ISO/TR 22131:2018
(Main)Railway applications — Railway braking — Country specific applications for ISO 20138-1
Railway applications — Railway braking — Country specific applications for ISO 20138-1
This document provides additional information to assist the understanding and the use of ISO 20138-1. The calculations in this document follow the same principles but they are slightly different. This document contains country specific calculation approaches currently in use and represents the state of knowledge including for calculating: — stopping and slowing distances; — equivalent response time; — brake performance; — brake ratio.
Applications ferroviaires — Freinage ferroviaire — Applications nationales spécifiques de l'ISO 20138-1
Le présent document fournit des informations supplémentaires afin de faciliter la compréhension et l'utilisation de l'ISO 20138-1. Les calculs donnés dans le présent document, quoique légèrement différents, suivent les mêmes principes. Le présent document décrit des approches de calcul nationales spécifiques actuellement en vigueur et représente l'état actuel des connaissances pour le calcul: — des distances d'arrêt et de ralentissement; — du temps de réponse équivalent; — de la performance de freinage; — du taux de freinage.
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TECHNICAL ISO/TR
REPORT 22131
First edition
2018-10
Railway applications — Railway
braking — Country specific
applications for ISO 20138-1
Applications ferroviaires — Freinage ferroviaire — Applications
spécifiques nationales de l'ISO 20138-1
Reference number
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©
ISO 2018
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Published in Switzerland
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ISO/TR 22131:2018(E)
Contents Page
Foreword .iv
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Terms and definitions . 1
4 Slowing or stopping distance calculation using a method implemented in France .1
4.1 General . 1
4.2 Terms, symbols and abbreviations . 1
4.3 Slowing or stopping distance calculation . 2
4.3.1 French model for “G” position . 2
4.3.2 Calculation using ISO 20138-1:2018, 5.7.5.1 (step model) . 3
4.4 Example of calculation . 4
4.4.1 Test results . 4
4.4.2 Comparison of calculation models with test results . 4
5 Calculation of braking performance implemented in Japan . 5
5.1 General . 5
5.2 Brake ratio for a single vehicle . 5
5.3 Example for brake ratio calculation . 6
5.4 Equivalent response time . 8
6 Stopping or slowing distance calculation methods for some particular rolling stock
in China . 9
6.1 General . 9
6.2 Definitions, symbols and abbreviations . 9
6.3 Train resistance retarding forces .11
6.3.1 Basic running resistance .11
6.3.2 Curve resistance .12
6.4 Train brake block force .14
6.4.1 Total brake block force of train . .14
6.4.2 Real friction coefficient .14
6.4.3 Conversion friction coefficient .15
6.4.4 Real brake block force .16
6.4.5 Nominal values of rigging efficiency .17
6.4.6 Emergency brake cylinder pressure .17
6.4.7 Conversion brake block force .17
6.4.8 Conversion braking ratio .19
6.4.9 Train unit brake retarding force .21
6.4.10 Dynamic brake force .21
6.4.11 Coefficient of adhesion .21
6.5 Brake calculation .22
6.5.1 Braking time .22
6.5.2 Free running time .22
6.5.3 Stopping/slowing distance .23
Bibliography .25
© ISO 2018 – All rights reserved iii
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ISO/TR 22131:2018(E)
Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards
bodies (ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out
through ISO technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical
committee has been established has the right to be represented on that committee. International
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Any feedback or questions on this document should be directed to the user’s national standards body. A
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TECHNICAL REPORT ISO/TR 22131:2018(E)
Railway applications — Railway braking — Country
specific applications for ISO 20138-1
1 Scope
This document provides additional information to assist the understanding and the use of ISO 20138-1.
The calculations in this document follow the same principles but they are slightly different.
This document contains country specific calculation approaches currently in use and represents the
state of knowledge including for calculating:
— stopping and slowing distances;
— equivalent response time;
— brake performance;
— brake ratio.
2 Normative references
There are no normative references in this document.
3 Terms and definitions
No terms and definitions are listed in this document.
ISO and IEC maintain terminological databases for use in standardization at the following addresses:
— ISO Online browsing platform: available at https: //www .iso .org/obp
— IEC Electropedia: available at http: //www .electropedia .org/
4 Slowing or stopping distance calculation using a method implemented in France
4.1 General
This calculation is based on the alternative method of equivalent response time calculation, as used in
the French railway requirements, in particular for trains operating in “G” position.
4.2 Terms, symbols and abbreviations
For the purpose of Clause 4, the terms, symbols and abbreviations defined in Table 1 apply.
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ISO/TR 22131:2018(E)
Table 1 — Symbols, definitions and units
Term, symbol Definition Unit
or abbrevia-
tion
1 Point when the brake force, deceleration or pressure has been substantially —
achieved, typically 95 %
2
a Equivalent deceleration (on level track, without considering gradient effect) m/s
e
2
g Standard acceleration of gravity m/s
[9]
“G” position Distributor valve and distributor isolating devices (as defined in EN 15355 )
i Gradient of the track (positive rising/negative falling) —
s Stopping/slowing distance on a gradient m
grad
s Stopping distances measured during the tests m
tests
t Equivalent response time s
e
2·t Equivalent response time multiplied by 2 s
e
v Initial speed m/s
0
v Final speed (= 0 in the case of a stopping distance) m/s
fin
X Time s
Y Factor of nominal braking force, deceleration or pressure —
4.3 Slowing or stopping distance calculation
4.3.1 French model for “G” position
This model provides a high level of accuracy for the calculation of stopping distances of trains with long
build up time (e.g. “G” position). It is currently used by the infrastructure managers in order to evaluate
the conformance of a train with the train control system and the length of the signalling sections.
For this French model of slowing or stopping distance calculation, Figure 1 may be used for trains
operating in “G” position for brake systems with retarding forces acting on rail contact point.
