Opplæringsnotat friksjon

Transkript

1 Statens vegvesen Opplæringsnotat friksjon Avdelingsingeniør Bård Nonstad Veg- og trafikkfaglig senter, Trondheim (Foto: Torgeir Vaa)

2 Innholdsfortegnelse INNLEDNING... 4 GENERELT OM FRIKSJON FRIKSJON OG TRAFIKKSIKKERHET FRIKSJONSTEORI FRIKSJONSLOVENE FRIKSJONSKRAFTENS ULIKE KOMPONENTER Adhesjon Hysterese Støt og kompaktering Slitasje Viskøs skjærkraft Elektrostatistisk ladningseffekt FAKTORER SOM BESTEMMER FRIKSJONEN MÅLING AV FRIKSJON BREMSELENGDE RETARDASJONSMÅLERE SLIPP - MÅLERE FRIKSJONSMODELLER KRAV TIL FRIKSJON SOMMER VINTER TILTAK FOR Å BEDRE FRIKSJONEN SOMMER VINTER Sand Salt... 6 REFERANSELISTE... 4

3 Figurer Figur.: Prinsipp friksjon Figur.: De to friksjonslovene....6 Figur.3: Hysteresekraften er lik 0 når slipphastigheten er 0. (Moore, 975)... 7 Figur.4: Hysteresekraften virker motsatt av retningen til slipphastigheten. (Moore, 975).. 8 Figur.5: Forskjell våt- og tørrfriksjon. (Larsen, 998)... 9 Figur.6: Friksjon over året på de forskjellige strekningene.(norsemeter, 997)... 0 Figur.7: Friksjonsmålinger ved forskjellige hastigheter på bart dekke... Figur.8: Variasjoner i friksjon over strekning... Figur 3.: Typiske bremselengder ved 50 km/t ved ulik friksjon.... Figur 3.: Figuren viser typiske bremselengder ved ulike friksjonskoeffisienter. Utgangshastighet 80 km/t. (T. Vaa)... 3 Figur 3.3: C-μ/3 montert i personbil. (Foto: Torgeir Vaa)... 4 Figur 3.4: Hastigheten på målehjulet ved oppbremsing... 4 Figur 3.5: ROAR Mark II, Region Midt i aksjon. (Foto: Bård Øien)... 5 Figur 3.6: Friksjon som funksjon av slipp. (Wallman og Åström, 00)... 5 Figur 3.7: Friksjonsmålebilen OSCAR Figur 3.8: Friksjonskurver ved ulike føreforhold. (Statens vegvesen & Norsemeter, januar. 995)... 6 Figur 3.9: PIARC-modellen... 7 Figur 3.0: Rado-modellen... 8 Figur 4.: Eksempel på glatt dekke. Målinger utført med ROAR Mark II... 9 Figur 5.: FRIMOKAR friksjonsforbedrende utstyr... Figur 5.: Friksjonsforbedring med tørr sand og fastsand. (Statens vegvesen, vinterkurs, 003)... Tabeller Tabell.: Relativ risiko ved ulike føreforhold. (Elvik, Mysen & Vaa, 997)... 5 Tabell.: Typiske statiske og kinetiske friksjonskoeffisienter for noen materialer. (Young & Freedman, 996)... 7 Tabell.3: Typiske målte friksjonskoeffisienter for ulike føreforhold. (Minsk, 998)... 9 Tabell 4.: Verdier for friksjonskoeffisient før strøtiltak iverksettes (Statens vegvesen, håndbok, 003)... 0 Tabell 4.: Tiltak og tiltakstid for strategi bar veg. (Statens vegvesen, håndbok, 003).. 0 3

4 Innledning Dette notat er ment som et opplæringsnotat brukt i undervisningssammenheng på høgskole eller tilsvarende. Notatet gir en generell beskrivelse av hva friksjon er, faktorer som er med på å bstemme friksjonen og hvordan den måles med forskjellig typer utstyr. Notatet tar også for seg hvilke krav som stilles til friksjon på både sommer og vinterføre. Til slutt blir ulike tiltak for å bedre friksjonen beskrevet. 4

5 Generelt om friksjon. Friksjon og trafikksikkerhet Hovedformålet med vintervedlikeholdet er å fjerne snø og is fra vegbanen slik at friksjonsforholdene bedres. Grovt kan en dele inn vintervedlikeholdet i tiltakene: Snøbrøyting Høvling Sanding Salting Dersom friksjonsnivået senkes øker bremselengden. (Se Figur 3.) De fleste førere reduserer ikke farten tilstrekkelig ved glatt føre slik at bremselengden blir like lang som på tørr veg. Blant annet på grunn av dette er ulykkesrisikoen høyere på snø- eller isdekke enn på tørr, bar veg. På grunnlag av en studie av risiko på saltede og usaltede veger har man anslått den relative ulykkesrisikoen på ulike føreforhold til: Føreforhold Relativ risiko Tørr, bar veg,0 Våt, bar veg,3 Slapseføre,5 Hard snø,5 Løs snø og isdekket veg 4,4 Tabell.: Relativ risiko ved ulike føreforhold. (Elvik, Mysen & Vaa, 997) Ulykkesrisikoen på helt eller delvis snø- eller isdekket veg er mellom,5 og 4,4 ganger så høy som på tørr veg. (Elvik, Mysen & Vaa, 997). Friksjonsteori Når to legemer kommer i direkte kontakt med hverandre oppstår det kontaktkrefter. Normalog friksjonskrefter er begge kontaktkrefter. Normalkraft (betegnes N) kalles den loddrette kraftvektoren som representerer legemets tyngde. Komponenten som er parallell med overflaten kalles friksjonskraften (fk). Figur.: Prinsipp friksjon. Friksjonskrafta finnes ved formelen: Fk=μN, hvor μ er friksjonskoeffisienten. Dersom overflaten er friksjonløs blir også friksjonskraften null og kontaktkreftene består kun av en normalkraft. (En friksjonløs overflate er et idealisert eksempel.) Retningen til friksjonskraften 5

