3,49 3 14,2 51,11 2,91 Plik uszkodzony 4 14,7 5,66 3,1 16,12 58,5 3,22 5 14,38 51,75 2,99 16,79 6,44 3,39 6 14,79 53,25 3,4 15,44 55,59 3,24 7 14,6 52,56 3,15 15,73 56,62 3,7 8 15,22 54,8 2,77 16,71 6,15 3,29 9 15,43 55,55 2,77 16,75 6,31 2,85 1 14,8 53,28 2,92 15,88 57,19 3,19 Średnia 2,937 Średnia 3,25 Odchylenie standardowe,119 Odchylenie standardowe,186 2 15 1 5 213.2.12 Opony zimowe 195/65 R15-5 2 4 6 8 1 12 14 16 18 2 Czas [s] Przyspieszenie Prędkość 2 15 1 5-5 213.2.13 Opony zimowe 195/65 R15-1 2 4 6 8 1 12 14 16 Czas [s] Przyspieszenie Prędkość Rys. 9. Przykładowe przebiegi przyspieszeń wzdłużnych uzyskane podczas badań w dniu 213.2.12 i 213.2.13 Podczas pomiarów cech kinematycznych pojazdów badawczych wykonano pomiary twardości i gęstości warstwy śniegu pokrywającej drogę. Wyniki pomiarów przedstawiono w tabeli 6. 162

Tab. 6. Wyniki pomiarów cech kinematycznych ruchu pojazdu (V h prędkość początkowa procesu hamowania, MFDD pełne średnie opóźnienie hamowania) Data Twardość śniegu ASTM Ilość próbek śniegu Pobrana objętość śniegu Woda po stopieniu [g] Gęstość śniegu [g/cm 3 ] [cm 3 ] dla C 213.2.12 86,8 1 1 413,5,4135 213.2.13 9,2 1 1 511,9,5119 Fluktuacje twardości i gęstości śniegu zalegającego na nawierzchni zależą istotnie od warunków atmosferycznych oraz eksploatacji danego odcinka drogi. Zmiany tych parametrów wpływają na uzyskiwane cechy ruchu pojazdu poprzez interakcje opona-podłoże. Rozpoznanie wpływu tych parametrów na zachowanie się pojazdu na drodze wymaga przeprowadzenia cyklicznych badań na tego typu nawierzchniach. Na obszarze Polski jest to możliwe w rejonach górskich, w których występuje stały ruch pojazdów, a warstwa śniegu nie jest zbierana z jezdni i nie jest posypywana środkami powodującymi jej roztapianie. W aglomeracjach miejskich napotkanie nawierzchni pokrytej warstwą ubitego śniegu jest istotnie ograniczone przez służby porządkowe. WNIOSKI Przeprowadzone pomiary twardości i gęstości warstwy śniegu zalegającej na drodze wykazały fluktuacje tych parametrów. W każdym dniu badawczym cechy nawierzchni ulegały zmianom. Było to spowodowane warunkami atmosferycznymi oraz eksploatacją odcinka badawczego. Wybrany odcinek drogi, w głównej mierze, był eksploatowany przez pojazdy komunikacji miejskiej, ciężarówki przewożące drzewo i sporadycznie samochody osobowe. Nawierzchnia była regularnie utwardzana przez poruszające się pojazdy, co miało wpływ na jej stan. Wykazane różnice wartości twardości i gęstości śniegu sugerują, że mają one bezpośredni wpływ na interakcję opony i podłoża. Wzrost twardości i gęstości powoduje zmniejszenie możliwości penetracji bieżnika opony w warstwę śniegu, a tym samym zmniejszenie oporów toczenia. Badania doświadczalne wykonane w czasie dwóch dni pomiarowych wykazały, że twardość i gęstość warstwy śniegu miały wpływ na uzyskiwane parametry ruchu pojazdu. Intensywność procesu hamowania wyrażona w postaci pełnego średniego opóźnienia MFDD była większa wraz ze wzrostem twardości i gęstości śniegu. Należy jednak zauważyć, że w kolejnych badaniach, nawet w przypadku wykorzystania identycznego zestawu badawczego (tj. samochód, opony, kierowca, aparatura pomiarowa, miejsce badań), może nastąpić znaczny rozrzut wyników, związany z brakiem powtarzalności stanu nawierzchni w czasie jazdy w warunkach zimowych. Streszczenie Parametry ruchu pojazdu podczas poruszania się po nawierzchniach pokrytych śniegiem zależą od współpracy opony z nawierzchnią. W warunkach jezdni pokrytej śniegiem, lodem lub błotem pośniegowym zdolność przenoszenia sił stycznych w układzie opona-nawierzchnia podlega dużym fluktuacjom. Osiągany w okresie zimowym na nawierzchni zaśnieżonej współczynnik przyczepności zależy od lokalnych cech śniegu, jego temperatury, stanu warstwy wierzchniej i ubicia. Istotnym czynnikiem jest również grubość warstwy śniegu, jego twardość i gęstość. W artykule przedstawiono wyniki badań doświadczalnych pomiaru twardości i gęstości warstwy śniegu w aspekcie procesu intensywnego hamowania samochodu osobowego. The influence of surface characteristics on the parameters of road vehicle movement in the winter Abstract Motion parameters of the vehicle when moving through the snow-covered surfaces depend on the cooperation tire with the ground. Under the conditions of the road covered with snow, ice or mud carrying capacity tangential forces at the tire-pavement system is subject to large fluctuations. Achieved during the winter on the snowy surface coefficient of friction depends on the local characteristics of the snow, the 1621

