Bestimmung der Reibungskoeffizienten von Eisbelägen bei unterschiedlichen Schneemengen

Die Reibung auf der Fahrbahn ist definiert als der Grip zwischen den Fahrzeugreifen und der darunter liegenden Fahrbahnoberfläche¹. Der Index, der am häufigsten mit der Reibung von Fahrbahnbelägen in der Straßenplanung in Verbindung gebracht wird, ist der Reibungskoeffizient. Reibung ist einer der wichtigsten Faktoren bei der Straßengestaltung und steht an zweiter Stelle nach der Haltbarkeit. Es besteht ein starker und klarer Zusammenhang zwischen der Reibungsleistung des Fahrbahnbelags und dem Unfallrisiko². Zum Beispiel gibt es eine signifikante negative Korrelation zwischen Verkehrsunfallraten und Fahrbahnrutschfestigkeit ^3,4,5. Mehrere Faktoren können zu einer Verringerung der Fahrbelagsreibung beitragen, und einer der direktesten und einflussreichsten dieser Faktoren ist Schneefall⁶. Konkret führt Schneefall zur Eisbildung auf dem Gehweg, wodurch sich der Fahrbahnreibungskoeffizient ^7,8 deutlich verringert. Eine Studie, die sich auf die Faktoren konzentriert, die die Verkehrsunfallraten in Südfinnland beeinflussen, stellte fest, dass die Unfallraten häufig an Tagen mit starkem Schneefall ihren Höhepunkt erreichen und dass mehr als 10 cm Schnee zu einer Verdoppelung der Unfallrate führen können⁹. Ähnliche Ergebnisse wurden in Studien gefunden, die sowohl in Schweden als auch in Kanada durchgeführt wurden^10,11. Daher ist die Untersuchung der Reibungseigenschaften von schneegefrorenen Fahrbahnen entscheidend für die Verbesserung der Verkehrssicherheit.

Die Bestimmung des Reibungskoeffizienten von Eisbelägen ist ein komplexer Prozess, da der Reibungskoeffizient bei unterschiedlichen Schneefallmengen und Eisdicken des Belags variieren kann. Darüber hinaus können unterschiedliche Temperaturen und Reifeneigenschaften den Reibungskoeffizienten beeinflussen. In der Vergangenheit wurden zahlreiche Experimente durchgeführt, um die Reibungseigenschaften von Reifen auf Eis^{zu untersuchen 12}. Aufgrund der Unterschiede in den einzelnen Umgebungen und Reifeneigenschaften können jedoch keine konsistenten Ergebnisse erzielt und als Grundlage für theoretische Studien verwendet werden. Daher haben viele Forscher versucht, theoretische Modelle zu entwickeln, um die Reibung von Reifen auf Eis zu analysieren. Hayhoe und Sahpley¹³ schlugen das Konzept des Wärmeaustauschs durch nasse Reibung an der Schnittstelle zwischen Reifen und Eis vor, während Peng et ^al.14 ein fortschrittliches Datenmodell zur Vorhersage der Reibung basierend auf dem obigen Konzept vorschlugen. Darüber hinaus präsentierte Klapproth ein innovatives mathematisches Modell zur Beschreibung der Reibung von rauem Gummi auf glattem Eis¹⁵. Es hat sich jedoch gezeigt, dass die oben genannten Modelle erhebliche Fehler aufweisen, hauptsächlich aufgrund ihrer Unfähigkeit, die Reibungseigenschaften von Reifen auf Eis genau und effizient zu charakterisieren¹⁶.

Um die Fehler theoretischer Modelle zu reduzieren, wird eine große Menge an experimentellen Daten benötigt. Die finnische Wetterbehörde entwickelte ein Reibungsmodell zur Vorhersage der Reibung auf eisigen Fahrbahnen, und die Formel für dieses Modell basierte in erster Linie auf Daten von Straßenwetterstationen und durch statistische Analysen¹⁷. Darüber hinaus sammelten Ivanović et al. eine signifikante Menge experimenteller Daten, indem sie die Reibungseigenschaften von Reifen auf Eis analysierten und den Reibungskoeffizienten von Eis durch Regressionsanalyse berechneten¹⁸. Gao et al. schlugen auch ein neuartiges Vorhersagemodell der Reifen-Gummi-Eis-Traktion vor, indem sie den Levenberg-Marquardt-Optimierungsalgorithmus (LM) mit einem neuronalen Netzwerk kombinierten, um die Formel für den Reibungskoeffizienten auf Eis¹⁹ zu erhalten. Alle oben genannten Modelle wurden entweder validiert oder in der Praxis angewendet und gelten daher als realisierbar.