6 er alltid den motsatt retning av fartsretningen (v). til de to overflatene Friksjonen som oppstår når et legeme glir over en overflate kalles den kinetiske friksjonskraften f k. Størrelsen på den kinetiske friksjonskraften øker når normalkraften øker. Friksjonskrefter kan også oppstå når det ikke er noen relativ bevegelse. Den kalles da statisk friksjonskraft f s, og er vanligvis noe høyere enn den kinetiske friksjonskraften. Et eksempel på dette er at det vanligvis er enklere å holde en eske i bevegelse enn å starte å bevege den. (Young & Freedman, 996).3 Friksjonslovene Ut i fra eksperiment har man funnet at det er to basislover for friksjon. Den første loven slår fast at friksjonskraften er uavhengig av den nominelle kontaktflaten mellom de to legemene. Den andre loven sier at friksjonskraften er proporsjonal med normalkraften. Disse lovene er basert på Amontons lover fra 699 om friksjon etter den franske fysikeren Guillaume Amontons. Riktignok utførte og dokumenterte Leonardo Da Vinci forsøk med friksjonseffekter allerede 00 år før dette. (Arnell, Davies, Halling & Whomes, 99) Figur.: De to friksjonslovene. Amontons andre lov gir oss likningen F=μN, hvor μ er friksjonskoeffisienten. Dess lavere friksjonskoeffisient, desto glattere overflate. Årsaken til at berøringsoverflatens størrelse ikke innvirker på friksjonskraften, er at både normal - og friksjonskraften virker på den samme overflaten. Selv om vi har to meget glatte overflater er de kun i kontakt med hverandre på noen få steder. Reell kontaktflate er kun /000 av berøringsoverflaten. Den viktigste årsaken til friksjonskraften er de molekylære kreftene i disse små kontaktoverflatene. Det oppstår forskjellige grader av vedheftskraft eller adhesjonskraft mellom disse. En annen årsak til at vi får en friksjonskraft er ujevnheten på de to overflatene trenger ned i hverandre. Toppene på overflaten trenger ned i søkkene slik at det oppstår et hinder. Dette gjelder spesielt når vi har et tribosystem med både hard og myk overflate. Toppene på den harde overflaten vil da trenge ned i den myke overflaten. Et tribosystem er et system med overflater i mekanisk kontakt under relativ bevegelse. (Nirmal & Norheim, 000) Bevegelsesfriksjon Stillestående friksjon 6

7 Materiale Statisk, μs Kinetisk, μk Stål mot stål Aluminium mot stål Gummi mot betong (tørr) Gummi mot betong (våt) Tabell.: Typiske statiske og kinetiske friksjonskoeffisienter for noen materialer. (Young & Freedman, 996) Coulomb laget i 785 en tredje lov som sa at den kinetiske friksjonen nesten er uavhengig av sklihastigheten, men denne loven har et mindre bruksområde enn de to første. En fjerde lov fortalte at den statiske friksjonskoeffisienten var større enn den kinetiske. Dette gjelder riktignok ikke for elastiske og viskoelastiske materialer. (Arnell et al, 99).4 Friksjonskraftens ulike komponenter Hvilke mekanismer som opptrer vil variere med hva slags typer materialer det oppstår friksjon mellom. Ved friksjon mellom bildekk og vegoverflate vil det oppstå forskjellige mekanismer avhengig om det er sommer eller vinterføre. I følge Nirmal og Norheim (000) kan friksjonskraften deles opp i fire ulike komponenter: ) Adhesjons komponent mellom de to flatene. ) Komponent som kommer av energitap på grunn av bulkdeformasjon (hysterese). 3) Viskøs komponent på grunn av en lubrikant mellom de to flatene. 4) Komponent på grunn av slitasje..4. Adhesjon Adhesjonskraften er en overflatekraft som oppstår på overflaten mellom dekk og vegoverflate. Ved tørt føre og fri rulling er det denne kraften som er mest betydningsfull. Adhesjonskraften skyldes at det dannes molekylære bindinger mellom overflatene som er i kontakt med hverandre. Når flatene glir mot hverandre vil disse bindingene strekke seg, brytes og nye bindinger dannes. Dette vil gi et energitap, og dermed skape en kraft som virker mot glidningen. Adhesjonskraften er den kraften som har mest betydning når hjulet ruller fritt. (Moore, 975).4. Hysterese Hysterese er en kraft som ikke er til stede når hjulet ruller fritt. Ved en slipphastighet (Se kapitel 3.3) lik null vil det være et symmetrisk trykk over en normal ujevnhet på vegen. (Se Figur.3) Figur.3: Hysteresekraften er lik 0 når slipphastigheten er 0. (Moore, 975) Hysteresen gir i slike tilfeller ikke noe bidrag til friksjonen. Når slipphastigheten er forskjellig fra null vil det bli et økt trykk på kantene av ujevnhetene. Dette medfører at gummien samler seg i dette området. Denne usymmetriske trykkfordelingen vil gi en kraft som virker i motsatt retning av glidebevegelsen. (Se Figur.4) 7

