路面附着系数取值确定实验方案研究

文／张爱红　黄钢　龚标　任皓

当前，对于重伤以上的交通事故，通常都需要开展车速鉴定。根据《道路交通事故车辆速度鉴定》（GB/ T33195-2016），开展车速鉴定的方法主要有依据动力学理论进行车速鉴定、依据运动学理论进行车速鉴定、依据经验公式进行车速鉴定、依据模拟试验进行车速鉴定、依据仿真再现软件进行车速鉴定、基于视频图像进行车速鉴定、基于车载记录设备信息进行车速鉴定等7种方法，其中前5种方法都涉及路面附着系数这一关键参数。当前，实际工作中路面附着系数的选取主要参照国外实验数据，不能准确反映国内道路和车辆条件因素影响的情况，故路面附着系数等关键参数是制约车速鉴定工作的一大瓶颈，也是制约提升车速鉴定工作司法公信力的一大障碍，亟需开展技术

2.1 方法

1968年，国际标准《道路车辆 路面摩擦的车辆》（ISO/TR8349）发布，提出了两种路面附着系数的测试方法和四种可选择的测试轮胎，这两种测试方法是测量纵向力摩擦系数和横向力摩擦系数。各个国家也分别研制了路面抗滑性能检测方法，如UNECE（联合国欧洲经济委员会）使用测试车辆本身的轮胎作为测试轮胎的K值法、美国ASTM（美国测试和材料协会）使用ASTME 1136轮胎测量峰摩擦系数法等。2002年，SC9重新审议了ISO/TR8349中所采用的方法，审议中考虑到存在两种附着系数测量方法，而且如果既测量纵向力摩擦系数也测量横向力摩擦系数太复杂，认为它们之间的相关性很高，所以仅测量纵向力

路面附着系数取值确定实验方案研究

摩擦系数即可。最后，确定了可供选择的三种测量纵向力摩擦系数的方法，分别是恒定速度和瞬时制动力、恒定速度和恒定制动滑移以及恒定速度和固定滑移，具体选择哪种方法取决于实际可用的方法和实际需要；同时也确定了可以使用的两种类型标准参考测试轮胎：一种是客车尺寸轮胎，另一种是用于低成本设备的小测试轮胎。

2.2 设备

为进行路面附着系数测试，各国研制了多种检测设备。1955年，英国首次研制成功摆式摩擦系数测定仪。1979年，第16届世界道路会议在奥地利首都维也纳举行，共有63个国家和地区的代表2150人参加，并且推荐SCRIM路面横向力摩擦系数测试仪为国际上通用设备。当前，比较有代表性的设备包括美国的DFT（如下图1）、瑞典的Sarays、英国Mu-meter和SCRIM、SPEEDBOX测试仪、VBOX测试系统等。虽然这些设备的检测方法不尽相同，但是每种设备都有各自的优势。

图1 美国DFT

3 路面附着系数值主要影响因素

在汽车行驶过程中，除空气阻力外，作用于汽车上的所有外力都是经由轮胎与路面间附着作用而作用在汽车上，附着性能时刻影响着汽车的使用性能。它既是汽车正常行驶的前提条件，同时又是制约汽车行驶状态、影响行车安全的重要因素。在车辆正常行驶时，如果轮胎与路面间附着性能很差，那么再大的驱动力也无用，可能会引起车轮在路面上急剧加速滑转而不是向前滚动。当车辆制动时，实际作用在车轮上的制动力除取决于制动器的制动力，还受到地面附着条件的限制，只有车辆具有足够的制动器制动力，同时地面又能提供高的附着力时，车辆才能获得足够的地面制动力。

对路面附着系数有显著影响的因素主要是路面和车辆两个方面。

3.1 路面影响

路面附着系数与路面种类和路面状况有关，同一种路面的附着系数只与路面状况有关。即：不同种类的路面，其附着性能不同；而相同种类的路面，其路面状况不同时，路面的附着性能也不同。

3.1.1 路面条件的影响

目前国内路面主要有沥青混凝土、水泥、水磨石、冰、雪等类型，因路面材质及施工方法不同，不同类型路面力学性质互有差异，其路面的附着性能也不同。如路面结合料和集料的性质、用量以及路面的外表特征对轮胎与路面间的摩擦力有明显的影响，结合料用量过大时，路表面较光滑平整，则路面与轮胎接触面积就会减小，从而减小了路面的摩擦力；在集料方面，表面粗糙且多棱角的碎石对提高附着系数效果较好，表面光滑的砾石效果差些；此外，对水泥混凝土路面的表面进行拉毛、刻槽等处理，也将会通过增加路表面的粗糙度，从而提高其附着性能。

3.1.2 路面潮湿状况或积水的影响

轮胎在有积水层的路面上滚动时，其接触面可分为三个区域：一是水膜区，二是胎面与路面直接接触产生附着力的主要区域，三是部分穿透的水膜区，路面的突出部分与胎面接触，提供了部分附着力。车辆行驶时可能会遇到两种附着力很小的危险情况：一种情况是刚开始下雨，路面上只有少量雨水时，雨水与路面上的尘土、油污等相混合，形成粘度较高的水液，滚动的轮胎无法及时排挤出胎面与路面间的水液膜，这就相当于车轮与路面间隔着一层润滑剂，水膜将路面上的凹凸填平，使轮胎与路面结合的密合程度受到严重影响，以致路面的附着力下降；另一种情况是高速行驶的车辆经过有积水层的路面，