The model uses a linear development of the effort from 0 to 1 during a time of 2·t .
e
The equivalent response time, t , can be calculated as set out in Formula (1):
e
t
ab
tt=+ (1)
ea
2
with t and t in accordance with ISO 20138-1:2018, 5.5.2.
a ab
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Key
Y factor of nominal braking force, deceleration or pressure
X time, in s
1 point when the full brake force, deceleration or pressure has been achieved, typically 95 % of maximum value
2 × t equivalent response time multiplied by 2, in s
e
Figure 1 — Model based on a linear development of the effort from 0 to 1 during a time of 2·t
e
The stopping (v = 0) or slowing distance can be calculated as set out in Formula (2):
fin
2
22
at⋅⋅ ag+4⋅⋅i
a vv− ()
ee e
e 0 fin
sv= ⋅⋅t + − (2)
grad 0 e
ag+ ⋅⋅i 2 ag+ ⋅i 66⋅⋅a + gi
() ()
e e e
NOTE 1 The equivalent deceleration, a , does not take the effect of the gradient into account.
e
Formula (3) is valid for stopping/slowing distance calculation with fully established braking forces.
The following condition is fulfilled:
vv−≥ ai+⋅2 ⋅t (3)
()
0 fine e
where
s is the stopping/slowing distance on a gradient, in m;
grad
v is the initial speed, in m/s;
0
t is the equivalent response time, in s;
e
2
a is the equivalent deceleration (on level track, without considering gradient effect), in m/s ;
e
2
g is the standard acceleration of gravity, in m/s ;
i is the gradient of the track (positive rising/negative falling);
v is the final speed (= 0 in the case of a stopping distance), in m/s.
fin
NOTE 2 The stopping/slowing distance as calculated by applying Formula (3) will be shorter than calculated
according to the method described in ISO 20138-1:2018, 5.7.4.
4.3.2 Calculation using ISO 20138-1:2018, 5.7.5.1 (step model)
ISO 20138-1:2018, 5.7.5.1, gives Formula (4) for calculations on level track (i = 0) or with gradient.
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ISO/TR 22131:2018(E)
t
ab
It uses the model for theoretical response time tt=+ as “step” model.
ea
2
2
m
st 2
v −⋅gi⋅⋅tv −
0 e ffin
m
m dyn
1
st 2
sv=⋅t −⋅gi⋅⋅t + (4)
grad 0 e e
2 m 2a
dyn e
With train resistance and dynamic mass which compensate each other and v = 0, the formula is
fin
simplified as Formula (5):
2
vg−⋅it⋅ ²
gi⋅⋅t ()
0 e
e
sv=⋅t − + (5)
grad 0 e
22a
e
where
s is the stopping/slowing distance on a gradient, in m;
grad
v is the initial speed, in m/s;
0
t is the equivalent response time, in s;
e
m is the static mass, in kg;
st
m is the dynamic mass, in kg;
dyn
2
g is the standard acceleration of gravity, in m/s ;
i is the gradient of the track (positive rising/negative falling);
2
a is the equivalent deceleration (on level track, without considering gradient effect), in m/s ;
e
v is the final speed (= 0 in the case of a stopping distance), in m/s.
fin
4.4 Example of calculation
4.4.1 Test results
This example is based on a long train of 1 000 m in “G” position.
As a reference for further comparison, the tests realized on the tracks have provided the following
results for the stopping distances s :
tests
Stopping distance on level track 824 m
Stopping distance on a down gradient of 5 ‰ 885 m
Stopping distance on an up gradient of 5 ‰ 776 m
The equivalent response time, t (delay time + 1/2 brake build-up time), derived from the results of the
e
tests is 15,5 s.
The equivalent deceleration without including the effect of the gradient, a , derived from the results of
e
2
the tests is 0,89 m/s .
4.4.2 Comparison of calculation models with test results
The stopping distances, s , calculated using Formula (5) (simplified ISO 20138-1 “step model”) are
tests
given in Table 2:
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ISO/TR 22131:2018(E)
Table 2 — Stopping distances calculated using step model
v g i t a s s Difference
0 e e grad tests
s vs s
grad tests
2 2
km/h m/s mm/m s m/s m m %
Level track 100 9,81 0 15,5 0,89 864,0 824 5 %
Up gradient 100 9,81 5 15,5 0,89 834,7 776 8 %
Down gradient 100 9,81 −5 15,5 0,89 894,0 885 1 %
The stopping distances, s , calculated using Formula (2) (French alternative method) are given in
tests
Table 3:
Table 3 — Stopping distances calculated using French alternative method
Condition
Difference
v g i t a s s
v ≥ (a + 2g · i) t
0 e e grad tests
0 e e s vs
grad
s
2 2
v (a + 2g · i) t tests
km/h m/s mm/m s m/s m m
0 e e
%
m/s m/s
Level track 100 9,81 0 15,5 0,89 27,8 >13,8 828,4 824 <1 %
Up gradient 100 9,81 5 15,5 0,89 27,8 >15,3 777,7 776 0 %
Down
100 9,81 −5 15,5 0,89 27,8 >12,3 885,0 885 0 %
gradient
The values in the table demonstrate the following:
— The stopping distances calculated with the French alternative method are shorter than the ones of
the simplified “step model” of ISO 20138-1.
— The stopping distances calculated with the French alternative method are more accurate and closer
to the test results on the track.
5 Calculation of braking performance implemented in Japan
5.1 General
[3]
In Japan, the fundamental law is the Railway Operation Act . In addition, the Technical Regulatory
Standards on Japanese Railway are published by the Ministry of Land, Infrastructure and Transport
and Tourism (MILT). The technical regulation consists of ministerial ordinances and approved model
specifications. Explanatory documents which complement the ministerial ordinances and approved
model specifications and help users to interpret these correctly have also been published. These
[4][7][8]
documents are generally used as standards as well as Japanese Industrial Standards (JIS) and
[5][6]
Japan Association of Rolling Stock Industries standards (JRIS) , etc. in Japan.
5.2 Brake ratio for a single vehicle
The brake ratio is used to compare the capability of single vehicles and is used for design assessment.
