避險車道末端消能輪胎布置方式對吸能特性的影響

覃頻頻，莫基強，侯曉磊，張紹坤

(廣西制造系統與先進制造技術重點實驗室(廣西大學機械工程學院)，南寧 530004)

避險車道指為使主線車流中的制動失效車輛能夠減慢行駛速度并且最終停止下來，在主線道路旁設置的一種輔助車道[1]。作為提高交通安全的重要工程措施，已在中國得到廣泛應用[2]。避險車道主要依靠制動床和末端減速消能設施使失控車輛強制減速，但駛入了避險車道的失控車輛仍然可能由于車速過大、避險車道長度不夠等原因，碰撞或沖破末端消能設施，造成車輛或駕駛員傷亡或者沖出末端最終墜入懸崖，造成駕駛員嚴重傷殘或死亡[3-5]。

針對不能在制動床上安全停車的失控車輛，合理設計避險車道末端就顯得十分重要。常見的避險車道末端消能設施包括消能桶和消能輪胎，當失控車輛撞擊消能輪胎時，消能輪胎通過充分發揮吸能特性，使失控車輛強制減速從而降低失控車輛以及駕駛員的傷亡[6]。國外關于避險車道的研究開展較早，研究內容也覆蓋了避險車道從設計到施工的大部分環節，包括避險車道選位研究、避險車道長度研究、制動床集料研究等多個方面，但是針對避險車道末端減速消能設施的研究較少，僅美國賓夕法尼亞大學針對消能桶開展了實車實驗研究[7]。中國的相關研究也較少，并且消能輪胎的工程應用缺乏統一標準，在避險車道末端輪胎堆放布置方式存在隨意性。避險車道末端減速消能設施不僅包括了消能桶，還包括消能輪胎、集料堆、末端擋墻等，對于末端減速消能設施的研究仍需要補充。

為此，針對末端輪胎堆放布置方式隨意性引發的問題，主要研究消能輪胎的水平和豎直布置方式對吸能性能的影響，從而獲取消能輪胎對避險車道失控車輛強制制動效果的影響，期望研究成果能給消能輪胎的布置方式及后期維護提供科學依據。

1 輪胎模型建立

由于輪胎模型對吸能特性、計算精度和仿真結果可靠性有直接影響，因此建立能夠準確反映輪胎結構特征的模型成為關鍵。

輪胎主要由胎面、胎側、胎圈等橡膠材料部分和冠帶層、帶束層、胎體等簾線-橡膠復合材料部分所組成[8-9]。Clack提出了子午線輪胎應該具有的基本條件[10]：①充氣時尺寸不能發生大的改變；②在包裹小障礙物時不能有連續的損傷；③剛度足夠大，能抵御各個方向的作用力。管延錦等[11]采用三維實體單元建立了子午線輪胎的有限元模型。其中，不同的橡膠材料部分所使用的橡膠材料硬度也不經相同，輪胎橡膠材料使用*MAT_27材料，輪胎各部位的材料參數見表1，其中C10、C20為材料參數，ν為泊松比。

表1 橡膠材料參數

輪胎有限元模型的精度受網格劃分、材料參數和邊界條件等因素影響，為了保證消能輪胎在受到車輛撞擊仿真時的精度，分別對所建立的輪胎模型進行徑向剛度與側向剛度模擬仿真。首先為建立好的輪胎添加剛體輪輞，并施加0.76 MPa的胎壓，以及1 800 kg的載重。其中，徑向剛度試驗見圖1(a)、側向剛度試驗見圖1(b)。

圖1 徑向、側向剛度試驗示意圖

輪胎徑向剛度仿真和側向剛度結果見表2。仿真數據值與文獻[12]的試驗值誤差控制在10%的范圍內，與試驗數據較好的吻合度，其中，徑向剛度仿真值小于試驗值接近10%，這可能與本文中使用的光面輪胎有關。說明了輪胎模型、材料模型的合理性、可靠性和有效性。

