汽车试验道路附着系数的测试

闫仕军

1991年毕业于清华大学，2001年毕业于吉林大学，硕士研究生。现就职于泛亚汽车技术中心有限公司，任产品数据及知识工程部总监，高级工程师。主要研究方向：汽车自动化设计、产品数据智能化管理和汽车法规认证等，已发表论文数篇。

摘  要：汽车试验道路的路面附着系数直接影响汽车行驶的动力性能、制动性能和操控性能等。本文分析了国内外路面附着系数的测试方法及仪器设备，结合测试实践，提出了汽车试验道路建设及使用各阶段的测试策略，有利于保证汽车试验结果的有效性和可比性，具有较高的推广应用意义。

关键词：试验道路;附着系数;测试

中图分类号：U467.1+1     文献标识码：A      文章编号：1005-2550（2022）03-0010-04

The Testing of Coefficient of Adhesion for Pavement

YAN Shi-jun

（ Pan Asia Technical Automotive Center Co.， Ltd，  Shanghai 201208， China ）

Abstract： The coefficient of adhesion for vehicle testing pavement directly influences the vehicle driving performance， like dynamic performance， braking performance， controllability and stability and so on. This article has analyzed the testing techniques and instrumentation of coefficient of adhesion for pavement here and aboard. Combined with testing practice， it has also put forward testing strategies of testing pavement construction and use proposal for different stages， which help to ensure the effectiveness and comparability of vehicle test results. Thus， these testing strategies have a highly promotion and application significance.

Key Words：  Testing Pavement; Coefficient of Adhesion; Testing

1    引言

輪胎与道路间的附着系数（φ）是指由轮胎传递给地面的切向力与法向力之比，其主要因素包括：路面的构造特征、纹理、平整度以及轮胎的材质、花纹、胎压等。正常情况下路面的影响要显著高于轮胎，因此也常称为路面的附着系数，它直接影响汽车行驶的动力性、制动性能、操纵稳定性、ABS性能及ESP性能等。为保证汽车试验结果的有效性和可比性，试验道路的路面参数应符合相应的技术要求并保持稳定，附着系数是其中的关键指标之一[1-2]。

欧洲和美国等制定了很多测试路面附着系数的方法，开发了相应的测试仪器设备。测试方法有制动力系数法、横向力系数法、实车减速度法、摆式仪法等，测试仪器设备包括路面横向力系数测定仪、纵向附着系数测试车、道路摩阻力测试系统、摆式仪等。这些方法和测试仪器在特定场景下分别得到应用，但获取的数据相互独立，没有可以互相转换的公式。

我国交通行业从评价道路路面抗滑性能的角度出发，对路面附着系数的评价包括直接和间接测量两大类。其中直接测量方法所应用的仪器既有国外进口，也有部分国产;间接测量方法主要是对路面宏观构造进行测定，如铺砂法、涂脂法、激光测量法等。

试验道路的建设和应用，往往包括路面特殊材料选择及试铺、铺装、竣工验收道路使用等阶段。目前国内外尚没有一种公认、统一的测试方法和指标，来确认各阶段试验道路的路面附着系数。并且，在提出试验道路设计技术要求和进行施工设计时也缺乏统一的技术基准。

2    主要的测试方法及设备

2.1   制动力系数法（BFC）

制动力系数法是测量路面纵向附着系数的一种方法。其原理是：在一定的速度下，通过对制动力或纵向附着力以及轮胎竖向载荷的测量，计算二者比值而得到纵向附着系数。通过对测定时制动力的控制，可以获得以下三种路面附着系数值：

1）测定纵向峰值附着系数

通过对制动力的控制，获得车轮在抱死之前的最大纵向附着系数（路面干/湿条件下均可）。此方法在美国应用较广，测试方法和设备见ASTM E 1337《用参考试验轮胎测定纵向峰值制动系数测试方法》[3]。

2）测定某一固定的滑移率下纵向附着系数

通过特殊的机械结构，使测量轮保持某一固定的滑移率，从而测定路面附着系数的平均值。此方法在欧洲应用较广，具体见ISO 8349《道路表面附着力测试方法》[4]。

3）测定车轮抱死时的纵向滑动附着系数

测量轮始终处于抱死状态，测定路面的滑动附着系数（路面湿条件下）。此方法在美国应用较广，具体见ASTM E 274-06《用足尺轮胎测定路面抗滑性的试验方法》[5]。

采用制动力系数法时，汽车运行状态与实际的制动滑移状态十分接近，可以较好地反映汽车制动行驶时轮胎与路面的纵向力作用关系。该方法所用的测试设备较复杂;测试路面需要保证一定长度。另外，道路纵、横坡会对测试结果有一定影响。