8 Figur.4: Hysteresekraften virker motsatt av retningen til slipphastigheten. (Moore, 975).4.3 Støt og kompaktering Når to legemer glir mot hverandre vil det skje en viss deformasjon av materialene. Hvor store deformasjoner som opptrer er avhengig av type materiale. Deformasjonene innebærer arbeid som krever energi. Ved vinterfriksjon er det særlig kompaktering av snø som finner sted. Graden av kompaktering bestemmes av vanninnholdet i snøen, påkjenningen og forurensninger som for eksempel salt. (Ichihara & Mizoguchi, 970).4.4 Slitasje Ved en relativ hastighetsforskjell mellom hjul og overflaten, vil det finne sted en nedsliting av begge overflatene. Denne nedslitingsprosessen krever energi, og denne energien er en del av friksjonskrafta. Som tribologisk emne er nok slitasje viktigere innen andre fagfelt enn ved friksjon mellom bildekk og vegoverflate. (Lysbakken, 00).4.5 Viskøs skjærkraft Ved våt- friksjon, enten ved våt vegbane eller ved dannelse av vannfilm på snø- eller isdekke vil det kunne oppstå en viskøs skjærkraft (sug) mellom dekk og overflate. Denne kraften er også et bidrag til friksjonskraften. Dette vil oppstå når vannfilmen er så tykk at mønsteret i dekket eller ruheten i vegoverflaten ikke greier å drenere vekk vannet. (Moore, 975).4.6 Elektrostatistisk ladningseffekt Ved friksjon på snø eller is er det vist at det oppstår en elektrostatisk ladning mellom de to friksjonsflatene. Den elektriske ladningen vil føre til at det oppstår elektriske krefter mellom de to flatene. Denne kraften bidrar også til friksjonen. (Moldestad, 999).5 Faktorer som bestemmer friksjonen Friksjonskoeffisienten er en benevningløs størrelse. Det må også presiseres at den ikke er en konstant for et spesielt materiale, men en karakteristisk størrelse for to materialer som sklir mot hverandre under visse miljømessige forhold. Friksjonen mellom et gummidekk og vegoverflaten er avhengig av en rekke komplekse faktorer. Noen påvirkes og bestemmes av trafikantene, mens mange er utenfor førerens kontroll. Dekk faktorer: Gummiblanding (alder) Mønster/seipinger/pigger Dekktrykk Størrelse 8

9 Kjøretøy faktorer: Aksellast Bilens vektfordeling Hastighet Dekkefaktorer: Sammensetning av materialer Mikro- og makro tekstur Temperatur på dekket Vann/sørpe/snødybde Is Forurensning (Minsk, 998) Tabellen under viser en del typiske friksjonskoeffisienter i kontakten mellom ulike dekker og et gummihjul: Føreforhold Friksjonskoeffisient Våt is 0,-0,5 Tørr is 0,5-0,3 Pakket snø 0,-0,3 Snø påført sand 0,3-0,4 Våt, bar asfalt 0,4-0,9 Tørr, bar asfalt 0,9-,0 Tabell.3: Typiske målte friksjonskoeffisienter for ulike føreforhold. (Minsk, 998) Friksjonen på en bar veg er avhengig av en rekke faktorer, hvor den viktigste er om overflaten er våt eller tørr. Under tørre forhold er friksjonen generelt god for de fleste dekketypene. Det er under våte forhold at det oppstår variasjoner mellom dekketypene, og enkelte dekketyper får svært lav friksjon. (Se Figur.5) Derfor utføres friksjonsmålinger på et vått dekke på sommeren. Figur.5: Forskjell våt- og tørrfriksjon. (Larsen, 998) 9

10 I løpet av sommeren tilfører også naturen pollen i store mengder. Etter lange tørrværsperioder med lite vasking av kjørebanen vil friksjonen være lav. Økende bruk av piggfrie vinterdekk skaper også en mindre oppruing av dekke i vinterhalvåret som igjen skaper lavere verdier på sommeren. Temperturforskjeller har også betydning, og da særlig for mykheten på bindemidlet. Kalde perioder fører til mikroskopiske sprekker i overflaten og dermed bedre tekstur og friksjon. Vi får derfor en varierende friksjon over året, med lavest friksjon i sommerhalvåret. (Larsen, 998) Figur.6 viser hvordan friksjonen varierer over et år på en teststrekning på E39 i Sør- Trøndelag. Friksjonen er på sitt laveste i september, og øker igjen i oktober og november når piggdekkene kommer på. Figur.6: Friksjon over året på de forskjellige strekningene.(norsemeter, 997). På et nylagt dekke vil trafikken polere overflaten av steinmaterialene raskt til friksjonen når et minimum etter ca et år. Dersom trafikktettheten er stabil vil ikke denne minimumsverdien forandre seg stort dersom vi ser bort fra sesongvariasjoner. Målinger på en og samme strekning med forskjellig hastigheter viser at friksjonen avtar med økende målehastighet. (Se Figur.7.) Dette gjelder for bar veg. Det er imidlertid gjort målinger på snø- og isføre som har gitt motsatt resultat. 0

