基于壓力膠片技術(shù)的輪胎與路面接觸特性研究

張淑文，張肖寧，李 智，田 力

（華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院，廣東 廣州 510641）

輪胎與瀝青路面間的接觸狀態(tài)對于行車安全十分重要［1－3］.為了增強輪胎與瀝青路面間的接觸效果，人們開展了輪胎表面花紋設(shè)計、橡膠材料及其硬度等方面的研究［4－5］，開展了抗滑石料性能評價、級配組成設(shè)計等方面的探討［6－9］，同時對輪胎與瀝青路面間的接觸特性也進行了較深入的分析［10－11］.但是瀝青等路面表面粗糙形態(tài)復(fù)雜，難于測量和評價.Zhang等［12］在開展摩托車輪胎與路面接觸特性研究及Cirello等［13］研究不同型號輪胎的接地壓力分布和路面變形特性時，采用鋼板等光滑板面來模擬路面，顯然，鋼板等光滑板面無法有效反映路面的細觀紋理特性及宏觀構(gòu)造特征，最終必將影響研究結(jié)果的準確性.另一方面，為提高路面抗滑性能，材料設(shè)計方面，在保證一定耐水害性能的情況下，越來越多地采用呈更粗糙表面輪廓和構(gòu)造的瀝青混合料層面（如SMA，OGFC，GAC 混合料層面）作為路面抗滑層，而傳統(tǒng)的壓力板法、光吸收法和低精度、低耐久性的壓力傳感器法［14－15］已不能有效檢測輪胎和粗糙大構(gòu)造抗滑路面接觸區(qū)域的面積及壓力分布等.為此，采用壓力膠片測量技術(shù)，選用不同規(guī)格壓力膠片，在不同輪載及不同路面粗糙程度條件下就輪胎與路面接觸區(qū)域的面積、壓力分布和應(yīng)力集中分布等展開了研究.

1 壓力膠片技術(shù)

所謂的壓力膠片技術(shù)是指通過在壓力接觸面間放置壓力膠片，利用壓力膠片特殊的受壓染色功能，檢測出膠片所受壓力的面積和分布等特性.壓力膠片測試步驟如下：

（1）通過標準的壓力膠片標定紙，對壓力膠片的色彩與所受壓力的對應(yīng)關(guān)系進行標定.

（2）模擬輪胎與路面的接觸，進行壓力膠片受壓試驗.

（3）對受壓后的壓力膠片進行掃描識別，獲得掃描圖像（見圖1）；對掃描后的色彩信息進行識別，并對不同范圍的壓力信息進行變色區(qū)分（數(shù)值化），以直觀地體現(xiàn)出壓力區(qū)域信息（見圖2）；對處理后的壓力信息進行量化分析，如圖3所示.

圖1 壓力膠片掃描圖像Fig.1 Scanning image of pressure film

圖2 壓力信息變色區(qū)分Fig.2 Pressure information distinguished by colors

采用壓力膠片技術(shù)能直觀地檢測輪胎和路面接觸區(qū)域的面積和壓力分布，無需特殊設(shè)備或裝置，成本低測量速度快，試驗操作比較簡單.壓力膠片技術(shù)檢測精度較高（達0.016mm2），壓力測量誤差較小（一般小于±10%），檢測面積較大（300 mm×260mm以上），可以檢測輪胎與多種構(gòu)造形式路面的接觸狀況.

2 試驗方案設(shè)計

2.1 影響輪胎與路面接觸特性的因素

影響輪胎與路面接觸特性的因素主要分為兩大類，即路面因素和輪胎因素，其中，路面因素主要為路面構(gòu)造所帶來的路面粗糙程度等；輪胎因素主要包括輪載、輪壓、輪胎的硬度和花紋等.

