长安大学路面横向力系数测试车总布置计算说明书解析.docx

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长安大学路面横向力系数测试车总布置计算说明书解析

二○一六届毕业设计

路面横向力系数测试车的总布置设计

学院：

汽车学院

专业：

车辆工程

姓名：

王航

学号：

201222010326

指导教师：

张启明

完成时间：

2016年6月15日

二〇一六年六月

摘要

随着现代交通的高速化发展，交通事故发生的概率也有了明显增加。

经过各部门的事故分析发现：

虽然发生交通事故的原因是多方面的，但路面抗滑性能也就是道路摩擦系数对汽车行驶和制动过程中极易发生的交通事故有着重要的影响。

本设计主要是基于路面横向力摩擦系数测试车的总布置设计，设计目标为双轮式路面横向力系数测试车，经过一定的理论分析、国内外现存技术的对比、实地考察和自主设计，完成了测试车的总布置设计，可以实现安全、可靠、快速、高效地道路检测，基本能够满足道路检测需求。

该路面横向力系数测试车整体可以分为机械和电气两大部分，具有较高的科技含量和工艺生产水准，能够快速高效地对路面抗滑性能的好坏进行检测与评价，保证了路面的质量和车辆行驶的安全。

在设计的过程中，需要充分发挥三维（CATIA）和二维（CAD）结合的优势，使得设计更加科学、合理。

随着高速公路的迅猛发展，道路检测的工作量必然骤增，道路检测部门引入双轮式路面横向力系数测试车，能够高效完成检测工作，准确而及时的反应路面抗滑性能。

目前，在我国路面横向力系数测试车已经得到了行业的高度重视，道路检测部门也投入资金不断提高检测水准，使得路面抗滑性能检测不断趋于完善。

关键字：

横向力摩擦系数，总布置，抗滑性能，道路检测

ABSTRACT

Moderntransportationhascomeintoahigh-speedperiod,andthepossibilityoftrafficaccidentshasalsobeensignificantlyincreased.Basedontheanalysisofsomeaccidents,itisshownthatalthoughtherearemanyreasonsfortrafficaccidents,pavementskidresistance,alsocalledfrictioncoefficient,hasagreatimpactontheprobabilityoftrafficaccidentsduringdrivingandbraking.Basedonthegeneralarrangementofroad lateral force coefficient test vehicle,thegoalofthedesignistwo-wheeled-typeroadlateralforcecoefficienttestvehicle.Aftertheoreticalanalysis,comparingtheexistingtechnologyathomeandabroad,carryingoutfieldtripsandindependentdesign,theauthorcompletesgeneraldesignofthetestvehicle.Thistestvehiclecandetecttheroadconditionsinasafe,reliable,fastandefficientway,whichbasicallymeetstheneedsofroaddetection.Thisroadlateralforcecoefficienttestvehicleoverallcanbedividedintotwoparts,namelymachinerypartandelectricalpart.Withhightechnologyandtechnologicalstandardsofproduction,itcanquicklyandefficientlytestwhethertheroadskid-resistanceisgoodorbadtoguaranteethequalityofroadandthesecurityofvehicles.Inthedesignprocess,theauthorcombinestheadvantagesofthree-dimensional（CATIA）andtwo-dimensional（CAD）,makingthedesignmorescientificandreasonable.

Withtherapiddevelopmentofhighways,roaddetectionworksurgesgreatly.Inordertoefficientlycompletetheinspectionwork,theroaddetectiondepartmentintroducesthetwo-wheeled-typeroadlateralforcecoefficienttestvehiclewhichcantestthepavementskid-resistantperformancetimelyandaccurately.Nowadays,greatimportancehasbeenattachedtotheroadlateralforcefrictioncoefficienttestvehiclesbythesection,andthetestlevelhasbeenimprovedwiththefundinginvestmentoftheroaddetectiondepartment,whichtendtoperfecttheperformancetestingofpavementskid.

