制動(dòng)檢驗(yàn)時(shí)輪胎剝傷現(xiàn)象探源及其對(duì)策（一）

南京市公安局交通管理局車輛管理所 黃筼先

制動(dòng)檢驗(yàn)時(shí)輪胎剝傷現(xiàn)象探源及其對(duì)策（一）

南京市公安局交通管理局車輛管理所 黃筼先

筆者在參加機(jī)動(dòng)車安檢機(jī)構(gòu)監(jiān)督檢查時(shí)，與機(jī)構(gòu)相關(guān)人員座談交流過(guò)程中，聽(tīng)到有關(guān)滾筒反力式汽車制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)檢驗(yàn)制動(dòng)時(shí)，偶有輪胎剝傷現(xiàn)象發(fā)生的反饋信息。后經(jīng)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)在制動(dòng)檢驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)輪胎剝傷現(xiàn)象（俗稱“扒胎”）的情況并非個(gè)案，其他機(jī)動(dòng)車檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)也偶有此類現(xiàn)象發(fā)生。因此筆者決定探究制動(dòng)檢驗(yàn)時(shí)輪胎剝傷現(xiàn)象的原因及其對(duì)策，以供廣大從業(yè)人員參考。

經(jīng)過(guò)調(diào)查統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，發(fā)生“扒胎”現(xiàn)象的車輛主要以大車居多，客車和校車所占比例也比較大，且后軸居多。下面筆者從檢驗(yàn)設(shè)備、輪胎和車輛、操作與規(guī)范、環(huán)境與氣候等4個(gè)方面，對(duì)“扒胎”現(xiàn)象的原因進(jìn)行分析。

1 檢驗(yàn)設(shè)備

檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)常用的檢測(cè)車輛制動(dòng)性能的設(shè)備是滾筒反力式汽車制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)。

1.1 滾筒反力式汽車制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)受力分析

在進(jìn)行制動(dòng)性能檢驗(yàn)時(shí)，滾筒反力式汽車制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)的受力情況如圖1所示。行車制動(dòng)器開(kāi)始制動(dòng)時(shí)，在F1和F2的推動(dòng)下，車輪有沿后滾筒向上爬升的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。在制動(dòng)力增加到使車輪抱死，車輪即將離開(kāi)前滾筒的瞬間，前滾筒上N1=0，F(xiàn)1=0。此時(shí)可列出下列關(guān)系式：

聯(lián)解上式可得：

另外，從圖3中可得：

圖1 滾筒反力式汽車制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)受力分析

式中ψ——車輪與滾筒間的附著系數(shù)；L——前滾筒與后滾筒之間的中心距；h——前后滾筒高度差；α——車輪、前滾筒中心連線與重力方向夾角；R——車輪滾動(dòng)半徑；r——滾筒半徑。

在此種情況下，由式（2）可知，在一定范圍內(nèi)，當(dāng)θ增大時(shí)，車輪與滾筒間的附著系數(shù)ψ也隨之增大。因?yàn)閠an（2θα）≤1（因?qū)嶋H附著系數(shù)范圍為0～1），即2θ-α≤45°，按照《汽車底盤測(cè)功機(jī)》（JT/T 445—2008）的規(guī)定，其推薦安置角為31.5°，則31.5°≤2θ-α≤45°所以當(dāng)安置角θ在一定范圍內(nèi)增大，ψ也增大；但當(dāng)安置角θ超出一定范圍時(shí)，ψ不會(huì)再增大。由式（3）可知，加大中心距L可使安置角θ增大。但在實(shí)際情況下，不可能僅依靠加大中心距L來(lái)得到較大的附著系數(shù)ψ。

實(shí)際上，滾筒與車輪之間的接觸面積小于地面與車輪之間的接觸面積，因此，車輪對(duì)滾筒表面的壓強(qiáng)（壓力與接觸面積的比值）比車輪對(duì)地面的壓強(qiáng)大。接觸面壓強(qiáng)在一定限度內(nèi)增大有助于附著力的增大，但是當(dāng)壓強(qiáng)一旦增大到滾筒凹凸不平表面上的每一處微“凹坑”都被橡膠緊緊地“塞滿”，車輪與滾筒之間形成了全面的“鑲嵌”時(shí)，再增加壓強(qiáng)就徒勞無(wú)益了。這時(shí)只有增加滾筒的直徑，增大接觸面積（接觸面積增大就存在更多的“凹坑”），就能夠有效增加附著力。

