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路面形貌表征及固体颗粒对轮胎湿附着性能的影响 摘要 汽车在粗糙的路面上行驶时，轮胎通过与路面之间的摩擦耦合传递着车辆 与路面之间的各种相互作用力，一旦路面有水膜覆盖时，水膜对高速行驶的汽 车将产生动力润滑作用，轮胎湿附着性能随之下降，最终产生滑水现象，这大 大降低汽车的操纵稳定性，严重影响行车的安全性。因此，轮胎路面抗滑性能 的研究具有重要的现实意义。 本文主要从路面形貌三维表征和固体颗粒对轮胎湿附着性能的影响两个方 面展开研究。在研究路面形貌三维表征时，充分借用表面形貌的三维表征参数 i s 0 2 51 7 8 参数和连通性参数对路面三维形貌进行表征分析，并定量分析了构 造的路面凹槽类型以及采样间距对相关路面表征参数的影响，进而分析了路面 的抗滑和磨损等方面的性能。结果表明，采样间距对路面表征参数影响较小； 路面凹槽有利于改善路面的防滑、磨损以及连通性等方面的性能，双横槽路面 抗滑性能较好，斜槽路面的连通性较好。这些结果为路面凹槽设计以及轮胎一 路面的抗滑设计都提供了一定的理论参考。 在研究固体颗粒对轮胎湿附着性能的影响时，充分考虑了雨水中固体颗粒 的影响，把轮胎的粘性滑水问题模拟为胎面单元与粗糙路面之间的动压、挤压 膜问题，从而建立了基于平均流量方程的轮胎。路面滑水模型，并采用有限差分 的方法进行数值迭代求解，综合分析了固体颗粒、外载荷、初始高度、滑动速 度等因素对轮胎湿附着性能的影响，同时也对胎面单元的垂直变形和压力分布 进行了深入研究。结果表明，减少液膜中固体颗粒体积浓度有利于提高胎面单 元的湿附着性能；外载荷、初始高度、滑动速度对轮胎湿附着性能有重要影响， 这些结果将促进轮胎路面滑水理论的进一步完善。 关键词：轮胎路面，路面凹槽，三维表征参数，固体颗粒，平均流量方程 c h a r a c t e r i z a t i o no f s o l i dp a r t i c l e so n r o a d t o p o g r a p h ya n de f f e c t so f w e ta d h e s i o n p r o p e r t i e so ft r e a d a b s t r a c t w h e nac a rr u n n i n go nt h er o u g hr o a d ，t h ef r i c t i o nb e t w e e nt h et i r ea n dt h e r o a dt r a n s f e r sav a r i e t yo fi n t e r a c t i o nf o r c e sb e t w e e nt h ev e h i c l ea n dt h er o a d o n c e t h er o a ds u r f a c ei sc o v e r e db yw a t e rf i l mw h i c hg e n e r a t e sd y n a m i c a ll u b r i c a t i o no n t h ec a rr u n n i n ga tah i g hs p e e d ，t h ew e ta d h e s i o np r o p e r t i e so ft i r ew i l ld e c r e a s e ， a n df i n a l l yh y d r o p l a n i n gp h e n o m e n o nw i l lh a p p e n ，w h i c hg r e a t l yr e d u c et h e s t a b i l i t ya n ds a f e t yo ft h ec a r t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c ha b o u tt h es k i dr e s i s t a n c eo f t i r e r o a di so fg r e a tp r a c t i c a ls i g n i f i c a t i o n t h ec h a r a c t e r i z a t i o n o fr o a ds u r f a c et o p o g r a p h ya n dt h ee f f e c t so fs o l i d p a r t i c l e so nw e ta d h e s i