Einflüsse der mikroskaligen Oberflächengeometrie von Asphaltdeckschichten auf das Tribosystem Reifen-Fahrbahn

Abstract

Im Verkehrswesen werden an eine qualitativ hochwertige und dauerhafte Straßenverkehrsanlage besondere Anforderungen hinsichtlich Sicherheit und Funktionalität gestellt. In der Arbeit werden daher die qualitativen und quantitativen Einflüsse von extrinsischen und intrinsischen Faktoren auf diese wesentlichen Grundanforderungen untersucht. Bei einer isolierten Betrachtung der Oberfläche einer Fahrbahndeckschicht als das Verbindungselement zwischen dem Reifen und der Straße hinsichtlich dieser Grundanforderungen, gelten ein ausreichendes Drainagevermögen, die Griffigkeit und das akustische Verhalten als die zentralen Oberflächeneigenschaften. Diese funktionalen Eigenschaften werden im Wesentlichen durch die geometrische Ausprägung einer Deckschicht, der Textur, beeinflusst und können unterschiedliche, teils gegensätzliche Anforderungen besitzen. Beispielsweise ist die Grobrauheit (Makrotextur) für das horizontale Drainagevermögen ausschlaggebend, während die Feinrauheit (Mikrotextur) für eine ausreichende Haftreibung zwischen Reifen und Fahrbahn verantwortlich ist. Umgekehrt existiert ein Wellenlängenbereich der Oberflächentextur, der sowohl auf die Griffigkeit als auch auf das akustische Verhalten der Deckschicht einwirkt. Das übergeordnete Ziel aktueller Forschungsarbeiten im Straßenwesen ist daher die Entwicklung von Modellen, auf deren Grundlage jede der Oberflächeneigenschaften für sich mittels numerischen Simulationsverfahren abgebildet werden kann. Eine anschließende Kombination dieser einzelnen Modelle stellt die Möglichkeit in Aussicht, im Bereich der Asphalttechnologie zukünftig Materialdesign zu betreiben. Auf diese Weise lassen sich, je nach Anforderung an die Oberflächeneigenschaften einer konkreten Straße, bestimmte funktionale Eigenschaften gezielt begünstigen. Im Fokus dieser Arbeit liegt die Untersuchung der Griffigkeit von Fahrbahnoberflächen. Primäres Ziel ist dabei die Bestimmung des Zusammenhangs zwischen der hochaufgelöst gemessenen Geometrie der Oberflächentextur auf der Mikroskala und der daraus abzuleitenden Dimension der Griffigkeit, insbesondere dem damit verbundenen Haftreibungsniveau. Dazu werden zunächst geometrische und statistische Parameter von bestehenden Asphaltproben bestimmt, um die isotrope Textur einer Deckschicht eindeutig definieren zu können. Anschließend werden auf Grundlage dieser Parameter künstliche Texturen mit unterschiedlichen Wellenlängen generiert. Dabei wird der selbstaffine Charakter des technischen Werkstoffs Asphalt herangezogen und anhand seiner mehrskaligen fraktalen Struktur realitätsnahe Mikrotexturen generiert. In diesem Zuge werden Methoden in ein Software-Tool implementiert, mit denen im Rahmen der Datenvorverarbeitung die aus den Texturmessungen resultierenden fehlenden oder verrauschten Texturhöhendaten sowie Irregularitäten, wie Messausreißer, aufbereitet respektive beseitigt werden können. Des Weiteren werden Funktionen entwickelt, die es ermöglichen mithilfe von Filterverfahren die langwelligen Anteile (Makrotextur) von den kurzwelligen Anteilen (Mikrotextur) zu trennen, um auf diese Weise eine exklusive Betrachtung der Mikrotextur zu erreichen. Im Anschluss daran wird die Reibkomponente Hysterese, der Energietransfer zwischen Reifen und rauen Oberflächen, der auftritt, wenn das Elastomer durch die Unebenheiten der Textur zusammengepresst wird und anschließend wieder in seine Ausgangsposition zurückfedert, numerisch simuliert. Mithilfe dieses Wissens können die Grundlagen geschaffen werden, um mittelfristig die konventionellen Griffigkeitsmessverfahren, die alle taktil erfolgen und daher aufwendig und kostenintensiv sind, durch berührungslose optische Messmethoden zu ersetzen. Zahlreiche Modelle zur Beschreibung der Griffigkeit betrachten lediglich Profilschnitte und vernachlässigen dadurch die dreidimensionalen statistischen Eigenschaften einer Textur. In der vorliegenden Arbeit wird daher eine hierarchische Simulationsmethodik eingeführt. Sie ermöglicht es das komplexe dreidimensionale Kontaktproblem Reifen-Fahrbahn auf ein vereinfachtes eindimensionales Ersatzsystem zu reduzieren, ohne die dreidimensionalen Kontakteigenschaften zu vernachlässigen. Auf dieser Basis lässt sich die Haftreibung rechentechnisch effizient simulieren. Das in der numerischen Simulation entstehende tribologische Modell führt die Parameter der Texturgeometrie und die viskoelastischen Eigenschaften des Reifenelastomers zusammen. Dies ermöglicht als Ergebnis die Ableitung der in den Mikrokontakten wirksamen Kraftverhältnisse, aus denen sich quantitativ geschwindigkeits- und belastungsabhängige Haftreibungskoeffizienten und effektive Kontaktflächen zwischen den beiden Reibpartnern ermitteln lassen. Die spezifische Variation von Texturen und ein Vergleich der daraus berechneten Reibkurven mit den eingangs bestimmten Parametern zur Charakterisierung der Texturen ergibt Aufschluss über den Zusammenhang der Mikrotexturgeometrie und dem dazugehörigen Griffigkeitsniveau.

