子午線輪胎靜態(tài)及滾動(dòng)狀態(tài)下接地特性試驗(yàn)研究

王國林，付 晶，梁 晨

（江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

車輛牽引和操縱所需要的力都產(chǎn)生于輪胎與路面的接地區(qū)，車輛的諸多性能均通過輪胎的接地性能得以實(shí)現(xiàn)，而輪胎接地性能主要通過輪胎與地面之間的“接觸面”表征。因此可以借助對(duì)這個(gè)“接觸面”——即輪胎在接地區(qū)內(nèi)的壓力分布進(jìn)行研究，確定輪胎與路面之間最有利的接觸條件。輪胎接地壓力分布得到了國內(nèi)外眾多學(xué)者的高度重視。P.S.Pillai等[1]采用試驗(yàn)的方法對(duì)輪胎接地印痕面積進(jìn)行了分析，得到了根據(jù)輪胎變形量和胎側(cè)尺寸參數(shù)計(jì)算輪胎接地印痕面積的經(jīng)驗(yàn)公式；俞淇等[2]采用壓力板法對(duì)靜負(fù)荷下輪胎接地壓力分布進(jìn)行了研究，提出了描述輪胎壓力分布的一些指標(biāo)；胡小弟等[3]利用自主開發(fā)的輪胎接地壓力測(cè)試儀，進(jìn)行了不同花紋載重輪胎在不同充氣壓力和負(fù)荷作用下的接地壓力分布測(cè)量；周剛等[4]分析了輪胎平均接地壓力與荷載和充氣壓力之間的關(guān)系；梁晨[5]系統(tǒng)地研究了輪胎接地評(píng)價(jià)體系，提出了描述輪胎接地壓力分布的幾何特征參數(shù)與力學(xué)特征參數(shù)。

目前的研究主要是探索輪胎靜負(fù)荷時(shí)接地壓力分布特征及接地特性對(duì)輪胎性能的影響，但是有關(guān)靜態(tài)和滾動(dòng)狀態(tài)下輪胎接地特性差異的研究還不夠充分，與靜態(tài)下的接地壓力分布相比 ，輪胎在滾動(dòng)狀態(tài)下的接地壓力分布具有更高的實(shí)用性和研究價(jià)值。

本研究采用Tekscan輪胎接地壓力分布測(cè)量系統(tǒng)對(duì)半鋼子午線輪胎靜態(tài)及滾動(dòng)狀態(tài)下的接地特性進(jìn)行試驗(yàn)研究，對(duì)比分析了輪胎靜態(tài)與滾動(dòng)時(shí)接地特性的變化規(guī)律，以期為子午線輪胎結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與改進(jìn)提供參考。

1 輪胎靜態(tài)及滾動(dòng)接地壓力分布測(cè)量

1.1 試驗(yàn)設(shè)備與原理

本研究采用美國Tekscan公司生產(chǎn)的8000D-2型壓力分布測(cè)量系統(tǒng)，分辨率為3.048 mm×3.048 mm，壓力測(cè)量范圍為0～175 MPa，如圖1所示。

圖1 傳感器布置方式

壓力敏感元件由兩片很薄的聚酯薄膜組成，其中一片薄膜的內(nèi)表面鋪設(shè)若干行的帶狀導(dǎo)體，另一片薄膜的內(nèi)表面鋪設(shè)若干列的帶狀導(dǎo)體，當(dāng)外力作用到感應(yīng)點(diǎn)上時(shí)，半導(dǎo)體的阻值會(huì)隨外力的變化而成比例變化，從而可以反映出兩接觸面間的壓力分布情況，具有實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)記錄輪胎加載全過程及輪胎在負(fù)荷下低速滾動(dòng)的接地印痕和壓力變化的功能。此外，主要試驗(yàn)設(shè)備還有汽車升降平臺(tái)、氣壓表和溫濕度計(jì)等。