11 Friksjon 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0, 0, 0 Friksjon hastighetsvariasjon. Rv 707, fast slip 8% m/vann 0,5mm. Agb 6 år 000,målt 4/ km/t 50 km/t 60 km/t 70 km/t 80 km/t 90 km/t 00 km/t Hastighet Figur.7: Friksjonsmålinger ved forskjellige hastigheter på bart dekke. Serie Serie Friksjonen varierer også avhengig av hvilken dekketype som benyttes. Figur.8 viser variasjoner i friksjon på E6 gjennom hele Sør-Trøndelag. Som en ser av figuren er det forholdsvis små variasjoner i friksjon, bortsett fra betongdekker som gir noe lavere verdier. Gjennomsnittsfriksjon for hele strekningen den var 0,65. Gj.snitt friksjon på dekkeparseller 0,8 E6 Sør-Trøndelag ,7 0,6 Friksjon 0,5 0,4 0,3 0, 0, Dovre Oppdal sentrum 5 Ulsberg 5 5 Hp Gaula Bru Prøvefelt Klett Sluppen Være tunnelen Figur.8: Variasjon i friksjon over strekning.

12 3 Måling av friksjon Friksjon på veg måles med mange typer utstyr og metoder. I praksis opererer de ut fra tre måleprinsipper: Måling av bremselengde Retardasjonsmålere Måling ved forskjellige typer slipp 3. Bremselengde Dette er den enkleste måte å måle friksjon på og en trenger ikke noe spesialinstrument, siden en vanlig personbil kan benyttes. Distansen kjøretøyet bruker på å stoppe og hastigheten i det bremsinga starter er de inndata en trenger. En kan da kalkulere en tilnærmet gjennomsnittelig friksjonsverdi over bremsestrekningen ved hjelp av formelen: V μ = 54,3 L b Formel 3.: Hvor V er farten i km/t og L b er bremsestrekninga. Figur 3. og 3. viser bremslengder i 50 og 80 km/t ved ulike friksjonskoeffisienter. I figuren med en utganghastighet på 80 km/t er det tatt med en reaksjonstid på sekund for å illustrere hvilken betydning denne har i forhold til stopplengden. (Tilsvarer meter.) Meter Bremselengder ved 50 km/t ved ulik friksjon 0,5 0, 0,5 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55 0,6 0,65 0,7 Friksjonskoeffisient Figur 3.: Typiske bremselengder ved 50 km/t ved ulik friksjon.

13 Bremselengder ved 80 km/t ved ulik friksjon Bremselengde, m Reaksjonslengde, m 40 0 Meter ,5 Rimfrost 0,0 Tynn is 0,5 Is/slaps 0,30 Is/snø 0,35 Hard snø Bremselengde, m Reaksjonslengde, m 0,40 hard snø 0,45 0,50 Våt bar 0,55 Våt bar 0,60 Våt bar 0,65 Fuktig bar Figur 3.: Figuren viser typiske bremselengder ved ulike friksjonskoeffisienter. Utgangshastighet 80 km/t. (T. Vaa) Dersom farten økes fra 50 til 80 km/t ved en friksjonskoeffisient lik 0,5, øker stopplengden fra 66 m til 68 m. Selv om dette er en pålitelig metode er den lite praktisk og brukes derfor lite i virkeligheten. 3. Retardasjonsmålere Den mest brukte nedbremsingsmåleren i Norge er C-μ trip. Dette er en enkel måler som kan monteres i alle personbiler. En friksjonsmåling foregår ved å foreta en kraftig nedbremsing. Hastigheten måles når bremsingen begynner og slutter, samtidig som bremsetiden måles. Ved å beregne forskjellen mellom de to hastighetene, og ved å dividere på bremsetiden får man middelretardasjonen. Dersom en dividerer dette tallet med tyngdeakselrasjonen (g = 9,8 m/s ) fåes middelverdien for utnyttet friksjon. μ v v g t = Formel 3.: Formel for å finne friksjon som benyttes i blant annet i C-μ. Hvor v er hastigheten før nedbremsing og v er hastigheten i det bremsingen avsluttes. t er bremsetida og g er tyngdens akselrasjon. (For utledning av formel se vedlegg ) 0,70 Tørr bar 3

