基于压力胶片技术的轮胎与路面接触特性研究

张淑文，张肖宁，李 智，田 力

（华南理工大学 土木与交通学院，广东 广州 510641）

轮胎与沥青路面间的接触状态对于行车安全十分重要［1－3］.为了增强轮胎与沥青路面间的接触效果，人们开展了轮胎表面花纹设计、橡胶材料及其硬度等方面的研究［4－5］，开展了抗滑石料性能评价、级配组成设计等方面的探讨［6－9］，同时对轮胎与沥青路面间的接触特性也进行了较深入的分析［10－11］.但是沥青等路面表面粗糙形态复杂，难于测量和评价.Zhang等［12］在开展摩托车轮胎与路面接触特性研究及Cirello等［13］研究不同型号轮胎的接地压力分布和路面变形特性时，采用钢板等光滑板面来模拟路面，显然，钢板等光滑板面无法有效反映路面的细观纹理特性及宏观构造特征，最终必将影响研究结果的准确性.另一方面，为提高路面抗滑性能，材料设计方面，在保证一定耐水害性能的情况下，越来越多地采用呈更粗糙表面轮廓和构造的沥青混合料层面（如SMA，OGFC，GAC 混合料层面）作为路面抗滑层，而传统的压力板法、光吸收法和低精度、低耐久性的压力传感器法［14－15］已不能有效检测轮胎和粗糙大构造抗滑路面接触区域的面积及压力分布等.为此，采用压力胶片测量技术，选用不同规格压力胶片，在不同轮载及不同路面粗糙程度条件下就轮胎与路面接触区域的面积、压力分布和应力集中分布等展开了研究.

1 压力胶片技术

所谓的压力胶片技术是指通过在压力接触面间放置压力胶片，利用压力胶片特殊的受压染色功能，检测出胶片所受压力的面积和分布等特性.压力胶片测试步骤如下：

（1）通过标准的压力胶片标定纸，对压力胶片的色彩与所受压力的对应关系进行标定.

（2）模拟轮胎与路面的接触，进行压力胶片受压试验.

（3）对受压后的压力胶片进行扫描识别，获得扫描图像（见图1）；对扫描后的色彩信息进行识别，并对不同范围的压力信息进行变色区分（数值化），以直观地体现出压力区域信息（见图2）；对处理后的压力信息进行量化分析，如图3所示.

图1 压力胶片扫描图像Fig.1 Scanning image of pressure film

图2 压力信息变色区分Fig.2 Pressure information distinguished by colors

采用压力胶片技术能直观地检测轮胎和路面接触区域的面积和压力分布，无需特殊设备或装置，成本低测量速度快，试验操作比较简单.压力胶片技术检测精度较高（达0.016mm2），压力测量误差较小（一般小于±10%），检测面积较大（300 mm×260mm以上），可以检测轮胎与多种构造形式路面的接触状况.

2 试验方案设计

2.1 影响轮胎与路面接触特性的因素

影响轮胎与路面接触特性的因素主要分为两大类，即路面因素和轮胎因素，其中，路面因素主要为路面构造所带来的路面粗糙程度等；轮胎因素主要包括轮载、轮压、轮胎的硬度和花纹等.

2.2 试验方案设计

路面构造所带来的路面粗糙程度的不同，主要依赖路面混合料的级配设计来实现.本文采用2种路面混合料级配（见表1），即GAC－13C骨架密实型级配和AC－13密实悬浮型级配.采用自主研发的三维激光纹理测量设备，通过线性重构方法模拟出路面三维图形，如图4（a），（b）所示［16］，并计算出GAC－13C车辙板的构造深度（MTD）为1.34mm，AC－13车辙板的构造深度为0.82mm.采用传统的铺砂法测得GAC－13C 车辙板的构造深度为1.3mm，AC－13车辙板的构造深度为0.9mm，所以最终确定采用构造深度存在显著差别的水泥混凝土路面（既有路面，其三维图形见图4（c））、GAC－13C级配路面和AC－13 级配路面作为试验中的模拟路面.

本试验选择普通小型载重汽车为试验对象.通过后轮上压路面来模拟实际的轮胎与路面的接触情况.轮胎型号为普利司通DUELER A／T，轮压为标准轮压0.60MPa，轮载采用空载和配重块重载2种形式，通过压力传感器测得轮载分别为3.65kN 和7.39kN.

图3 压力信息的量化分析Fig.3 Quantitative analysis about pressure information

表1 路面混合料级配Table 1 Gradations of pavement mixtures

图4 不同混合料路面的三维模拟Fig.4 3Dsimulations of pavements with different mixtures

为了确定更加适宜的压力胶片类型，选择了2种规格压力胶片（0.20～0.60MPa压力胶片和0.50～2.50MPa压力胶片）进行试验.试验方案如表2所示.