表2 輪胎剛度測試

2 輪胎吸能特性

2.1 單輪壓縮

在LS-DYNA軟件中使用剛性壓板對已經建立好的8R22.5子午線輪胎模型分別進行徑向和軸向壓縮試驗，如圖2所示。

圖2 壓縮試驗

2.1.1 單輪徑向壓縮仿真試驗

輪胎在徑向壓縮過程中，表現出明顯的彈性特征，輪胎內能隨著壓縮量的增大而緩慢增大，如圖3所示。在徑向壓縮實驗中，由于輪胎橡膠材料的不可壓縮性，在600～800 mm的壓縮量范圍內，輪胎內能增幅逐漸增大，在輪胎的壓縮量達到815 mm時，內能達到最大值2 960 J；如圖4所示，輪胎受到徑向沖擊時，橡膠材料結構中的胎面及胎側，在變形過程中起到主要吸能的作用，胎圈吸能較少；簾線-復合材料結構中，胎體也承擔了吸能的主要作用，冠帶層的吸能效果很微小，兩層帶束層的吸能效果較之更好；而且在受力變形的前期階段，胎面、胎側和胎體就已經展現出了很好的吸能特性，胎面、胎側和胎體三個部分的吸能量占輪胎總吸能量的80.5%。

圖3 輪胎徑向壓縮吸能曲線

圖4 輪胎各部位徑向壓縮吸能曲線

2.1.2 單輪軸向壓縮仿真試驗

輪胎軸向壓縮試驗中，輪胎內能增幅大且平穩，在壓縮量為153 mm時，輪胎最大內能達到2 860 J?？梢娫谳喬ナ艿捷S向沖擊時，起到主要吸能作用的結構仍然是胎面、胎側和胎體，三者占輪胎吸能量總量的75%。其中胎面橡膠吸能量最大，與胎體的吸能量基本類似，到了壓縮后期，隨著胎面的進一步受力變形，胎面的吸能量開始激增；帶束層的吸能效果較之于徑向壓縮輪胎的帶束層吸能量增加了2.7倍，如圖5和圖6所示。

圖5 輪胎軸向壓縮吸能曲線

圖6 輪胎各部位軸向壓縮吸能曲線

根據輪胎的徑向和軸向壓縮試驗，受到徑向沖擊的輪胎在吸能量上略高于受到軸向沖擊的輪胎，而無論輪胎受到哪種形式沖擊，其主要吸能結構仍然還是胎面、胎側和胎體。值得注意的是，當壓縮量相同時，兩種壓縮形式下輪胎的吸能量卻相差很大。例如，當壓縮量同為100 mm時，徑向壓縮輪胎吸能量為350 J，而軸向壓縮輪胎的吸能量卻已經達到了1 456 J，為徑向壓縮的4.16倍?？梢娤茌喬ピ谑艿绞Э剀囕v的軸向沖擊時能夠更迅速地吸收其殘余動能，使失控車輛迅速減速，能夠在較短的距離內發揮消能作用；而消能輪胎受到徑向沖擊時能夠吸收更多的失控車輛動能，而且整個吸能過程更緩慢，緩沖效果更好。

2.2 消能輪胎碰撞仿真試驗

2.2.1 仿真環境設置

《公路避險車道設計規范》[13]指出，末端擋墻設置于消能設施(本文消能設施為消能輪胎)之后的制動床填方路基擋土墻上方，在車輛與消能輪胎發生碰撞時，能夠對消能輪胎起到一定的約束作用，其設計目的不是為了阻擋失控車輛沖出制動床。根據對貨車主要結構參數的調研，主流車型的駕駛室前擋風玻璃下緣高度最小值接近1.5 m，如果擋墻和消能設施高度大于1.5 m時，那么在失控車輛與之發生碰撞時，可能會對駕駛室內乘員造成傷害，因此擋墻設置高度應不超過1.5 m，且避險車道制動床寬度不小于4 m，擋墻應與制動床寬度同寬。故在消能輪胎后設置高1.5 m，寬4 m寬的擋墻。