14 Figur 3.3: C-μ/3 montert i personbil. (Foto: Torgeir Vaa) Størrelsen på denne verdien er foruten vegbanen avhengig av hastigheten ved start og slutt av bremsing, bremsetiden, bilens dekkutrustning, last/vektfordeling, bilens bremsesystem og førerens bremseteknikk. For å få god repeterbarhet er det viktig at disse faktorene er så like som mulig fra gang til gang. (Vägverket, 996) I og med at en retardasjonsmåler gir ulike resultater avhengig av biltype og dekk er det et krav at det skal kalibreres en gang i året mot et mer avansert måleutstyr. (ROAR eller OSCAR) 3.3 Slipp - målere Når et gummihjul som ruller på et vegdekke bremses, vil det i kontaktflaten mellom hjul og vegdekke oppstå en glidebevegelse. Denne bevegelsen kalles slipp. Slipphastigheten er definert som den relative hastigheten mellom hastigheten til målehjulet og den reelle hastigheten. r ω Figur 3.4: Hastigheten på målehjulet ved oppbremsing. Hastighet når hjulet ruller fritt: v 0 = ω 0 r Hastighet på hjulet ved bremsing: v = ω r ( ω0 ω) Slipprosent: S = 00 ω Der ω er vinkelhastigheten i radianer og r er radiusen på hjulet. 0 4

15 Figur 3.5: ROAR Mark II, Region midt i aksjon. (Foto: Bård Øien) Variabel slipp måling vil si at friksjonen blir målt i hele bremseprosedyren fra 0 % slipp (fritt rullende hjul) til 00 % slipp (låst målehjul). Friksjonen er ikke konstant, men vil variere med slipp-prosenten. (Se Figur 3.6) Maksimal friksjon, normalt ved 0-30 % slipp. Friksjon Låst hjul 0 Slipp % 00 Figur 3.6: Friksjon som funksjon av slipp. (Wallman og Åström, 00) Ser vi på figuren har friksjonen et maksimalpunkt. For bar veg ligger dette punktet rundt 0 % slipp. Den slipp-prosenten som gir høyest friksjon beskrives som den kritiske slipp-prosenten. ABS-bremser på bilen opererer rundt den kritiske slipphastigheten. Friksjonen ved 00 % slipp er betydelig lavere enn maksimalfriksjonen. Dette er altså friksjonen som oppstår når målehjulet er blokkert, og den kalles derfor for låst-hjul friksjon. Maksimalfriksjonen oppnås ved forskjellige slipp-prosenter avhengig av målebilens hastighet samt overflatens egenskaper. Fast slipp-systemer arbeider vanligvis med en slipp på mellom 0 og 0 prosent. Velkjente systemer av fast- slipp typen er svenske Saab Friction Tester og norske ROAR Mark II. Systemet brukes ofte til å rapportere friksjonsverdier på flyplasser. Variabel slipp-systemer kan sveipe gjennom hele slippområdet fra 0 til 00 %. En kan på sistnevnte metode få den komplette μ-slipp kurven. Dette er interessant i forskningsøyemed, for eksempel kan man registrere hvordan maksimalfriksjonen forandrer seg med varierende kjøretøyhastighet, og i hvilken grad friksjonen faller med økende slipprosent. 5

16 Figur 3.7: Friksjonsmålebilen OSCAR. Den norske måleren OSCAR er en av de mest avanserte variabel slipp-systemer vi har i dag. OSCAR fungerer som referansemåler og ROAR - målerne kalibreres hvert år opp mot denne. ROAR Mark II måler også variabel slipp. Friksjonen blir målt med et blankt målehjul, det vil si et hjul helt uten mønster. Poenget med det blanke målehjulet er at vi ønsker å måle underlagets friksjonsegenskaper. Vi ønsker ikke at målinger blir påvirket av ulike dekkmønstre og mønsterdybder. Figuren under viser typiske friksjonskurver ved ulike føreforhold. Den blå kurven viser friksjonsforløpet ved bremsing fra fritt rullende hjul til låste hjul på en tørr, bar veg. Ved låste hjul er friksjonen betraktelig lavere enn ved enn slipprosent på 0 %. Dersom vi har et isdekke (de to nederste kurvene på figuren) er det svært liten forskjell i oppnådd friksjon uavhengig av hvor kraftig en bremser. Typiske friksjonskurver ved ulike føreforhold tørr bar vegbane Friksjonsverdier 0,8 0,6 0,4 0, våt bar vegbane/ sørpe på bar veg hardpakket snø, tørr tynt lag løsnø < cm på hardt underlag/ hard pakket snø våt/myk fast isdekke, tørt fast isdekke, våt / sørpe på isdekke Slipp % Figur 3.8: Friksjonskurver ved ulike føreforhold. (Statens vegvesen & Norsemeter, januar. 995) 6

17 3.4 Friksjonsmodeller Friksjonsmodeller er standardiserte målemetoder som gjør at vi kan sammenlikne friksjonsmålinger mellom ulike typer vegdekker på et objektivt grunnlag. PIARC- og Radomodellen er eksempler på slike. PIARC-eksperimentet ble gjennomført i 99, hvor resultatet var en ny og veldefinert friksjonsskala-ifi (International Friction Index). Måleresultater fra alle friksjonsmålerne som deltok i PIARC-eksperimentet kan regnes om til IFI-verdier, og det er mulig å sammenligne resultater fra disse målerne innbyrdes. Videre kan utstyr som ikke deltok i eksperimentet kalibreres mot utstyr som deltok, slik at disse også kan rapportere IFIverdier direkte. (Statens vegvesen & Norsemeter, 995) De to parametrene som danner grunnlaget for denne disse modellene er F60 og Sp. F60 er friksjonen ved 60 km/t slipphastighet og Sp er hastighetstallet som beskriver teksturens innflytelse. PIARC-modellen kan beskrives som følger: 60 Fs F e s Sp ( ) = 60 * Formel 3.3: PIARC-modellen. s slipphastighet F(s) friksjon ved slipphastighet s. Figur 3.9: PIARC-modellen. Rado-modellen beskriver friksjonen ved alle slipphastigheter. Kurven beskriver friksjonen hvor et målehjul bremses fra fritt rullende til låst hjul, og den kan uttrykkes som følger: Fs ( ) =μ * e max Formel 3.4: Rado-modellen. s Slipphastighet s ln( ) ( Vcrit ) C 7

