Nederbörd ökar rullmotståndet hos ett fordon eftersom hjulen behöver drivas genom vatten eller snö på vägbanan. Dessutom kyler vatten mer effektivt jämfört med luft, vilket gör att däcken, och även smörjmedel, arbetar vid en lägre och mindre effektiv temperatur. Det innebär att vatten påverkar rullmotstånd både som ett separationsmedel och som ett kylningsmedel mellan vägytan och däcket. Som ett separationsmedel påverkas rullmotstånd av vattenvolym för kontaktytan mellan väg/däck, på grund av detta spelar däcksbredd, vattendjup och hastighet viktiga roller. Enligt mätresultat ökar rullmotståndet på ett exponentiellt sätt med vattendjupet och hastigheten. Olika författare har kommit fram till olika exponentiella modeller, men alla beskriver en kraftig ökning av rullmotstånd med hastighet. Effekten är således störst för motorvägar där man vanligtvis kör med hastigheter högre än 100 km/h.
Dessutom har rullmotståndsmätningar utförts särskilt för lastbilar på våta vägar, både på asfalts- och betongytor. Mätningarna gjordes med en lastbilsmätvagn och resultaten visade, på samma sätt som för lätta fordon, ett ökat rullmotstånd. Rullmotståndsökningen var större för asfaltsytan än för betongytan. Författarna noterade också att rullmotståndsökningen påverkades inte bara av undanträngande vatten utan också av förändring av temperatur och av däckets lufttryck.
Eftersom temperaturen påverkar rullmotståndet är det viktigt att ha kontroll på och mäta den under rullmotståndsmätningar. Temperatur och energispridning påverkas på olika sätt i olika däckdelar. Däckbältet svarar för en stor del av ett däcks energispridning, ungefär 34 procent av total energi- spridning (Gent, Walters 2005). Det är därför viktigt att kontrollera temperatur på relevanta delar av däcket. Temperaturens stabilitet bör man också övervaka, eftersom det tar mer än en timme för att stabilisera temperaturen under körning med konstant hastigheten. Även om det inte är så vanligt att köra under konstant hastighet under en så lång tid, är det viktigt att övervaka temperatur-övergångs- effekter medan man mäter rullmotstånd.
Energianvändningen vid drift av elfordon har blivit ett aktuellt undersökningsobjekt och naturligtvis spelar rullmotstånd en viktig roll när man önskar att bygga ett mer energieffektivt och klimatanpassat transportsystem. Tyvärr hittades inga särskilda mätningar eller modeller för elfordon på våta vägar, däremot inkluderas i rapporten en beskrivning av rullmotstånd i elfordon som innefattar hastighet och temperatur. Men enligt dessa resultat varierade rullmotståndskoefficienten för mycket, vilket betyder att det behövs en mer omfattande undersökning av rullmotstånd under olika vägförhållanden.
Dessutom visas att det är ett strategiskt intressant ämne att undersöka rullmotstånd för elfordon på våta vägar för det påverkar elfordonets användning.
Därtill kommer flygplan som också påverkas av rullmotstånd på våta underlag. Även om det finns modeller för att beräkna effekten av vatten i vägytan, visade mätresultaten att vattnets påverkan är mellan 15 och 40 procent högre än för teoretiska beräkningar. Dessutom sker vattenplaning vid lägre hastigheter än vad teoretiska beräkningar, upp till 20 procent lägre. Författaren rekommenderade en uppdatering av beräkningsmetoden.
Avslutningsvis angående våta vägar så pekar flera av de tidigare undersökningar på ett behov av förnyade mätningar av rullmotstånd på våta vägytor. Några möjligheter att ta fram uppdaterade mätningar och mer realistiska modeller är att noggrant kontrollera mäthastighet, vattendjup, däckstemperatur, ringtryck, och vägytan egenskaper. Man bör dessutom kontrollera icke-stationära effekter medan mätningar och kontrollera att vattenplaning inte händer. Ett sätt att kontrollera om vattenplaning sker eller inte är att mäta hjulets rotation.
