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中文摘要 1
关键词：轮胎路面摩擦，路面结构，抗滑性，测量，表征，建模 1
第1章 绪论 2
第2章 轮胎与湿路面间的摩擦 3
2.1.轮胎/路面接口变差 3
2.2.轮胎/路面界面的润滑 3
2.3.摩擦力的产生 4
第3章 路面结构 5
3.1.纹理深度 5
3.1.1.宏观织构在轮胎/湿路面摩擦中的作用 5
3.1.2.宏观织构的测量 5
3.1.3.宏观织构的表征 6
3.2.显微组织 7
3.2.1.微观结构在轮胎/湿路面摩擦中的作用 7
3.2.2.微结构测量 9
3.2.3.微结构的表征 11
3.3.纹理的多尺度描述 13
第4章 路面结构与抗滑性能的关系 15
4.1.摩擦模型的一般形式 15
4.2.宏观纹理相关术语的建模 15
4.2.1.速度依赖性 15
4.2.2.其他变量的积分 16
4.3.微结构相关术语的建模 18
4.3.1.其他变量的积分 18
4.3.2.多微凸体模型 19
4.3.3.多尺度摩擦模型 21
第5章 结论 23
参考文献 24
中文摘要
本文探讨了路面结构与抗滑性能之间的关系。阐述了轮胎与湿路面摩擦的机理。给出了路面不平度标尺的定义。然后集中论述了发生在轮胎与道路界面的宏观纹理和微观纹理尺度及其各自的作用，提出了测量和表征路面结构的现有方法。一方面，讨论了使用加工机械表面的传感器测量或制图时遇到的问题。另一方面，突出强调了当将加工表面特征化方法应用于路面时的潜在改进。本文提出了一种计算路面结构摩擦力的数值模拟方法，给出了模型的广义形式，分别从宏观纹理和微纹理两个方面对其进行了描述，并最终将其他变量结合起来给出了计算这些项的方法。
关键词：轮胎路面摩擦，路面结构，抗滑性，测量，表征，建模
- 绪论
轮胎和道路的摩擦代表了在路面上的轮胎产生的抓地力。摩擦系数是这种载荷的量度，即载荷（垂直方向上施加的力）与牵引力的比值（水平方向上的抗力运动）。
轮胎与路面间的摩擦力取决于以下因素：
-路面特性（如质地、沥青、集料性质）；
-轮胎特性（例如尺寸、宽度、胎面深度、橡胶）；
-接触条件（例如车轮速度、滑移率、正常载荷、轮胎气压）；
-界面处存在污染物（如水、雪、冰、灰尘）。
抗滑性描述了道路对轮胎与路面摩擦力的贡献。本质上，它是在标准化条件下获得的摩擦的一种计算方法，通常选择了许多潜在的可变因素的值，从而可以分离道路对轮胎与路面摩擦力的贡献。道路当局可以使用防滑作为性能指标，以评估道路使用者的安全，并适应他们的维修政策。
本文着重探讨了路面结构及其与防滑性能的关系。道路是驾驶员安全的主要问题。本文主要分为两个部分：第一部分阐述了纹理在轮胎路面摩擦力中的作用，提出了测量和表征纹理的方法；第二部分介绍了路面表面纹理和其他因素对摩擦力的影响模型。
- 轮胎与湿路面间的摩擦
轮胎与湿路面摩擦涉及三种机制（Savkor 1990）：
-轮胎和路面接口变差；
-轮胎和路面界面的润滑；
-摩擦力的产生。
2.1.轮胎/路面接口变差
在轮胎和路面之间没有任何相对滑移的情况下，不产生摩擦力。对于制动轮胎，轮胎在路面上滑动，以补偿由于车轮角速度降低而使轮胎的滚动速度瞬间低于车辆速度的事实。车轮滑移（G）——也称滑移率，是测量车辆速度和滚动轮胎速度的差异；G由以下公式给出：
其中omega;是车轮的角速度；R是轮胎半径；omega;R是滚动轮胎速度；v是车辆纵向速度。
2.2.轮胎/路面界面的润滑
轮胎与湿路面接触区域通常分为三个区域（穆尔1975）（如图1所示）：
图1 轮胎与湿路面接触区域图
Figure 1. Tire/wet road contact area.
