基于路面障礙汽車輪胎對行車安全的影響

翁靜雯，劉 穎，王雪純

（福州大學 環境與資源學院，福建 福州 350108）

輪胎是汽車與地面直接接觸的部件，起支撐車身、傳遞扭矩、緩沖路面障礙沖擊等作用。引起汽車制動性能變化的關鍵是輪胎和地面的影響，而保持車身穩定主要通過重新分配制動力來實現。本工作將輪胎條件與地面狀況作為一個有機結合的整體進行分析，采用遙控汽車模擬實驗并結合問卷調查，探討輪胎遇路面障礙時對行車安全的影響，以期對提高行車安全性研究提供 參考。

1 輪胎與障礙碰撞后車身穩定性的影響因素

1.1 汽車速度

眾所周知，車速越快，輪胎與障礙物碰撞后汽車的穩定性越差。雖然這個問題看似簡單，但事實上影響因素與影響對象之間的關系不能用簡單的常識去判定。特別是在計算機技術如此發達的今天，人們足以通過以汽車模型或者遙控車作為替代物進行簡便試驗，并利用計算機技術分析兩個變量之間的聯系，得到速度與穩定性的具體關系。這樣的定性研究對于更進一步深入研究是十分必要的，例如可以據此對不同的減速帶設定更合理的速度標準[1]。

1.2 路面障礙物的類型

路面障礙物有很多種不同的類型，例如尖銳、球型或是其他各種形狀的物體。尖銳的物體可能導致輪胎直接被刺破，而球形或者其他形狀的物體又可能以其他的形式損壞輪胎，對車身穩定性造成影響。障礙物對不同類型輪胎的影響不同，分析時需考慮有無內胎[2]等輪胎類型因素。對于不尖銳的障礙物，還將進一步分類，這種漸進式的分類奠定了后續研究的方向[3]。

1.3 輪胎材料

現在世界通用的輪胎材料普遍是橡膠加鋼絲等骨架材料。為了使試驗更具有普遍性和科學性，本課題組嘗試采用不同的材料探索輪胎與碰撞障礙物間的作用。采用不同的材料也是輪胎新的研究方向。

1.4 輪胎結構

從斜交輪胎到子午線輪胎，輪胎的結構越來越優化，緩沖性能也變得更好。

1.5 胎面花紋類型和深度

常見的胎面花紋類型有單向花紋、不對稱花紋[4]、塊狀花紋、復合花紋、羊角形花紋和條形花紋，依次見圖1（從上到下）。相對而言，塊狀花紋的緩沖性能較差。

輪胎花紋越深，則花紋塊接地彈性變形量愈大，由輪胎彈性遲滯損失形成的滾動阻力也將隨之增加[5]，也就是說在輪胎接觸地面時，就會消耗一部分力去抵消因輪胎花紋過深而帶來的彈性形變，對汽車形成較大的阻力，影響動力的輸入和增加油耗。合適的花紋深度可保證汽車良好的抓著性能，使汽車擁有更好的動力性、制動性、轉向操作性等。

圖1 6種常見輪胎花紋示意

1.6 路面材料

上述所探究的大部分都是“人機環”中“機”的因素對輪胎與障礙物碰撞的影響，還需要對“環”進行研究，也就是路面類型的影響。路面有軟硬之分，例如瀝青路面是較軟的路面，水泥路面是較硬的路面，還有瀝青的松軟程度對輪胎與障礙物碰撞都有不同的影響。路面材料的不同導致路面與輪胎的摩擦力也有所不同，這些都是值得探究的。還應指出的是，在探究這些復雜繁多因素對輪胎與障礙物的碰撞或汽車穩定性的影響時可以用控制變量法[6]，但同時也要注意輸入盡可能多的數據提高試驗的說服力。

2 遙控汽車測試實驗及數據分析

2.1 汽車輪胎摩擦力測試

（1）汽車直行時的摩擦力。主要測試汽車沿前進方向的摩擦力[7]。

試驗涉及遙控小車、米尺、水泥路面。

試驗過程為操控小車全力加速相同的距離（0.5 cm)，使其以相同的速度從起跑線出發后自由前進直至停止，以輪胎是否有花紋為變量進行多次測量，試驗結果如表1所示。

表1 直行摩擦力試驗結果 m

（2）汽車側向滑行時的摩擦力。主要測試汽車在側向滑行時的摩擦力，從而反映轉向時的輪胎摩擦力。

試驗涉及遙控小車、米尺、水泥路面、能重復提供相同動能的撞擊裝置。

試驗過程為利用撞擊裝置對靜止狀態下的小車進行相同的撞擊，測量撞擊后到靜止時小車所運行的距離，以小車的輪胎是否有花紋為變量進行多次測量，試驗結果如表2所示。

表2 側向滑行摩擦力試驗結果 m

由表1和2可以看出：直行時，有花紋輪胎平均滑行0.94 m，無花紋輪胎則是1.24 m；側向滑行時，有花紋輪胎平均滑行0.10 m，無花紋輪胎則是0.15 m。由此可見，無花紋輪胎遙控汽車撞擊后到靜止時所運行的距離較長，說明輪胎花紋有助于增大摩擦力。

2.2 汽車穩定性能測試

試驗涉及遙控小車、米尺、沙子、碎石路面模型、減速帶模型。

試驗過程為操控小車使其盡量勻速前行，以路面狀況為變量進行多次測量，觀察車身上平鋪的沙子經過障礙前后的形態變化。

汽車穩定性能測試結果為：平路 沙子形態幾乎沒變化；減速帶模型路面 沙子面積擴大，有一定變化；碎石模型路面 沙子形態有明顯變化。由此可以看出，當其他因素不變時，路面狀況發生變化，例如變得比較顛簸時，車身會受到相應的影響。由此可定性地看出，不同的路面狀況對小車的影響不同。