為了消除消能輪胎設施數量對于吸能效果的影響，水平堆放與豎直堆放的消能輪胎碰撞試驗的消能輪胎設置數量相等。輪胎水平堆放時，類似于徑向壓縮，見圖7(a)；豎直堆放時類似于軸向壓縮，見圖7(b)。

圖7 輪胎堆放方式

2.2.2 水平堆放仿真試驗

圖8和圖9分別為車輛加速度和車輛速度仿真曲線，由曲線可以看出，在碰撞過程中，車輛加速度基本一直維持在(1～2)g之間，并在0.116 s時達到最大加速度2.56g，可見消能輪胎對于失控車輛具有很好地減速制動效果，并且不易對車內乘員造成傷害。0～0.116 s時間段內，車輛與消能輪胎剛發生接觸的時候，車輛減速最為迅速，能夠給予失控車輛有效的緩沖制動性能；隨著車速的降低，在0.15～0.4 s時間段內加速度趨于平穩，失控車輛在這過程中穩定減速；在碰撞后期，車速進一步降低，但由于橡膠的不可壓縮性，消能輪胎壓縮幅度增大，輪胎愈發顯示剛性，加速度也逐步增大，車輛速度在0.5 s時降低至1 m/s以下直到仿真結束。

圖8 水平堆放加速度曲線

圖9 水平堆放速度曲線

其中，碰撞過程中車輛與消能輪胎之間的接觸力見圖10。碰撞0.116 s時，接觸力達到峰值127 kN，隨后逐漸下降，碰撞0.2 s后，隨著消能輪胎的進一步壓縮，接觸力漸漸增大，也表現于加速度上。

圖10 水平堆放車輛接觸力變化曲線

2.2.3 豎直堆放仿真試驗

圖11和圖12分別為車輛加速度和車輛速度曲線。與豎直堆放試驗不同，在碰撞過程中，車輛減速度一直呈現波動中且逐漸增大的趨勢。在0.06 s時加速度達到第一個峰頂值，大小為2g；隨后在0.15 s時達到了第二個加速度峰頂值，大小為2.1g；在0.15 s至仿真結束這一段時間內，加速度始終維持在1g以上并且在0.18 s時達到最大加速度，大小為3.1g；消能輪胎使失控車輛車速在0.22 s時降至10 km/h，而且，在0.3 s前便將車速控制到了1 km/h以下。

圖11 豎直堆放加速度曲線

圖12 豎直堆放速度曲線

以上數據表明，豎直堆放的消能輪胎能夠提供給到失控車輛更大的加速度，使失控車輛迅速制動。但相反地，這種堆放方式的消能輪胎對于車輛緩沖性能較差，相較于水平堆放的消能輪胎，這種豎直堆放的方式有可能對車內乘員造成更大的傷害，對車輛的損壞程度也更嚴重。

類似地，車輛受到的接觸力逐漸增大，并在0.26 s達到峰值，大小為153 kN，比水平堆放試驗峰值接觸力多了大約25%，見圖13。

圖13 豎直堆放車輛接觸力變化曲線

值得注意的是，當失控車輛的撞擊速度達到40 km/h時，水平堆放碰撞模型的最大接觸力為208 kN，而豎直堆放碰撞模型的最大接觸力則達到了340 kN，是水平堆放模型的1.63倍，這意味著豎直堆放的消能輪胎更容易對車內乘員造成傷害，數據如圖14所示。

圖14 40 km/h堆放接觸力

3 結論

通過對避險車道末端消能輪胎吸能特性進行研究，得出以下結論。

(1)豎直堆放消能輪胎的制動效率更高，能夠更迅速地吸收失控車輛的殘余動能，使其快速制動，但對車輛的緩沖效果較差，容易對車輛及乘員造成傷害，適合運用于場地條件受限的避險車道末端。

(2)水平堆放的消能輪胎能夠吸收更多的失控車輛動能，緩沖效果也更好，對于車輛及乘員的保護效果更好，但是在鋪設時容易受到避險車道末端長度的限制，場地條件允許情況下應更多采用水平堆放的消能輪胎。