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ISO/TR 22131:2018(E)
The braking force for a single vehicle can be calculated as set out in Formula (6):
Fn=⋅Ap⋅⋅i ⋅η (6)
totcyl totc tottot
where
F is the braking force, in kN;
tot
n is the number of brake cylinders;
cyl
2
A is the area of a cylinder, in m ;
tot
p is the brake cylinder pressure, in kPa;
c
i is the total rigging ratio;
tot
ƞ is the mechanical efficiency.
tot
The brake ratio for a single vehicle can be calculated as set out in Formula (7):
F
tot
θ = ⋅⋅C 100 (7)
Mg⋅
tot
with
μ
A
C= (8)
μ
C
where
Ɵ is the brake ratio for a single vehicle, in %;
F is the braking force, in kN;
tot
M is the operational mass of the vehicle plus load, in t;
tot
2
g is the standard acceleration of gravity, in m/s ;
C is the ratio of friction coefficients;
µ is the friction coefficient of applied brake block;
A
µ is the friction coefficient of cast iron block (assumed to be 0,15).
C
NOTE The friction coefficient of applied brake block, µ , and the acceptance criteria of the brake ratio are
A
outside the scope of this document.
5.3 Example for brake ratio calculation
In case of a vehicle with a tread brake unit per wheel, as shown in Figure 2, input data are shown in
Table 4.
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ISO/TR 22131:2018(E)
Figure 2 — A vehicle with a tread brake unit per wheel
Table 4 — Input data
Description Symbol Example Unit
value
Diameter of brake cylinder d 0,152 m
cyl
2
Standard acceleration of gravity g 9,807 m/s
Total rigging ratio i 3,6 —
tot
Operational mass m 31,4 t
op
kg/per-
Mass per person m 55
p
son
Number of brake cylinders n 8 —
cyl
Passenger capacity n 153 —
p
Brake cylinder pressure p 303 kPa
c
Mechanical efficiency (including counter force) ƞ 1,0 —
tot
Friction coefficient of applied brake block —
µ 0,3
A
(composite brake block)
The braking force of a vehicle can be calculated as set out in Formula (6):
Fm= 0,²152 ⋅π/,48⋅⋅303kPa⋅⋅36 10,
()
tot
F =158,4kN
tot
The mass of a loaded vehicle can be calculated as set out in Formula 9:
Mm=+op nmpp⋅ (9)
tot
55
M =+31,4tt153⋅ ⋅
tot
1000
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ISO/TR 22131:2018(E)
M =39,82t
tot
The ratio of friction coefficients, C, using composite brake blocks can be calculated as set out in
Formula (8):
03,
C==20,
01, 5
In the end, the brake ratio for a loaded vehicle can be calculated as set out in Formula (7):
158,4kN
θ = ⋅⋅20, 100
39,,82tm⋅9 807 /²s
θ=81%
5.4 Equivalent response time
In Japan, an equivalent response time is determined as below.
Case 1: Determination based on train speed
The equivalent response time is determined based on train speed. In this case, the brake command and
speed are measured. In the time series chart shown in Figure 3, the horizontal line is extended from the
speed at the starting point of the braking. Moreover, another line is extended from around the speed at
which the deceleration is almost constant. The equivalent response time is decided as the time between
the start of braking and cross point of two extended lines.
Key
Y1 speed
Y2 brake command
X time, in s
1 equivalent response time
a
Extend the horizontal line from the starting point of the braking.
b
Deceleration is almost constant.
Figure 3 — Equivalent response time in case 1 “based on train speed”
8 © ISO 2018 – All rights reserved
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ISO/TR 22131:2018(E)
Case 2: Determination based on BC pressure response
The equivalent response time is determined based on BC pressure response. In this case, it is the time
when the brake cylinder pressure reaches about 60 % to 70 % (typically 63,2 %) of set point from the
starting point of braking.
Key
Y1 brake cylinder pressure
Y2 brake command
X time, in s
1 equivalent response time
Figure 4 — Equivalent response time in case 2 “BC pressure response”
6 Stopping or slowing distance calculation methods for some particular rolling
stock in China
6.1 General
[2]
The following has been taken from a Chinese Railway Industry Standard .
Until now, some traditional calculation methods have been used for conventional predefined units, e.g.
long trains hauled by locomotive. The numerical parameters given in this traditional method are based
on test data and experience and are used for the vehicle design.
6.2 Definitions, symbols and abbreviations
For the purpose of this clause, the definitions, symbols and units given in Table 5 apply.
Table 5 — General definitions, symbols and units
Definition Symbol Unit
Total brake block force of train B kN
Dynamic brake force B kN
d
Train unit brake retarding force b N/kN
Coefficient independent of speed C N/kN
1
Coefficient dependent on speed C · v N/kN
2
2
Coefficient dependent on squared speed C · v N/kN
3
Diameter of brake cylinder d mm
z
Hauled mass G t
2
Standard acceleration of gravity g m/s
Gradient (positive rising/negative falling) i ‰
Calculation gradient i ‰
j
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ISO/TR 22131:2018(E)
Table 5 (continued)
Definition Symbol Unit
Single brake block force/retarding force K kN
'
Brake force per brake pad of vehicle kN
K
Conversion brake force per brake block of train K kN
h
'
Conversion brake force per brake block of locomotive kN
K
h
''
Conversion brake force per brake block of vehicle kN
K
h
Total distance along the curve including the transition curve
L m
r
lengths
Equivalent constant curve length l m
r
Transition length l , l m
yz1 yz2
Train overall length l m
1
Number of vehicles n —
Number of brake blocks n —
k
Number of brake cylinders n —
z
Mass of locomotive P t
Cylinder pressure p kPa
z
Brake pipe pressure p kPa
1
Curve radius R m
Wheel radius R mm
c
Brake pipe pressure drop r kPa
Mean swept radius of the brake pad on the disc face r mm
m
Effective braking distance s m
e
Free running distance s m
k
Stopping/slowing distance s m
z
Effective braking time t s
e
Free running time t s
k
Braking time t s
z
Running speed v km/h
Initial speed v km/h
0
Particular speeds v … v km/h
1 2
Angle of constant curve sector α °
Service brake coefficient β —
c
Rigging ratio γ —
z
Rigging efficiency η —
z
Conversion braking ratio of train ϑ —
h
Train conversion brake ratio θ —
hc
Conversion brake force per brake block of vehicle θ kN
h
Coefficient of adhesion µ —
z
Circumference rate π —
Conversion friction coefficient φ —
h
Friction coefficient of each type of brake block φ —
k
Additional curve resistance ω N/kN
r
Basic running resistance for a train ω N/kN
0
Basic running resistance for a single vehicle ω' N/kN
0
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ISO/TR 22131:2018(E)
6.3 Train resistance retarding forces
6.3.1 Basic running resistance
′
The basic running resistance for a single vehicle, ω , can be calculated as set out in Formula (10).