18 F(s) Friksjonen ved slipphastighet s µ max Maksimalfriksjonen V crit C Kritisk slipphastighet µ-slipp-kurvens form Figur 3.0: Rado-modellen. Fra Rado-modellen får man i tillegg til IFI-verdiene, F60 og Sp, også maksimalfriksjonen, µ max, med tilhørende kritisk slipphastighet, V crit. 8

19 4 Krav til friksjon 4. Sommer Kravet til friksjon på sommerføre står beskrevet i vedlikeholdsstandarden; Håndbok : Friksjon skal måles på vått asfaltdekke. Det skal tilstrebes ensartede friksjonsforhold. Friksjonskoeffisienten, målt ved 60 km/t, skal ikke ligge under 0,4. Vedlikeholdsstandarden for faste dekker beskrives ved krav til spordybde, jevnhet, friksjon, sprekker, tverrfall og hull. Friksjon var tidligere ikke noe stort problem på norske vegdekker. Dette skyldtes den omfattende bruken av piggdekk som sørget for at dekkeoverflaten fikk en tilfredsstillende ruhet for friksjonsformål. Den reduserte bruken av piggdekk har endret dette. På tørre vegdekker vil som regel friksjonskravet være oppfylt, og nivået varierer lite fra dekketype til dekketype. Ved våt vegbane blir variasjonen mellom de ulike dekketyper store og enkelte dekker får svært lav friksjon. (Larsen, 998) Kravet til friksjon er utarbeidet som et punkt-krav, det vil si at hvert sted på dekket skal ha en friksjonskoeffisient som ligger over kravet på 0,4. (Statens vegvesen, håndbok, 003) Friksjonskoeffisient 0,8 0,6 0,4 0, 0 Eksempel friksjonsmåling glatt dekke Friction 8% slip Distanse [m] Figur 4.: Eksempel på glatt dekke. Målinger utført med ROAR Mark III. Figuren viser et nylagt dekke med store problemer med blødning 3. Den horisontale streken viser krav til friksjon på faste dekker (μ = 0,4). (Friksjonsmålinger utført med ROAR Mark III). Nylagte asfaltdekker kan ofte få partier med mye bindemiddel på toppen av dekket. Ved våt vegbane kan disse bli svært glatte. Etter en vinter får de normalt bedre friksjonsegenskaper. 4. Vinter I vedlikeholdsstandarden for riksveger (Håndbok ), hovedprosess 9 står det at: Vegen skal være framkommelig for biler som er normalt utrustet for vinterkjøring. Dette skal oppnås ved å redusere mengden snø og is på vegen samt sikre tilstrekkelig veggrep for trafikantene. Med normalt vinterutrustet menes kjøretøy med godkjente vinterdekk. For å oppnå dette utføres vinterdrift etter to forskjellige strategier: Strategi vinterveg Strategi bar veg 3 Blødning: Anriking av bindemiddel i vegoverflaten. 9

20 Ved strategi vinterveg er det akseptabelt med snø- eller isdekke hele eller deler av vinteren. Strategi bar veg innebærer at vegen normalt skal være snø- og isfrie hele vinteren. Ved strategi vinterveg skal det benyttes sand eller saltblandet sand for å oppnå tilstrekkelig veggrep og friksjon. Tiltak skal settes i verk dersom friksjonen er så dårlig at normalt vinterutrustede kjøretøy ikke kommer opp bakker etc. (Statens vegvesen, håndbok, 003) Vegkategori ÅDT Punktstrøing Helstrøing Start ved Fullføres Start ved Fullføres Stamveger μ < 0,30,0 t μ < 0,0,0 t Over 500 μ < 0,5,0 t μ < 0,0,0 t Øvrige μ < 0,5,0 t μ < 0,5 3,0 t veger μ < 0,0 4,0 t μ < 0,5 4,0 t Tabell 4.: Verdier for friksjonskoeffisient før strøtiltak iverksettes (Statens vegvesen, håndbok, 003) Det kan benyttes salt eller saltblandet sand i overgangsperiodene høst og vår. Saltblandet sand vil si strøsand som er iblandet kg salt per m 3. Dette gjøres først og fremst for å hindre sanda i å fryse når den er lagret. (Statens vegvesen, temahefte, 003) Ved strategi bar veg skal det benyttes salt, saltløsning eller andre kjemiske strømidler. Saltede veger skal normalt være bare dersom luft- eller dekketemperaturen er over ca. 5 o C. Fra og med vinteren 00 er det åpnet for salting ved temperatur helt ned til 0 o C. For mengde salt vises det til veiledende salttabell. (Se vedlegg.) (Statens vegvesen, temahefte, 003) ÅDT Preventiv salting Etter snøfall: Bar veg innen: Tiltak og tiltakstid ved forskjellige friksjonskoeffisienter og ÅDT Under >5000 Iverksettes dersom det Iverksettes dersom det Iverksettes dersom det forventes friksjon < 0,4 forventes friksjon < 0,4 forventes friksjon < 0,4 6 t 4 t t Tabell 4.: Tiltak og tiltakstid for strategi bar veg. (Statens vegvesen, håndbok, 003) Som en ser av tabellen er det kun friksjonskoeffisienten som er grunnlaget for å sette i gang et tiltak. Tiltak skal settes i verk dersom koeffisienten er under 0,4, eller den forventes å komme under dette kravet. Under kraftige snøfall kan det være vanskelig å holde standardens krav til friksjon. Under spesielle forhold aksepteres det derfor at friksjonen kan komme under 0,4, men det er i tillegg satt tidsfrister for hvor lang tid det kan gå før vegene er bare igjen. I overgangsperioder som høst og vår benyttes standarden for ett ÅDT- trinn høyere enn hva tabellen sier. Med overgangsperioder menes perioder der temperaturen stadig skifter mellom pluss og minusgrader. Glatte partier kommer da mer overraskende på sjåfører og fører til en høyere ulykkesrisiko. (Statens vegvesen, temahefte 003) 0

