1

Fakta om friktion

Mattias Hjort, VTI

Friktion på sommarvägar – 2014-05-27

Fakta om friktionav Mattias Hjort, VTI

Friktion på sommarvägar – 2014-05-27

2

Vad är friktion?

• Den motståndkraft som uppkommer genom ojämnheter och adhesion mellan två material i kontakt med varandra

• Skiljer mellan statisk och dynamisk friktion

• Friktionskoefficienten är förhållandet mellan friktionskraften och normalkraften

µ=F/N

Ämnen Ytornas beskaffenhet Friktionskoefficient

Rörelse Vila

Trä mot trä torra 0,3–0,6 0,25–0,5

Trä mot trä bestrukna med torr tvål 0,15 0,36

Trä mot trä bestrukna med torr talg 0,07 0,19

Trä mot trä fuktade med vatten 0,25 0,68

Trä mot metall torra 0,42 0,60

Trä mot metall fuktade med vatten 0,24 0,65

Metall mot metall torra 0,18 0,18

Metall mot metall bestrukna med svinfett 0,09 0,10

Läder mot trä lädret något fettigt 0,30 0,47

Läder mot gjutjärn lädret något fettigt 0,23 0,28

Hamplina mot trä träytan skrovlig 0,50

Hamplina mot trä träytan polerad 0,33

Sandsten mot stål stenen finkornig, våt 0,94

Sandsten mot smidesjärn stenen finkornig, våt 1,0

Stål mot is 0,014 0,027

Friktionskoefficient för några ämnen

Från WikipediaKälla: Nordisk familjebok,

Uggleupplagan (1908) samt Physics Handbook (1996)

3

Historia

• 1699: Guillaume Amontons ”återupptäcker” Leonardo da Vincis teorier om friktion och publicerar två friktionslagar:

1. Friktionskraften är direkt proportionell mot pålagd last

2. Friktionskraften är oberoende av kontaktytans storlek

• 1781: Charles-Augustin de Coulomb

3. Den dynamiska friktionskraften är oberoende av hastighet

(endast vid torr friktion utan smörjmedel)

Mekanismer

1. Adhesion: Ytorna fäster i varandra genom molekylära bindningar

2. Hysteres: Energiförluster uppstår vid tillfälliga deformeringar av ytmaterialen, vilket resulterar i en friktionskraft. Även slitage av ytorna kostar energi och kan räknas in här.

3. Ihakning: Ojämnheter i ytorna hakari varandra vid glidning.

4

Hur mäter man friktion?

Med en dynamometer => statisk + dyn.

Vad menas med friktionstal?

5

Brittisk pendel => dynamisk friktion

Ett försök att karaktärisera en vägytas friktion mot känd referens

Även kallad CRT-pendelUtvecklades i USA på 1940-taletVidareutvecklad i England på 1960-talet

Friktionen hos ett rullade hjul

Kontaktytans storlek gör att både statisk och dynamisk friktion förekommer samtidigt.

6

Fritt rullande (obromsat) hjul:Kontaktytan fixerad vid vägytan.

Ingen glidning!

Jämför rullbandet hos en bandvagn!

Ett något bromsat hjul: Färdhastigheten är något högre än rotationshastigheten

Gummiytan töjs gradvis, men glider inte!Variende friktionskraft upp tom statisk friktion

Gummiytan glider!dynamisk friktion

7

Summeras friktionskrafterna från de olika delarna i kontaktytan fås:

0 20 40 60 80 100

longitudinal slip (%)

fric

tio

n c

oef

fici

ents

locked

op

tim

al s

lip

max

0 20 40 60 80 100

longitudinal slip (%)

fric

tio

n c

oef

fici

ents

locked

op

tim

al s

lip

max

Bromsning

Graden av hjullåsning definieras som

Slip = (vfordon – vhjul)/ vfordon

0% slip = fri rull100% slip = låst hjul

Ett liknande förhållande finns mellan lateral friktionskraft och hjulets styrvinkel

Är maximal broms- och styrfriktion lika stora?

• Långt ifrån säkert.

• Finns en assymmetri som ofta illustreras med en s.k. Friktionsellips:

8

Är maximal broms- och styrfriktion lika stora?