3 试验结果及数据分析

3.1 试验结果

将受压染色的压力胶片进行扫描，然后采用特定软件进行数值化处理，结果如图5、表2～4所示.

表2 试验方案及试验结果Table 2 Experiment schemes and results

图5 不同试验条件下压力胶片的扫描结果Fig.5 Scanning results for pressure films at different experiment conditions

表3 0.50～2.50MPa压力胶片应力集中分析Table 3 Analysis of stress concentration at 0.50～2.50MPa pressure film %

表4 0.20～0.60MPa压力胶片应力集中分析Table 4 Analysis of stress concentration at 0.20～0.60MPa pressure film %

3.2 数据分析

3.2.1 压力胶片型号的影响

由表2可以看出，对0.50～2.50 MPa压力胶片而言，路面承受的平均压力与实际轮压0.60MPa相差较远，究其原因，是因为压力胶片的起点测量压力0.50MPa过大，导致轮压小于0.50MPa时压力胶片不能感应染色.对于0.20～0.60MPa压力胶片而言，轮压小于0.50 MPa时压力胶片能感应染色，故对于确定轮胎与路面接触面积的试验，应采用0.20～0.60MPa压力胶片.

由表3，4可以看出，在轮载作用下，由于存在应力集中情况，通过0.20～0.60 MPa压力胶片感应采集的大量应力数据均超过0.60 MPa轮压范围，导致应力集中情况无法直观地反应出来，而0.50～2.50MPa压力胶片虽然对于较小的轮压区间无法感应，但是对于应力集中的区间有着清晰的感应，故而对于轮胎与路面接触区域应力集中的分析，应采用0.50～2.50MPa压力胶片.

3.2.2 轮胎花纹边部应力集中现象

由图5（c），（g）可以清晰地看到，在轮胎花纹的边沿部位，有明显的压力增大现象，这说明，在轮载作用下，轮胎花纹边部会产生较大的应力集中.分析数据表明空载条件下轮胎花纹边部的应力集中程度为15%，重载条件下轮胎花纹边部的应力集中程度为5%，这是因为，重载导致了轮胎与路面接触面积的增加，从而减轻了轮胎花纹边部的应力集中.

3.2.3 不同路面的接触特性

通过综合对比图5（a）～（i）发现，不同的路面形式，轮胎与路面接触情况有着较为明显的区别.当轮胎与水泥混凝土路面接触时，轮胎与水泥混凝土路面基本上完全接触，此时胶片上较清晰地呈现出轮胎的花纹（见图5（a），（c），（d），（g））；当轮胎与AC－13级配路面接触时，轮胎与路面的接触呈现出点状接触的趋势，但是，还可以区分出轮胎的花纹间隙（见图5（b），（e），（h））；当轮胎与GAC－13C 级配路面接触时，轮胎与路面的接触已经完全呈现出了点状接触的态势，基本无法区分轮胎的花纹间隙（见图5（f），（i））.由此可以看出，AC－13级配路面构造没有GAC－13C级配路面丰富，路面相对光滑.

由表2可以看出，采用0.20～0.60 MPa压力胶片时，随着轮载的增加，轮胎与路面接触面积显著增加，但是，路面所承受的平均压力没有显著变化，这是由于轮胎在标准轮压下，随着轮载的增加，轮胎形变量增加，导致其与路面接触面积增加.同时，在相同轮载条件下，轮胎与GAC－13C，AC－13路面的接触面积相近，但都小于其与水泥混凝土路面的接触面积，相应的，GAC－13C，AC－13路面所承受的平均压力大于水泥混凝土路面所承受的平均压力.

3.2.4 接触区域应力集中情况分析

通过表3 可以看出，轮胎与GAC－13C，AC－13级配路面接触区域应力集中分布明显好于其与水泥混凝土路面接触区域应力集中分布.轮胎与GAC－13C级配路面接触区域应力集中分布好于其与AC－13级配路面接触区域应力集中分布.这表明GAC－13C级配路面的行车安全性要优于AC－13 级配路面.

4 结论

（1）采用压力胶片技术可以有效评价轮胎与路面接触区域的面积、压力分布和应力集中分布.宜采用0.20～0.60 MPa压力胶片和0.50～2.50 MPa压力胶片分别研究轮胎与路面接触区域的面积和应力集中分布.