o np r o p e r t i e so ft r e a dw e r es t u d i e di nt h i sp a p e r i nt h es t u d y o ft h r e e d i m e n s i o n a l c h a r a c t e r i z a t i o n o fr o a ds u r f a c e t o p o g r a p h y ，t h e c h a r a c t e r i z a t i o np a r a m e t e r so fs u r f a c et o p o g r a p h y w h i c hi n c l u d e1 s 0 2 517 8 p a r a m e t e r s a n d c o n n e c t i v i t yp a r a m e t e r s w e r e u s e dt oc h a r a c t e r i z e t h e t h r e e d i m e n s i o n a lt o p o g r a p h yo fr o a d b yc o n t r o l l i n gt h er o a ds u r f a c er o u g h n e s s e q u a l l yas e r i e so fs i m u l a t e dr o a ds u r f a c e sw h i c hi n c l u d eh o r i z o n t a ls l o t ，d o u b l e s l o t ，c h u t e ，d o u b l ec h u t ea n di s o t r o p i cs l o tw e r ec o n s t r u c t e dt oa n a l y z et h ee f f e c t s o fg r o o v et y p ea n ds a m p l i n gi n t e r v a lo nt h ec h a r a c t e r i z a t i o np a r a m e t e r so fr o a d s u r f a c eq u a n t i t a t i v e l y t h ep e r f o r m a n c eo ft h es l i d i n ga n dw e a ro ft h er o a dw a s a l s oa n a l y z e di nd e p t h t h er e s u l t ss h o wt h a tt h es a m p l i n gi n t e r v a lh a sl i t t l ei m p a c t o nt h ec h a r a c t e r i z a t i o np a r a m e t e r s ，a n dt h ep e r f o r m a n c eo ft h en o n - s l i p ，a b r a s i o n a n dc o n n e c t i v i t yo ft h er o a dw a si m p r o v e db yt h eh e l po fr o a dg r o o v e s t h es k i d r e s i s t a n c eo ft h ed o u b l es l o ta n dd o u b l ec h u t ei sb e t t e r ，t h ep a v e m e n to fd o u b l es l o t h a st h eb e t t e rp e r f o r m a n c eo fl o a da n dw e a r ，t h ec o n n e c t i v i t yo ft h ec h u t er o a di s t h eb e s tb e t w e e nt h eg r o o v e s t h e s er e s u l t sw i l lp r o v i d es o m et h e o r e t i c a lr e f e r e n c e t ot h ed e s i g no fr o a dg r o o v e sa n dt h er e s e a r c ho ft h et i r e r o a ds k i dr e s i s t a n c e i nt h es