• Går att skräddarsy däck som är speciellt bra på antingen broms eller styrning.

Exempel styrtest med lastbilsdäck (mätt i VTI däckprovningsanläggning)

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Slip angle [deg]

Nor

mal

ized

late

ral f

orce

(F

y/F

z)

10000 N

25000 N

40000 N

55000 N

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Slip angle [deg]

Nor

mal

ized

late

ral f

orce

(F

y/F

z)

10000 N

25000 N

40000 N

55000 N

Framhjul Drivhjul

Notera hur olika de båda däcken klarar höga styrvinklar!

Däckfriktion är komplicerat!

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

rap

po

rt F

x/F

z

10

20

30

40

50

60

70

80

90

10

0

12

010

080

604

0

slip rate %

speed km/h

0-0.1 0.1-0.2 0.2-0.3 0.3-0.4 0.4-0.5 0.5-0.6 0.6-0.7

ABS braking

Locked wheelBraking

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

rap

po

rt F

x/F

z

10

20

30

40

50

60

70

80

90

10

0

12

010

080

604

0

slip rate %

speed km/h

0-0.1 0.1-0.2 0.2-0.3 0.3-0.4 0.4-0.5 0.5-0.6 0.6-0.7

ABS braking

Locked wheelBraking

Från INTRO deliverable 2.1

Utöver beroende av underlaget, är friktionen också

• Hastighetsberoende• Lastberoende• Tidsberoende

9

Exempel på hastighetsberoende:

Peak-friktion Låst hjulDe friktionsmätningar som dagens värden i VGU baseras på utfördes av VTI under tidsperioden 1967 –1969 på ett antal provsträckor i mellansverige

Notera: Peak-friktion ganska okänslig för hastighet

Låst hjul-friktion väldigt känslig för hastighet

Vid broms och styr på lösa underlag

• Exempelvis grus eller snö

• Friktionskurvornas utseende ändras markant

• Ofta maxvärde för låst hjul, eller stora styrvinklar

• Anledning: vid låsning plogar hjulet upp en vall med snö eller grus som skjuts framför hjulet och resulterar i en bromsande kraft

10

Så vad menar vi med en vägytas friktionstal?

• Friktionstalet definierad enligt en standardiserad mätprocedur.

• Kan vara baserad på mätning med bromsat eller styrt hjul. Friktionen mäts vid specificerat bromsslip eller slipvinkel.

• Hjullast, hastighet etc. enligt standard

• Vid mätning på högfriktion används ofta vattenbelagd yta.

• Och framför allt behövs ett specificerat referenshjul!

Rak bromsning: Ren styrning:

0 5 10 15 200

0.05

0.1

0.15

0.2

Avdriftvinkel [grader]

Sty

rfrik

tion

( y)

DubbdäckFriktionsdäckTerräng/allseason-däck

0 20 40 60 80 1000.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0.14

0.16

0.18

0.2

Slip [%]

Bro

msf

riktio

n ( x

)

DubbdäckFriktionsdäckTerräng/allseason-däck

Stor skillnad mellan olika däck! Test på slät is:Från VTI notat

58-2005

11

Tankar om vad som är ett bra referensdäck

• Tillverkat med en väl specificerad blandning där tillverkaren kan garantera leveranser av däck med i praktiken identiska egenskaper.

• Samstämmighet mellan länder om vilket referensdäck som ska användas

• Tåligt mot åldring

• Speciellt utformat för tester på ett visst underlag, exempelvis vinter- eller sommarväglag.

• Bör inte ha en för smal peak i däckkurvorna, eller vara för känsligt för hastighet och lastvariationer.

• Prestanda bör kunna relateras till de däck som rullar på vägarna

Hur garantera kvaliteten hos sitt eget exemplar av referensdäck?

• Viktig fråga!

• VTI gjorde jämförande mätningar med ett referensdäck för istester, där däcket lagrat varmt några veckor och sedan inte körts in på nytt:

• Resultatet: 8-10% längre bromssträcka.

• Efter ny inkörning återfick däcket sin ursprungliga prestanda.

12

Tack för uppmärksamheten!