降雪量の異なる氷舗装の摩擦係数の決定

舗装摩擦は、車両のタイヤと下地の路面¹との間のグリップとして定義される。道路設計における舗装摩擦に最も一般的に関連する指標は、舗装摩擦係数です。摩擦は道路設計において最も重要な要素の1つであり、耐久性に次ぐものです。舗装摩擦性能と事故リスクの間には強く明確な相関関係があります²。例えば、交通事故率と舗装のすべり抵抗との間には有意な負の相関がある^3,4,5。舗装摩擦の減少にはいくつかの要因が寄与する可能性があり、これらの要因の中で最も直接的で影響力のある要因の1つは降雪^量6です。具体的には、降雪により舗装上に氷が形成され、それによって道路摩擦係数^7,8が大幅に低下します。フィンランド南部の交通事故率に影響を与える要因に焦点を当てた研究では、事故率は一般的に大雪の日にピークに達し、10cmを超える雪が事故率の2倍につながる可能性があることが指摘されています⁹。同様の結果は、スウェーデンとカナダの両方で実施された研究でも発見されています^10,11。したがって、雪で凍った舗装の摩擦特性を研究することは、交通安全を改善するために重要です。

凍った舗装の摩擦係数の決定は、降雪レベルや舗装の氷の厚さによって摩擦係数が変化する可能性があるため、複雑なプロセスです。さらに、温度やタイヤの特性の変化も摩擦係数に影響を与える可能性があります。過去には、氷上でのタイヤの摩擦特性を研究するために数多くの実験が行われてきました¹²。しかし、個々の環境やタイヤの特性の違いにより、一貫した結果が得られず、理論研究の基礎として使用することができます。そのため、多くの研究者が氷上でのタイヤの摩擦を解析するための理論モデルの開発を試みてきました。Hayhoeと^Sahpley13 はタイヤと氷の界面での湿式摩擦熱交換の概念を提案し、Pengら¹⁴ は上記の概念に基づいて摩擦を予測するための高度なデータモデルを提案した。さらに、Klapprothは、滑らかな氷上の粗いゴムの摩擦を記述するための革新的な数学的モデルを提示^{しました15}。ただし、上記のモデルには、主に氷上でのタイヤの摩擦特性を正確かつ効率的に特性評価できないため、重大な誤差があることが示されています¹⁶。

理論モデルの誤差を減らすためには、大量の実験データが必要です。フィンランド気象庁は、氷の舗装摩擦を予測するための摩擦モデルを開発し、そのモデルの公式は、主に道路気象観測所から得られたデータと統計分析に基づいていました¹⁷。さらに、Ivanovićらは、氷上でのタイヤの摩擦特性を分析することによってかなりの量の実験データを収集し、回帰分析によって氷の摩擦係数を計算しました¹⁸。Gaoらはまた、レーベンベルク・マルクアルト(LM)最適化アルゴリズムとニューラルネットワークを組み合わせて、氷上の摩擦係数の公式を得ることによる、タイヤ-ゴム-氷の牽引の新しい予測モデルを提案し^ました19。上記のモデルはすべて、実際に検証または適用されているため、実行可能であると考えられています。

理論的方法に加えて、積雪地および凍結地域の舗装の摩擦係数を測定するための多くの実用的な方法が開発されている。天候の特殊性により、これらの方法はスウェーデン、ノルウェー、フィンランドなどの北欧諸国で広く使用されています²⁰。スウェーデンでは、主にBV11、SFT、BV14の3種類の摩擦測定装置が使用されています。冬のメンテナンス評価用に特別に開発されたデュアル摩擦試験機であるBV14は、測定車両に直接接続され、両方の車輪経路の乾燥摩擦を同時に測定します²⁰。フィンランドでは、摩擦測定車(TIE 475)が冬の道路メンテナンス評価に使用されますが、ノルウェーでは、ROAR摩擦測定装置(水なし)が一般的に使用される機器です²。スウェーデン、ノルウェー、フィンランドで実施されている冬の摩擦測定のほとんどは、ABSを備えた通常の乗用車とブレーキ^2,20での減速を測定する機器を使用して実行されています。この方法の利点は、それが単純で比較的安価であることであり、そして主な欠点は、方法の精度が非常に低いことである。

上記の研究は、氷上の摩擦係数を予測および検出するための方法を提供します。しかし、道路設計者を導くための統一された方法と特定の値はまだ提供されていません。さらに、冬の道路では、タイヤと氷の間の摩擦係数は、異なる氷の厚さに関して異なる場合があり、異なる処分措置も実施する必要があります²¹。そこで本稿では,降雪量の異なる凍結道路の摩擦係数を求めることを目的とする.

国際的には、英国のポータブルテスター(BPT)とスウェーデン道路交通研究所のポータブル摩擦テスター(VTI PFT)が、現在、摩擦係数^22,23を測定するために最も一般的に使用されている機器です。PFTは、VTIによって開発されたポータブル摩擦試験機であり、オペレータが直立位置で測定を行い、コンピュータ²²にデータを保存することを可能にする。PFTはほとんどの輪郭のある道路標示を測定できますが、現在利用可能な機器の数はまだ非常に少ない^です2。BPTは、英国道路研究所(RRL、現在のTRL)によって開発された振り子摩擦係数試験機です。この装置は、ゴム製のスライダーエッジが試験面上で推進される場合のエネルギー損失を測定するために使用される動的振り子衝撃タイプのテスターです。結果は英国振り子番号(BPN)として報告され、このテスターに固有であり、他のデバイスのものと直接同等ではないことを強調しています²⁴。この器具は、実験舗装場²³における摩擦係数の決定に有用であることが示されている。この実験では、摩擦係数の決定にBPTを使用します。

本研究では、室内の降雪量に応じた凍結舗装の摩擦係数を測定するための実験手順について説明します。実験的なキャリブレーション、実験の実施、データ分析の方法など、実験で注意すべき問題について詳しく説明します。本実験手順は、1)装置の準備、2)降雪量の計算と分析、3)装置の校正、4)摩擦係数の決定、5)データ分析の5つのステップに要約できます。