由式（3）可知，滾筒中心距L、h確定后，安置角θ與車輪滾動(dòng)半徑R有關(guān)，R增大時(shí)θ減小，致使附著力F2減小。因此，用同一制動(dòng)臺(tái)測(cè)試大車和小車，其測(cè)試結(jié)果是有偏差的。由式（3）還可知，當(dāng)滾筒半徑r取較大值時(shí)，不同半徑車輪的安置角θ的變化范圍小。也就是說(shuō)，大直徑滾筒制動(dòng)臺(tái)測(cè)試大車和小車，其測(cè)試結(jié)果的偏差比小直徑滾筒的制動(dòng)臺(tái)的測(cè)試結(jié)果小。

采用大直徑的滾筒雖然會(huì)加大制動(dòng)臺(tái)的電動(dòng)機(jī)和減速器的功率，但卻能大大改善車輪的受力狀態(tài)，提高制動(dòng)臺(tái)的測(cè)試性能。因此，建議制動(dòng)臺(tái)采用大直徑滾筒（Ф≥200 mm）的方案。

1.2 制動(dòng)時(shí)車輪后移的影響

根據(jù)《機(jī)動(dòng)車安全技術(shù)檢驗(yàn)項(xiàng)目和方法》（GB21861—2014）中C1.1.c的規(guī)定，從動(dòng)、主動(dòng)滾筒中心距為460 mm，從動(dòng)滾筒上母線與地面水平面的高度差+40 mm，即從動(dòng)滾筒高出地平面一些；主動(dòng)滾筒與從動(dòng)滾筒的水平高度差為+30 mm，即主動(dòng)滾筒高出從動(dòng)滾筒一些。按照宣貫材料解釋，其目的是使受測(cè)車輪的周緣最低點(diǎn)與地面相切，確保參檢車的各個(gè)車輪處在同一平面上。主動(dòng)滾筒抬高，使得受測(cè)車輪后移時(shí)不易翻越滾筒。同時(shí)也使受測(cè)車輪越發(fā)壓向主動(dòng)滾筒，增大了接觸壓強(qiáng)。

1.3 輪胎與滾筒的接觸印痕

制動(dòng)檢驗(yàn)時(shí)，受測(cè)車輪與滾筒接觸印痕區(qū)與道路行駛時(shí)截然不同。寬度方向上略窄于胎冠寬度；長(zhǎng)度方向上因車型不同 （輪胎氣壓正常情況下，小型車約20 mm～40 mm；大型車約35 mm～60 mm。大型車在平板式制動(dòng)臺(tái)上的接地印痕長(zhǎng)在200 mm以上）。對(duì)于大型客車和重型商用混凝土攪拌車來(lái)說(shuō)，盡管空載，軸荷也相當(dāng)大，這就造成受檢車輪與滾筒接觸印痕區(qū)內(nèi)壓強(qiáng)較大的不利條件。下面，來(lái)看2個(gè)案例。

案例1 海格K L Q 3 1 2 2客車

海格KLQ3122客車的整備質(zhì)量為13 990 kg，制動(dòng)數(shù)據(jù)如表1所列。以海格 KLQ6122型客車為例計(jì)算結(jié)果如下：

已知：印痕區(qū)長(zhǎng) 6 cm，雙胎冠寬 20×2=40 cm，因?yàn)閠an（2θ-α）≤1（因?qū)嶋H附著系數(shù)在0～1之間），即2θ-α≤45°，按照《汽車底盤測(cè)功機(jī)》（JT/T 445—2008）規(guī)定，其推薦安置角為31.5°，則31.5°≤2θ-α≤45°，取ψ=0.7。