1.2 試驗(yàn)方法和流程

接地性能試驗(yàn)采用安裝在車輛上的輪胎進(jìn)行，試驗(yàn)輪胎為195/65R15和205/45R16子午線輪胎，其標(biāo)準(zhǔn)充氣壓力為300 kPa，試驗(yàn)的環(huán)境條件為：溫度 （28±1） ℃，濕度 48%。

由于靜態(tài)接地試驗(yàn)與滾動(dòng)接地試驗(yàn)的方法類似，這里主要詳述滾動(dòng)接地壓力分布測(cè)試的步驟，如圖2和3所示。

圖2 壓力毯調(diào)試示意

圖3 輪胎滾動(dòng)測(cè)試過程示意

首先連接和調(diào)試試驗(yàn)設(shè)備，使汽車低速從壓力毯上駛過，并記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)；調(diào)節(jié)氣壓，記錄不同氣壓下輪胎的接地分布情況；試驗(yàn)結(jié)束后，通過施加已知載荷對(duì)壓力毯進(jìn)行標(biāo)定。

1.3 數(shù)據(jù)處理

利用江蘇大學(xué)研制的輪胎接地壓力分布幾何及力學(xué)評(píng)價(jià)指標(biāo)分析軟件TFAS（Tire Footprint Analysis System）對(duì)測(cè)得的接地特征進(jìn)行分析，如圖4所示。

圖4 TFAS運(yùn)行結(jié)果

2 接地壓力對(duì)比分析指標(biāo)

對(duì)于輪胎的接地壓力分布，可以從幾何特征指標(biāo)和力學(xué)特征指標(biāo)兩方面評(píng)價(jià)。本研究選用接地印痕形狀、海陸比、接地面積比、平均接地壓力、接地壓力偏度值等特征指標(biāo)，對(duì)比分析不同氣壓下輪胎靜態(tài)與滾動(dòng)狀態(tài)下的接地特性。其中，接地壓力偏度值（α）是衡量輪胎胎面接地壓力分布離散程度的指標(biāo)，可以表示為

式中，Pi為壓力分布測(cè)量試驗(yàn)中n個(gè)壓力傳感器中第i個(gè)傳感器測(cè)得的壓力值，P為壓力分布測(cè)量中接地面積內(nèi)所有傳感器測(cè)得的壓力平均值。

3 結(jié)果與討論

3.1 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

195/65R15和205/45R16兩種規(guī)格輪胎在不同氣壓時(shí)靜態(tài)和滾動(dòng)狀態(tài)下的接地壓力分布分別如圖5和6所示。

圖5 不同氣壓下195/65R15輪胎靜態(tài)與滾動(dòng)狀態(tài)接地壓力分布對(duì)比

圖6 不同氣壓下205/45R16輪胎靜態(tài)與滾動(dòng)狀態(tài)接地壓力分布對(duì)比

由圖5和6可知，無論在靜態(tài)還是滾動(dòng)狀態(tài)下，當(dāng)輪胎氣壓較小時(shí)，由于輪胎的徑向剛度較小，導(dǎo)致在接地過程中胎面中心出現(xiàn)內(nèi)凹現(xiàn)象，胎肩接地壓力集中現(xiàn)象較為明顯；隨著氣壓的增大，輪胎接地壓力分布趨于均勻，胎肩處接地壓力集中現(xiàn)象有所緩解，最大接地壓力增大，接地寬度改變不明顯，接地長度有所減小，接地面積減小。

靜態(tài)與滾動(dòng)狀態(tài)下兩種輪胎氣壓與有效接地面積、平均接地壓力、接地壓力偏度值和接地海陸比的關(guān)系如表1和2所示。

由表1和2可知，隨著氣壓的增大，有效接地面積減小，平均接地壓力和接地壓力偏度值增大，這從輪胎的接地形狀上也可以明顯地觀察出來。接地海陸比與氣壓沒有明顯的函數(shù)關(guān)系，主要與花紋形式有關(guān)。