KEYWORDS:

road lateral force coefficient,generaldesign,skid-resistance,roaddetection

第一章绪论

1.1课题背景

自21世纪以来，我国工业化进程加快，国民经济迅猛发展，汽车的普及率迅速提高，极大地推动了我国公路交通运输业的增长与发展。

数据表明：

经过70年的建设与发展，我国公路总里程数已经从建国初期不足8万公里，猛增到2015年底多达450万公里；特别是高速公路里程数达到10.8万公里，跃居全球首位，建成了全世界规模最大的高速公路网；公路的发展也很大程度上方便了人们的生活，私家车逐年攀升，数据表明我国汽车保有量截止2015年底达到了1.72亿辆。

面对这么多的成就、这么快得发展，我们欢欣鼓舞。

但是随之而来的问题也需要我们深刻思考与解决。

据不完全统计，仅2015年我们国家发生交通事故总共10597358起，造成大约68432人死亡，导致的直接或间接经济损失更是数以亿计，严重的影响到社会安定和人民生活的幸福。

交通事故是指车辆在特定行驶道路上出于某些原因而导致的人身伤亡或财产损失，其中包括人、车辆和道路三个因素。

基于对公路交通事故发生原因的分析，道路环境对车辆行驶和制动的安全性具有举足轻重的作用；并且经过剖析道路环境，道路的抗滑性能对于公路交通安全是一个关键性因素，发挥着非常重要的作用。

路面抗滑性能（即路面所能提供的摩擦力大小，PavementSkidResistance）是指路面的抗滑能力大小，通常由路面摩擦系数数值的大小来反应。

类比可知，飞机跑道也存在相同的问题，在飞机起飞和降落时，会对跑道路面产生非常巨大的冲击力，如果跑道无法提供足够、可靠的路面摩擦系数，后果将不堪设想。

由此引出本设计的课题名—《路面横向力系数测试车的总布置设计》。

路面抗滑性能是一个评价路面好坏的技术指标，能够客观反映出修建的道路是否符合国家规范，并满足安全性要求。

在最初的研究中，路面抗滑性能是源于物理学中摩擦力学的概念（即为当两物体接触且之间存在法向正压力时，阻碍两物体发生相对运动或趋势的切向阻力）。

从摩擦力学的角度分析，路面抗滑性能（或路面摩擦系数大小）很容易受到温度、湿度等外界环境的影响。

比如在清洁干燥的环境下，轮胎与路面能够实现良好的接触，即使轮胎磨损严重也能够得到比较好的抗滑性能；但是一旦出现雨雪天气，轮胎与路面容易出现水膜，无法接触良好会导致抗滑性能严重下降。

特别是高速公路上行驶的汽车高速经过积水层时会发生危险的滑水现象，即汽车处于某一速度时，轮胎胎面下产生动水压力的升力与垂直载荷相等，此时轮胎胎面会漂浮在水膜上面，从而完全丧失路面抗滑性能。

汽车行驶，安全重于泰山。

因而在完成公路修建后，需要切实对公路路面的抗滑性能进行测试，即也就是测试轮胎与路面之间的摩擦系数大小。

同时，公路在规定使用一段时间之后，也应该对路面抗滑性能进行检测，以防止道路老化而造成交通事故的发生，并及时对路面进行修整。

这里，我们需要分析一下国内外路面横向力系数（SFC）测试车车研究状况，如下：

英国在1995年就研制了路面摩擦系数的测试仪器，尽管只能在低速下进行点测试，但是由于当时技术条件的限制也在全世界得到了广泛的应用。

目前自动化程度高的检测设备已经在发达国家得到普遍的应用，并且制定了相关的先进标准。

高速公路的快速发展也促使了更加先进的路面抗滑性能测试技术与标准的诞生与革新。

大多数发达国家采用动态、连续、高效快捷的自动测试方法－路面横向力系数测试装置，其已成为检测路面抗滑性能是否满足标准的高效设备，能够在高速甚至道路条件不利的情况下，对路面的抗滑性能和摩擦系数进行综合性的评价。