設(shè)：接地印痕區(qū)面積為 A：

A = 6 cm × 40 cm = 240 cm2。

接觸印痕區(qū)正壓力N2∶

N2= W/[cos（2θ-α）+ψsin（2θ-α）]。

當(dāng)31.5°≤2θ-α?xí)r，

N2≥11 482.74 kg；

人兩眼重合視域?yàn)?24°，越接近人眼極限視域角度越會(huì)帶來(lái)更強(qiáng)的觀影體驗(yàn)感，所以很多消費(fèi)者喜歡去影院觀影，而近年VR、AR技術(shù)的興盛也正是因?yàn)槠湟曇暗拇蠓嵘鴰?lái)更深的代入感。隨著大屏化趨勢(shì)，電視產(chǎn)品的觀影距離不斷提升，以及電視產(chǎn)品尺寸的增加，大屏彩電已經(jīng)能夠基本達(dá)到“影院”級(jí)觀影效果。

當(dāng)2θ-α≤45°時(shí)，

N2≤11 638.28 kg。

壓強(qiáng)為 P∶

P =接觸印痕區(qū)正壓力/接觸印痕區(qū)面積。

當(dāng)31.5°≤2θ-α，N2≥11 482.74 kg時(shí)，

P≥47.84 kg/cm2；

當(dāng)2θ-α≤45°，N2≤11 638.28 kg時(shí)，

宇通 ZK6109DX51型客車的整備質(zhì)量為9 850 kg，以宇通 ZK6109DX51型客車為例計(jì)算結(jié)果如下：

已知：印痕區(qū)長(zhǎng)5.5 cm，胎冠寬 18×2=36 cm，因?yàn)閠an（2θ-α）≤1（因?qū)嶋H附著系數(shù)在0～1之間），即2θ-α≤45°，按照《汽車底盤測(cè)功機(jī)》（JT/T 445—2008）規(guī)定，其推薦安置角為31.5°，則31.5°≤2θ-α≤45°，取ψ=0.7。

設(shè)：接觸印痕區(qū)面積為 A：

A = 5.5 cm × 36 cm = 198 cm2。

接觸印痕區(qū)正壓力為N2：

N2= W/[cos（2θ-α）+ψsin（2θ-α）]。

當(dāng)31.5°≤2θ-α?xí)r，

N2≥8 084.70 kg；

當(dāng)2θ-α≤45°時(shí)，

N2≤8 194.20 kg。

壓強(qiáng)為P∶

P =接觸印痕區(qū)正壓力/接觸印痕區(qū)面積。

當(dāng)31.5°≥2θ-α，N2≥8 084.70 kg時(shí)，

P≥40.83 kg/cm2；

當(dāng)2θ-α≤45°，N2≤8 194.20 kg時(shí)，

P≤41.38 kg/cm2。

由以上兩個(gè)例子可以看出，接地印痕區(qū)輪胎與滾筒接觸壓強(qiáng)已經(jīng)達(dá)到了工業(yè)上的中壓級(jí)別（液壓傳動(dòng)中將壓力分五級(jí)：低壓為0 MPa～2.5 MPa；中壓為2.5 MPa～8 MPa；中高壓為8 MPa～16 MPa；高壓為16 MPa～32 MPa；大于32 MPa為超高壓）。舉升式加載制動(dòng)臺(tái)液壓系統(tǒng)工作壓力滿載時(shí)約36 kg/cm2，而兩個(gè)案例中的壓強(qiáng)比這還要多出不少，可見(jiàn)滾筒臺(tái)對(duì)輪胎的作用力的強(qiáng)度。

表1 海格KLQ3122客車制動(dòng)數(shù)據(jù)

1.4 后輪制動(dòng)檢測(cè)時(shí)的受力分析

對(duì)后輪進(jìn)行制動(dòng)檢測(cè)時(shí)的受力分析，后輪的受力情況如圖2所示。根據(jù)試驗(yàn)觀察，在踩下制動(dòng)踏板后，經(jīng)過(guò)短暫時(shí)間，前、后車輪之間的軸距微微發(fā)生變化，后軸后移。實(shí)際上，這是由于受力后輪胎、車身、懸架等總成的彈性、間隙積累造成的縱向拉伸形變，使得受測(cè)車軸向后移動(dòng)。隨即，受測(cè)車輪離開(kāi)從動(dòng)滾筒，全部壓向主動(dòng)滾筒。