2.2 試驗方案設(shè)計

路面構(gòu)造所帶來的路面粗糙程度的不同，主要依賴路面混合料的級配設(shè)計來實現(xiàn).本文采用2種路面混合料級配（見表1），即GAC－13C骨架密實型級配和AC－13密實懸浮型級配.采用自主研發(fā)的三維激光紋理測量設(shè)備，通過線性重構(gòu)方法模擬出路面三維圖形，如圖4（a），（b）所示［16］，并計算出GAC－13C車轍板的構(gòu)造深度（MTD）為1.34mm，AC－13車轍板的構(gòu)造深度為0.82mm.采用傳統(tǒng)的鋪砂法測得GAC－13C 車轍板的構(gòu)造深度為1.3mm，AC－13車轍板的構(gòu)造深度為0.9mm，所以最終確定采用構(gòu)造深度存在顯著差別的水泥混凝土路面（既有路面，其三維圖形見圖4（c））、GAC－13C級配路面和AC－13 級配路面作為試驗中的模擬路面.

本試驗選擇普通小型載重汽車為試驗對象.通過后輪上壓路面來模擬實際的輪胎與路面的接觸情況.輪胎型號為普利司通DUELER A／T，輪壓為標準輪壓0.60MPa，輪載采用空載和配重塊重載2種形式，通過壓力傳感器測得輪載分別為3.65kN 和7.39kN.

圖3 壓力信息的量化分析Fig.3 Quantitative analysis about pressure information

表1 路面混合料級配Table 1 Gradations of pavement mixtures

圖4 不同混合料路面的三維模擬Fig.4 3Dsimulations of pavements with different mixtures

為了確定更加適宜的壓力膠片類型，選擇了2種規(guī)格壓力膠片（0.20～0.60MPa壓力膠片和0.50～2.50MPa壓力膠片）進行試驗.試驗方案如表2所示.

3 試驗結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

3.1 試驗結(jié)果

將受壓染色的壓力膠片進行掃描，然后采用特定軟件進行數(shù)值化處理，結(jié)果如圖5、表2～4所示.

表2 試驗方案及試驗結(jié)果Table 2 Experiment schemes and results

圖5 不同試驗條件下壓力膠片的掃描結(jié)果Fig.5 Scanning results for pressure films at different experiment conditions

表3 0.50～2.50MPa壓力膠片應(yīng)力集中分析Table 3 Analysis of stress concentration at 0.50～2.50MPa pressure film %

表4 0.20～0.60MPa壓力膠片應(yīng)力集中分析Table 4 Analysis of stress concentration at 0.20～0.60MPa pressure film %

3.2 數(shù)據(jù)分析

3.2.1 壓力膠片型號的影響

由表2可以看出，對0.50～2.50 MPa壓力膠片而言，路面承受的平均壓力與實際輪壓0.60MPa相差較遠，究其原因，是因為壓力膠片的起點測量壓力0.50MPa過大，導(dǎo)致輪壓小于0.50MPa時壓力膠片不能感應(yīng)染色.對于0.20～0.60MPa壓力膠片而言，輪壓小于0.50 MPa時壓力膠片能感應(yīng)染色，故對于確定輪胎與路面接觸面積的試驗，應(yīng)采用0.20～0.60MPa壓力膠片.

由表3，4可以看出，在輪載作用下，由于存在應(yīng)力集中情況，通過0.20～0.60 MPa壓力膠片感應(yīng)采集的大量應(yīng)力數(shù)據(jù)均超過0.60 MPa輪壓范圍，導(dǎo)致應(yīng)力集中情況無法直觀地反應(yīng)出來，而0.50～2.50MPa壓力膠片雖然對于較小的輪壓區(qū)間無法感應(yīng)，但是對于應(yīng)力集中的區(qū)間有著清晰的感應(yīng)，故而對于輪胎與路面接觸區(qū)域應(yīng)力集中的分析，應(yīng)采用0.50～2.50MPa壓力膠片.

3.2.2 輪胎花紋邊部應(yīng)力集中現(xiàn)象

由圖5（c），（g）可以清晰地看到，在輪胎花紋的邊沿部位，有明顯的壓力增大現(xiàn)象，這說明，在輪載作用下，輪胎花紋邊部會產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中.分析數(shù)據(jù)表明空載條件下輪胎花紋邊部的應(yīng)力集中程度為15%，重載條件下輪胎花紋邊部的應(yīng)力集中程度為5%，這是因為，重載導(dǎo)致了輪胎與路面接觸面積的增加，從而減輕了輪胎花紋邊部的應(yīng)力集中.