经过多年的研究与设计，现在国际上通用的抗滑性能测试车可归纳为两大类：

（1）通过路面摩擦系数设备直接进行测试，得到摩擦系数来反应抗滑性能的好坏；

（2）通过对路面的宏观构造或微观构造分析得出路面抗滑性能检测特性。

我国路面测试技术的起步稍晚，从20世纪80年代末期才开始引进国外的先进设备和仪器进行道路质量检测。

但是在时代发展的要求和国家政策的大力支持下，路面测试技术得到了飞速的发展，但是与发达国家相比，仍然存在不小的差距。

国内现在所采用的规定是《公路工程质量检测评定标准》（JTGF80/1-2012），其中所采用了三项指标，分别是：

路面宏观纹理深度、摆式仪测得的摆值大小和横向力系数。

在《公路路基路面现场测试规程》（JTGE60-2008）中主要运用的是手工及电动铺沙法、激光构造深度仪检测法、摆式仪检测法和摩擦系数测试车法。

铺沙法和激光构造深度仪法适用于检测路面宏观纹理深度（道路表面的粗糙度表现为凹凸不平，统计分析为平均深度），其中铺沙法工作效率低下，检测结果误差大；激光构造深度仪法通过把激光测高程技术与计算机统计分析手段结合起来，提高了测试效率，但对检测环境有着严格的要求。

摆式仪法（BPN检测原理与技术）是一种动态模拟，能够检测低速下的路面抗滑性能，但只能静态单点取样，其准确性和重复性备受质疑，也无法满足高速公路的检测需要。

横向力系数测试车法所测定的摩擦系数是一个综合反应路面抗滑性能的指标。

其中，路面横向力系数是指，轮胎在机械力的作用下转动时，并且给车轮施一附加力矩使得其发生部分滚滑（也就是使轮胎与路面产生滑动摩擦力），这样就会产生一个合力，就是测试轮受到的横向力，我们需要测量出这个力的大小并计算其与测试轮所受垂直外力载荷的之比就得到了路面横向力系数（即SFC值）。