21 5 Tiltak for å bedre friksjonen 5. Sommer For sikring av god friksjon på nylagte dekker er overvåkningen av utleggingsfasen viktig. Hvis dekkearbeidene viser tendens til blødning eller feite bindemiddelmiddelrike partier, kan tilstrekkelig friksjon enklest sikres i utleggingsfasen med avstrøing av vegdekket. Aktuelle tiltak for utbedring ved lav friksjon på eksisterende dekker er avstrøing med sand eller asfaltert finpukk, med eller uten oppvarming, tilpasset det aktuelle dekket. På eldre asfaltdekker kan strukturfresing nyttes, særlig ved polering. Høytrykksspyling eller bruk av annet spesialutstyr kan også være aktuelt. (Statens vegvesen, temahefte, 003) Eksempel på slikt friksjonsforbedrende utstyr er vist på bildet til venstre. Dette utstyret benytter roterende høytrykks-spyling for å bedre tekstur og friksjon. Figur 5.: FRIMOKAR friksjonsforbedrende utstyr. 5. Vinter De viktigste vintervedlikeholdstiltak er snøbrøyting, høvling, sanding og salting, og det er sanding og salting som har til hensikt å bedre friksjon. 5.. Sand Sand strøs ut enten som tørr sand, saltblandet sand eller befukta sand (Fastsand). Det skal legges ut 00 g/m sand uavhengig av metode. Tørr Sand Ved tradisjonell sanding blir sanden strødd tørr ut på vegen. Sanden har da ingen eller svært liten vedheft til is- eller snødekket. Resultater er at trafikken blåser sanden av vegen. Undersøkelser har vist at effekten av tørr sand kan forsvinne etter bare 50 passeringer med personbil. Strøtiltak med tørr sand øker friksjonen med ca 0,. (Vaa, 999) Saltblandet sand Sandkvalitet er som strøsand, men iblandet kg salt per m 3 for å forhindre at sanda fryser på lager. Et strøtiltak med saltblandet sand øker friksjonen med ca 0,. Fastsand Sandingsmetode der strøsanda befuktes med varmt vann i det sanda strøs ut. På den måten fryser sanden fast til snøen eller isen på vegen, og det oppnåes både en økt friksjonsforbedring, og en økt varighet av tiltaket. Det anbefales å tilsette 30 volumprosent med vann med en temperatur på minst 90 o C. Ved stabile klimaforhold har fastsandstiltak svært lang varighet og en meget god vedheft til overflaten. Det er blitt påvist en varighet på

22 minst 500 biler, og et tiltak kan gi friksjonsforbedring i ei uke. Et fastsandstiltak øker friksjonen med 0, - 0,3. Figur 5.: Friksjonsforbedring med tørr sand og fastsand. (Statens vegvesen, vinterkurs, 003) 5.. Salt Salting kan nå benyttes ved temperaturer ned til 0 o C. Det vises til veiledende salttabell for mengder og anbefalte metoder. (Vedlegg ) Materialet som i de fleste tilfeller benyttes er natriumklorid (NaCl). Dette kan legges ut i tørr, befukta eller som saltløsning eller saltslurry. Salter nedsetter frysepunktet på vegbanen. Tørr salt Dersom det allerede ligger snø eller is på vegbanen vil tørr salt være mest effektivt. Problemet med tørr salt er at det lett blåser vekk fra vegoverflaten ved trafikk. Forsøk har vist at omtrent 80 prosent av saltet forsvinner fra vegoverflaten og havner i grøfta etter at 00 kjøretøy har passert. Tørr salt løser seg også opp sent. Saltkornene må nemlig knuses før de er effektive. Et annet problem som kan oppstå er dersom det brukes preventivt og det ikke kommer noe nedbør, så vil det dannes hydrater. Hydrater er en mellomting mellom natriumklorid og vann. Tørr salt kan bare brukes som preventiv saltmetode dersom vegbanen er våt fra før av. (Statens vegvesen, temahefte 003) Saltslurry Blanding av knuste saltkorn og saltoppløsning. Hensikten er å oppnå god vedheft til vegdekket og en rask virkningsgrad. (Statens vegvesen, temahefte 003) Saltløsning Saltløsning er definert som en mettet løsning av vann og natriumklorid. Løsningen inneholder -4 % salt. Det har en momentan virkning og blir liggende på vegen.

