En el campo del transporte, la estimación precisa del coeficiente de fricción pico entre el neumático y la carretera (TRPFC) es muy importante para mejorar el rendimiento de seguridad del vehículo y la eficiencia del mantenimiento de la carretera. Los algoritmos de estimación existentes rara vez consideran la influencia de la rugosidad de la carretera y la textura de la carretera en los resultados de estimación. Este artículo propone un método de estimación del TRPFC considerando las características de contacto efectivas entre el neumático y la carretera tridimensional. En las direcciones longitudinal y lateral del contacto neumático-carretera, el modelo se optimiza incorporando el coeficiente de relación del área de contacto efectiva en el modelo de neumático LuGre. El modelo optimizado caracteriza la textura de la carretera mediante el espectro de potencia de la carretera y establece la relación entre la textura de la carretera y la fuerza del neumático. En la dirección vertical del contacto neumático-carretera, la transferencia de fuerza entre el neumático y la carretera se representa mediante un nuevo método de contacto multipunto. Al combinar los modelos anteriores con el método de normalización y el filtro de Kalman sin olor (UKF), se logra la estimación oportuna y precisa del coeficiente de fricción pico del neumático y de la carretera 3D. Las simulaciones y los experimentos con vehículos reales verifican la efectividad del algoritmo de estimación.