部分制动力系数法测试过程中测试设备如下图1和图2所示：

2.2   横向力系数法（SFC）

横向力系数法的原理是：测量轮与行驶方向成一定的角度，在行驶过程中（路面湿条件下），测量轮与路面之间有一定的侧向滑移，产生侧向附着力，它与测量轮所受正压力的比值便是横向附着系数。

横向力系数体现了车辆变道、转弯时路面抗侧滑的特性，是行车安全的重要影响因素。横向力系数是公路建设和养护中重要安全指标，在国内外的公路系统中得到广泛的应用。下图3为横向力系数法测试过程中常见的测试设备。

2.3   摆式仪法

摆式仪法原理是：摆锤的头部安装有橡胶头，如图4所示，摆锤自水平位置在重力作用下摆过被测路面，然后通过摆锤摆起的角度来评价被测路面的摩擦性能。

1955年摆式仪在英国研制成功，目前在许多国家都得到应用。其结构简单、轻便，操作方便，能够对于大型设备无法进入的小型区域、小样段及路面材料进行测试。但是该方法与路面实际行车条件无直接关系，且对于大面积路段测试时耗费人力多、测试时间长，存在一定的局限性，只能作为一种对比试验法。参考标准：ASTM E 303《用英国摆锤试验仪测量表面摩擦性能的标准试验方法》。

2.4   实车减速度法

实车测试不借助另外的测量轮，但是需要安装相应的测量仪器。测试时，需要逐次增加制动管路压力进行多次试验，每次试验时，保持脚踏板力不变。取车速从40km/h降到20km/h的平均减速度，计算路面附着系数。同时根据绘制的滑移率曲线，获得峰值附着系数[2] [6]。

由于车辆自身不具备洒水装置，测试湿状态路面时需要借助外部系统。由于测试条件的特殊性，这种测试方法适合在汽车试验场内进行。

相关的标准有：UN R 13-H 、GB 21670-2008等。

应用上述各类测试方法测出的附着系数值是相对独立的，互相转换的经验公式往往不具备普遍性。

3    测试应用案例

3.1   某汽车试验场ABS道路

在玄武岩瓦路面的施工过程中，先后用摆式仪法、制动力系数法和实车减速度法测量了玄武岩瓦路面和水泥混凝土路面的附着系数，如表1所示：

3.2   某ABS试车道

某ABS试车道有4种典型路面：水泥混凝土路面、沥青路面、玄武岩路面以及瓷砖路面，分别采用制动力系数法、摆式仪法和实车减速度法进行了测试，如表2所示：

测试设备：ASFT Sharan纵向附着系数测试车、摆式仪、凯越三箱轿车、轮速仪、减速度仪等。

4    汽车试验道路建设及使用各阶段的测试策略

汽车试验对路面附着系数的要求大都是纵向的。受场地条件和成本等因素制约，在汽车试验场建设及使用各阶段宜采取不同的测试策略。

4.1   路面特殊材料选择及试铺阶段

模拟冰雪路面的特殊材料有玄武岩瓦和瓷砖等，单體面积较小，如10cm×10cm，20cm×20cm等。材料选择及验收时，摆式仪法是经济、可行的选择;若试铺路段较长，可采用一些动态测试设备。

实践表明，国产和进口摆式仪的测量结果往往有明显差异，具体的附着系数控制数值需要通过积累和对比测试获取。

4.2   工程竣工验收阶段

公路和市政道路的标准及规范不能涵盖汽车试验道路对附着系数的要求，因此在试验道路工程设计和招投标过程中，应明确路面附着系数的要求，包括测试方法及数值范围，否则竣工验收缺乏依据。

对高速环道和性能路等，可采用纵向附着系数测试车测试。

对于低附着系数路面，除了使用纵向附着系数测试车测试以外，还应采用实车减速度法测试（标准法规有明确的指标要求和测试方法），对路面质量和喷水系统共同检验。

4.3   道路使用阶段

在汽车试验场的运行阶段，虽然可以定期采用上述方式对路面附着系数进行测定，但进行一次大型测试要耗费不少人力和时间。

各种道路由于路面材料和使用频率的不同，其附着系数下降的程度也不同。从经济性角度考虑，对不同道路可以设立几个基准点，用摆式仪法定期对基准点进行检测，若出现较大变化再进行拖车法及减速度法测试。

参考文献：

[1]余志生. 汽车理论[M].机械工业出版社，2000.

[2]GB 21670-2008 乘用车制动系统技术要求及试验方法[S].

[3]ASTM E 1337-2002. Standard Test Method for Determining Longitudinal Peak Braking Coefficient of Paved Surfaces Using a Standard Reference Test Tire¹[S].

[4]ISO 8349：2002（E）. Road vehicles - Measurement of road surface friction[S].

[5]ASTM E 274-2006 Standard Test Method for Skid Resistance of Paved Surfaces Using a Full-Scale Tire¹[S].

[6]UN Regulation No.13-H Revision 4 - 2018. Uniform provisions concerning the approval of passenger cars with regard to braking[S].