t u d yo ft h ee f f e c t so fs o l i dp a r t i c l e so nw e ta d h e s i o np r o p e r t i e so ft r e a d ， t h ee f f e c t so fv o l u m ec o n c e n t r a t i o no fs o l i dp a r t i c l e si nr a i n w a t e rw e r ef u l l y c o n s i d e r e d ，ah y d r o p l a n i n gm o d e l b a s e do na v e r a g ef l o we q u a t i o nw a sd e v e l o p e dt o s i m u l a t ev i s c o u sh y d r o p l a n i n go ft i r e t r e a d ，a n dt h ea f f e c t so fh y d r o d y n a m i ca c t i o n a n ds q u e e z ea c t i o nw e r ea l s ot a k e ni n t oa c c o u n t t h i sm o d e lc o u l db eu s e dt o a n a l y z et h ee f f e c t so fs o l i dp a r t i c l e s ，e x t e r n a ll o a d s ，i n i t i a lh e i g h ta n ds l i d i n gs p e e d o nw e ta d h e s i o np e r f o r m a n c eo ft i r e w i t hn u m e r i c a li t e r a t i v es o l u t i o n so ff i n i t e d i f f e r e n c em e t h o d m e a n w h i l e ，v e r t i c a ld e f o r m a t i o na n dp r e s s u r ed i s t r i b u t i o n 0 t t h et r e a du n i t a l s ow e r ea n a l y z e di nd e p t h t h er e s u l t s s h o wt h a tw e ta d h e s i o n p r o p e r t i e s o ft i r ew e r eg r e a t l ya f f e c t e db yt h ef a c t o r so fe x t e r n a ll o a d s ，i n i t i a l h e i g h ta n ds l i d i n gs p e e da n ds oo n ，a n dt h ep e r f o r m a n c ec o u l db ei m p r o v e db y r e d u c i n gt h ev o l u m ec o n c e n t r a t i o no ft h ep a r t i c l e s t h e s er e s u l t sw i l l h a v eg r e a t c o n t r i b u t i o nt ot h ep r o g r e s so ft i r e r o a dv i s c o u sh y d r o p l a n i n gt h e o r y k e y w o r d s ：t i r e r o a d ，r o a d g r o o v e s ，t h r e e d i m e n s i o n a l c h a r a c t e r i z a t i o n p a r a m e t e r s ，s o l i dp a r t i c l e s ，a v e r a g ef l o we q u a t i o n 致谢 光阴似箭，岁月如梭，三年的研究生求学生活即将结束。站在毕业的门槛 上，回首往昔，格物楼前“厚德、笃学、崇实、尚新”的校训指引我求学的方 向；摩擦所严谨细致的治学环境、轻松愉悦的生活氛围更是成为我学习、生活 的神圣乐土。值此毕业论文完成之际，我谨向所有关心、爱护、帮助我的人们 表示最诚挚的感谢与最美好的祝愿。 