汽车胎压对路面使用寿命的影响
摘要：随着交通运输发展，汽车轮胎产品也不断推陈出新，加上汽车本身荷载能力的变化，汽车胎压对路面的影响也发生着新的变化。一方面为了追求汽车的舒适和安全等性能而寻求“低压胎”。另一方面为了增加汽车的运输能力，减少物流成本而增加胎压提高汽车荷载能力。针对这种变化，选择了几种典型胎压和不同荷载，运用BISAR3.0进行计算分析胎压对路面的影响。
关键词：胎压；路面性能；疲劳特性；使用寿命
  引言
近些年来，随着交通运输业的不断发展，道路交通量越来越大，车辆轴载也逐渐增大，特别是一些载重货车的轴载和轮胎胎压都在增加。道路表面的车辙和轮迹带内的表面裂缝成为较普遍的路面病害。影响这两类病害的因素较多，主要包括日益增长的交通量、材料的性质以及轮胎的压力、轴载和轮胎的结构类型等。最近十几年来，随着轮胎工业的发展，子午线轮胎以其优越的性能逐渐取代斜交帘布层轮胎，并出现了宽基子午线轮胎)以代替传统的双胎轮胎。随着
子午线轮胎的大量使用，使得作用于路表的荷载特性发生变化。而传统的柔性路面结构分析模型大都是将车辆荷载简化成双圆均布垂直荷载和单向水平荷载，忽略了轮胎与路面接触面积上压力的非均布性。故传统的路面结构分析模型已无法解释路面在较重轴载和较大胎压作用下出现的许多损坏。
背景
许多国家的道路研究部门开始关注轮胎与路面的相互作用，并开展了许多相关方面的调查研究。如美国全国公路合作研究计划353号研究报告(NCHRPReport353)研究了重型车辆的特性对路面的响应及性能的影响，其中详细的分析了轮胎因素对路面响应及性能的影响。另外，美国目前还在进行的车辆一路面相互作用研究项目(TruckPavemeflt工nteraction，简称TPI)旨在更好的掌握车辆与路面的相互作用，其中也进行了有关轮胎特性对路面损坏及性能的研究。目前，国内外对轮胎一路面接触压力问题的研究主要通过两种途径:
(1)利用传感器等量测装置，测得轮胎与路面接触面上的三维压力分布，这一方法偏重于试验研究，试验结果受量测装置的精确性影响较大。轮胎接地压力分布的测试方法主要有压力板法、压力传感器法和压力敏感膜法。应力传感器法应用比较广泛，测量时可以根据轮胎宽度
的不同，在接地区内按照一定的阵列分布压力传感器，利用计算机控制并采集和分析数据，一次测得轮胎在静态或低速滚动状态下的接地压力。一般而言，压力传感器的数量越多，排列越密集，测量结果的可信度就越高，但装配和测量的难度也越大，成本越高。
(2)考虑材料非线性、几何非线性及轮胎与路面的接触非线性等特性，利用复合材料力学和有限元理论等建立轮胎一路面相互作用的数学模型，借助于计算机求解接触面内的压力。这一方法偏重于数值分析，由于充气轮胎是由帘线、橡胶和钢丝圈等组成的复杂结构体，正常工作状态下受力相当复杂，建立模型时，需要做出相应的简化和假设，因此计算结果随着所建立的模型的真实化而更加准确和符合实际。
国内研究概况
目前国内对轮胎一路面接触压力问题的研究大部分在汽车轮胎研究部门，而道路研究部门开展得较少。长春汽车研究所自行设计开发了轮胎静特性试验台，通过对不同结构、不同胎面花纹的轮胎接触面积内三维压力分布的测试，试验结果表明轮胎印迹内垂直压力在宽度上的分布类似马鞍形，印迹长度上的压力分布在印迹中部是平坦的，而在两边接近于二次抛物线。计算表明，在一定的充气压力下，随着轮胎下沉量的逐渐增大，接地形状从圆形逐渐得
变为椭圆形、矩形，接地区应力分布由内高外低逐渐得变为内低外高，即发生翘曲现象。
基本模型