Neben theoretischen Methoden wurden viele praktische Methoden zur Messung des Reibungskoeffizienten von Fahrbahnbelägen in verschneiten und gefrorenen Gebieten entwickelt. Aufgrund der Besonderheiten des Wetters sind diese Methoden in nordischen Ländern wie Schweden, Norwegen und Finnland weit verbreitet²⁰. In Schweden werden die folgenden drei Haupttypen von Reibungsmessgeräten verwendet: BV11, SFT und BV14. Der BV14, ein speziell für den Winterdienst entwickeltes Doppelreibungsprüfgerät, ist direkt mit dem Messfahrzeug verbunden und misst die Trockenreibung auf beiden Radwegen gleichzeitig²⁰. In Finnland wird das Reibungsmessfahrzeug (TIE 475) für Winterdienstbeurteilungen verwendet, während in Norwegen das ROAR-Reibungsmessgerät (ohne Wasser) ein häufig verwendetes Gerät² ist. Die meisten Winterreibungsmessungen in Schweden, Norwegen und Finnland wurden mit gewöhnlichen Personenkraftwagen mit ABS und Instrumenten zur Messung der Verzögerung beim Bremsen ^2,20 durchgeführt. Der Vorteil dieser Methode ist, dass sie einfach und relativ kostengünstig ist, und der Hauptnachteil ist, dass die Genauigkeit der Methode sehr gering ist.

Die oben beschriebenen Studien liefern Methoden zur Vorhersage und Detektion von Reibungskoeffizienten auf Eis. Eine einheitliche Methode und ein spezifischer Wert zur Orientierung der Straßenplaner wurden jedoch noch nicht bereitgestellt. Darüber hinaus kann bei Winterstraßen der Reibungskoeffizient zwischen Reifen und Eis in Bezug auf unterschiedliche Eisdicken variieren, und es sollten auch unterschiedliche Entsorgungsmaßnahmen durchgeführt werden²¹. Daher zielt diese Arbeit darauf ab, den Reibungskoeffizienten von vereisten Straßen unter unterschiedlichen Schneemengen zu bestimmen.

International sind der britische tragbare Tester (BPT) und der tragbare Reibungsprüfer des schwedischen Straßen- und Transportforschungsinstituts (VTI PFT) derzeit die am häufigsten verwendeten Instrumente zur Messung des Reibungskoeffizienten^22,23. Der PFT ist ein tragbares Reibungsprüfgerät, das von VTI entwickelt wurde und es dem Bediener ermöglicht, Messungen in aufrechter Position durchzuführen und die Daten auf dem Computer²² zu speichern. Der PFT kann die meisten konturierten Fahrbahnmarkierungen messen, aber die Anzahl der derzeit verfügbaren Instrumente ist immer noch sehr gering². Der BPT ist ein Pendelreibungskoeffiziententester, der vom British Road Research Laboratory (RRL, jetzt TRL) entwickelt wurde. Das Gerät ist ein dynamisches Pendelschlaggerät zur Messung des Energieverlusts in Fällen, in denen eine Gummischieberkante über eine Testoberfläche geschoben wird. Die Ergebnisse werden als British Pendulum Numbers (BPNs) gemeldet, um zu betonen, dass sie spezifisch für diesen Tester sind und nicht direkt denen anderer Geräte^{entsprechen 24}. Das Gerät hat sich als nützlich für die Bestimmung von Reibungskoeffizienten im experimentellen Fahrbahnfeld²³ erwiesen. Dieses Experiment verwendet den BPT zur Bestimmung von Reibungskoeffizienten.

Die vorliegende Studie beschreibt das experimentelle Verfahren zur Messung des Reibungskoeffizienten von Eisbelägen, die unterschiedlichen Schneefallmengen in Innenräumen entsprechen. Die in den Experimenten zu beachtenden Probleme wie experimentelle Kalibrierung, experimentelle Durchführung und Methoden der Datenanalyse werden ausführlich erläutert. Die vorliegenden experimentellen Verfahren lassen sich in den folgenden fünf Schritten zusammenfassen: 1) Vorbereitung der Ausrüstung, 2) Berechnung und Analyse des Schneefalls, 3) Gerätekalibrierung, 4) Bestimmung des Reibungskoeffizienten und 5) Datenanalyse.