ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 4(9)/ Janusz Pokorski, Hubert Sar, Andrzej Reński BADANIA PORÓWNAWCZE PRZYCZEPNOŚCI OPON LETNICH I ZIMOWYCH. Wstęp Przyczepność opon do nawierzchni drogowej jest jednym z istotnych czynników wpływających na bezpieczeństwo ruchu drogowego. Stąd bardzo ważnym problemem jest możliwość oceny współczynnika przyczepności (siły tarcia) zarówno z punktu widzenia nawierzchni drogowej jak i ogumienia koła samochodowego. Wiarygodny pomiar wartości tego współczynnika jest bardzo ważny zarówno przy budowie nowych dróg i autostrad, jak również przy rutynowej kontroli jakości nawierzchni istniejących dróg. Także międzynarodowe przepisy homologacyjne dotyczące jakości opon wymagają kontroli ich własności antypoślizgowych, a rozporządzenie Rady Europy nakłada na producentów obowiązek informowania klientów o tych własnościach za pomocą odpowiednich etykiet. Na rynku oferowane są opony określane w przepisach jako zwykłe i śniegowe, a nazywane popularnie letnimi i zimowymi. W dalszej części artykułu stosowane będą nazwy opony letnie i zimowe. Istnieją także opony określane jako wielosezonowe, lecz wymagania ich dotyczące nie są na razie sformalizowane. Szeroko dyskutowany jest problem zakresu stosowania każdego z typów opon i obowiązek montowania opon śniegowych w okresie zimowym. W niniejszym opracowaniu przedstawiono wyniki pomiarów porównawczych przyczepności opon letnich i zimowych w warunkach letniej i zimowej eksploatacji.. Przepisy dotyczące pomiaru przyczepności opon Metody pomiaru przyczepności wykorzystywane w procesie homologacji opon opisane są w Regulaminie nr 7 Europejskiej Komisji Gospodarczej Organizacji Narodów Zjednoczonych [4]. W dokumencie tym podano także wymagania dotyczące przyczepności opon zwykłych oraz śniegowych. Przyczepność opony oceniana jest na podstawie współczynnika szczytowej siły hamowania, który oznacza największą wartość stosunku siły hamowania do obciążenia pionowego niezablokowanego koła. W mechanice ruchu samochodu wielkość ta nazywana jest współczynnikiem przyczepności przylgowej i oznacza maksymalną wartość współczynnika przyczepności (względnej siły przyczepności) m na wykresie współczynnik przyczepności-poślizg (S), rys.. Na tym wykresie definiuje się również współczynnik przyczepności poślizgowej jako wartość współczynnika przyczepności przy poślizgu równym. W procesie homologacji przyczepność danej opony określana jest w stosunku do przyczepności opony wzorcowej SRTT badanej na tej samej nawierzchni w tych samych warunkach. W Regulaminie 7 definiowany jest współczynnik przyczepności na mokro G, jako stosunek przyczepności opony podlegającej homologacji do przyczepności Mgr inż. Janusz Pokorski, prof. nzw. dr hab. inż. Andrzej Reński, dr inż. Hubert Sar, Instytut Pojazdów Politechniki Warszawskiej 6
standardowej opony wzorcowej. Ze względu tradycyjnie przyjęte w mechanice ruchu samochodu nazywanie innej wielkości współczynnikiem przyczepności, właściwszym byłoby określanie wielkości G terminem indeks (lub wskaźnik) przyczepności., m S m S Rys.. Współczynnik przyczepności (względna siła przyczepności) w funkcji poślizgu S Jako standardowa opona wzorcowa (SRTT) zalecana jest opona o rozmiarze P95/75R4, wyprodukowana, kontrolowana i przechowywana zgodnie z normą E36-93 []. W Regulaminie 7 opisane są dwie procedury badania przyczepności opon na mokrej nawierzchni: - procedura z wykorzystaniem przyczepy lub specjalnego pojazdu do badania opon, - procedura z wykorzystaniem samochodu osobowego. W przypadku wykorzystania przyczepy lub specjalnego