Svårigheten med att studera snöns påverkan på rullmotståndet ligger i att det finns många olika typer av snö, med flera olika miljöförutsättningar, och beteenden vid deformation. De egenskaper som snö kan ha är mycket varierande och beror bland annat på aktuell utetemperatur, temperaturen under snöfallet, hur länge snön har legat, luftens fuktighet, snöns densitet, snökristallernas storlek och form
med mera. Shapiro (1997) menar att forskningen om snömekanik är relativt bristfällig då det inte sker så mycket forskning på området. De data som finns tillgängliga är dessutom relativt begränsade och de samband som man har tagit fram är inte tillräckligt utvecklade så att de kan användas för att beskriva snöns beteende med avseende på förhållanden för deformation och belastning. Det finns några studier som har testat en del empiriska och analytiska möjligheter men där man som bäst kommer upp i cirka 25 procent precision i genomsnitt mellan mätningar och beräkningar (Shapiro 1997). Man har sett att mätningar kan skilja sig markant åt i resultat, fast de är gjorda i snö som har liknande fysiska
egenskaper (Shapiro 1997). En anledning till detta kan vara olikheter i snöns interna styrka som beror på historiska förhållanden vad gäller exempelvis komprimering. Komplexiteten med snöns påverkan på rullmotstånd innebär att det behövs en kombination av teoretiska beräkningar och fälttester för att bestämma värden på de komponenter som bör ingå i motståndsfunktionen (Blokhin m.fl. 2016). En del studier har dock genomförts angående effekten på färdmotstånd som förekomsten av snö innebär. Det är både teoretiska studier som ämnar förklara påverkan av snö med funktioner som beskriver samband. I dessa funktioner är det ofta snödjup, däckens kontaktyta med vägyta och densitet som är de ingående förklaringsvariablerna. Dessa har sedan jämförts med mätningar av färd- och rullmotstånd för att se hur väl de stämmer överens. I stort visar resultaten att snö har en stor effekt på motståndet och att den inte är försumbar, speciellt i områden där snö ligger kvar på marken en längre tid. Färdmotståndets storlek beror bland annat på snöns densitet och tjocklek. Flera av de tidigare studierna har visat att rullmotståndet ökar med ökad snötjocklek och högre densitet (se till exempel Kihlgren 1977, Richmond 1996, Blokhin m.fl. 2016). Mariyama & Kimura (2018) visade delvis på motstående resultat i och med att deras mätningar resulterade i att färdmotståndet minskade med högre densitet. Dessa skillnader kan troligen förklaras med att mätningarna som presenterats i Mariyama & Kimura (2018) gjordes med snödensitet mellan 300 och 850 kg/m3 medan de andra studierna har utgått från snödensitet under 250 kg/m3. Det finns troligen en brytpunkt där snöns inre styrka gör att däcken inte sjunker ner så djupt i snön och den mängd snö som behöver tryckas undan eller komprimeras blir därmed mindre. Detta ligger också i linje med vad van Es (1999) kommit fram till. Även om en snö med högre densitet kräver en större kraft för att flyttas övervägs det extra kraftbehovet av att en mindre mängd kommer att flyttas eller tryckas ihop.
En nackdel i sammanhanget är att de mätningar som genomförts har gjorts med, och för fordon, som inte är representativa för de fordon som trafikerar normala vägar, det vill säga vanliga personbilar och lastbilar. Det mätningar som har genomförts har istället varit för terrängfordon eller flygplan.
Dessutom har de flesta mätningar genomförts under 70- och 80-talet. Sedan dess har såväl mätmetoder som mätutrustning utvecklats och blivit bättre. Även däckens egenskaper har förbättrats. Vissa försök som genomförts under senare år har gjorts utan att viktiga faktorer som snöns densitet och temperatur har registrerats eller redovisats varför det inte är möjligt att få en bra beskrivning av hur snö påverkar rullmotstånd.
För att få mätdata för rullmotstånd i snö och vatten som är anpassad för däck och fordon som används på vanliga vägar borde nya mätningar genomföras med de mätmetoder och den mätutrustning som är aktuell idag. En nyligen genomförd studie som man kan utgå ifrån och göra kompletterande mätningar till är Maruyama och Kiruma (2018) och deras utrullningsförsök med en instrumenterad lastbil. En lärdom från den japanska studien är att det i sammanhanget också är viktigt att mäta IRI då det visat sig att snö på vägen leder till högre IRI som i sin tur påverkar rullmotståndet. Resultaten från sådana nya mätningar kan ge aktuell information som kan användas för att uppdatera samband mellan väta på väg respektive vinterväglag och rullmotstånd samt bränsleförbrukning. Uppdateringen av detta kan ske i beräkningsmodulen för bränsleförbrukning med avseende på snöväglag i Vintermodellen samt i VETO-modellen för både väta och snö. Informationen kan sedan användas för att optimera
beläggningar med avseende på rullmotstånd där textur, ojämnhet och avvattningsförmåga ingår samt till att förbättra rekommendationerna för vinterväghållning.