首先向我的导师刘煜教授致以最衷心的感谢和最崇高的敬意。刘老师在论 文的选题、程序设计、模拟分析，以及论文的撰写发表等诸多方面都给予我细 心的指导。三年来，刘老师无论在学习上还是生活上都给予我极大的关心和照 顾，使我一t l , 存感激。刘老师渊博的专业知识，严谨细致的治学态度，精益求精 的工作作风，诲人不倦的崇高师德，平易近人的人格魅力都对我产生重要影响， 使我终身受益。 其次要感谢本课题组的刘小君老师和王伟老师，在研究生学习过程中给予 我很大的帮助和指导。此外，还要特别感谢师兄刘伟副研究员，在本课题的研 究过程中提出很多宝贵意见，帮助解决了许多难题，是我学习过程中的良师益 友。 特别感谢摩擦所的焦明华老师、胡献国老师、俞建卫老师、尹延国老师、 解挺老师、田明老师等，各位老师在多次课题汇报中都给予我许多宝贵的意见 和建议，再次感谢各位老师在学习生活中给予的指导和帮助。 感谢张志斌、李媛、董慧芳三年研究生期间在学习、生活上给予我的关心 和帮助，同时感谢师弟杨川江、贾文兵、王爱彬、王森、王智勇、李扬、朱桂 庆的帮助。 最后要感谢徐月云以及其他家人，感谢他们对我的关心和理解，是他们在 我身后默默地支持鼓励我，使我能顺利完成学业。 作者：徐新泉 2 0 12 年0 4 月15 日 插图清单 图1 1 沥青路面的微观、宏观纹理示意图2 图2 1a t o s 光学扫描仪1 2 图2 2 路面块的三维数模图1 3 图2 3 数据处理后的路面形貌还原图1 4 图2 4 路面形貌数据采集及处理流程图1 5 图2 5 模拟路面1 6 图2 - 6 表面轮廓图17 图2 7 幅度参数采样间距关系图2 1 图2 8s 小一采样间距关系图2 1 图2 - 9 路面体积参数采样间距关系图2 2 图2 1 0 采样间距关系图2 3 图2 1 1s 。一路面粗糙度关系直方图2 4 图2 1 2 幅度参数路面粗糙度关系图2 5 图2 1 3s 扩路面粗糙度关系图2 6 图2 1 4 体积参数一路面粗糙度关系图2 7 图2 1 5s 勘路面粗糙度关系图2 8 图2 1 6e 一采样间距关系图3 0 图2 1 7 s 。= 1 8m m 、s ，。= 8 0 时模拟路面二值图像3 0 图2 18e 路面粗糙度关系图3 1 图2 1 9 s 。= 1 8m m 时各类路面的连通性系数随承载高度变化的关系图3 2 图3 1 轮胎路面接触时的水液流动分布3 4 图3 2 轮胎路面接触区域划分3 4 图3 3 轮胎路面接触产生动力润滑的简化物理模型3 5 图4 1 求解域网格划分3 9 图4 2 节点差分关系图4 0 图4 3 计算程序流程图一4 2 图4 4 不同固体颗粒浓度下膜厚时间历程曲线4 3 图4 5 不同固体颗粒浓度、不同外载荷情况下的膜厚时间历程曲线4 4 图4 - 6 不同外载荷情况下的膜厚一时间历程曲线4 4 图4 7 不同固体颗粒浓度、不同滑动速度情况下的膜厚- 时间曲线4 5 图4 8 不同滑动速度下的膜厚一时间历程曲线4 5 图4 - 9 不同楔角情况下的膜厚时间历程曲线4 6 图4 10 不同初始膜厚情况下的膜厚时间历程曲线4 6 图4 1 1 不同粗糙度情况下的膜厚比时间历程曲线4 7 图4 1 2 胎面单元在下降不同时刻的垂直变形三维分布4 8 图4 13 不同时刻胎面垂直变形曲线一4 8 图4 1 4 不同固体颗粒浓度下胎面垂直变形曲线4 9 图4 15 不同载荷下胎面垂直变形曲线4 9 图4 1 6 胎面单元在下降初期和后期的液体压力三维分布4 9 图4 17 不同时刻液体压力分布曲线5 0 图4 18 不同颗粒浓度下液体压力分布曲线5 0 图4 1 9 不同滑动速度液体压力分布曲线一5 1 图4 2 0 不同载荷下液体压力分布曲线51 表格清单 表2 1 采样间距为o 5 m m 时路面形貌的i s 0 2 5 1 7 8 参数表1 9 表2 2 不同采样间距下1 号样板块的i s 0 2 5 1 7 8 参数表2 0 表2 3s 。= 1 8m m 时各凹槽路面i s 0 2 5 1 7 8 参数表2 3 表2 4 采样间距0 5m m 时路面连通性系数表3 0 表2 5s 。= 1 8m m 时各凹槽路面连通性系数表31 表4 1 部分计算参数表一4 2 1 1 引言 第一章绪论 2 1 世纪是一个汽车无处不在的时代，而汽车又离不开轮胎。轮胎作为汽车 与路面直接接触的唯一部件，对汽车性能产生重要影响。 汽车在粗糙的路面上行驶时，轮胎通过与路面之间的摩擦耦合传递着车辆 与路面之间的各种相互作用力。