3.2.3 不同路面的接觸特性

通過綜合對比圖5（a）～（i）發(fā)現(xiàn)，不同的路面形式，輪胎與路面接觸情況有著較為明顯的區(qū)別.當(dāng)輪胎與水泥混凝土路面接觸時，輪胎與水泥混凝土路面基本上完全接觸，此時膠片上較清晰地呈現(xiàn)出輪胎的花紋（見圖5（a），（c），（d），（g））；當(dāng)輪胎與AC－13級配路面接觸時，輪胎與路面的接觸呈現(xiàn)出點狀接觸的趨勢，但是，還可以區(qū)分出輪胎的花紋間隙（見圖5（b），（e），（h））；當(dāng)輪胎與GAC－13C 級配路面接觸時，輪胎與路面的接觸已經(jīng)完全呈現(xiàn)出了點狀接觸的態(tài)勢，基本無法區(qū)分輪胎的花紋間隙（見圖5（f），（i））.由此可以看出，AC－13級配路面構(gòu)造沒有GAC－13C級配路面豐富，路面相對光滑.

由表2可以看出，采用0.20～0.60 MPa壓力膠片時，隨著輪載的增加，輪胎與路面接觸面積顯著增加，但是，路面所承受的平均壓力沒有顯著變化，這是由于輪胎在標準輪壓下，隨著輪載的增加，輪胎形變量增加，導(dǎo)致其與路面接觸面積增加.同時，在相同輪載條件下，輪胎與GAC－13C，AC－13路面的接觸面積相近，但都小于其與水泥混凝土路面的接觸面積，相應(yīng)的，GAC－13C，AC－13路面所承受的平均壓力大于水泥混凝土路面所承受的平均壓力.

3.2.4 接觸區(qū)域應(yīng)力集中情況分析

通過表3 可以看出，輪胎與GAC－13C，AC－13級配路面接觸區(qū)域應(yīng)力集中分布明顯好于其與水泥混凝土路面接觸區(qū)域應(yīng)力集中分布.輪胎與GAC－13C級配路面接觸區(qū)域應(yīng)力集中分布好于其與AC－13級配路面接觸區(qū)域應(yīng)力集中分布.這表明GAC－13C級配路面的行車安全性要優(yōu)于AC－13 級配路面.

4 結(jié)論

（1）采用壓力膠片技術(shù)可以有效評價輪胎與路面接觸區(qū)域的面積、壓力分布和應(yīng)力集中分布.宜采用0.20～0.60 MPa壓力膠片和0.50～2.50 MPa壓力膠片分別研究輪胎與路面接觸區(qū)域的面積和應(yīng)力集中分布.

（2）輪胎與水泥混凝土路面接觸時基本呈現(xiàn)面接觸，壓力分布相對均勻.隨著路面粗糙程度增加，輪胎與路面接觸狀態(tài)逐漸變?yōu)辄c接觸.輪胎與水泥混凝土路面接觸面積大于輪胎與GAC－13C，AC－13級配路面接觸面積，輪胎與GAC－13C，AC－13 級配路面接觸面積相近.另外，采用0.20～0.60MPa壓力膠片時，隨著輪載的增加，輪胎與路面接觸面積增加，而路面承受的平均壓力基本不變.

（3）輪胎與GAC－13C，AC－13級配路面接觸區(qū)域應(yīng)力集中分布明顯好于其與水泥混凝土路面接觸區(qū)域應(yīng)力集中分布.輪胎與GAC－13C 級配路面接觸區(qū)域應(yīng)力集中分布好于其與AC－13 級配路面接觸區(qū)域應(yīng)力集中分布，這表明GAC－13C 級配路面的行車安全性要優(yōu)于AC－13級配路面.

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