Referenser
Arvidsson, A. (2017). The Winter Model – A new way to calculate socio-economic costs depending on winter maintenance strategy. Cold Regions Science and Technology, 136 (2017) 30–36.
Barrand, J. & Bokar, J. (2009). Reducing tire rolling resistance to save fuel and lower emissions. SAE
International Journal of Passenger Cars – Mechanical Systems. 1 (2009) 9–17.
Beuving, E., De Jonghe, T., Goos, D., Lindahl, T. & Stawarski, A. (2004). Environmental Impacts and
Fuel Efficiency of Road Pavements. Industry Report March 2004. Eurobitumen.
Blaisdell, G. L. (1981). Predicting wheeled vehicle motion resistance in shallow snow. CRREL Special Report 81–30, United States army corps of engineer, Cold regions research and engineering laboratory, Engineering research and development center, Hanover, New Hampshire, December 1981. Blaisdell, G. L., Richmond, P. W., Shoop, S. A., Green, C. E. & Alger R. G. (1990). Wheels and
Tracks in Snow - Validation Study of the CRREL Shallow Snow Mobility Model. CRREL Report 90–9,
United States army corps of engineer, Cold regions research and engineering laboratory, Engineering research and development center, Hanover, New Hampshire, November 1990.
Blokhin, A., Denisenko, E. & Fadeev, E. (2016). Evaluation of vehicle performance on snow. Estonian National Defence College, n.d. Web. 24 Oct. 2016.
Bode, O. & Bode M. (2013). Untersuchung des Rollwiederstands von Nutzfahrzeugreifen auf echten
Fahrbahnen. Berlin: Forschungsvereinigung Automobiltechnik E.V., FAT Schriftenreihe 255.
Bode, O. (2016). Untersuchung des Rollwiederstands von Nutzfahrzeugreifen auf realer Fahrbahnen. Berlin: Forschungsvereinigung Automobiltechnik E.V., FAT Schriftenreihe 285.
Bodin, A. (2001). Study of the influence of vehicle parameters on tractive performance in deep snow.
Journal of Terramechanics, 38 (2001) 47–59.
Carlson, A., Karlsson, R., Eriksson, O. (2016). Energy use due to traffic and pavement maintenance:
The cost effectiveness of reducing rolling resistance. VTI notat 9A–2016, Linköping: VTI.
Fierz, C., Armstrong, R. L., Durand, Y., Etchevers, P., Greene, E., McClung, D. M., Nishimura, K., Satyawali, P. K. & Sokratov, S. A. (2009). The International Classification for Seasonal Snow on the
Ground. IHP-VII Technical Documents in Hydrology N°83, IACS Contribution N°1, UNESCO-IHP,
Paris.
Fontaras, G. & Samaras, Z. (2010). On the way to 130 g CO2/km—Estimating the future characteristics of the average European passenger car. Energy Policy, 38 (2010) 1826–1833. Gengenbach, W. (1967). Das Verhalten von Kraftfahrzeugreifen auf trockener und insbesondere nasser Fahrbahn: Experimentelle Untersuchungen auf Prüfstand und Straße. Doktorsavhandling, Karlsruhe Universitet, Karsruhe.
Gent, A. N. & Walter, J. D. (2005). The pneumatic tire, NHTSA: Washington DC, USA.
Giesberts, M. K. H. (2001). Test and evaluation of precipitation drag on an aircraft caused by snow
Ejsmont, J., Sjögren, L., Świeczko-Żurek, B., Ronowski, G. (2015). Influence of road wetness on tire- pavement rolling resistance’, Journal of Civil Engineering and Architecture, 9, 2015, doi:
10.17265/1934-7359/2015.11.004.
European Aviation Safety Agency [EASA] (2017). Certification Specifications and Acceptable Means
of Compliance for Large Aeroplanes CS-25, Amendment 19.