23 Saltløsning er effektiv som preventiv løsning mot frost og is. Saltforbruket er betraktelig mindre enn for tørr salt og saltløsning. Saltløsning er uegnet for tykk is og kompaktert snø. En bør også være forsiktig med å bruke saltløsning på for våte overflater. Faren for tilfrysing er da tilstede. (Støtterud & Reitan, 99) Befukta salt Befukta salt er saltkorn som befuktes med saltløsning under spredning. Det virker raskere enn tørr salt, samt at det ikke blåser så lett bort (vedheften mellom saltkornene og vegdekket bedres). Befukta salt kan brukes for å forhindre isdannelse, men må ha en viss mengde trafikk for å oppnå noen virkning. Spredningshastigheten for metoden er 40 km/t. Befukta salt har et stort bruksområde, men saltforbruket er vesentlig større enn ved bruk av saltløsning eller slurry. (Statens vegvesen, temahefte, 003) 3

24 6 Referanseliste Arnell, R. D., Davies P. B., Halling J. & Whomes T. L. (99) Tribology, Principles and Design Application. Macmillan education ltd. Elvik, R., Mysen, A. B & Vaa, T (997). Trafikksikkerhetshåndbok. Transportøkonomisk institutt, Oslo. Ichihara, K. & Mizoguchi, M. (970) Skid Resistance of Snow- or Ice- Covered Roads. Snow Removal and Ice Control Research, Proceedings of an International Symposium held April 8-0, 970. Larsen, Ø. (998) Friksjonsmålinger og bruk av måledata- erfaringer med ROAR. EEU-kurs vintervedlikehold av veger, NTNU november 998. Lysbakken, K. R. (00) Vinterfriksjon, varmbefuktet sand. Prosjektoppgave, høsten 00. Institutt for veg- og jernbanebygging. NTNU Minsk, D. L. (998) Snow and Ice Control Manual for Transportation Facilities. New York : McGraw-Hill. Moldestad, D. A. (999) Some Aspects of Ski Base Sliding Friction and Ski Base Structure. Dr.ing.thesis. Department of Stytructural Engineering, NTNU. Moore, D. F. (975) The Friction of Pneumatic Tyres. Elsevier scientific publishing company, Amstredam. Nirmal S. K. & Norheim, A. (000) A new retrospect of snow and ice, tribology and aircraft performance. Pg Balkema, Rotterdam. Norsemeter (997) Diagram laget av Eirin Torgeresen. Statens vegvesen & Norsemeter. (995) Friksjonsmålinger på vinterveger. Sluttrapport januar 995. Statens vegvesen (003) Kurs i vinterdrift,.-5. September 003. Statens vegvesen, Vegdirektoratet (003) Standard for drift og vedlikehold. Håndbok, retningslinjer. 4

25 Statens vegvesen, Vegdirektoratet (003) Temahefte til håndbok. Standard for drift og vedlikehold. Støtterud, R. & Reitan, K. M. (99) Deicing of Roads in Norway with Brine. Transportation Research Record, No Snow Removal and Ice Contrtol Technology. Papers presented at a symposium, september 4-8, 99. Minneapolis, Minnesota. Vaa, T. (999) Uttesting av varmsandsmetoden Hottstone og Friction Maker vinteren 998/99. Rapport nr 05. Statens vegvesen, Vegdirektoratet. Vägverket (996). Metodbeskrivning 0:996, Publikation 996:5. Wallman, C. G. & Åstrøm H. (00) Friction measurment methods and the correlation betwen roadfriction and traffic safety. VTI meddelande 9A. Young, H. D. & Freedman, R. A. (996) University Physics. 9 th edition, vol., Addison-Wesley Publishing Company inc 5

26 6 Vedlegg : Formel for å regne ut friksjonen ved hjelp av retardasjon med utledning. Det vil si den formel som benyttes i C-μ og andre retardasjonsmålere: t g v v v v t g v v v t t v v v t g v v at v t g v mv BL mg mv mv BL F mv + = + = + + = + + = + = + = ) ( ) ) ( ( ) ( μ μ μ μ μ Symbolforklaring: v : utgangshastigheten i m/s v : hastigheten når bremseprosedyren er avsluttet i m/s. m: Bilens masse i kg. BL: Bremselengde i meter. a: Bilens akselrasjon eller i dette tilfellet retardasjon. (m/s ) g: Tyngdens akselrasjon (9,8 m/s ). t: Tid i sekunder. μ: Friksjonskoeffisienten Formel 5: Formel for å finne friksjon som benyttes i blant annet C-μ.

27 Vedlegg : Veiledende salttabell 7