在相互作用过程中，接地面的水平反力为车辆 提供制动、驱动力和方向稳定性，其大小取决于轮胎所受的垂直载荷大小及轮 胎和路面之间的附着因素【2j 。然而一旦路面有水膜覆盖时，汽车高速向前行驶 需要排开路面上的积水，产生动力润滑作用，从而使轮胎上浮，与路面的接触 面积减少，附着性能随之下降，最终产生“滑水现象”( h y d r o p l a n i n g ) p j 。这大 大降低了汽车的操纵稳定性，严重影响行车交通安全，雨雪天气情况下交通事 故多发也充分印证了这一点。因此，轮胎路面抗滑性能的研究具有重要的现实 意义。 路面是车辆行驶的外部条件，直接影响行车的安全性、舒适性和经济性h j 。 路面形貌是指路面施工后保留下来的路面几何形貌。常以单位面积上路面微凸 体的个数、几何形状以及高度分布来表征。而路面形貌在公路研究领域一般表 述为路面纹理。路面微观、宏观纹理显著影响着轮胎路面的抗滑性能。采用合 适的路面形貌检测方法和设备，准确获取路面形貌信息，同时运用合适的三维 表面形貌特征参数全面表征路面形貌，这不仅有利于路面的结构功能设计，更 为轮胎路面的抗滑性能设计提供重要的理论依据。 本文即从路面形貌三维表征和固体颗粒对轮胎湿附着性能的影响两个方面 来展开研究，研究结果将促进路面形貌设计和轮胎路面滑水理论的进一步完 善。 1 2 湿滑路面上轮胎附着性能研究现状 1 2 1 路面形貌表征及其抗滑性能研究 路面抗滑能力反应了路面在安全方面的使用性能，可通过滑滞事故的调查 分析、路面外观调查( 如泛油) 以及路面抗滑特性测定等途径来评定。在实际 应用中，一般都采用测定路面抗滑特性这一途径【5 j 。路面的抗滑特性主要受路 面宏观结构和路面的微观形貌影响。宏观方面，路面常设计一些坡度、沟槽来 增加排水，降低滑水风险。路面宏观凹槽结构具有排水的功能，能有效改善路 面的抗滑性能。2 0 0 6 年，tff w a 等人，7 j 依据流体动力学理论，以连续性方程、 n a v i e r s t o k e s 方程、标准k s 紊流模型为基础，构建了一个三维有限一体积模型 1 来模拟带和不带横向凹槽路面的滑水现象。并进一步分析了路面凹槽尺寸对滑 水性能的影响，研究发现，提高路面凹槽宽度、深度，降低凹槽间距可提高滑 水速度，降低滑水风险，同时指出提高凹槽宽度是降低滑水风险的最有效的方 法。另外，通过引入“滑水风险水平”这一概念，提出了一种路面凹槽尺寸设 计的解析方法，对以后的路面设计具有重要的参考价值。 路面的微观形貌包括微观纹理、宏观纹理pj 。微观纹理主要是由集料( 石 料、砂砾、土石混合料等) 本身的微观构造、颗粒形状及棱角等构成，结合料 对其也有一定影响。微观纹理是在车辆低速行驶时( v 5 0 k m h ) 影响路面抗 滑性能的主要因素；宏观纹理则是由面层表面外露集料之间形成的间隙构造或 水泥混凝土表面拉毛、压槽或刻槽构成，受路面表层混合料的集料级配、颗粒 形状和棱角等影响较大。它是车辆在高速行驶时影响路面抗滑性能的主要因素。 图1 1 为常见的沥青路面微观、宏观纹理示意图。 徽观纹瑷 在瓣纹理 宏躐纹理 龉面纹瑗 图l 一1 沥青路面的微观、宏观纹理示意图 根据库仑摩擦理论，如果两个相互接触的物体有相对滑动或相对滑动的趋 势，那么在接触面之间就会产生阻碍彼此滑动的摩擦力。为保障车辆在各种恶 劣天气下的行车安全，要求路面必须具备足够的摩擦力。由摩擦学理论可知， 在路面干燥的状态下轮胎路面问的摩擦力由以下四部分组成：i ，轮胎路面 之间的分子力。当轮胎路面的间距非常小时，它们之间的分子引力就构成了轮 胎路面间摩擦力的一部分，大小取决于轮胎路面的实际接触面积。i i ，轮胎 路面间的粘着力。即将轮胎路面之间的粘着点剪断所需摩擦力，这主要取决于 轮胎路面间的材料性能、接触面间的压力、实际接触面积的大小以及路面状态。 i i i ，路面微凸体的剪切作用。在载荷作用下，路面上较小尺寸的微凸体在切向 力的作用下会对胎面形成微切削作用，微切削过程中产生的阻力就构成了轮胎 路面间摩擦力的一部分，其大小主要取决于路面上较小尺寸微凸体的分布情 况、尺寸大小及锋利性等。，胎面橡胶弹性变形。在胎面花纹及较大路面微 凸体等的综合作用下，胎面橡胶会产生反复的弹性变形，这种弹性变形力与 弹性变形恢复力共同构成摩擦力的一部分，其大小主要取决于胎面花纹以及较 大尺寸的路面微凸体性能等。由此可知，路面微观构造决定了基本摩擦力的大 小，而且越粗糙的微观构造，摩擦力越大。当路面处于潮湿状态时，滚动车轮 和路面问的水膜将影响路面的抗滑性能。低速行驶时，微观构造尚能容纳和挤 压滚动车轮下的路表面水，使车轮和路表直接接触，保证一定的摩阻力；当车 速较高时，则靠宏观构造来排除滚动车轮下的路表面水，保障轮胎路面的接触 面积，以免形成水膜，保证微观构造提供的低速抗滑力在高速下仍能发挥作用。 