出现滑水现象。

3.1.3 路面磨损、温度等因素的影响

路面经过长时间的使用，在车辆行驶中被磨损，其附着系数将会发生变化，而且变得不均匀，在道路横断面上车轮集中处附着系数值最低，路面纵向附着系数分布也不均匀。温度变化对部分材质的路面附着系数也有影响，这主要是与路面材料的性能、路面水的相态变化有关，如沥青路面在夏季酷热期间经阳光照射会发生结构层软化现象，车轮与路面间的附着力将会大大降低。

3.2 车辆条件影响

3.2.1 车辆类型及载荷的影响

在我国，车辆类型主要包括客车、货车、牵引车、摩托车、农用车等，其中客车分为小型普通客车、中型普通客车、大型双层客车、大型卧铺客车、大型越野客车等，货车分为重型厢式货车、重型封闭货车、重型罐式货车、重型平板货车等，在同样的路面条件下，每种类型车辆的附着系数都不一样，且存在较大差异。此外，同一车辆类型，不同载荷情况下，附着系数也存在一定差异。

3.2.2 车速的影响

车速对车辆路面附着系数有一定的影响，轮胎所受到的摩擦力有随着车辆速度增加而减小的趋势，在潮湿路面上的影响比干燥路面影响要大一些。在干燥路面上，当车辆静止时，轮胎的变形与路面凹凸部分能够最完全和彻底的接触，此时表现出的摩擦力最大，如果车轮开始运动，则这种结合就不那么充分了，两者之间的摩擦力也随之降低。在潮湿的路面上，轮胎与地面间的摩擦力却随着速度的增加而急剧减小，由于水的粘滞性，车速增加时，轮胎与路面接触面前部的水不能及时排出，则轮胎受下面水的升力作用而使摩擦力减小，如速度超过一定极限，轮胎可能会完全漂浮在水膜上面而与路面毫不接触，也就形成了滑水现象，将会严重减小路面的附着能力，影响车辆的制动、转向等性能。

3.2.3 车辆轮胎的影响

车辆轮胎的影响主要包括轮胎类型、轮胎花纹形状、密度和深度等。目前广泛使用的轮胎结构型式主要有子午线轮胎和斜交轮胎。轮胎表面花纹的形状有很多种，如横沟花纹、纵沟花纹、直横沟花纹和块状花纹等，轮胎花纹可以增加其与地面间的附着力，轮胎在特殊路面上行驶时，如有水、霜、砂或污染物较多的路面，轮胎的沟槽可以将水或砂甩到一边，保证轮胎与路面间有较好的接触，使之在特殊条件下有较大的摩擦力。横沟花纹胎面与路面间的纵向摩擦力较大，纵沟花纹胎面与路面间的横向摩擦力较大，而直横沟花纹胎面在纵向和横向都存在一定的摩擦力，故相对而言直横沟花纹轮胎抗滑能力比较强。

3.2.4 轮胎磨损量的影响

轮胎胎面花纹的作用是使轮胎在湿路面上行驶时能够有效地排水，以增大与路面之间的附着系数，但在干路面上，花纹沟空隙面积占印迹总面积的比例越大，轮胎的附着系数越小。胎面磨损后，花纹排水能力下降，使轮胎的附着系数显著下降，在实际中一般认为，当轮胎沟槽深度小于2mm时就应该更换。

3.2.5 轮胎胎压的影响

轮胎胎压直接关系到汽车行驶的安全性。通常认为，在硬路面上如沥青路面、混凝土路面，充气压力较低的轮胎在滚动过程中会产生比较大的弹性变形，那么由于橡胶弹性滞后特性而形成滚动阻力就会比较大，可使轮胎与路面之间的附着能力提高，但滚动阻力增大；相反，轮胎的充气压力增大，轮胎滚动阻力减小，但其附着能力下降。因此，对于轮胎的充气压力要寻求一个最佳的平衡值，一般在轮胎表面会有所标记，以确保轮胎在滚动过程中具有较佳的摩擦力。

3.2.6 轮胎滑移率的影响

车辆轮胎受到纵向力作用时，轮胎在抱死前处于一边滑动一边滚动状态，车轮中心所具有的纵向线速度与轮胎周边的线速度产生了一定的差异，轮胎滑移率是表征这种速度差异的指标，滑移率越大，说明滑动成分越多。由于橡胶材料的特性和轮胎宽度的实际存在，随着轮胎垂直载荷的增加，轮胎与地面接触印迹从近似圆形变化为近似矩形，轮胎在接触区域内会发生弹性变形，随着滑移率在一定范围内增大，发生弹性变形的区域也会逐渐增大，进而轮胎与地面间的摩擦力也增加，反之亦然。所以，轮胎的滑移率与其所受到的摩擦力有着密切的关系。