temperature, the state of the surface layer and compaction. An important factor is also the thickness of the layer of snow, its hardness and density. The article presents the results of experimental measurement of hardness and density of the snow layer in terms of the process of intense braking car. BIBLIOGRAFIA 1. ASTM F185-, Standard Test Method for Single Wheel Driving Traction In a Straight line on Snow and Ice Covered Surfaces. 2. Dudziak M. (red.): Proces hamowania samochodu a bezpieczeństwo w ruchu drogowym. Wydawnictwo i Zakład Poligrafii Instytutu Technologii Eksploatacji, Poznań Radom 22. 3. Dudziak M., Lewandowski A., Warszczyński J., Anioła M., Kędziora K, Waluś K. J., Wpływ cech nawierzchni i otoczenia na parametry ruchu pojazdu w warunkach zimowych (badania pilotażowe). materiały XX FRANCUSKO POLSKIEGO SEMINARIUM MECHANIKI oraz VII MIEDZYNARODOWEJ KONFERENCJI n.t.: Modelowanie I Symulacja Zjawisk Tarciowych W Układach Fizycznych Strukturach Technicznych "TARCIE 212", s. 24-29, Warszawa 212, ISBN 83-8973-75-, 4. Gillespie T. D., Fundamentals of Vehicle Dynamics, SAE International, 1992. 5. Kędziora K., Waluś K. J., Experimental and simulation research on car acceleration and braking on snow-covered roads. Activities of Transport Telematics: 13th International Conference on Transport Systems Telematics, TST 213: selected papers, Katowice-Ustroń, Poland, October 23-26, 213 / ed. Jerzy Mikulski: Springer Berlin Heidelberg, 213. - Communications in Computer and Information Science; 213; Vol. 395; s. 433-44; ISSN 1865-929, ISBN 978-3-642-41646- 6. Klein-Paste A., Sinha N. K., Comparison between rubber ice and sand ice friction and the effect of loose snow contamination. Tribology International 43, 1145-115, 21. 7. Persson B. N. J., On theory of rubber friction. Surface Science 41, 445-454, 1998. 8. R. van der Steen, Tyre/road friction modeling. Eindhoven University of Technology, Department of Mechanical Engineering, Dynamics and Control group, Eindhoven, 27. 9. Unarski J., Wach W., Zębala J., Przyjmowanie wartości współczynnika tarcia w różnych szczególnych okolicznościach. Instytut ekspertyz sądowych, Kraków 2. 1. Waluś K. J., Olszewski Z., Analysis of Tire-road contact under Winter conditions. Lecture Notes in Engineering and Computer Science, Volume 2192, proceedings World Congress on Engineering 211, Volume III, London, U.K. 6-8 July, 211, p. 2381-2384, ISBN 978-988-19251-5-2, ISSN 278-958, 11. Konrad J. Waluś, Comparison of the maximum acceleration of a passenger car on selected pavements in wintertime. Visnik. - 212, no. 747, s. 34-38, ISSN 321-499 12. Waluś K. J., Experimental study on comparison of kinematic traffic characteristics of a road tractor and a passenger car at sub-zero temperatures. Archives of Transport System Telematics; 213; vol. 6, iss. 4; s. 36-4; ISSN 1899-828; 13. Waluś K. J., Kędziora K., Intensywność przyspieszania i hamowania samochodu osobowego wyposażonego w opony zimowe na nawierzchni pokrytej warstwą ubitego śniegu - badania doświadczalne. Technika Transportu Szynowego; 213; nr 1; s. 779-787; ISSN 1232-3829 14. Waluś K. J., Wpływ zmian temperatury otoczenia na przyspieszenie i hamowanie samochodu osobowego na suchej i czystej nawierzchni bitumicznej w okresie zimowym - część pierwsza. Logistyka / Instytut Logistyki i Magazynowania. - 214, nr 3, s. 6561-6567. - CD-ROM 1, ISSN: 1231-5478, 15. Waluś K. J., Wpływ zmian temperatury otoczenia na przyspieszenie i hamowanie samochodu osobowego na suchej i czystej nawierzchni bitumicznej w okresie zimowym - część druga. Logistyka / Instytut Logistyki i Magazynowania. - 214, nr 3, s. 6568-6574. - CD-ROM 1, ISSN: 1231-5478, 16. Wypadki drogowe. Vademecum biegłego sądowego, praca zbiorowa, Wydawnictwo Instytutu Ekspertyz Sądowych, Kraków 22. 1622