0
' 2
ω =+CC ⋅+vC ⋅v (10)
01 23
where
'
is the basic running resistance for a single vehicle, in N/kN;
ω
0
C is the coefficient independent of speed, in N/kN;
1
C · v is the coefficient dependent on speed, in N/kN;
2
2
C · v is the coefficient dependent on squared speed, in N/kN;
3
v is the running speed, in km/h.
Table 6 sets out the characteristic coefficients, C , C , C , for specific Chinese vehicles.
1 2 3
Table 6 — Characteristic coefficients for specific Chinese vehicles
Characteristic coefficient
Vehicle type
C C C
1 2 3
Electric locomotives
SS , SS and SS 2,25 0,019 0 0,000 320
1 3 4
SS 1,40 0,003 8 0,000 348
7
SS 1,02 0,003 5 0,000 426
8
6K 1,02 0,003 5 0,000 426
8G 2,55 0,008 3 0,000 212
Diesel locomotives
DF 2,93 0,007 3 0,000 27
DF 2,98 0,020 2 0,000 33
2
DF (for freight wagon, 2,28 0,029 3 0,000 178
4
for passenger coach)
DF B (for freight wagon, for
4
passenger coach)
DF C (for freight wagon)
4
DF 1,31 0,016 7 0,000 391
5
DF D 2,28 0,029 3 0,000 178
7
DF 2,40 0,002 2 0,000 391
8
DF 0,86 0,005 4 0,000 218
11
DFH 1,96 0,010 5 0,000 549
3
Steam locomotives
JS 0,74 0,016 8 0,000 700
QJ 0,70 0,024 3 0,000 673
a
Coefficients are used when oil tank wagon is coupled with other freight wagons.
b
If a train consists of one or several oil tank wagons (not an oil tank wagon trainset),
then the basic running resistance for a single oil tank wagon should be calculated as rolling
bearing wagon.
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Table 6 (continued)
Characteristic coefficient
Vehicle type
C C C
1 2 3
Passenger coaches
21, 22 (v = 120 km/h) 1,66 0,007 5 0,000 155
max
25B, 25G (v = 140 km/h) 1,82 0,010 0 0,000 145
max
Single deck passenger coach 1,61 0,004 0 0,000 187
(v = 160 km/h)
max
Double deck passenger coach 1,24 0,003 5 0,000 157
(v = 160 km/h)
max
Freight wagons
Rolling bearing wagon 0,92 0,004 8 0,000 125
a
(loaded)
Sliding bearing wagon 1,07 0,001 1 0,000 236
(loaded)
Oil tank wagon trainset 0,53 0,012 1 0,000 080
b
(loaded)
Empty wagon (fit for all types 2,23 0,005 3 0,000 675
of wagon)
a
Coefficients are used when oil tank wagon is coupled with other freight wagons.
b
If a train consists of one or several oil tank wagons (not an oil tank wagon trainset),
then the basic running resistance for a single oil tank wagon should be calculated as rolling
bearing wagon.
The basic running resistance of train, ω , is calculated as set out in Formula (11).
0
''
PG⋅+ωω⋅
00
ω = (11)
0
PG+
where
ω is the basic running resistance for a train, in N/kN;
0
P is the mass of locomotive, in t;
'
is the basic running resistance for a single vehicle, in N/kN;
ω
0
G is the hauled mass, in t.
6.3.2 Curve resistance
The curve resistance depends on curve length and radius as shown in Figure 5. The dimensions of the
curve-geometry are given by railway map.
12 © ISO 2018 – All rights reserved
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...
