子午線輪胎靜態及滾動狀態下接地特性試驗研究

王國林，付 晶，梁 晨

（江蘇大學 汽車與交通工程學院，江蘇 鎮江 212013）

車輛牽引和操縱所需要的力都產生于輪胎與路面的接地區，車輛的諸多性能均通過輪胎的接地性能得以實現，而輪胎接地性能主要通過輪胎與地面之間的“接觸面”表征。因此可以借助對這個“接觸面”——即輪胎在接地區內的壓力分布進行研究，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外眾多學者的高度重視。P.S.Pillai等[1]采用試驗的方法對輪胎接地印痕面積進行了分析，得到了根據輪胎變形量和胎側尺寸參數計算輪胎接地印痕面積的經驗公式；俞淇等[2]采用壓力板法對靜負荷下輪胎接地壓力分布進行了研究，提出了描述輪胎壓力分布的一些指標；胡小弟等[3]利用自主開發的輪胎接地壓力測試儀，進行了不同花紋載重輪胎在不同充氣壓力和負荷作用下的接地壓力分布測量；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系；梁晨[5]系統地研究了輪胎接地評價體系，提出了描述輪胎接地壓力分布的幾何特征參數與力學特征參數。

目前的研究主要是探索輪胎靜負荷時接地壓力分布特征及接地特性對輪胎性能的影響，但是有關靜態和滾動狀態下輪胎接地特性差異的研究還不夠充分，與靜態下的接地壓力分布相比 ，輪胎在滾動狀態下的接地壓力分布具有更高的實用性和研究價值。

本研究采用Tekscan輪胎接地壓力分布測量系統對半鋼子午線輪胎靜態及滾動狀態下的接地特性進行試驗研究，對比分析了輪胎靜態與滾動時接地特性的變化規律，以期為子午線輪胎結構設計與改進提供參考。

1 輪胎靜態及滾動接地壓力分布測量

1.1 試驗設備與原理

本研究采用美國Tekscan公司生產的8000D-2型壓力分布測量系統，分辨率為3.048 mm×3.048 mm，壓力測量范圍為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，其中一片薄膜的內表面鋪設若干行的帶狀導體，另一片薄膜的內表面鋪設若干列的帶狀導體，當外力作用到感應點上時，半導體的阻值會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，具有實時動態記錄輪胎加載全過程及輪胎在負荷下低速滾動的接地印痕和壓力變化的功能。此外，主要試驗設備還有汽車升降平臺、氣壓表和溫濕度計等。

1.2 試驗方法和流程

接地性能試驗采用安裝在車輛上的輪胎進行，試驗輪胎為195/65R15和205/45R16子午線輪胎，其標準充氣壓力為300 kPa，試驗的環境條件為：溫度 （28±1） ℃，濕度 48%。

由于靜態接地試驗與滾動接地試驗的方法類似，這里主要詳述滾動接地壓力分布測試的步驟，如圖2和3所示。

圖2 壓力毯調試示意

圖3 輪胎滾動測試過程示意

首先連接和調試試驗設備，使汽車低速從壓力毯上駛過，并記錄試驗數據；調節氣壓，記錄不同氣壓下輪胎的接地分布情況；試驗結束后，通過施加已知載荷對壓力毯進行標定。

1.3 數據處理

利用江蘇大學研制的輪胎接地壓力分布幾何及力學評價指標分析軟件TFAS（Tire Footprint Analysis System）對測得的接地特征進行分析，如圖4所示。

圖4 TFAS運行結果

2 接地壓力對比分析指標

對于輪胎的接地壓力分布，可以從幾何特征指標和力學特征指標兩方面評價。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，對比分析不同氣壓下輪胎靜態與滾動狀態下的接地特性。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，可以表示為

式中，Pi為壓力分布測量試驗中n個壓力傳感器中第i個傳感器測得的壓力值，P為壓力分布測量中接地面積內所有傳感器測得的壓力平均值。

3 結果與討論

3.1 試驗結果對比分析

195/65R15和205/45R16兩種規格輪胎在不同氣壓時靜態和滾動狀態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輪胎靜態與滾動狀態接地壓力分布對比

圖6 不同氣壓下205/45R16輪胎靜態與滾動狀態接地壓力分布對比

由圖5和6可知，無論在靜態還是滾動狀態下，當輪胎氣壓較小時，由于輪胎的徑向剛度較小，導致在接地過程中胎面中心出現內凹現象，胎肩接地壓力集中現象較為明顯；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。

靜態與滾動狀態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關系，主要與花紋形式有關。

表1 不同氣壓下195/65R15輪胎靜態與滾動狀態接地特性對比

胎面與路面的摩擦使輪胎接地印痕中心產生切應力[6]，如圖7所示。當輪胎自由滾動時，輪胎接地印痕中部產生縱向剪切力，導致從輪胎印痕的前沿到后沿產生雙重反向縱向應力，因此同一規格輪胎在相同氣壓條件下，靜態和滾動狀態下的接地特性存在明顯的差異。不同規格輪胎由于花紋形狀不同，靜態和滾動狀態下接地特性的變化規律也不完全一樣，但從試驗結果可以看出，滾動狀態下接地特性的各評價指標普遍比靜態下小。相對于靜態條件，滾動狀態下的輪胎接地壓力分布更均勻，胎肩應力集中現象不明顯。

表2 不同氣壓下205/45R16輪胎靜態與滾動狀態接地特性對比

圖7 輪胎內部產生的水平接觸應力示意

3.2 試驗誤差分析

對于靜態和滾動狀態下接地特性的對比試驗，存在以下幾方面的誤差。

（1）在做輪胎滾動狀態下的接地特性試驗時，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現象，導致呈現出的接地壓力在一定范圍內波動。因此，可以重復進行多次測量，取接地壓力波動小的值作為試驗結果數據。

（2）試驗過程中，為避免壓力毯與地面接觸時損壞，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生一定的沖擊力，導致試驗結果出現波動。為了減少這種沖擊力對試驗結果造成的影響，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定時再駛過壓力毯。

（3）靜態情況下，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，也會對結果有微小的影響。

4 結論

無論在靜態還是滾動狀態下，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關系；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，靜態和滾動狀態下的接地特性存在明顯不同，滾動狀態下接地特性的評價指標普遍比靜態下小；相對于靜態條件，輪胎滾動狀態下接地壓力分布更均勻，胎肩應力集中現象變得不明顯。