该方法能够高速连续测定路面的摩擦系数，极大地提高了工作效率和检测可靠性。

综上可知，我们需立足国情对该课题展开深入研究。

本设计课题需综合分析以上各种测试方法，提出一种全面且有效的测试方法，为横向力系数测试车的制造提供理论依据。

1.2路面抗滑性能评价指标与方法分析

1.2.1路面抗滑性能评价指标

经过国内外数十年的研究与总结，路面抗滑性能评价指标大致可以分为两大类：

一种是路面摩擦系数大小，另外一种是路面的微观构造和宏观构造。

（1）路面摩擦系数是基于摩擦力学而提出的，可以通过手动和自动测试方法得到。

手动测试方法有摆式仪测试法（得到BPN）和DF测试仪法（得到动态的摩擦系数）。

与此同时，自动测试方法有自动控制系统测试法（包含纵向力摩擦系数和横向力摩擦系数）和制动距离测试法（得制动距离系数）。

综上所述，路面摩擦系数能够很大水平上反应路面抗滑性能的好坏。

在这里需引入“附着力”的概念，即轮胎与路面之间的摩擦力。

良好的路面摩擦系数，有利于发挥轮胎与地面之间的附着力，提高防止轮胎空转和侧滑的能力。

（2）道路表面的宏观构造和微观构造是指在道路修造完工后，所能显示出的道路表面几何粗糙度。

路面宏观构造在高车速时起主要作用，可通过路面构造深度（即TD值,旧称纹理深度）进行判定。

路面构造深度是指规定面积大小的道路表面凹凸不平波峰与波谷的平均深度，可以反映出路面的抗滑性能和排水性能好坏。

路面微观构造在低车速（低于30km/h-40km/h）时起主要作用，多用石料磨光值（PSV）进行表示，路面会因为轮胎的磨损积累而逐渐被打磨光滑。

路面构造机理能够间接地反映出道路的抗滑性能好坏，一般方法有铺砂法、激光构造深度仪法（获得TD值）、电镜扫描法以及摄像分析法等。

1.2.2路面抗滑性能测试方法简析

关于路面抗滑性能检测，多数西方国家通常采取快速、连续性动态测试的方法，这样可以很大程度上对抗滑性能好坏进行准确反应。

近年来，我国交通检测行业也在投资研发并推行自主生产的路面摩擦系统自动测试系统，但还是和发达国家存在不小差距。

（1）铺砂法

铺砂法在我国公路检测发展过程中发挥着举足轻重的作用，铺砂法的成本低，易于实施，适合于测试常见的沥青路面和混凝土路面的构造深度，可以用来评价路面的宏观粗糙度。

铺砂法是把足够小颗粒的砂粒平铺在一定面积大小的检测道路表面，由此可以得出嵌入路面孔隙中细小砂粒的体积与所铺砂面积之比，从而计算出构造深度，该方法可以分为手工检测法和自动检测法。

手工铺砂法是通过人为手段进行测试，在长期的公路检测中非常盛行，但是很容易受到人为因素、测试工具及操作环境的影响，很难得到较为准确的测试值，并且投入的人力是相当大的。

自动铺砂法可以一定程度上避免人为出现的失误，可以提高测试的准确度，但是依然需要很大的人工投入，难以完全满足我国现在飞速发展的高速公路检测工作需要。

（2）激光构造深度仪法

激光构造深度仪法是一种可以准确测量路面抗滑性能的方法，相比于铺砂法能够最大程度上避免人为因素的影响。

测试方法是：

根据路面的状况选择对应的路面测试程序，以稳定的车速行驶在被测路面上，激光构造深度仪就可以运行程序按照每个计算区间输出该段路面的构造深度值（TD值）。

需要注意的是：

标准的计算区间是100m,也可以根据需要进行选择；必须严格控制测试的车速,不能低于3km/h，也不能高于10km/h，理论建议速度为3km/h-5km/h。

但是这种方法要满足上百公里的高速公路抗滑性能测试，存在一定的难度。

况且在高速行驶的车流之间，很难保证测试人员和设备的安全性。

需要指出的是，激光构造深度仪法很容易受到测试环境的影响，比如雨水、冰雪、泥垢等，都会影响测试的准确度和可靠度。

（3）摩擦系数测试法

路面摩擦力系数分为纵向力摩擦系数（也叫制动力摩擦系数）和横向力摩擦系数，既能反应路面抗滑性能的好坏，又能直接反应车辆实际行驶中的道路安全性。

纵向力摩擦系数是在一定速度行驶时，测试轮与车辆前进方向一致，此时对测试轮进行完全制动或非完全制动，可以得到纵向阻力，该力与地面所承受的垂直力的比值（即BFC值）。

该系数能够对评定车辆制动过程中的滑行距离，用于分析追尾等交通事故。

本设计的横向力摩擦系数是指左右每个测试轮胎和行驶方向分别呈7.5°，即两测试轮胎所呈夹角为15°，而且以一定车速在潮湿路面上行驶，所得到的横向摩擦力与测试轮胎上垂直载荷之比（即SFC）。

横向力是不稳定的力，SFC值能够更加真实地反映出车辆沿非直线路线行驶时的稳定性、安全性以及舒适性，特别是弯道行驶时的稳定性。

横向力系数法（即SCRIM法）是给测试轮胎施加机械力使其转动，并与行驶方向呈20°，又给其施加阻力使其边滚边滑，这样就能够测量出与行驶方向相反的摩擦阻力，计算它与垂直载荷的之比，就是路面摩擦系数。