RAPPORT ISO/TR
TECHNIQUE 22131
Première édition
2018-10
Applications ferroviaires — Freinage
ferroviaire — Applications nationales
spécifiques de l'ISO 20138-1
Railway applications — Railway braking — Country specific
applications for ISO 20138-1
Numéro de référence
ISO/TR 22131:2018(F)
©
ISO 2018
---------------------- Page: 1 ----------------------
ISO/TR 22131:2018(F)
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Publié en Suisse
ii © ISO 2018 – Tous droits réservés
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ISO/TR 22131:2018(F)
Sommaire Page
Avant-propos .iv
1 Domaine d'application . 1
2 Références normatives . 1
3 Termes et définitions . 1
4 Calcul des distances d'arrêt ou de ralentissement selon une méthode appliquée en
France . 1
4.1 Généralités . 1
4.2 Termes, symboles et abréviations . 1
4.3 Calcul des distances de ralentissement ou d'arrêt . 2
4.3.1 Modèle français pour la position «G» . 2
4.3.2 Calcul selon le Paragraphe 5.7.5.1 de l'ISO 20138-1:2018 (modèle à paliers) . 3
4.4 Exemple de calcul . 4
4.4.1 Résultats d'essai . 4
4.4.2 Comparaison des modèles de calcul avec les résultats d'essai . 5
5 Calcul de la performance de freinage utilisé au Japon. 5
5.1 Généralités . 5
5.2 Taux de freinage d'un véhicule isolé. 5
5.3 Exemple de calcul du taux de freinage . 6
5.4 Temps de réponse équivalent. 8
6 Méthodes de calcul des distances d'arrêt ou de ralentissement pour certains
matériels roulants particuliers en Chine . 9
6.1 Généralités . 9
6.2 Définitions, symboles et abréviations . 9
6.3 Efforts retardateurs dus à la résistance du train .11
6.3.1 Résistance à l'avancement .11
6.3.2 Résistance en courbe . .12
6.4 Effort de freinage aux semelles pour un train .14
6.4.1 Effort total de freinage aux semelles du train .14
6.4.2 Coefficient de frottement réel .14
6.4.3 Coefficient de frottement unifié .15
6.4.4 Effort réel d'application à la semelle .16
6.4.5 Valeurs nominales du rendement de la timonerie de frein . .17
6.4.6 Pression de freinage d'urgence au cylindre de frein .17
6.4.7 Effort d'application unifié à la semelle .18
6.4.8 Taux de freinage unifié .19
6.4.9 Effort retardateur total des freins du train .21
6.4.10 Effort de freinage dynamique .21
6.4.11 Coefficient d'adhérence .21
6.5 Calcul du freinage .22
6.5.1 Temps de freinage .22
6.5.2 Temps de marche sur l'erre .22
6.5.3 Distance d'arrêt/de ralentissement .23
Bibliographie .25
© ISO 2018 – Tous droits réservés iii
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ISO/TR 22131:2018(F)
Avant-propos
L'ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d'organismes
nationaux de normalisation (comités membres de l'ISO). L'élaboration des Normes internationales est
en général confiée aux comités techniques de l'ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude
a le droit de faire partie du comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales,
gouvernementales et non gouvernementales, en liaison avec l'ISO participent également aux travaux.
L'ISO collabore étroitement avec la Commission électrotechnique internationale (IEC) en ce qui
concerne la normalisation électrotechnique.
Les procédures utilisées pour élaborer le présent document et celles destinées à sa mise à jour sont
décrites dans les Directives ISO/IEC, Partie 1. Il convient, en particulier, de prendre note des différents
critères d'approbation requis pour les différents types de documents ISO. Le présent document a été
rédigé conformément aux règles de rédaction données dans les Directives ISO/IEC, Partie 2 (voir www
.iso .org/ directives).
L'attention est attirée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l'objet de
droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L'ISO ne saurait être tenue pour responsable
de ne pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence. Les détails concernant
les références aux droits de propriété intellectuelle ou autres droits analogues identifiés lors de
l'élaboration du document sont indiqués dans l'Introduction et/ou dans la liste des déclarations de
brevets reçues par l'ISO (voir www .iso .org/ brevets).
Les appellations commerciales éventuellement mentionnées dans le présent document sont données
pour information, par souci de commodité, à l’intention des utilisateurs et ne sauraient constituer un
engagement.
Pour une explication de la nature volontaire des normes, la signification des termes et expressions
spécifiques de l'ISO liés à l'évaluation de la conformité, ou pour toute information au sujet de l'adhésion
de l'ISO aux principes de l’Organisation mondiale du commerce (OMC) concernant les obstacles
techniques au commerce (OTC), voir www .iso .org/ avant -propos.
Le présent document a été élaboré par le comité technique ISO/TC 269, Applications ferroviaires, sous-
comité SC2, Freinage ferroviaire.
Il convient que l’utilisateur adresse tout retour d’information ou toute question concernant le présent
document à l’organisme national de normalisation de son pays. Une liste exhaustive desdits organismes
se trouve à l’adresse www .iso .org/ fr/ members .html.
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RAPPORT TECHNIQUE ISO/TR 22131:2018(F)
Applications ferroviaires — Freinage ferroviaire —
Applications nationales spécifiques de l'ISO 20138-1
1 Domaine d'application
Le présent document fournit des informations supplémentaires afin de faciliter la compréhension
et l'utilisation de l'ISO 20138-1. Les calculs donnés dans le présent document, quoique légèrement
différents, suivent les mêmes principes.
Le présent document décrit des approches de calcul nationales spécifiques actuellement en vigueur et
représente l'état actuel des connaissances pour le calcul:
— des distances d'arrêt et de ralentissement;
— du temps de réponse équivalent;
— de la performance de freinage;
— du taux de freinage.
2 Références normatives
Le présent document ne contient aucune référence normative.
3 Termes et définitions
Aucun terme n’est défini dans le présent document.
L’ISO et l’IEC tiennent à jour des bases de données terminologiques destinées à être utilisées en
normalisation, consultables aux adresses suivantes:
— ISO Online browsing platform: disponible à l’adresse https:// www .iso .org/ obp
— IEC Electropedia: disponible à l’adresse http:// www .electropedia .org/
4 Calcul des distances d'arrêt ou de ralentissement selon une méthode
appliquée en France
4.1 Généralités
Ce calcul est fondé sur la méthode alternative de calcul du temps de réponse équivalent utilisée selon
les exigences des chemins de fer français, en particulier pour les trains fonctionnant en position «G».
4.2 Termes, symboles et abréviations
Pour les besoins de l'Article 4, les termes, symboles et abréviations définis dans le Tableau 1 s'appliquent.
© ISO 2018 – Tous droits réservés 1
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ISO/TR 22131:2018(F)
Tableau 1 — Symboles, définitions et unités
Terme,
symbole ou Définition Unité
abréviation
1 point où l'effort de freinage, la décélération ou la pression est considéré(e) —
comme atteint(e), en général à 95 %
2
a décélération équivalente (sur une voie en palier, sans tenir compte de l'effet m/s
e
de la déclivité)
2
g accélération normale due à la gravité m/s
position «G» distributeur de frein et dispositifs d'isolement du distributeur (définis dans
[9]
l'EN 15355 )
i déclivité de la voie (positive en rampe/négative en pente) —
s distance d'arrêt/de ralentissement sur une déclivité m
grad
s distances d'arrêt mesurées au cours des essais m
tests
t temps de réponse équivalent s
e
2·t temps de réponse équivalent multiplié par 2 s
e
v vitesse initiale m/s
0
v vitesse finale (= 0 dans le cas d'une distance d'arrêt) m/s
fin
X Temps s
Y coefficient d'effort de freinage, de décélération ou de pression nominal(e) —
4.3 Calcul des distances de ralentissement ou d'arrêt
4.3.1 Modèle français pour la position «G»
Ce modèle permet de calculer avec un haut degré de précision les distances d'arrêt des trains
caractérisés par des temps de serrage longs (par exemple, position «G»). Il est actuellement utilisé par
les gestionnaires d'infrastructure afin d'évaluer la conformité d'un train avec le système de commande
du train et la longueur des cantons de signalisation.