轮胎与路面间的接触压力具有很明显的非均布性，并不同与传统的路面结构分析中的圆形均布荷载。影响轮胎接触压力的因素主要有轮胎结构类型、轮胎气压、负荷、胎面花纹类型和路面结构类型等。不同类型的轮胎其标准胎压不一样，充气压力低于或高于标准压力的一定范围，都会导致轮胎故障。轮胎气压高于标准值时，轮胎与路面接触面积减小，轮胎胎面中部区域承受的压力增高，磨损加剧，花纹底部开裂，又因此时轮胎刚度增大，起不到应有的缓冲作用，增大了轮胎与路面间的动载荷，汽车的平顺性变坏，轮胎的回正力矩减小，促使汽车操纵性能降低。如果行驶中遇到障碍物的冲击，易发生轮胎破裂。轮胎气压低于标准胎压，特别是汽车高速行驶时，轮胎会急剧升温而脱层，削弱轮胎的强度以及承载能力，最后导致轮胎破裂漏气。采用不同的轮胎产品，其与路面接触压力分布也会发生变化，如图1。
图1不同轮胎产品的接地压力分布
为了分析不同胎压对路面的影响，本文采用了同一种路面结构模型：
半刚性基层沥青路面结构图
    根据目前的车辆使用轮胎情况，选择了几种具有代表性的轮胎进行计算。本次采用了米其林轮胎的轻卡用轮胎来近似分析标准轴BZZ-100的轮胎对路面的影响，另外选择了两种卡车用的驱动轴轮胎来分析当前的高压轮胎以及超载情况对路面的影响。具体轮胎参数如下表：
计算分析
    采用BISAR3.0进行计算分析，输入控制参数，采用应力与荷载的输入计算。通过控制荷载改变应力的输入值分析不同胎压对路面的影响；控制应力改变荷载来分析超载及采用高压胎时对路面的影响。输入的数据如下表：
    路面计算点位选择了双轮间隙中心点以及单圆中心点计算沥青混合料面层及半刚性基层的层底拉应力、应变和位移。由于本文主要讨论胎压对路面的寿命影响，因此取用了计算所得的应变值进行路面的使用寿命分析计算。在沥青混合料的疲劳寿命分析中采用了公式
Nf --达到破坏时的重复荷载作用次数；
ε0 --初始的弯拉应变；
C、m -- 由实验所确定的系数，其取值也与胶结料类型、混合料类型、混合料组成、测试方法、具体的试验条件如试验温度、加载频率等有关，这里C 取0.033，m取2.47。
汽车胎压多少合适
计算分析结果如下表：
    计算结果表明，对比1与2组结果显示，现在轿车等采用的“低压胎”可相对延长路面使用寿命，但其影响有限；对比1与3、4组结果表明，在汽车不“超载”的情况下而改用高压胎，对路面寿命的降低也是显著的；对比1与5、6组结果表明，大型的物流车在其额定的荷载下、以及普通汽车采用高压胎超载对路面寿命的降低是非常显著的。
结论
    一、通过BISAR3.0对低压胎的分析发现，采用低压胎有利于延长路面使用寿命。但是由于使用低压胎的汽车的荷载变化较小，因此其对路面寿命影响也相对较小。
二、随着经济社会发展，物流量的增加，高胎压的轮胎和更大轴载的汽车的使用将成为趋势， BISAR3.0分析发现，这种趋势将很不利于路面的使用寿命。因此有必要针对不同胎压和轴载进行更多的实验研究，提出更接近于当前实际的轴载换算。
参考文献：
邓学钧、黄晓明编著，路面设计原理与方法，人民交通出版社，2001.
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.
谢水友，轮胎接触压力对沥青路面结构的影响研究【M】.长安大学硕士学位论文，2003.
吴海东，不平路面中频激励轮胎动态特性研究【M】.吉林大学博士学位论文，2007.
庞 丽，直接式汽车轮胎压力监测系统的研究【M】.重庆大学硕士学位论文，2007.
俞 淇，戴元坎，张 凯，静负荷下轮胎接地压力分布测试的研究【J】. 第十届全国轮胎技术研讨会论文