pojazdu badanie polega na jeździe ze stałą prędkością 65± km/ h i takim hamowaniu koła wyposażonego w badaną oponę, aby uzyskać maksymalną możliwą w danych warunkach wartość siły przyczepności. Pozwala to na wyznaczenie współczynnika przyczepności przylgowej tej opony m opony. W ten sam sposób wyznacza się współczynnik przyczepności przylgowej m wz opony wzorcowej SRTT. Indeks przyczepności G oblicza się jako stosunek współczynnika przyczepności przylgowej badanej opony do współczynnika przyczepności opony wzorcowej: G mopony () W przypadku wykorzystania samochodu osobowego (kategorii M ) z układem przeciwblokującym ABS, badanie polega na wyznaczaniu opóźnienia przy hamowaniu pojazdu wyposażonego w badane opony z intensywnością pozwalającą na uaktywnienie 6 mwz
się układu przeciwblokującego. Umowne opóźnienie hamowania a h (w Regulaminie 7 - średnie w pełni rozwinięte opóźnienie hamowania) oblicza się ze wzoru: a h v vk s () gdzie: s droga hamowania, na której nastąpiło zmniejszenie prędkości od v do v k. Umowne opóźnienie a h opony dla samochodu wyposażonego w badane opony oblicza się na podstawie drogi hamowania od 8 do km/h. W celu obliczenia indeksu przyczepności G opóźnienie a h opony odnosi się do opóźnienia a h wz, wyznaczonego w ten sam sposób i na tej samej nawierzchni dla pojazdu wyposażonego w opony wzorcowe SRTT: ah opony G (3) a Podane w Regulaminie 7 wymagania dotyczące przyczepności na mokrej nawierzchni opon dla samochodów osobowych (C) zamieszczone są w tabeli. h wz Tabela. Wymagania dotyczące przyczepności na mokro opon dla samochodów osobowych (C) wg [4] Typ opony Indeks przyczepności na mokro G Opona zwykła, Opona śniegowa przeznaczona do, prędkości większej niż 6 km/h Opona śniegowa przeznaczona do,9 prędkości niewiększej niż 6 km/h W Regulaminie 7 opisano także procedury pomiaru przyczepności opony na śniegu, które powinny być wykorzystywane przy badaniu opon śniegowych. Przewidziane są dwie metody: - metoda pomiaru siły napędowej (wg normy ASTM F85-6 []) dla opon do samochodów osobowych i opon do samochodów dostawczych, - metoda hamowania na śniegu dla opon do samochodów osobowych. W metodzie hamowania na śniegu wykorzystuje się samochód osobowy z układem ABS. Procedura jest podobna do procedury stosowanej przy badaniu przyczepności na mokro z tym, że średnie opóźnienie wyznacza się dla hamowania w przedziale od 5 do km/h. Badania powinny odbywać się przy temperaturze otoczenia i śniegu w przedziale od - do -5 C. Wynik badania podaje się w postaci indeksu przyczepności na śniegu Snow Index, który jest stosunkiem średniej wartości (z kilku pomiarów) współczynnika przyczepności przylgowej m opony opony badanej do średniej wartości współczynnika przyczepności przylgowej m wz opony wzorcowej SRTT: m opony Snow Index (4) m wz 63
Wymagane wartości indeksu przyczepności na śniegu podane są w tabeli. Opony spełniające te wymagania oznaczane są znakiem graficznym w postaci płatka śniegu na tle zarysu góry (tzw. symbol alpejski), rys.. Tabela. Wymagania dotyczące przyczepności na śniegu opon śniegowych wg [4] Klasa opony C (do samochodów osobowych) C (do samochodów dostawczych) Indeks przyczepności na śniegu Snow Index mierzony metodą mierzony metodą hamowania pomiaru siły napędowej,7, nie stosuje się, Rys.. Symbol alpejski używany dla oznaczenia opony śniegowej wg [4] Rozporządzenie Parlamentu Europejskiego i Rady Unii Europejskiej nr /9 [5] nakłada na producentów i dystrybutorów opon obowiązek informowania klientów o własnościach opon za pomocą odpowiednich etykiet. Obok informacji o hałaśliwości i oporze