Dans le cadre de ce modèle français de calcul des distances de ralentissement ou d'arrêt, la Figure 1
peut être utilisée pour les trains fonctionnant en position «G» pour les systèmes de freinage exerçant
des efforts retardateurs sur le point de contact avec le rail.
Ce modèle utilise une croissance linéaire de l'effort de 0 à 1 pendant une durée de 2·t .
e
Le temps de réponse équivalent, te, peut être calculé à l'aide de la Formule (1):
t
ab
tt=+ (1)
ea
2
où t et t sont conformes à l'ISO 20138-1:2018, 5.5.2.
a ab
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ISO/TR 22131:2018(F)
Légende
Y coefficient d'effort de freinage, de décélération ou de pression nominal(e)
X temps, en s
1 point où l'effort de freinage, la décélération ou la pression total(e) a été atteint(e), en général 95 % de la valeur
maximale
2 × t temps de réponse équivalent multiplié par 2, en s
e
Figure 1 — Modèle fondé sur une croissance linéaire de l'effort de 0 à 1 pendant une durée de 2·t
e
La distance d'arrêt (v = 0) ou de ralentissement peut être calculée à l'aide de la Formule (2):
fin
2
22
at⋅⋅ ag+4⋅⋅i
a vv− ()
ee e
e 0 fin
sv= ⋅⋅t + − (2)
grad 0 e
ag+ ⋅⋅i 2 ag+ ⋅i 66⋅⋅a + gi
() ()
e e e
NOTE 1 La décélération équivalente, a , ne tient pas compte de l'effet de la déclivité.
e
La Formule (2) ne s'applique qu’à un calcul des distances de ralentissement/d'arrêt avec des efforts de
freinage établis. La condition suivante doit être satisfaite:
vv−≥ ai+⋅2 ⋅t (3)
()
0 fine e
où
s est la distance d'arrêt/de ralentissement dans une déclivité, en m;
grad
v est la vitesse initiale, en m/s;
0
t est le temps de réponse équivalent, en s;
e
a est la décélération équivalente (sur une voie en palier, sans tenir compte de l'effet de la
e
2
déclivité), en m/s ;
2
g est l'accélération standard due à la gravité, en m/s ;
i est la déclivité de la voie (positive en rampe/négative en pente);
v est la vitesse finale (= 0 dans le cas d'une distance d'arrêt), en m/s.
fin
NOTE 2 La distance d'arrêt/de ralentissement, telle que calculée selon la Formule (3), sera plus courte que
celle obtenue à l'aide de la méthode décrite dans le Paragraphe 5.7.4 de l'ISO 20138-1:2018.
4.3.2 Calcul selon le Paragraphe 5.7.5.1 de l'ISO 20138-1:2018 (modèle à paliers)
Le Paragraphe 5.7.5.1 de l'ISO 20138-1:2018 donne la Formule (4) pour les calculs sur une voie en palier
(i = 0) ou avec une déclivité.
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ISO/TR 22131:2018(F)
t
ab
Il utilise le modèle du temps de réponse théorique tt=+ comme modèle «à paliers».
ea
2
2
m
st 2
v −⋅gi⋅⋅tv −
0 e ffin
m
m dyn
1
st 2
sv=⋅t −⋅gi⋅⋅t + (4)
grad 0 e e
2 m 2a
dyn e
Lorsque la résistance du train à l'avancement et la masse dynamique se compensent mutuellement et
que v = 0, la formule est simplifiée en Formule (5):
fin
2
vg−⋅it⋅ ²
gi⋅⋅t ()
0 e
e
sv=⋅t − + (5)
grad 0 e
22a
e
où
s est la distance d'arrêt/de ralentissement dans une déclivité, en m;
grad
v est la vitesse initiale, en m/s;
0
t est le temps de réponse équivalent, en s;
e
m est la masse statique, en kg;
st
m est la masse dynamique, en kg;
dyn
2
g est l'accélération standard due à la gravité, en m/s ;
i est la déclivité de la voie (positive en rampe/négative en pente);
a est la décélération équivalente (sur une voie en palier, sans tenir compte de l'effet de la
e
2
déclivité), en m/s ;
v est la vitesse finale (= 0 dans le cas d'une distance d'arrêt), en m/s.
fin
4.4 Exemple de calcul
4.4.1 Résultats d'essai
Cet exemple concerne un train long de 1 000 m en position «G».
À titre de référence et de comparaison, les essais réalisés sur les voies ont donné les résultats suivants
pour les distances d'arrêt s :
tests
Distance d'arrêt sur une voie en palier 824 m
Distance d'arrêt dans une pente de 5 ‰ 885 m
Distance d'arrêt dans une rampe de 5 ‰ 776 m
Le temps réponse équivalent, t (temps mort + 1/2 du temps de serrage des freins), dérivé des résultats
e
des essais, est de 15,5 s.
La décélération équivalente sans tenir compte de l'effet de la déclivité, a , dérivée des résultats des
e
2
essais, est de 0,89 m/s .