该摩擦系数为纵向力摩擦系数。

为了取得更加接近车辆行驶工况的力，我们取其横向力，并求取横向力摩擦系数。

由于存在测试复杂的问题，该设备已经渐渐退出路面抗滑性能检测的历史舞台。

英国原道路和运输研究所（TRRL）发明的摆式磨擦系数测定仪（即摆式仪），能够测定潮湿沥青路面和水泥路面（硬路面）的BPN值的大小，用来反应路面的抗滑性能好坏。

基于摆式仪的很多优点，世界上很多国家包括我们国家，在公路检测时都广泛使用摆式仪测定路面的抗滑性能。

摆式仪能够准确的测定BPN值，环境适应性好，但是对于高车速时的路面抗滑性能不适用；仅仅能适用于低车速时的工况，并且摆式仪测定法仅能进行单点取样，不能全面反应路面性能，劳动强度比较高，工作效率比较低，因而摆式仪测量法还需要进一步改进。

1.3课题研究的意义

我国经济和运输需求急剧增长，公路交通事业迅猛发展，特别是高速公路路网建设实现了跨越式的发展。

随之而来，车速不断提高，道路交通事故也不断发生，为国民经济造成了非常大的损失。

为满足车辆的行驶要求和安全要求，如何检测和保证公路路面质量已成为重要的研究课题。

而路面抗滑能力（即路面的摩擦力，PavementSkidResistance）就是衡量道路表面“好坏”的指标之一，更是一个严重影响道路行车安全至关重要的因素。

如果路面抗滑能力不足，特别是遇到雨雪天气，那么发生车辆侧滑、侧撞、追尾等事故的概率就会大大增加。

因此，科学、合理、有效地测试路面抗滑能力就至关重要了。

而“路面横向力系数测试车总布置设计”这一课题能够深入设计和研究对抗滑能力的检测，从而来适应和促进我国公路网特别是高速公路的建设与发展。

同时，大力发展横向力系数测试车技术有利于促进我国高速公路的“健康成长”，有关部门也能够合理的对路面抗滑系数进行检测，定期或不定期地监控公路路面质量的变化，以及时采取养护措施，尽可能防止和杜绝发生交通事故，保证人民财产安全和交通安全。

新时代对道路检测工作提出了新的要求，道路检测要高效、全面、准确、及时，面对如此庞大的工作量，路面横向力系数测试车基本能够满足。

我国对路面横向力系数检测方法和设备方面的研究起步较晚，与国际领先水准存在着一定的差距，该设计能够引领路面测试装置实现多功能化、自动化以及高速化发展的趋势，争取赶超发达国家。

真诚地希望本课题设计能够为我国现存路面横向力系数测试车的研究提出一定的改进。

第二章轮胎与路面间摩擦理论分析

2.1轮胎与路面间摩擦重要性

路面与轮胎之间产生的摩擦力是保证汽车能够正常行驶和安全制动的关键因素，同时也是反应路面抗滑性能好坏的直接评价指标。

（如图2-1所示的汽车驱动力示意图）众所周知，决定汽车动力性的一个主要因素是动力装置（一般指发动机和传动系统）所确定的驱动力大小。

然而此结论也仅仅是在轮胎与路面产生足够大附着力（比如良好轮胎在干燥沥青路面上行驶）的前提条件下，才是正确的。

很简单的一个例子：

在下雨天潮湿的沥青路面上时，轮胎在路面上的附着性能比较差，足够大的驱动力会造成轮胎的加速滑转，此时地面切向反作用力并没有增大，汽车的动力无法得到充分发挥。

由此可知，汽车的动力性不仅与驱动力有关，而且会受到轮胎与路面附着条件（摩擦力）的制约。

（如图2-2所示车轮制动时的受力情况）相反的情况是汽车处于制动工况时，汽车在受到与行驶方向相反的力才开始制动。

这个外阻力只能由空气或者地面产生，考虑到空气阻力相对比较小，可以得出外阻力主要来自于地面，即地面制动力。

汽车的地面制动力越大，制动效能越好。

然而地面制动力的大小不仅决定于制动器所能提供的摩擦力，还会受地面附着条件好坏的制约，即只有在路面可以提供足够大的附着力时，轮胎才会有充分的地面制动力，实现安全平稳地制动。

