Wet and dry friction of passenger car tires during ABS braking

Hartikainen, Lassi

Wet and dry friction of passenger car tires during ABS braking

Files

School of Engineering | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2014-12-19

Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author

Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Author

Hartikainen, Lassi

Date

2014

Department

Koneenrakennustekniikan laitos
Department of Engineering Design and Production

Language

en

Pages

63 + app. 57

Series

Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 210/2014

Abstract

This dissertation aims at improving the understanding of dry and wet friction between a tire and a road surface to improve traffic safety. The goal was reached through examination of some of the key phenomena, including tire-vehicle interaction, wet rubber friction, asphalt surface roughness, and tire deformation during aquaplaning. Test programs were carried out at various locations across Europe and new analysis techniques were developed. It was found that changes in tire inflation pressure, ambient temperature, and tread depth affect the average slip conditions of the tire during ABS braking due to changes in the force-slip characteristics of the tire. This is because an acceleration-based brake controller adjusts the average slip operating range of the tire accordingly. However, this also leads to a change in the sliding speed at the rubber-road contact, which has an effect on the friction. Further results of the work included a new analysis method for asphalt surface roughness. A wavelength-wise correlation between asphalt surface roughness data and wet friction results of a tire was presented for the first time. Good levels of correlation were found even though only locations on the same asphalt surface type were included. In addition, the surface roughness metrics used in the study were physically meaningful and well in line with modern rubber friction theories. The developed method was also applied to dry lab friction experiments, where a good correla-tion between surface roughness and rubber friction was found as well. To allow detailed replication of tire-road friction in laboratory experiments, a method was developed for manufacturing durable laboratory rubber friction test countersurfaces that replicate the roughness of a target asphalt pavement. It was found, that the most suitable samples were built by using epoxy instead of bitumen as a binder for the asphalt mix, by duplicating the aggregate gradation curve of the target asphalt surface, and by initially sandblasting the surface to remove excess binder. Furthermore, the work presented in this dissertation showed that an optical tire sensor can be used for detecting partial and full aquaplaning from within a tire. This tool allows the quanti-fication of the remaining tire footprint length in the presence of water on any given road sur-face. The advancements made in the understanding of dry and wet friction of tires during ABS bra-king will be utilized immediately and developed further. The new methods will be put to use in the tire industry and they provide many interesting opportunities for further research.

Tämän väitöskirjan tavoite on renkaan ja tien välisen märän ja kuivan kitkan ymmärryksen lisääminen liikenneturvallisuuden parantamiseksi. Tavoitteeseen päästiin tarkastelemalla tär-keitä aiheeseen liittyviä ilmiöitä, kuten renkaan ja ajoneuvon vuorovaikutusta, kumikitkaa mä-rällä alustalla, asfaltin pinnankarheutta, sekä renkaan muodonmuutoksia vesiliirron aikana. Projektin aikana suoritettiin laajoja testiohjelmia eri puolilla Eurooppaa ja kehitettiin uusia analyysimenetelmiä. Tulokset osoittivat kuinka rengaspaine, ulkoilman lämpötila ja renkaan urasyvyys vaikuttavat renkaan keskimääräiseen luistotilaan, johtuen renkaan voima-luisto-ominaisuuksien muut-tumisesta. Ilmiö selittyy ABS-jarrujärjestelmän kulmakiihtyvyyksiin perustuvalla toiminta-periaatteella, joka muuttaa renkaan keskimääräistä luistotilaa voima-luisto-ominaisuuksien mukaisesti. Tämä kuitenkin johtaa myös liukunopeuden muuttumiseen kumi-tie kontaktissa, vaikuttaen syntyvään kitkaan. Tutkimuksen tuloksiin kuului myös uusi menetelmä asfaltin pinnankarheuden analysoimiseksi. Tuloksissa esitettiin ensi kertaa renkaan märkäkitkan ja asfaltin pinnankarheuden välinen aallonpituuksittain laskettu korrelaatio. Menetelmä tuotti vahvan korrelaation jopa vertailtaessa eri alueita samalta asfalttityypiltä. Lisäksi menetelmäs-sä käytettävillä arvoilla on selkeä fysikaalinen merkitys ja menetelmä on linjassa modernien kitkateorioiden kanssa. Menetelmää sovellettiin myös kuivalla asfalttipinnalla tehtyihin labo-ratoriokitkakokeisiin, jotka tuottivat myös hyvän korrelaation. Tutkimuksessa kehitettiin myös menetelmä kestävän vastinpinnan valmistamiseksi laboratoriokitkakokeita varten siten, että laboratorionäytteen pinnankarheus vastaa annettua kohdeasfalttia. Paras tulos saavutet-tiin käyttämällä laboratorioasfaltin sideaineena bitumin sijaan epoksia, käyttämällä samaa ra-keisuuskäyrää kuin kohdeasfaltissa, sekä hiekkapuhaltamalla näytteen pinta puhtaaksi liiasta sideaineesta. Lisäksi tutkimuksessa selvisi, että optista rengasanturia voidaan käyttää täyden tai osittaisen vesiliirron tunnistukseen renkaan sisäpuolelta. Tämä mahdollistaa renkaan jäl-jellä olevan kosketusalan pituuden mittaamisen millä tahansa veden peittämällä tien pinnalla. Tutkimuksen tuloksena tehtyjä kehitysaskeleita ABS-jarrutuksen aikaisen kuivan ja märän kitkan ymmärryksessä aletaan välittömästi hyödyntämään ja niitä kehitetään edelleen. Kehi-tetyt menetelmät tullaan ottamaan käyttöön rengasteollisuudessa ja ne tarjoavat monia mie-lenkiintoisia jatkotutkimusaiheita.

Supervising professor

Juhala, Matti, Prof., Aalto University, Department of Engineering Design and Production, Finland

Thesis advisor

Petry, Frank, Dr., Goodyear S.A., Luxembourg

Keywords

tire-road wet friction, rubber friction, traffic safety, asphalt surface roughness, renkaan märkäkitka, kumikitka, liikenneturvallisuus, asfaltin pinnankarheus

Parts

[Publication 1]: L. Hartikainen, F. Petry, S. Westermann. Longitudinal wheel slip during ABS braking. Accepted to Vehicle System Dynamics. In Press.
DOI: 10.1080/00423114.2014.991332 View at publisher
[Publication 2]: L. Hartikainen, F. Petry, S. Westermann. Frequency-wise correlation of the power spectral density of asphalt surface roughness and tire wet friction. Wear, Vol. 317 pp. 111-119, 2014.
DOI: 10.1016/j.wear.2014.05.017 View at publisher
[Publication 3]: A. Kuosmanen, T. Pellinen, L. Hartikainen, F. Petry, S. Westermann. Durable laboratory rubber friction test countersurfaces that replicate the roughness of asphalt pavements. Wear, Vol. 321 pp. 38-45, 2014.
DOI: 10.1016/j.wear.2014.09.011 View at publisher
[Publication 4]: A. Tuononen, L. Hartikainen. Optical position detection sensor to measure tyre carecass deflections in aquaplaning. Int. J. Vehicle Systems Modelling and Testing, Vol. 3, No. 3, 2008.
DOI: 10.1504/IJVSMT.2008.023837 View at publisher

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-60-6024-8

Collections

[diss] Insinööritieteiden korkeakoulu / ENG

Show all metadata