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ISO/TR 22131:2018(F)
4.4.2 Comparaison des modèles de calcul avec les résultats d'essai
Les distances d'arrêt, s , calculées à l'aide de la Formule (5) («modèle à paliers» simplifié de
tests
l'ISO 20138-1) sont données dans le Tableau 2:
Tableau 2 — Distances d'arrêt calculées avec le modèle à paliers
v g i t a s s Différence
0 e e grad tests
s vs s
grad tests
2 2
km/h m/s mm/m s m/s m m %
Voie en palier 100 9,81 0 15,5 0,89 864,0 824 5 %
Rampe 100 9,81 5 15,5 0,89 834,7 776 8 %
Pente 100 9,81 −5 15,5 0,89 894,0 885 1 %
Les distances d'arrêt, s , calculées à l'aide de la Formule (2) (méthode alternative française) sont
tests
données dans le Tableau 3:
Tableau 3 — Distances d'arrêt calculées avec la méthode alternative française
Condition
Différence
v g i t a s s
v ≥ (a + 2g · i) t
0 e e grad tests s vs
0 e e
grad
2 2 s
v (a + 2g · i) t
km/h m/s mm/m s m/s m m tests
0 e e
%
m/s m/s
Voie en palier 100 9,81 0 15,5 0,89 27,8 > 13,8 828,4 824 < 1 %
Rampe 100 9,81 5 15,5 0,89 27,8 > 15,3 777,7 776 0 %
Pente 100 9,81 −5 15,5 0,89 27,8 > 12,3 885,0 885 0 %
Les valeurs du tableau démontrent que:
— les distances d'arrêt calculées selon la méthode alternative française sont plus courtes que celles
obtenues avec le «modèle à paliers» simplifié de l'ISO 20138-1;
— les distances d'arrêt calculées selon la méthode alternative française sont plus précises et plus
proches des résultats d'essai obtenus sur la voie.
5 Calcul de la performance de freinage utilisé au Japon
5.1 Généralités
[3]
Le Japon est essentiellement réglementé par la loi sur l'exploitation ferroviaire . Les normes
réglementaires techniques du système ferroviaire japonais, publiées par le ministère du Territoire,
de l'Infrastructure, du Transport et du Tourisme (MILT), sont également utilisées. La réglementation
technique se compose d'ordonnances ministérielles et de spécifications de modèles approuvés.
Des documents explicatifs qui complètent et aident les utilisateurs à interpréter les ordonnances
ministérielles et les spécifications de modèles approuvés ont également été publiés. Ces documents
sont généralement utilisés comme des normes, parallèlement aux normes JIS (Japanese Industrial
[4][7][8] [5][6]
Standards) et aux normes JRIS (Japan Association of Rolling Stock Industries Standards) ,
etc. en vigueur au Japon.
5.2 Taux de freinage d'un véhicule isolé
Le taux de freinage sert à comparer la capacité de freinage des véhicules isolés et est utilisé pour
l'évaluation de la conception.
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ISO/TR 22131:2018(F)
L'effort de freinage d'un véhicule isolé peut être calculé à l'aide de la Formule (6):
Fn=⋅Ap⋅⋅i ⋅η (6)
totcyl totc tottot
où
F est l'effort de freinage, en kN;
tot
n est le nombre de cylindres de frein;
cyl
2
A est la surface du cylindre de frein, en m ;
tot
p est la pression du cylindre de frein, en kPa;
c
i est le rapport d'amplification de la timonerie de frein;
tot
ƞ est le rendement mécanique.
tot
Le taux de freinage d'un véhicule isolé peut être calculé à l'aide de la Formule (7):
F
tot
θ = ⋅⋅C 100 (7)
Mg⋅
tot
avec
μ
A
C= (8)
μ
C
où
Ɵ est le taux de freinage d'un véhicule isolé, en %;
F est l'effort de freinage, en kN;
tot
M est la masse en exploitation du véhicule plus sa charge, en t;
tot
2
g est l'accélération standard due à la gravité, en m/s ;
C est le rapport des coefficients de frottement;
µ est le coefficient de frottement de la semelle de frein utilisée;
A
µ est le coefficient de frottement de la semelle en fonte (coefficient hypothétique de 0,15).
C
NOTE Le coefficient de frottement de la semelle de frein utilisée, µ , et les critères d'acceptabilité du taux de
A
freinage n'entrent pas dans le domaine d'application du présent document.
5.3 Exemple de calcul du taux de freinage
Le Tableau 4 fournit les données d'entrée pour un véhicule avec une unité de frein à semelle par roue,
comme représenté sur la Figure 2.
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ISO/TR 22131:2018(F)
Figure 2 — Véhicule avec une unité de frein à semelle par roue
Tableau 4 — Données d'entrée
Exemple
Description Symbole Unité
de valeur
Diamètre du cylindre de frein d 0,152 m
cyl
2
Accélération normale due à la gravité g 9,807 m/s
Rapport total d'amplification de la timonerie
i 3,6 —
tot
de frein
Masse en exploitation m 31,4 t
op
Masse par personne m 55 kg/personne
p
Nombre de cylindres de frein n 8 —
cyl
Capacité de passagers n 153 —
p
Pression du cylindre de frein p 303 kPa
c
Rendement mécanique (y compris effort
ƞ 1,0 —
tot
antagoniste)
Coefficient de frottement de la semelle de frein
µ 0,3 —
A
appliquée (semelle de frein composite)
L'effort de freinage d'un véhicule peut être calculé à l'aide de la Formule (6):
Fm= 0,²152 ⋅π/,48⋅⋅303kPa⋅⋅36 10,
()
tot
F =158,4kN
tot
La masse d'un véhicule chargé peut être calculée à l'aide de la Formule (9):
Mm=+op nmpp⋅ (9)
tot
55
M =+31,4tt153⋅ ⋅
tot
1000
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ISO/TR 22131:2018(F)
M =39,82t
tot
Le rapport des coefficients de frottement, C, en utilisant des semelles de frein composites, peut être
calculé à l'aide de la Formule (8):
03,
C==20,
01, 5
Pour finir, le taux de freinage pour un véhicule chargé peut être calculé à l'aide de la Formule (7):
158,4kN
θ = ⋅⋅20, 100
39,,82tm⋅9 807 /²s
θ=81%
5.4 Temps de réponse équivalent
Au Japon, un temps de réponse équivalent est déterminé comme suit.
