基于壓力膠片技術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 土木與交通學院，廣東 廣州 510641）

輪胎與瀝青路面間的接觸狀態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復雜，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造特征，最終必將影響研究結果的準確性.另一方面，為提高路面抗滑性能，材料設計方面，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造抗滑路面接觸區域的面積及壓力分布等.為此，采用壓力膠片測量技術，選用不同規格壓力膠片，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域的面積、壓力分布和應力集中分布等展開了研究.

1 壓力膠片技術

所謂的壓力膠片技術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關系進行標定.

（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分（數值化），以直觀地體現出壓力區域信息（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 壓力信息變色區分Fig.2 Pressure information distinguished by colors

采用壓力膠片技術能直觀地檢測輪胎和路面接觸區域的面積和壓力分布，無需特殊設備或裝置，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造形式路面的接觸狀況.

2 試驗方案設計

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 試驗方案設計

路面構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計來實現.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.采用自主研發的三維激光紋理測量設備，通過線性重構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車轍板的構造深度（MTD）為1.34mm，AC－13車轍板的構造深度為0.82mm.采用傳統的鋪砂法測得GAC－13C 車轍板的構造深度為1.3mm，AC－13車轍板的構造深度為0.9mm，所以最終確定采用構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 試驗結果及數據分析

3.1 試驗結果

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值化處理，結果如圖5、表2～4所示.

表2 試驗方案及試驗結果Table 2 Experiment schemes and results

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

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

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

3.2 數據分析

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，導致輪壓小于0.50MPa時壓力膠片不能感應染色.對于0.20～0.60MPa壓力膠片而言，輪壓小于0.50 MPa時壓力膠片能感應染色，故對于確定輪胎與路面接觸面積的試驗，應采用0.20～0.60MPa壓力膠片.

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

3.2.2 輪胎花紋邊部應力集中現象

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象，這說明，在輪載作用下，輪胎花紋邊部會產生較大的應力集中.分析數據表明空載條件下輪胎花紋邊部的應力集中程度為15%，重載條件下輪胎花紋邊部的應力集中程度為5%，這是因為，重載導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）發現，不同的路面形式，輪胎與路面接觸情況有著較為明顯的區別.當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出輪胎的花紋（見圖5（a），（c），（d），（g））；當輪胎與AC－13級配路面接觸時，輪胎與路面的接觸呈現出點狀接觸的趨勢，但是，還可以區分出輪胎的花紋間隙（見圖5（b），（e），（h））；當輪胎與GAC－13C 級配路面接觸時，輪胎與路面的接觸已經完全呈現出了點狀接觸的態勢，基本無法區分輪胎的花紋間隙（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 接觸區域應力集中情況分析

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

4 結論

（1）采用壓力膠片技術可以有效評價輪胎與路面接觸區域的面積、壓力分布和應力集中分布.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域的面積和應力集中分布.

（2）輪胎與水泥混凝土路面接觸時基本呈現面接觸，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逐漸變為點接觸.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級配路面接觸區域應力集中分布明顯好于其與水泥混凝土路面接觸區域應力集中分布.輪胎與GAC－13C 級配路面接觸區域應力集中分布好于其與AC－13 級配路面接觸區域應力集中分布，這表明GAC－13C 級配路面的行車安全性要優于AC－13級配路面.

［1］HALL J W，SMITH K L，TITUS－GLOVER L，et al.NCHRP：Guide for pavement friction［J］.Transportation Research Board of the National Academies，2009，16（3）：170－186.

［2］Austroads Incorporated.Guidelines for the management of road surface skid resistance［R］.Sydney：Austroads Incorporated，2005.

［3］FARBER E，JANOFF M S，CRISTINZIO S，et al.Determining pavement skid－resistance requirements at intersections and braking sites［J］.NCHRP Report，1974，21（6）：154－163.

［4］NESBITT T R，BARRON D J.Prediction of driving traction performance on snow［J］.SAE Technical Paper，1980（7）：36－48.

［5］KING T R，MATYJA F E.Tread design effect on winter traction［J］.SAE Technical Paper，1981（3）：67－81.

［6］曹平，嚴新平.瀝青路面形貌對抗滑性能影響的理論分析［J］.摩擦學學報，2009，29（4）：306－310.CAO Ping，YAN Xinping.Theory analyses of effect of topography on skid resistance of asphalt pavements［J］.Tribology，2009，29（4）：306－310.（in Chinese）

［7］趙戰利，張爭奇，胡長順.集料級配對瀝青路面抗滑性能的影響［J］.長安大學學報，2005，25（1）：6－9.ZHAO Zhanli，ZHANG Zhengqi，HU Changshun.Influence of gradation on anti－skidding performance of asphalt pavement［J］.Journal of Chang'an University，2005，25（1）：6－9.（in Chinese）

［8］張勇.瀝青路面抗滑表層級配優化研究［D］.長春：吉林大學，2007.ZHANG Yong.Research of gradation optimization on antisliding layer of asphalt pavement［D］.Changchun：Jilin University，2007.（in Chinese）

［9］張肖寧，孫楊勇.粗集料的表面微觀紋理的激光測量方法及分形性質研究［J］.公路交通科技，2011，28（1）：19－24.ZHANG Xiaoning，SUN Yangyong.Research on measurement of surface micro－texture of aggregate using laser and its fractal character［J］.Journal of Highway and Transportation Research and Development，2011，28（1）：19－24.（in Chinese）

［10］杜雪松.基于胎／路相互作用的路面抗滑特性研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業大學，2012.DU Xuesong.Study of pavement anti－skid performance based on tire and road interaction［D］.Harbin：Harbin Institute of Technology，2012.（in Chinese）

［11］GILLESPIE T D，KARAMIHAS S M，CEBOM D，et al.Effects of heavy－vehicle characteristics on pavement response and performance［M］.Michigan：University of Michigan，1993：1－126.

［12］ZHANG Y，YI J.Static tire／road stick－slip interactions：Analysis and experiments［J］.IEEE／ASME Transactions on Mechatronics，2014，19（6）：1940－1950.

［13］CIRELLO A，MARANNANO G，MARIOTTI G V.Experimental analysis of the contact pressure distribution in an offroad tyre［J］.Journal of Strain Analysis for Engineering，2009，44（1）：287－295.

［14］張安強，姚鐘堯.輪胎接地壓力分布及其測試方法［J］.橡膠工業，2001，48（6）：368－374.ZHANG Anqiang，YAO Zhongyao.Tire contact pressure distribution and test methods［J］.China Rubber Industry，2001，48（6）：368－374.（in Chinese）

［15］de BEER M，KANNEMEYER L，FISHER C.Towards improved mechanistic design of thin asphalt layer surfacings based on actual tyre／pavement contact stress－in－motion（SIM）data in South Africa［C］∥Proceedings of 7th Conference Asphalt Pavements Southern Africa.Pretoria：H Beckedahl，1999：1－33.

［16］劉濤.瀝青路面粗集料的微觀構造及抗滑性能研究［D］.廣州：華南理工大學，2013.LIU Tao.Study on the microstructure and skid resistance of asphalt pavement's coarse aggregate［D］.Guangzhou：South China University of Technology，2013.（in Chinese）