-在轮胎前面（第1区），水积聚并倾向于抬起轮胎；
-在区域2中，散装水被抽空，水膜变薄，但仍然防止轮胎和道路之间的接触；
-在区域3中，在轮胎和路面之间建立接触，这个区域产生摩擦力。
湿路面摩擦力低于干摩擦区域，摩擦产生的区域仅代表接触面积的一小部分。当车辆速度增加时，疏散水的可用时间减少。结果，区域1和2的大小增加，然后摩擦减小。在区域1占据整个接触区域的情况下，轮胎与道路之间不再有接触；这是水滑行的开始。
上述描述被广泛应用于轮胎/路面摩擦模型的开发。然而，关于区域3中的淡化机制的知识仍然是模糊的。作者穆尔（1975）讨论了水的微观结构疏散（见3.2），但目前尚不清楚恢复的接触是否足够干燥到可以发展粘附力。布罗查德怀特和德热纳（1994）认为在固体（道路）/橡胶界面上沉积了水薄膜。考虑到5times;10-3s的接触时间并假设两个接触表面为平整疏水的，他们发现涉及水的界面能量、橡胶和固体的脱湿机制，并不是完全有效地恢复干燥接触。然而，他们也提出：计算是基于光滑的表面，对于更现实的假设，如道路表面地形图，应该改进计算。
2.3.摩擦力的产生
图2 轮胎胎面凹凸变形图
Figure 2. Hysteresis and adhesion components of tire/road friction.
当轮胎与路面之间建立接触时，轮胎胎面因路面凹凸变形（如图2所示）。接触压力的总和产生了一个垂直分量，它平衡了正常载荷和一个抵抗轮胎运动的水平分量；这种现象由轮胎橡胶的粘弹性引起，称为滞后现象。当路面干燥时，轮胎与路面之间发生分子联系。这些连接部的产生和断裂是抵抗轮胎运动的水平力的起源；这种现象被称为粘附。
滞后和粘附通常被认为是不同的过程：第一个涉及材料的体积，而第二个是表面相关的物理现象。库默（1966）证明了磁滞现象和粘滞现象是不同尺度下的能量耗散现象。
滞后和粘附的相对重要性取决于许多因素，其中最重要的是轮胎橡胶性能、路面湿润度和路面结构。在湿路面上，分子联系是可以忽略不计的，轮胎与路面结构被认为只依赖于滞后部分。
- 路面结构
路面纹理由精细粗集料和压实模式提供。它由不同大小的凹凸体组成：宏观织构和微观织构。
宏观纹理定义为表面不规则，其尺寸范围在0.1到20mm之间，水平在0.5到50mm之间(ISO 13473-1 1997)。微观纹理定义为表面粗糙度，其尺寸范围在0.001到0.5 mm之间，水平在0.5 mm以下（ISO1343-1—1997）。
3.1.纹理深度
3.1.1.宏观织构在轮胎/湿路面摩擦中的作用
在接触区域（如图1所示）中，宏观纹理有助于结合轮胎胎面深度，在区域1中疏散散装水（厚度为毫米量级）。由于储集层之间形成了储层（如图3所示），这种地表排水是可能的。
图3 储集层示意图
Figure 3. Cartography of a road surface (80 mm times; 80 mm).