（2）轮胎与水泥混凝土路面接触时基本呈现面接触，压力分布相对均匀.随着路面粗糙程度增加，轮胎与路面接触状态逐渐变为点接触.轮胎与水泥混凝土路面接触面积大于轮胎与GAC－13C，AC－13级配路面接触面积，轮胎与GAC－13C，AC－13 级配路面接触面积相近.另外，采用0.20～0.60MPa压力胶片时，随着轮载的增加，轮胎与路面接触面积增加，而路面承受的平均压力基本不变.

（3）轮胎与GAC－13C，AC－13级配路面接触区域应力集中分布明显好于其与水泥混凝土路面接触区域应力集中分布.轮胎与GAC－13C 级配路面接触区域应力集中分布好于其与AC－13 级配路面接触区域应力集中分布，这表明GAC－13C 级配路面的行车安全性要优于AC－13级配路面.

［1］HALL J W，SMITH K L，TITUS－GLOVER L，et al.NCHRP：Guide for pavement friction［J］.Transportation Research Board of the National Academies，2009，16（3）：170－186.

［2］Austroads Incorporated.Guidelines for the management of road surface skid resistance［R］.Sydney：Austroads Incorporated，2005.

［3］FARBER E，JANOFF M S，CRISTINZIO S，et al.Determining pavement skid－resistance requirements at intersections and braking sites［J］.NCHRP Report，1974，21（6）：154－163.

［4］NESBITT T R，BARRON D J.Prediction of driving traction performance on snow［J］.SAE Technical Paper，1980（7）：36－48.

［5］KING T R，MATYJA F E.Tread design effect on winter traction［J］.SAE Technical Paper，1981（3）：67－81.

［6］曹平，严新平.沥青路面形貌对抗滑性能影响的理论分析［J］.摩擦学学报，2009，29（4）：306－310.CAO Ping，YAN Xinping.Theory analyses of effect of topography on skid resistance of asphalt pavements［J］.Tribology，2009，29（4）：306－310.（in Chinese）

［7］赵战利，张争奇，胡长顺.集料级配对沥青路面抗滑性能的影响［J］.长安大学学报，2005，25（1）：6－9.ZHAO Zhanli，ZHANG Zhengqi，HU Changshun.Influence of gradation on anti－skidding performance of asphalt pavement［J］.Journal of Chang'an University，2005，25（1）：6－9.（in Chinese）

［8］张勇.沥青路面抗滑表层级配优化研究［D］.长春：吉林大学，2007.ZHANG Yong.Research of gradation optimization on antisliding layer of asphalt pavement［D］.Changchun：Jilin University，2007.（in Chinese）

［9］张肖宁，孙杨勇.粗集料的表面微观纹理的激光测量方法及分形性质研究［J］.公路交通科技，2011，28（1）：19－24.ZHANG Xiaoning，SUN Yangyong.Research on measurement of surface micro－texture of aggregate using laser and its fractal character［J］.Journal of Highway and Transportation Research and Development，2011，28（1）：19－24.（in Chinese）

［10］杜雪松.基于胎／路相互作用的路面抗滑特性研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2012.DU Xuesong.Study of pavement anti－skid performance based on tire and road interaction［D］.Harbin：Harbin Institute of Technology，2012.（in Chinese）

［11］GILLESPIE T D，KARAMIHAS S M，CEBOM D，et al.Effects of heavy－vehicle characteristics on pavement response and performance［M］.Michigan：University of Michigan，1993：1－126.

［12］ZHANG Y，YI J.Static tire／road stick－slip interactions：Analysis and experiments［J］.IEEE／ASME Transactions on Mechatronics，2014，19（6）：1940－1950.

［13］CIRELLO A，MARANNANO G，MARIOTTI G V.Experimental analysis of the contact pressure distribution in an offroad tyre［J］.Journal of Strain Analysis for Engineering，2009，44（1）：287－295.

［14］张安强，姚钟尧.轮胎接地压力分布及其测试方法［J］.橡胶工业，2001，48（6）：368－374.ZHANG Anqiang，YAO Zhongyao.Tire contact pressure distribution and test methods［J］.China Rubber Industry，2001，48（6）：368－374.（in Chinese）

［15］de BEER M，KANNEMEYER L，FISHER C.Towards improved mechanistic design of thin asphalt layer surfacings based on actual tyre／pavement contact stress－in－motion（SIM）data in South Africa［C］∥Proceedings of 7th Conference Asphalt Pavements Southern Africa.Pretoria：H Beckedahl，1999：1－33.

［16］刘涛.沥青路面粗集料的微观构造及抗滑性能研究［D］.广州：华南理工大学，2013.LIU Tao.Study on the microstructure and skid resistance of asphalt pavement's coarse aggregate［D］.Guangzhou：South China University of Technology，2013.（in Chinese）