综上所述，可以得出轮胎与路面的附着条件在汽车行驶过程中是至关重要的，而附着条件又是通过摩擦力来反应的。

认识和研究轮胎与路面的摩擦原理，是本课题设计开展的前提条件。

2.2轮胎与路面间摩擦的产生

首先我们从物理上引入“摩擦力”的观点。

摩擦力是指能够阻碍两接触物体发生相对运动或者有发生相对运动趋势的力。

在最早的抗滑性能研究中，轮胎与路面之间的摩擦力就是基于物理上的基本概念与原理。

但是随着研究的不断深入，人们意识到基本的固体与固体间摩擦研究已无法满足。

其中最大的原因就是轮胎胎体是由橡胶制造，而橡胶本身的特殊性决定了它与路面发生相互作用时会产生特殊的摩擦。

由此我们展开以下讨论。

2.2.1橡胶材料摩擦的特殊性

众所周知的库伦摩擦第一定律（也称阿蒙顿定律）指出：

两接触物体之间产生的摩擦力大小仅仅与摩擦面上的法向压力成正比，而与摩擦面的大小无关。

该定律适用于研究刚性材料或可以假设成刚性材料间的干摩擦。

如果用此定律来研究轮胎就会得出很多与实际不符的结论。

橡胶是一种黏性可以发生变化且弹性模量比较低的材料，而且它在载荷作用下发生变形时会出现相当高的内摩擦。

这样的话，橡胶的摩擦特性就会与接触面积的大小、变形量大小密切相关，由此呈现出非线性特性的变化规律。

我们在研究所接触到的刚性材料时，它们之间的摩擦系数大小都是小于1的，但是现在可以使橡胶胎的摩擦系数远大于1,比如好多F1赛车可以达到1.8。

2.2.2轮胎-路面间摩擦产生机理

由于橡胶是一种黏弹性体（指在外力作用下不会立即发生形变，而是随着时间的变化而逐步发生；外力撤去时，逐步恢复），导致了轮胎与路面之间摩擦产生不同于刚性材料。

黏弹性体的形变量与外力的作用不呈现出线性的正比例变化，而且甚至在相同外力下变形时，所经历的各种工况会出现不一致的情况。

一般来说，轮胎-路面摩擦产生机理有以下几个方面：

（1）轮胎与路面之间的黏着作用

一旦轮胎与路面在载荷作用下发生接触，轮胎面会发生显著的变形与路面形成紧密的接触面，甚至和路面凹凸的小颗粒进行相互嵌入，由此就会在轮胎滚动时形成黏着作用。

经验告诉我们在载荷的作用下，路面的粗糙度在一定范围内越大，轮胎的黏着作用就越大，表现出来就是两者产生的摩擦力越大。

黏着阻力也是不同物体分子相互吸引力的一种表现形式，它与轮胎和路面各自的材料有关，也受到两者接触密切程度和接触面积的影响。

现实生活中，我们经常会看到轮胎的表面上有不少的道路微小磨粒；同理我们也在路面上会看到不少的橡胶颗粒。

在机场维护时，要定期清理飞机跑道上的橡胶颗粒，这是在飞机起飞或者降落时轮胎与路面摩擦而产生的，以此来保证路面的摩擦系数，保证飞机起飞和降落时的安全。

值得说明的是，黏着阻力在整个轮胎-路面之间摩擦力中占有很大比例。

下面通过轮胎制动时的工况来对黏着阻力进行分析。

轮胎制动工况如图（2-3）所示。

其中，V是轮胎中心的线速度，ω为轮胎滚动时的角速度，Mb表示所施加的制动力矩，Vt是轮胎在制动时的滑动速度。

当车辆制动时，除了车轮全都抱死出现完全滑动状态之外，绝大多数情况下的制动轮胎都是边滚边滑的。

如上图所示，接触变形区前一部分处于黏着区，而后一部分处于滑动区。

由此可得滑

动区和黏着区的摩擦力共同了组成了轮胎所受到的纵向反作用力。

这里引入滑动率的概念，它的定义是

（2-1）

在纯滚动时，滑动率S