toczenia podawana jest na etykiecie informacja o przyczepności w postaci oznaczeń literowych od litery A do G. Opony zakwalifikowane są do odpowiednich klas na podstawie indeksu przyczepności na mokro G kl, który jest równy wartości indeksu uzyskanej z pomiaru G wg wzorów () lub (3) pomniejszanej o,3: G kl = G,3 (5) W tabeli 3 podano sposób przyporządkowania opon do poszczególnych klas w zależności od ich przyczepności zmierzonej na mokro. Tabela 3. Klasyfikacja opon w zależności od przyczepności na mokro wg [5] Opony C (do samochodów osobowych) Opony C (do samochodów dostawczych) Opony C3 (do samochodów ciężarowych) Klasa Klasa Klasa G kl przyczepności G kl przyczepności G kl przyczepności G kl,55 A G kl,4 A G kl,5 A,4 G kl,54 B,5 G kl,39 B, G kl,4 B,5 G kl,39 C, G kl,4 C,95 G kl,9 C D D G kl,94 D, G kl,4 E,95 G kl,9 E 5 G kl,79 E G kl,9 F G kl,94 F G kl 4 F G G G 64
3. System pomiarowy W Instytucie Pojazdów Politechniki Warszawskiej do badania przyczepności opon do nawierzchni drogi wykorzystywany jest zestaw pomiarowy SRT-4, który był szczegółowo opisywany we wcześniejszych publikacjach (np. [3]). Jest to zmodernizowana wersja zestawu SRT-3, który od wielu lat wykorzystywany jest w drogownictwie do pomiaru antypoślizgowych własności nawierzchni drogowych. Zestaw składa się z przyczepy dynamometrycznej i pojazdu ciągnącego (rys. 3). Konstrukcja przyczepy umożliwia pomiar siły tarcia występującej między hamowanym kołem a nawierzchnią drogi oraz siły pionowej obciążającej koło, dzięki czemu można obliczyć chwilową wartość współczynnika przyczepności. Z kolei pomiar prędkości obrotowej hamowanego koła i odniesienie jego prędkości obwodowej do prędkości pojazdu ciągnącego umożliwia wyznaczenie chwilowej wartości poślizgu: v rd S (6) v gdzie: v prędkość postępowa zestawu, ω prędkość kątowa koła pomiarowego, r d promień dynamiczny koła, ω r d - prędkość obwodowa koła. Rys. 3. Zestaw pomiarowy SRT-4, składający się z pojazdu ciągnącego Mercedes-Benz Sprinter i przyczepy dynamometrycznej Na rys. 4 zamieszczono wykres, będący ilustracją przebiegu pojedynczego procesu hamowania. Na wykresie pokazano przebiegi momentu hamowania (linia ), prędkości obwodowej koła (linia ), siły stycznej między kołem a nawierzchnią (linia 3) oraz reakcji normalnej (linia 4). Dodatkowo zaznaczono przedział czasu t, w którym wyznaczany jest przebieg zależności współczynnika przyczepności od poślizgu (S), oraz przedział t, z którego wyniki wykorzystywane są do wyznaczenia współczynnika przyczepności poślizgowej, rys.. 65
Rys. 4. Przykład przebiegu procesu hamowania: moment hamowania, prędkość obwodowa koła, 3 siła tarcia między kołem a nawierzchnią, 4 reakcja normalna, t przedział czasu, w którym wyznaczany jest przebieg (S), t przedział czasu, w którym obliczana jest średnia wartość współczynnika przyczepności poślizgowej. Przykładowy wynik badania przyczepności opony przedstawiony jest na rys. 5. Badanie polegało na wykonaniu kilku prób hamowania badanej opony na wybranym odcinku drogi. Na wykresie pokazano kilka krzywych zależności współczynnika przyczepności od poślizgu (S) (niebieskie linie), z których każdą otrzymano w wyniku jednego hamowania, oraz krzywą aproksymacyjną (czerwona linia), którą można traktować jako uśrednioną charakterystykę przyczepności badanej opony. Rys. 5. Przykładowy wynik badania przyczepności opony: linie zależności (S), będące wynikami poszczególnych prób hamowania (linie niebieskie), oraz linia (linia czerwona), będąca ich uśrednieniem (aproksymacją). 66