Haakana, A., Lauriko, J., Granström, R. & Hagman, R. (2013). Assessing range and performance of
electric vehicles in Nordic driving conditions- End of project report. Nordisk Energiforskning,
December 18, 2013.
Hammarström, Ulf (2000). PMS–fordonskostnader. VTI notat 48–2000, Statens väg- och transportforskningsinstitut, Linköping.
Hammarström, U. & Karlsson, B. (1987). VETO – ett datorprogram för beräkning av
transportkostnader som funktion av vägstandard. VTImeddelande 501, Statens väg- och trafikinstitut,
Linköping.
Hammarström, U., Karlsson, R., Sörensen, H. (2009). Road surface effects on rolling resistance –
coastdown measurement with uncertainty analysis in focus. Deliverable D5(a) of Energy Conservation in Road Pavement Design, Maintenance and Utilisation (ECRPD). Statens väg och
transportforskningsinstitut, Linköping.
Hammarström, U., Eriksson, K., Karlsson, R. & Yahya M-R (2012). Rolling resistance model, fuel
consumption model and the traffic energy saving potential from changed road surface conditions. VTI
rapport 748A.
Harrison, W.L. (1981). Shallow snow model for predicting vehicle performance, CRREL Special Report 81-20, United States army corps of engineer, Cold regions research and engineering laboratory, Engineering research and development center, Hanover, New Hampshire, October 1981.
Hjort, M. (2012). Vinterdäck på drivaxel till tunga fordon – En väggreppsstudie. VTI notat 23–2012, Statens väg- och transportforskningsinstitut, Linköping.
Kihlgren, B. (1977). Flygplanshjuls rullmotstånd i torr nysnö. VTI Rapport Nr 128, Statens väg och trafikinstitut, Linköping.
Maruyama, K. & Kimura, T. (2018). Study on the influence of snow and ice on roads on the running
resistance and fuel efficiency of large vehicles. TRB 2018 Annual Meeting, January 7–11 2018,
Washington D.C.
Lidström, M. (1979). Aircraft rolling resistance in loose dry snow – A theoretical analysis. VTI rapport Nr 173A, Statens väg- och trafikinstitut, Linköping.
Michelin (2003). The tyre – Rolling resistance and fuel savings. Société de Technologie Michelin, 23, rue Breschet, 63000 Clermont-Ferrand.
Min, J., Fu, L. Usman, T. & Tan, Z. (2016). Does winter maintenance help reduce air emissions and fuel consumption? Transportation Research Part D, 48 (2016) 85–95.
MIRIAM – Models for rolling resistance In Road Infrastructure Management systems, hemsida: miriam-co2.net.
Mitschke, M., Wallentowitz, H. (2004). Dynamik der Kraftfahrzeuge. Springer, Berlin.
Möller, S. (2014). Tema Vintermodell – etapp 3, Förbättring, uppdatering och känslighetsanalys. VTI rapport 834.
National research council (2006). Tires and passenger vehicle fuel economy: Informing consumers,
improving performance, TRB Special Report 286, Transportation Research Board.
Nordin, L. & Arvidsson, A. (2014). Are winter road maintenance practices energy efficient? A geographical analysis in terms of traffic energy use. Journal of Transport Geography, 41 (2014) 163– 174.
Olsson, A. (1984). Matematisk modell för rullmotstånd i vatten. Examensarbete, Linköpings Universitet, Linköping.
Parker, M. W., Shoop, S. A., Coutermarsh, B. A., Wesson, K. D. & Stanley, J. M. (2009). Verification and validation of a winter driving simulator. Journal of Terramechanics. 46 (2009) 127–139.
Pytka, J. (2010). Determination of snow stresses under vehicle loads. Cold Regions Science and
Technology, 60 (2010) 137–145.
Richmond, P. W. (1990). Vehicle motion resistance due to snow. Proceedings of the Army Science conference.
Richmond, P. W., Blaisdell, G. L. & Green, C. E. (1990). Wheels and Tracks in Snow - Second
Validation Study of the CRREL Shallow Snow Mobility Model. CRREL Report 90–13, United States
army corps of engineer, Cold regions research and engineering laboratory, Engineering research and development center, Hanover, New Hampshire, December 1990.