3.1.2.宏观织构的测量
路面的宏观结构可以通过体积法或比例法进行测量。
体积法是通过估算由玻璃体积（EN 13036-1 2009）组成的贴片的平均厚度来对道路宏观纹理进行静态和准时的评估。玻璃珠在道路表面集料间的空隙中。
轮廓测量方法包括沿测量线记录二维纹理轮廓。用非接触式传感器测量基准线与路面之间的距离。然后用数字滤波技术对纹理进行分析，确定纹理指标。存在两个家庭设备：一方面，如CTM（ASTM E2147 2004）的装置，通过在一个旋转臂上安装激光传感器沿圆圈准时测量纹理轮廓，装置的剖面直径为142mm，由每0.87mm采样的1024个点组成。另一方面，如法国鲁戈（ISO 1373-1—1997）的装置通过安装在车辆上的激光传感器提供在行驶下的连续测量。激光频率在32～64 kHz之间，在60 km/h时提供采样间隔在0.5～1 mm之间。
3.1.3.宏观织构的表征
3.1.3.1.标准化方法
对于排水能力，麦克劳克斯介观结构通常具有两个参数：容积法的平均纹理深度(MTD)和普罗洛度量方法的平均剖面深度(MPD)，分别定义为：
其中V是玻璃珠的体积，用来形成圆形贴片（见3.1.2）；D是贴片的直径（ISO1343-1—1997）。
其中平均峰位是图4中分别标出1和2的两个峰值水平的平均值，分别在普罗勒基线（如图4所示）的两个半部中确定；平均水平（如图4所示）是普罗勒平均水平。
MPD最初是为了取代MTD，因为它可以在正常的行驶速度下沿表面连续地确定。可以从MPD的使用公式来估计MTD，该估计被称为估计纹理深度（ETD）。
图4 普罗勒平均峰位图
Figure 4. Definition of the mean profile depth (MPD).
3.1.3.2.其他表征方法
国际标准化组织4287（1998）定义最大普罗勒峰高（RP）为在样本内的平均线与最高点之间的最大距离。在五个采样长度上分别确定的平均Rp值被称为平均剖面峰高（Rpm）。可以这样说，MPD或多或少是一个修改过的Rpm（评估长度包括2个采样长度，而不是5个）。
上面的例子证实了在路面应用方面的加工表面的准仪表的潜力。如斯塔特等人（1993）提出的，表面形貌可以用RMS或偏斜（高度分布的不对称性）和峰度（高度分布的锐度）等一般参数来描述。然而，同一作者还说：“有时，使用专门设计的功能参数来描述特定功能应用程序的特定特征是更为有效和有效的。”对于路面宏观结构而言，从这些表面不规则性预期的主要功能是排水和与轮胎的接触面。观察雅培的曲线，并推导出类似于加工表面的功能来表征轴承和流体的保留特性，这是很有趣的。
3.2.显微组织
3.2.1.微观结构在轮胎/湿路面摩擦中的作用
一旦散装水被宏观结构疏散，它仍然是一个薄膜（厚度为0.1毫米或更少）在2区（图1），并且在在区域3（图1），在凹凸的顶部有水袋。这些残余水膜的挤压只能通过形成微结构的角状凸起施加的高压来实现。通过轮胎橡胶与路面微观结构之间的相互作用产生摩擦力。
3.2.1.1.理论思考
轮胎与路面之间的相对滑移产生，在薄水膜存在的情况下，水动压力迅速上升，在表面的斜坡上，然后下降到向下倾斜的负值（图5）（穆尔 1975）；其结果是使轮胎和路面趋于分离的隆起力。
图5 相对滑移产生的动压示意图
Figure 5. Generation of hydrodynamic pressure due to relative slip between the tire and the road (Moore 1975).
该机构在凹凸处产生水深hc*，确保水动力（由于水膜）和作用在轮胎胎面上的弹性（由于橡胶变形）之间的平衡。建模（穆尔1975）表明，hc*对于更圆的凹凸更大，并且随着相对滑移速度的增加而增加（图6），并且相对速度随着接触区域中的位置而变化，并且在牵引区（区域3）的最后面点达到最大值。因此，接触面积的“侵蚀”也发生在它的后部，除了来自前部（2.2）的大量水侵入外，由于薄水膜的接触损失通常称为粘接。
图6 水深随滑动速度变化图
Figure 6. Variation of water depth with slip speed
(Moore 1975).
图6也表明，显凹凸顶点处的微观织构高度（用图中εMR）必须至少高达hc *；然而，对于给定的εMR，存在一个临界滑移速度，
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