Współczynnik przyczepności [-] Współczynnik przyczepności [-] 4. Badania porównawcze przyczepności opon Badania przyczepności opon prowadzono za pomocą systemu pomiarowego SRT-4 w różnych warunkach atmosferycznych: przy wysokiej temperaturze (ok. 3 C), przy dodatniej temperaturze bliskiej C oraz na mrozie - przy temperaturze ok. -5. Pomiary przy temperaturach dodatnich prowadzono na mokrej nawierzchni, natomiast przy temperaturze ujemnej na nawierzchni suchej. Przebadano 4 opony, po dwie pochodzące od producentów, z których jedna była oponą letnią, a druga zimową. Dane badanych opon zestawiono w tabeli 4. Tabela 4. Dane badanych opon: wymiar - 85/65 R4, ciśnienie - MPa Typ opony letnia L, producent zimowa Z, producent letnia L, producent kierunkowy kierunkowy asymetryczny Bieżnik zimowa Z, producent kierunkowy Na rys. 6 3 przedstawiono, w postaci wykresów przyczepności w funkcji poślizgu (S), wyniki badań opon letnich i zimowych poszczególnych producentów w różnych warunkach atmosferycznych. Prędkość zestawu pomiarowego wynosiła około 6 km/h. Na rys. 6, 7, 8 oraz 9 pokazano wykresy otrzymane przy dodatnich, letnich temperaturach, na rys. i przy dodatnich temperaturach bliskich zeru, a na rys. i 3 wykresy otrzymane przy temperaturach ujemnych (ok. -5 C)., - opona letnia, - opona letnia Producent, v=6 km/h pomiary na mokro, T = 3 o C Rys. 6. Charakterystyki (S) opony letniej i zimowej producenta (T 3 o C) Producent, v=6 km/h pomiary na mokro, T = 3 o C Rys. 7. Charakterystyki (S) opony letniej i zimowej producenta (T 3 o C) 67
Współczynnik przyczepności [-] Współczynnik przyczepności [-] Współczynnik przyczepności [-] Współczynnik przyczepności [-] Współczynnik przyczepności [-] Współczynnik przyczepności [-], - opona letnia, - opona letnia Producent, v=6 km/h pomiary na mokro, T = 5 o C Rys. 8. Charakterystyki (S) opony letniej i zimowej producenta (T 5 o C) Producent, v=6 km/h pomiary na mokro, T = 5 o C Rys. 9. Charakterystyki (S) opony letniej i zimowej producenta (T 5 o C), - opona letnia, - opona letnia Producent, v=6 km/h pomiary na mokro, T = o C Rys.. Charakterystyki (S) opony letniej i zimowej producenta (T= o C) Producent, v=6 km/h pomiary na mokro, T = o C Rys.. Charakterystyki (S) opony letniej i zimowej producenta (T= o C), - opona letnia, - opona letnia Producent, v=6 km/h pomiary na sucho, T = -5 o C Rys.. Charakterystyki (S) opony letniej i zimowej producenta (T -5 o C) Producent, v=6 km/h pomiary na sucho, T = -5 o C Rys. 3. Charakterystyki (S) opony letniej i zimowej producenta (T -5 o C) Z porównania przebiegu charakterystyk przyczepności wynika, że przy dodatnich temperaturach, także tych bliskich zeru, współczynnik przyczepności opon letnich był większy niż opon zimowych. Natomiast przy silnym mrozie wyższą przyczepność wykazywały opony zimowe. Dotyczy to opon obu producentów. Zaobserwowano także, że we wszystkich przypadkach maksymalna wartość współczynnika przyczepności przylgowej opon zimowych wypadała przy większej wartości poślizgu. Należy jednak pamiętać, że w przypadku dodatnich temperatur hamowanie odbywało się na mokrej nawierzchni, a przy ujemnych temperaturach na nawierzchni suchej. 68