Cas n° 1: détermination à partir de la vitesse du train
Le temps de réponse équivalent est déterminé en fonction de la vitesse du train. Dans ce cas, la
commande de frein et la vitesse sont mesurées. Dans le chronogramme représenté sur la Figure 3, la
ligne horizontale est le prolongement de la vitesse au point de lancement du freinage. Une autre ligne
s’obtient également par prolongement de la vitesse dans la zone pour laquelle la décélération devient
pratiquement constante. Le temps de réponse équivalent retenu est le temps entre le lancement du
freinage et le point d'intersection des deux lignes prolongées.
Légende
Y1 vitesse
Y2 commande de frein
X temps, en s
1 temps de réponse équivalent
a
Prolonger la ligne horizontale à partir du point de lancement du freinage.
b
La décélération est pratiquement constante.
Figure 3 — Temps de réponse équivalent «en fonction de la vitesse du train» (cas n° 1)
8 © ISO 2018 – Tous droits réservés
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Cas n° 2: détermination à partir de la réponse en pression des cylindres de frein
Le temps de réponse équivalent est déterminé en fonction de la réponse en pression des cylindres de
frein. Dans ce cas, il s'agit du temps s'écoulant entre le point de lancement du freinage et le point où
la pression des cylindres de frein atteint environ 60 % à 70 % (généralement 63,2 %) de la valeur de
consigne.
Légende
Y1 pression des cylindres de frein
Y2 commande de frein
X temps, en s
1 temps de réponse équivalent
Figure 4 — Temps de réponse équivalent «en fonction de la réponse en pression des cylindres
de frein» (cas n° 2)
6 Méthodes de calcul des distances d'arrêt ou de ralentissement pour certains
matériels roulants particuliers en Chine
6.1 Généralités
[2]
Les informations suivantes sont dérivées d'une norme de l'industrie ferroviaire chinoise .
Certaines méthodes de calcul traditionnelles étaient utilisées jusqu'à présent pour des unités prédéfinies
classiques, par exemple de trains longs tractés par une locomotive. Les paramètres numériques donnés
dans cette méthode traditionnelle sont fondés sur des données d'essai et sur l'expérience, et sont utilisés
pour la conception des véhicules.
6.2 Définitions, symboles et abréviations
Pour les besoins du présent article, les symboles et unités donnés dans le Tableau 5 s'appliquent.
Tableau 5 — Définitions générales, symboles et unités
Définition Symbole Unité
Effort total de freinage aux semelles de frein pour le train B kN
Effort de freinage dynamique B kN
d
Effort retardateur total des freins du train b N/kN
Coefficient indépendant de la vitesse C N/kN
1
Coefficient dépendant de la vitesse C · v N/kN
2
2
Coefficient dépendant de la vitesse au carré C · v N/kN
3
Diamètre du cylindre de frein d mm
z
Masse tractée G t
2
Accélération normale due à la gravité g m/s
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ISO/TR 22131:2018(F)
Tableau 5 (suite)
Définition Symbole Unité
Déclivité (positive en rampe/négative en pente) i ‰
Déclivité de calcul ij ‰
Effort d'application par semelle/Effort de freinage par
K kN
garniture de frein
'
Effort d'application par garniture de frein du véhicule kN
K
Effort d'application unifié par semelle de frein du train K kN
h
Effort d'application unifié par semelle de frein de
'
kN
K
h
la locomotive
''
Effort d'application unifié par semelle de frein du véhicule kN
K
h
Distance totale le long de la courbe, incluant les longueurs
L m
r
de courbes de transition
Longueur de courbe constante équivalente l m
r
Longueur de transition l , l m
yz1 yz2
Longueur hors tout du train l m
1
Nombre de véhicules n —
Nombre de semelles de frein n —
k
Nombre de cylindres de frein n —
z
Masse de la locomotive P t
Pression de cylindre p kPa
z
Pression de conduite générale p kPa
1
Rayon de la courbe R m
Rayon de roue R mm
c
Baisse de la pression de conduite générale r kPa
Rayon de freinage moyen de la garniture de frein sur la face
r mm
m
du disque
Distance de freinage effective s m
e
Distance de marche sur l'erre s m
k
Distance d'arrêt/de ralentissement s m
z
Temps de freinage effectif t s
e
Temps de marche sur l'erre t s
k
Temps de freinage t s
z
Vitesse de marche v km/h
Vitesse initiale v km/h
0
Vitesses particulières v … v km/h
1 2
Angle du secteur de courbe constante α °
Coefficient de freinage de service β —
c
Rapport d'amplification de la timonerie de frein γ —
z
Rendement de la timonerie de frein η —
z
Taux de freinage unifié du train ϑ —
h
Coefficient de freinage unifié du train (service) θ —
hc
Effort d'application unifié par semelle de frein du véhicule θ kN
h
Coefficient d'adhérence µ —
z
Taux circonférentiel π —
Coefficient de frottement unifié φ —
h
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ISO/TR 22131:2018(F)
Tableau 5 (suite)
Définition Symbole Unité
Coefficient de frottement de chaque type de semelle de frein φ —
k
Résistance supplémentaire en courbe ω N/kN
r
Résistance à l'avancement d'un train ω N/kN
0
Résistance à l'avancement d'un véhicule isolé ω' N/kN
0
6.3 Efforts retardateurs dus à la résistance du train
6.3.1 Résistance à l'avancement
La résistance à l'avancement d'un véhicule isolé, ω′ , peut être calculée à l'aide de la Formule (10):
0
2
′
ω =+⋅CC vC+⋅v (10)
01 23
où
′
ω est la résistance à l'avancement d'un véhicule isolé, en N/kN;
0
C est le coefficient indépendant de la vitesse, en N/kN;
1
C · v est le coefficient dépendant de la vitesse, en N/kN;
2
2
C · v est le coefficient dépendant de la vitesse au carré,
...
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