表1 不同氣壓下195/65R15輪胎靜態(tài)與滾動(dòng)狀態(tài)接地特性對(duì)比

胎面與路面的摩擦使輪胎接地印痕中心產(chǎn)生切應(yīng)力[6]，如圖7所示。當(dāng)輪胎自由滾動(dòng)時(shí)，輪胎接地印痕中部產(chǎn)生縱向剪切力，導(dǎo)致從輪胎印痕的前沿到后沿產(chǎn)生雙重反向縱向應(yīng)力，因此同一規(guī)格輪胎在相同氣壓條件下，靜態(tài)和滾動(dòng)狀態(tài)下的接地特性存在明顯的差異。不同規(guī)格輪胎由于花紋形狀不同，靜態(tài)和滾動(dòng)狀態(tài)下接地特性的變化規(guī)律也不完全一樣，但從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，滾動(dòng)狀態(tài)下接地特性的各評(píng)價(jià)指標(biāo)普遍比靜態(tài)下小。相對(duì)于靜態(tài)條件，滾動(dòng)狀態(tài)下的輪胎接地壓力分布更均勻，胎肩應(yīng)力集中現(xiàn)象不明顯。

表2 不同氣壓下205/45R16輪胎靜態(tài)與滾動(dòng)狀態(tài)接地特性對(duì)比

圖7 輪胎內(nèi)部產(chǎn)生的水平接觸應(yīng)力示意

3.2 試驗(yàn)誤差分析

對(duì)于靜態(tài)和滾動(dòng)狀態(tài)下接地特性的對(duì)比試驗(yàn)，存在以下幾方面的誤差。

（1）在做輪胎滾動(dòng)狀態(tài)下的接地特性試驗(yàn)時(shí)，輪胎是安裝在轎車上，并從壓力毯上行駛過去，由于汽車行駛過程中有振動(dòng)現(xiàn)象，導(dǎo)致呈現(xiàn)出的接地壓力在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。因此，可以重復(fù)進(jìn)行多次測(cè)量，取接地壓力波動(dòng)小的值作為試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)。

（2）試驗(yàn)過程中，為避免壓力毯與地面接觸時(shí)損壞，將壓力毯固定在一薄板上，使車輪行駛上壓力毯的過程中產(chǎn)生一定的沖擊力，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)波動(dòng)。為了減少這種沖擊力對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成的影響，可將薄板的長度增加，保證車輪在薄板上行駛一段距離且速度穩(wěn)定時(shí)再駛過壓力毯。

（3）靜態(tài)情況下，在輪胎印痕邊緣的一些單元只有部分加載，但卻在接觸面積中被當(dāng)作是完整單元，使獲得的有效接地面積和印痕面積存在誤差。輪胎在與地面接觸和與壓力毯接觸有不同的接觸屬性，也會(huì)對(duì)結(jié)果有微小的影響。

4 結(jié)論

無論在靜態(tài)還是滾動(dòng)狀態(tài)下，隨著氣壓的增大，輪胎接地壓力分布趨于均勻，胎肩處接地壓力集中現(xiàn)象有所緩解，最大接地壓力值增大，平均接地壓力和接地壓力偏度值逐漸增大；接地面積逐漸減小，接地海陸比與氣壓沒有明顯的函數(shù)關(guān)系；接地寬度基本不隨氣壓改變而改變，而接地長度和接地面積隨氣壓的減小而有所增大。在相同氣壓條件下，靜態(tài)和滾動(dòng)狀態(tài)下的接地特性存在明顯不同，滾動(dòng)狀態(tài)下接地特性的評(píng)價(jià)指標(biāo)普遍比靜態(tài)下?。幌鄬?duì)于靜態(tài)條件，輪胎滾動(dòng)狀態(tài)下接地壓力分布更均勻，胎肩應(yīng)力集中現(xiàn)象變得不明顯。