Współczynnik przyczepności [-] Współczynnik przyczepności [-] Współczynnik przyczepności [-] Współczynnik przyczepności [-] Współczynnik przyczepności [-] Współczynnik przyczepności [-] Wykonano także tzw. charakterystyki prędkościowe, czyli wykresy zależności współczynnika przyczepności poślizgowej od prędkości ślizgania. Pomiary prowadzono w szerokim zakresie prędkości pojazdu holującego, w szczególności równej ok. 3, 6 i 9 km/h. Przykładowe wyniki pokazano na rys. 4 9. W,,9 - opona letnia W,,9 - opona letnia,7,7,5,5,3,3 Producent,, pomiary na mokro, T=3 o C, 3 4 5 6 7 8 9 Prędkość ślizgania v [km/h] Producent,, pomiary na mokro, T=3 o C, 3 4 5 6 7 8 9 Prędkość ślizgania v [km/h] Rys. 4. Porównanie charakterystyk prędkościowych opony letniej i zimowej producenta (T 3 o C) Rys. 5. Porównanie charakterystyk prędkościowych opony letniej i zimowej producenta (T 3 o C) W,,9 - opona letnia W,,9 - opona letnia,7,7,5,5,3,3,, 3 4 5 6 7 8 9 Prędkość ślizgania v [km/h] Producent, pomiary na mokro, T=5 o C,, 3 4 5 6 7 8 9 Prędkość ślizgania v [km/h] Producent, pomiary na mokro, T=5 o C Rys. 6. Porównanie charakterystyk prędkościowych opony letniej i zimowej producenta (T 5 o C) Rys. 7. Porównanie charakterystyk prędkościowych opony letniej i zimowej producenta (T 5 o C) W,,9,7,5,3,, 3 4 5 6 7 8 9 Prędkość ślizgania v [km/h] - opona letnia Producent, pomiary na mokro, T= o C Rys. 8. Porównanie charakterystyk prędkościowych opony letniej i zimowej producenta (T= o C) W,,9,7,5,3,, 3 4 5 6 7 8 9 Prędkość ślizgania v [km/h] - opona letnia Producent, pomiary na mokro, T= o C Rys. 9. Porównanie charakterystyk prędkościowych opony letniej i zimowej producenta (T= o C) 69
Z porównania charakterystyk prędkościowych opon letnich i zimowych wynika, że przy dodatnich temperaturach opony letnie wykazują lepszą przyczepność poślizgową (przy poślizgu równym ) niż opony zimowe, choć różnica nie jest duża. Jedynie w przypadku opon producenta opona zimowa w warunkach letnich (T=3 o C) charakteryzowała się wyższym współczynnikiem przyczepności poślizgowej niż opona letnia. Natomiast przy temperaturach ujemnych ujawnia się wyższość opon zimowych i różnice są tu już wyraźniejsze (tabela 5). Tabela 5. Porównanie współczynników przyczepności poślizgowej opon letnich i zimowych przy hamowaniu na suchej nawierzchni w temperaturze -5 C Producent Producent v [km/h] Opona letnia Opona zimowa Opona letnia Opona zimowa 3,74 8,79 6 6 4 4,78 5. Wnioski Przeprowadzone badania potwierdzają przydatność systemu pomiarowego SRT-4 do pomiaru przyczepności opon do nawierzchni drogi, a szczególnie do wyznaczania charakterystyki przyczepności (S). Dzięki dużej dokładności i powtarzalności pomiarów daje się uchwycić istotne różnice we własnościach badanych opon oraz wpływ warunków, w jakich były prowadzone pomiary, a mianowicie temperatury, prędkości jazdy, czy rodzaju nawierzchni. Z przeprowadzonych pomiarów wynika, że przy hamowaniu na mokrej nawierzchni w temperaturach dodatnich opony letnie charakteryzują się lepszą przyczepnością niż opony zimowe, choć różnice nie są duże. Także przy temperaturach bliskich zeru opony letnie wykazują lepszą przyczepność niż opony zimowe. Dopiero przy temperaturach znacznie poniżej zera (ok. -5 o C) widoczna jest wyraźna przewaga przyczepności opon zimowych nad letnimi. Nie potwierdziła się opinia o spadku przyczepności opon letnich w temperaturach bliskich o C. Z przedstawionych wykresów charakterystyk przyczepności wynika, że maksymalna wartość współczynnika przyczepności (współczynnik przyczepności przylgowej m ) dla opon zimowych występuje przy wyższej wartości poślizgu S niż dla opon letnich. Wyniki pomiarów są zbieżne z zawartymi w Regulaminie 7 wymaganiami dotyczącymi przyczepności opon, z których wynika, że opony zimowe w warunkach hamowania na mokrej nawierzchni przy dodatnich temperaturach mogą mieć gorszą przyczepność niż opony letnie (tabela ). Należy podkreślić, że sformułowane wnioski nie mogą być traktowane jako jedyne kryteria stosowania opon letnich lub zimowych. Nie przeprowadzono jeszcze badań przyczepności opon na nawierzchniach pokrytych śniegiem i lodem, a w tych przypadkach można spodziewać się wyraźniejszych różnic. Ponadto przedstawiona metoda badań opon dotyczy tylko przyczepności wzdłużnej, a nie mniej ważnym kryterium oceny z punktu bezpieczeństwa ruchu samochodu jest przyczepność poprzeczna. 7