Richmond, P. W. (1995). Motion resistance of wheeled vehicles in snow. CRREL Report 95–7, United States army corps of engineer, Cold regions research and engineering laboratory, Engineering research and development center, Hanover, New Hampshire, March 1995.
Sandberg, T. (2001). Heavy truck modeling for fuel consumption simulations and measurements. Licentiatuppsats, Linköpings Universitet.
Sandberg, U., red. (2011). Rolling resistance – Basic information and state-of-the-art on measurement
methods. Deliverable No 1 in MIRIAM SP 1, Final version, 2011-06-01.
Sandberg, U., Bergiers, A., Ejsmont, J., Goubert, L., Karlsson, R. & Zöler, M. (2011). Road surface
influence on tyre/road rolling resistance. Report MIRIAM, Deliverable SP1_04, Version 2011-12-31.
Shapiro, L. H., Johnson, J. B., Sturm, M. & Blaisdell, G. L. (1997). Snow mechanics – Review of the
state of knowledge and applications. CRREL Special Report 97–3, United States army corps of
engineer, Cold regions research and engineering laboratory, Engineering research and development center, Hanover, New Hampshire, August 1997.
Shoop, S. A. (2001). Finite element modeling of tire-terrain interaction. ERDC/CRREL TR-01-16, United States army corps of engineer, Cold regions research and engineering laboratory, Engineering research and development center, Hanover, New Hampshire, November 2001.
Shoop, S. A., Richmond, P. A. & Lacombe, J. (2006). Overview of cold regions mobility modeling at CRREL., Journal of Terramechanics. 43 (2006) 1–26.
Srirangam, S. K., Anupam, K., Scarpas, A. & Lasbergen, C. (2015). Development of a
thermomechanical tyre-pavement interaction model. International Journal of Pavement Engineering, 16 (8), 721–729.
Srirangam, S. K., Anupam, K., Kasbergen, C., Scarpas, A. & Cerezo, V. (2015). Study of influence of operating parameters on braking friction and rolling resistance. Transportation Research Record, 2525, 79–90.
van Es, G. W. H. (1999). A method for predicting the rolling resistance of aircraft tires in dry snow. National Aerospace Laboratory NLR, Technical Report NLR-TP-99249, Amsterdam 1999.
Wang, J., Besselink, I. J. M. & Nijimeijer, H. (2015). Electric vehicle energy consumption modelling and prediction based on road information. In: International Electric Vehicle Symposium and
Exhibition, Goyang, Republic of Korea.
Wong, J. Y. (1993). Theory of ground vehicles, John Wiley & Sons, New York.
Ye, Z., Veneziano, D. & Shi, X. (2013). Estimating statewide benefits of winter maintenance.
www.vti.se
VTI, Statens väg- och transportforskningsinstitut, är ett oberoende och internationellt framstående forskningsinstitut inom transportsektorn. Huvuduppgiften är att bedriva forskning och utveckling kring
infrastruktur, trafik och transporter. Kvalitetssystemet och
miljöledningssystemet är ISO-certifierat enligt ISO 9001 respektive 14001. Vissa provningsmetoder är dessutom ackrediterade av Swedac. VTI har omkring 200 medarbetare och finns i Linköping (huvudkontor), Stockholm, Göteborg, Borlänge och Lund.
The Swedish National Road and Transport Research Institute (VTI), is an independent and internationally prominent research institute in the transport sector. Its principal task is to conduct research and development related to infrastructure, traffic and transport. The institute holds the quality management systems certificate ISO 9001 and the environmental management systems certificate ISO 14001. Some of its test methods are also certified by Swedac. VTI has about 200 employees and is located in Linköping (head office), Stockholm, Gothenburg, Borlänge and Lund.
HEAD OFFICE LINKÖPING SE-581 95 LINKÖPING PHONE +46 (0)13-20 40 00 STOCKHOLM Box 55685 SE-102 15 STOCKHOLM PHONE +46 (0)8-555 770 20 GOTHENBURG Box 8072 SE-402 78 GOTHENBURG PHONE +46 (0)31-750 26 00 BORLÄNGE Box 920 SE-781 29 BORLÄNGE PHONE +46 (0)243-44 68 60 LUND Medicon Village AB SE-223 81 LUND PHONE +46 (0)46-540 75 00