3 問卷調查及數據分析

本次問卷調查采用網絡發放和實地發放兩種方式進行，為使調查數據更加真實、可靠，將實地問卷發放地點進行隨機分布，主要位于福州市市區及所在大學城周邊。本次調研共計發放問卷600份，回收問卷576份，篩除無效問卷37份，共計收回有效問卷539份，對問卷數據進行統計分析。

首先，通過問卷中的個人基本信息題目的結果統計，駕齡在1年以下的有42人，占總人數的7.79%，駕齡在1～3年的有256人，占總人數的47.50%，駕齡在3年以上的有241人，占總人數的44.71%。各比例頻數分布科學合理，結果具有統計意義，同時可以看出，接受調查的群體中駕齡較高者居多，他們的行車經驗豐富，這對于本課題的研究具有積極意義。

3.1 司機對輪胎的認識程度

輪胎之于汽車，猶手足之于人體，其重要性不言而喻。作為一名駕駛人員，對汽車輪胎應該有正確的認識，然而通過本小組的調查發現，多數司機對輪胎認識不足，了解程度不高。“平時會去關注以及了解汽車輪胎的信息”的調查發現，經常關注并十分了解的僅38人，占7.05%，不經常關注但有一定了解的有176人，占32.65%，而不關注也不了解的則有325人，占60.30%，可見，多數司機對汽車輪胎的關注度較低，認識不足。另外，人們在購車時對輪胎的要求情況見表3。

表3 顧客對輪胎的購買要求占比

由表3不難發現，多數人只關注其價格，而忽視了輪胎其他方面的性能。

3.2 輪胎性能對行車安全的影響

通過調查了解駕駛人員在行車過程中對輪胎作用的直觀感受可以發現，輪胎嚴重影響了行車安全。其中在問及“您認為最影響您行車安全的外因是什么”時，有34.14%的人認為輪胎是最影響行車安全的外因，占了相當大的比例。有38.22%的人認為“輪胎對剎車時的制動距離影響很大”。此外，有42.86%的人認為花紋是對制動距離影響最大的輪胎因素，有32.65%的人認為輪胎規格是對制動距離影響最大的輪胎因素，有24.49%的人認為輪胎材質是對制動距離影響最大的輪胎因素。綜上可見，輪胎性能嚴重影響行車安全。

3.3 障礙路面對行車安全的影響

道路是交通的血脈，行車離不開道路。路面狀況影響著行車的安全，尤其是障礙路面。在對“您認為最影響您行車安全的外因是什么”這一問題的調查過程中，有37.29%的人認為路面是最影響行車安全的外因。僅有11.87%的司機能在障礙路面下穩定駕駛，31.35%的司機覺得障礙路面下行車不好把握但影響不大，其余56.78%的司機在障礙路面下有行車困難，甚至不敢駕駛。綜上可見，障礙路面嚴重影響著行車安全。

3.4 障礙路面下輪胎質量的受重視程度

障礙路面和輪胎均對行車安全產生重要影響，而二者又是在行車過程中直接相互作用的兩部分，可以說路面障礙的影響是通過輪胎作用于車身，并對駕駛人員產生影響，從而干擾行車安全的，因此障礙路面下輪胎的質量是人們關注的問題。“設計合理的輪胎相對于質量一般的輪胎在汽車遇路面障礙時有哪些突出的作用”，關于這一問題的調查情況為僅有3.71%的人認為障礙路面下輪胎質量的作用不大，多數人還是較為重視障礙路面下的輪胎質量的，且有較深刻的認識，其中58.56%的司機認識到障礙路面下輪胎質量影響車身的穩定性，從而對駕駛人員產生不適影響[8]。

通過數據分析，進一步證實障礙路面下輪胎質量影響行車安全，同時可看出公眾對輪胎的重視程度，因此，研究障礙路面下輪胎性能對道路交通安全具有十分積極的意義。

4 合理化建議

通過試驗可以了解路面上各種類型和參數的障礙物對輪胎的影響，包括定性與定量的影響。就提高汽車穩定性問題提出如下合理化建議。

（1）對汽車輪胎的材料進行一些創新性的改進，可以多測試一些新材料以提高輪胎的性能，并降低成本。

（2）對輪胎結構及花紋多一些創新性的改進或許會得到很好的效果。例如輪轂不一定設計為圓形的，也可以考慮制作成其他形狀。輪胎的外表面不一定要整體光滑的，也可以有大波紋的曲面等，只要是能夠有效提升輪胎的性能與穩定性，同時也能夠降低成本，這些都可以實現[9]。

（3）對減震器的結構進行多方面的設計，與輪胎配合以達到使車身最穩定。例如減震器不一定非要是傳統的彈簧[10]，可以采用電腦控制的自動液壓系統等。

以上所述都可以在計算機上進行初步模擬分析，然后進行與此試驗類似的穩定性試驗，再考慮從研發到實體的設計。

5 結論

本工作采用汽車模擬實驗研究輪胎遇路面障礙時對行車安全的影響，通過摩擦力測試和汽車穩定性能測試及問卷調查結果進行定性分析。

（1）根據摩擦力測試試驗，分析得出胎面花紋有助于增大輪胎的摩擦力，從而提高車輛的剎車力和驅動力，改善車輛的操縱性、穩定性和行駛安全性。

（2）根據汽車穩定性能測試試驗，分析得出不同路面狀況對汽車行駛穩定性的影響不同。

（3）根據問卷調查，分析得出障礙路面上輪胎質量嚴重影響行車安全，并且人們重視輪胎對汽車行駛安全的影響。