輪胎滑水的影響因素研究

張彥鵬，田國紅，韓忠浩，陰春曄，蘇柏宇

（遼寧工業大學汽車與交通工程學院，遼寧 錦州 121001）

引言

道路環境是影響車輛行駛安全性的重要因素之一，輪胎與路面間的研究顯得非常重要。據統計，2017 年汽車交通事故發生139412 起（來源于國家統計局），其中大約有27883起發生在雨天，并且研究發現車輛發生事故的主要原因是由于降雨使輪胎與路面間摩擦系數減小而發生側滑造成的[1]。在降雨天影響輪胎與路面間摩擦系數的因素有很多，比如輪胎花紋、輪胎花紋深度、輪胎寬度、輪胎胎壓、路面材料、路面坡度、路面坡長、降雨強度等。

1 國外對影響輪胎滑水因素的研究

NASA Langley 于20 世紀60 年代后期進行了汽車輪胎滑水實驗[2]，認為滑水主要受輪胎胎壓的影響。A.W.Gilbert 等對滑水實驗數據進行研究，發現輪胎花紋深度、路面粗糙度與輪胎胎壓均與輪胎滑水速度成正比，輪胎負載對滑水速度影響較小。B.Wies 等通過實驗認為花紋類型、花紋結構和排列方式對輪胎滑水速度產生影響，并且通過實驗表明花紋溝槽越大，輪胎排水性能越好，可改善輪胎滑水性能。1973 年美國史蒂文森理工學院Gilbert 等通過一系列試驗系統分析了輪胎花紋深度、路面粗糙度、輪胎胎壓和載重對輪胎滑水性能的影響，結果表明花紋深度、路面粗糙度和胎壓對滑水性能成正相關，載重對滑水影響甚微。德國大陸輪胎公司Wies 對不同輪胎花紋對滑水性影響做了分析，所得結論如圖1 所示[3]。Groggier H 于20 世紀90 年代運用數學建模分析滑水情況，研究發現臨界滑水速度、周邊壓力場的分布、靜態光面和縱向花紋輪胎之間的關系[4]。El-Sayegh，Zeinab 等人于2017 年采用光滑粒子流體的動力學（SPH）方法和默納漢狀態方程對水進行建模，研究445/50R22.5 輪胎在干濕路面的滾動和滑動情況，并且研究了胎壓、載荷、速度、水膜厚度對滾動阻力和滑水的影響。日本橫濱輪胎公司的Okano[5]等人提出了瞬態滑水速度，利用此方法比較了不同輪胎花紋結構對輪胎滑水的影響，證明縱橫溝越大，抗滑水性能越好。

2 國內對影響輪胎滑水因素的研究

國內對輪胎滑水研究較國外晚大約半世紀，2004 年，東南大學季天劍等對路面因素考慮了坡度、坡度長度、路面粗糙度、以及路面水膜厚度對輪胎滑水的影響，輪胎本身假設通過花紋溝槽的水能以原有速度排除，不發生動能損失，花紋溝槽中的水分不產生動水壓力[6]。2009 年，臧孟炎[7]等人運用有限元分析了輪胎花紋溝槽對滑水的影響。2010 年，趙珍輝[8]運用有限元研究了輪胎橫向花紋對輪胎滑水的影響，表明花紋溝槽寬度越大，輪胎排水越及時，濕滑路面輪胎抗滑性能也越好。2011 年，重慶交通大學的董斌等[9]采用FLUENT 軟件研究得出了水膜厚度、動水壓力、輪胎花紋和滑水速度間的關系。2017 年，周海超[10]等人的研究了不同積水深度對滑水速度的影響，表明積水越少，對輪胎滑水的影響越小。

3 小結與展望

考慮到輪胎的材料非線性、幾何非線性、橡膠簾線復合材料的各向異性、橡膠材料的不可壓縮性和濕滑路面輪胎滑水的“流固耦合”問題等復雜狀況，使得輪胎滑水研究變得異常艱難，輪胎滑水研究是好幾門學科的綜合。目前國內、外對濕滑路面輪胎滑水的研究主要集中在現場試驗和計算機仿真兩種方法上，室內現場試驗對試驗場地，測試裝備，測 試人員要求較高，試驗操作具有不可重復性，并且受滑水瞬間難以判斷等因素的制約，同時水膜厚度測試目前也沒較為準確的模型，因此成本高，誤差大。計算機仿真是當前主流的研究方法，試驗操作具有可重復性，但建立的模型都做了一定程度的簡化，與實車情況差別甚遠。未來可以嘗試：（1）充分考慮輪胎和水膜間的流固耦合；（2）建立輪胎模型時考慮其完整性和復雜度等；（3）仿真過程中考慮模型對整車的影響。