Safety and functionality are the basic requirements in road construction. In the present thesis, the qualitative and quantitative influence of the extrinsic and intrinsic factors is thoroughly investigated, in order to point out how it achieves the safety and functionality requirements. If the only interface between road and tire is the wearing course, the most important surface characteristics are good skid resistance (drainage capability, friction) and acoustic behavior. These are strongly influenced by the geometrical properties of the wearing course (texture) and may have contradictory needs. Different wavelengths dimensions of a texture affect different surface characteristics. Skid resistance depends on a pavement's macrotexture (drainage capability) and microtexture (friction). The longterm objective of road engineering science is to develop models to simulate all the single characteristics of the wearing course. For this purpose, every single characteristic has to be investigated and modeled independently and afterwards, single approaches can prospectively be combined in order to design asphalt surface characteristics artificially. The main focus of the current research is investigating the skid resistance of road surface. In scientific literature, skid resistance is defined as the force developed when a tire that is prevented from rotating, slides along the pavement surface. Therefore, the priority is to identify the dependency between road surface geometry (texture) and related dimensions of skid resistance. This is done by simulating the hysteresis component of friction, which is the main cause of energy loss associated with rolling resistance, between rubber and threedimensional rough surfaces on microscale. This could be used as the base to develop a contactless optical method to determine skid resistance of a road surface and to replace the conventional tactile friction measuring methods, which are elaborate and expensive. First, geometrical and spatial parameters of textures heights derived from precise optical measurement systems are determined in order to characterize isotropic asphalt surfaces. Secondly, virtual textures on various wavelength dimensions are generated by utilization of the multi-scale fractal structure. Therefore, the current work introduces pre-processing methods to interpolate missing data and to eliminate noisy data and inconsistencies, such as outliers from texture data. Additionally, the developed software toolbox provides the possibility to separate textures into its long-wave (macrotexture) and short-wave range (microtexture), for further geometry evaluation. Most of the friction or skid resistance models regard only profiles, without considering the three-dimensional statistical properties of textures. To improve that and to reduce large volume of texture data, a hierarchical high-performance simulation method is applied. Therefore, the three-dimensional contact problem is reduced into a simplified onedimensional analogous system, which has the identical contact properties as the threedimensional texture. Then, the combination of geometry and the appearing friction build the tribological model, which is transferred into a contact mechanical simulation to reproduce rubber friction numerically. The follow-up simulation of the hysteresis component of friction is based on the derived equivalent one-dimensional model taking into account the visco-elastic properties of tire’s elastomer material. The results of the simulation are the acting forces in related microcontact points. Based on this principle, the rubber friction coefficient and the real contact area between tire and road can be derived. This gives the opportunity to specify the connection between various road surface geometries and the related dimensions of skid resistance, by varying the geometry of specific textures and analyzing the differences of simulation results.