Literatura: [] ASTM E36-93(3) Standard Specification for a Radial Standard Reference Test Tire [] ASTM F85-6 Standard Test Method for Single Wheel Driving Traction in a Straight Line on Snow- and Ice-Covered Surfaces [3] Pokorski J., Reński A, Sar H.: SRT-4 nowa generacja zestawu pomiarowego do badania przyczepności nawierzchni drogowych i opon samochodowych. Zeszyty Naukowe Instytutu Pojazdów. (74)/9 [4] Regulamin nr 7 Europejskiej Komisji Gospodarczej Organizacji Narodów Zjednoczonych (EKG ONZ) Jednolite przepisy dotyczące homologacji opon w odniesieniu do emisji hałasu toczenia i przyczepności na mokrych nawierzchniach lub oporu toczenia. Dziennik Urzędowy Unii Europejskiej L 37/3 [5] Rozporządzenie Parlamentu Europejskiego i Rady Unii Europejskiej nr /9 z dnia 5 listopada 9 r. w sprawie etykietowania opon pod kątem efektywności paliwowej i innych zasadniczych parametrów Streszczenie W artykule omówiono przepisy międzynarodowe dotyczące badania przyczepności opon oraz odpowiednie wymagania homologacyjne dla opon zwykłych (zwanych popularnie letnimi) i śniegowych (zwanych zimowymi). Przedstawiono klasyfikację przyczepności opon wynikającą z obowiązku informowania klientów za pomocą odpowiednich etykiet o ich własnościach. Omówiono także stosowaną w Instytucie Pojazdów Politechniki Warszawskiej metodykę wyznaczania charakterystyki przyczepności (zależności współczynnika przyczepności od poślizgu) oraz charakterystyki prędkościowej (zależności współczynnika przyczepności poślizgowej od prędkości ślizgania). W badaniach tych wykorzystywany jest zbudowany w Instytucie Pojazdów system pomiarowy SRT-4. Przedstawiono wyniki badań porównawczych przyczepności opon letnich i zimowych w różnych warunkach atmosferycznych: przy wysokich temperaturach dodatnich, w pobliżu zera i przy dużym mrozie. Wskazano na istotne różnice w charakterystykach przyczepności oraz prędkościowych różnych typów opon. Słowa kluczowe: badania opon, charakterystyka przyczepności opony, klasyfikacja przyczepności opon, opony letnie, opony zimowe COMPARATIVE INVESTIGATIONS OF SUMMER AND WINTER TYRE ADHESION Abstract In the paper international regulation regarding investigation of tyres adhesion properties and certification requirements for normal tyres (popularly called summer tyres) and snow tyres (called winter tyres) are described. Furthermore, the tyre wet grip classification resulting from labelling regulation is presented. In the paper the methodology of investigating tyre adhesion characteristics (dependence of adhesion coefficient on slip ratio) and tyre velocity characteristics (dependence of adhesion coefficient on sliding velocity) used in the Institute of Vehicles of Warsaw University of Technology is described. In the research the measurement system SRT-4 built in the Institute of Vehicles is being applied. Comparative test results 7
of summer and winter tyres in different weather conditions: for high temperatures, for temperatures near zero and in extremely low temperatures were presented. Significant differences were indicated on adhesion and velocity characteristics of different types of tyres. Keywords: tyre investigations, tyre adhesion characteristics, tyres wet grip classes, summer tyres, winter tyres 7