選取坐標(biāo)系如圖2所示。接觸印痕區(qū)可視作由有限多個(gè)形變微單元組成，形變微單元所受到的切向力集合形成圖中藍(lán)色粗線，代表滾筒切向力，將其沿著坐標(biāo)系的X軸和Z軸進(jìn)行分解，構(gòu)成圖中藍(lán)色細(xì)線，分別代表“上抬分力”和“后拉分力”。運(yùn)用“力的平移定理”將后軸荷移動(dòng)到與上抬分力共線，在受測(cè)車輪處形成了Z軸方向上，軸荷與上抬分力的平衡；力平移后得到的力偶矩與行車制動(dòng)器制動(dòng)力矩中的一部分相互抵消。在X軸方向上，前輪施加的拉力與滾筒切向力的“后拉分力”平衡，后拉分力在車軸上的力矩與行車制動(dòng)器剩余的制動(dòng)力矩抵消，從而達(dá)到受力平衡和力矩平衡。

圖2 后輪制動(dòng)時(shí)受力分析

1.5 形變微單元分析

把輪胎、滾筒接觸區(qū)沿輪胎周緣方向想象排列著有限多個(gè)形變微單元（圖3）。這些形變微單元，受到離開(kāi)輪胎胎冠的拉力和位于車輪中心后側(cè)、向上的擠壓力雙重作用。相鄰形變微單元之間會(huì)有胎冠裂紋發(fā)生的傾向。

圖3 輪胎表面形變分析

從車輪外緣與滾筒接觸的情況來(lái)看，a～b為正常段，b～c為拉伸漸長(zhǎng)段，c～d為壓縮段，d～e為恢復(fù)正常段。輪緣在b～c段被拉長(zhǎng)，極有可能出現(xiàn)上述形變微單元間裂紋，或使原來(lái)已有的裂紋加深。c～d段為壓縮段，在c點(diǎn)處出現(xiàn)最大應(yīng)力集中點(diǎn)。“輪胎胎冠剝傷”現(xiàn)象，應(yīng)該在此處初始形成“撕裂紋”但還不至于剝落，但到d點(diǎn)后，滾筒的切向力作用線已經(jīng)從指向輪胎內(nèi)部轉(zhuǎn)而指向輪胎外部，如果裂紋處胎冠與簾布層間結(jié)合強(qiáng)度不夠，就會(huì)在輪胎胎面上產(chǎn)生“剝傷”。

1.6 滾筒的粘砂與網(wǎng)格

新粘砂層的金剛砂峰角尖銳，對(duì)輪胎嵌入效應(yīng)強(qiáng)，附著系數(shù)明顯高于舊粘砂層。網(wǎng)格粘砂層結(jié)構(gòu)使得印痕區(qū)面積“縮水”，壓強(qiáng)又有所增加。同時(shí)，網(wǎng)格狀粘砂層的小溝槽使得粘砂層表面附著物易于脫落，在一定程度上有利于滾筒的自潔。壓強(qiáng)增大和自潔作用是此種表面結(jié)構(gòu)附著系數(shù)略高于其他的主因。研究發(fā)現(xiàn)，“輪胎剝傷”現(xiàn)象出現(xiàn)的幾率與粘砂層具有相關(guān)性，新粘砂層出現(xiàn)幾率高于舊粘砂層，有網(wǎng)格的粘砂表面出現(xiàn)幾率高于無(wú)網(wǎng)格粘砂表面。

綜上所述，接觸印痕區(qū)窄、滾筒與輪胎之間接觸壓強(qiáng)過(guò)大、呈反曲特征的輪胎形變，是導(dǎo)致輪胎損傷的主要原因。滾筒臺(tái)結(jié)構(gòu)原理上存在先天不足，主動(dòng)滾筒高于從動(dòng)滾筒增加了受測(cè)車輪與主動(dòng)滾筒間接觸壓強(qiáng)，后移過(guò)程中滾筒切向力方向由內(nèi)向外變化會(huì)加重剝傷趨勢(shì)；粘砂層銳度的大小與新舊直接相關(guān)，銳度大則附著系數(shù)高，滾筒切向力大，因此新滾筒更易損傷輪胎；網(wǎng)格花紋表面壓強(qiáng)較非網(wǎng)格表面要略大，這會(huì)使“輪胎剝傷”現(xiàn)象發(fā)生幾率略增。

（未完待續(xù)）

2016-12-10）