若行车速度较高，宏观纹理不足，积水不能及时排除，则由于水膜的动力润滑 作用而发生滑水现象，严重影响行车安全。 路面形貌对路面抗滑性能具有重要作用，选择合适的表面形貌表征参数和 方法至关重要。 表面形貌表征最早出现于十九世纪末的军事加工制造行业，以手工测绘的 方式对表面进行分类和特征标注。之后随着一些表面测量仪器( 如表面轮廓仪、 光干涉显微镜等) 的相继出现，以粗糙度r 。和均方根偏差r 口为代表的二维参 数表征得到迅速发展，并广泛应用于科学研究和工程分析，中线评定法出现以 后，此类参数更是发展到上百种之多，出现“参数爆炸”现象 9 1 。近年来，工 程技术的发展迅速，人们对工程分析和科学研究逐步深入，工程设计人员越来 越感受到二维特征参数的局限性，转而寻求能够全面表达表面形貌信息的三维 表征方法，随着计算机分析计算能力、图像数值处理能力的提高，三维表面测 量仪器相继出现并迅速发展起来，国内外专家纷纷投入研究，如国外的 t s u k a d a 1 0 j 、c h i f f r e j 、pd o n g 1 2 h j 等以及国内的国家计量院、合肥工业大学、 哈尔滨工业大学等都在从事三维表面形貌表征方面的研究。但是，到目前为止， 尚未形成统一的国际或国内标准。 表面形貌表征的关键在于对表面原始特征信息的无失真提取和准确的量化 评定。刘长生【1 4j 在对汽车轮胎与公路路面附着系数的研究中指出，路面微凸体 轮廓峰谷算术平均值r 口( 构造深度t d ) 并不能完全反映微凸体的基本形貌， 还需引进几何参数r m 。”，、v 、b 、a 作为路面粗糙度的评定参数。随着研究的 深入，三维形貌表征越来越显示出其优越性。长期以来，研究人员常用的三维 形貌表征方法主要有：基准参数法、分形法、m o t i f 法以及小波分析法。由于路 面微观形貌具有明显的随机性和复杂性，但同一段路面微观形貌又具有自相似 性，故人们常采用分形法来研究路面纹理特征。k o k k a l i s 、p a n a g o u l i 15 , 1 6 根据 分形几何理论，以分形维数d 来表征路面微观形貌的不规则性，通过分析计算 几种具有不同纹理结构的路面，得出路面纹理分形维数与路面抗滑性能存在一 定的相关关系，分形维数越大，路面抗滑能力越强，但该结论有待进一步的验 证。王维锋等【l7 】则从分形的角度描述沥青路面在垂直方向上的微观形貌特征， 利用遗传算法计算分形维数，根据4 组不同沥青路面样板的高度数据分析得出 分形维数与路面平均构造深度、算术平均偏差以及均方根偏差的相关关系。黄 宝涛等【l8 】则得出分形维数与路面抗滑特性具有单调递增的一致相关性。 表面形貌同时具有保证功能和质量的双重作用【| 9 1 。面向功能的表面形貌表 征是评定表面的功能特性以及实现表面功能设计的基本前提和重要保证。 1 9 9 8 年，为了避免重现二维参数的混乱局面，欧共体开发定义了一个三维 参数“1 4 + 3 ”参数体系的参考标准，但只是在欧共体内推广使用。之后，国际 标准化组织于2 0 0 6 年在e u r1 5 1 7 8e n 标准的基础上，发展推出了一个更为完 善的表面形貌表征的国际标准：i s o t sc d2 5 1 7 8 2 2 0 0 6 担引。作为表面形貌表 征的最新标准，i s 0 2 5 1 7 8 标准定义了一系列表征表面三维形貌的基本参数，这 些参数大致可分为四组：高度参数、空间参数、功能参数和特征参数。高度参 数是二维参数在三维的一种扩展，主要计算表面高度的统计特性、极值特性以 及高度分布的形状问题，包括表面算术平均偏差& 、表面均方根偏差& 、表面 最大峰高& 以及表面偏斜度叉| j 等；空间参数主要表征三维表面的纹理及其分 布情况，包括最快衰减自相关长度s 表面的纹理纵横比s 。和表面纹理方向角 s “功能参数与表面的功能特性密切相关，包括表面中心处平均材料体积。、 表面峰处平均材料体积”表面中心处平均空体体积k 表面谷处平均空体 体积k 。、表面承载面积比s m ，等；特征参数包括算术平均峰顶曲率s 。、表面顶 峰密度。等。选用合适的i s 0 2 5 1 7 8 参数表征路面微凸体的基本形貌，能够使 我们获得较为全面的路面微观形貌信息，加深对路面微观形貌的认识，为路面 的机构分析设计以及路面抗滑等功能设计提供理论依据。 连通性是几何拓扑学中的一种基本概念。如果一个拓扑空间不能被分成两 个互不相交的非空开集，并且这两个集合的并集为整个空间，则认为该拓扑空 间是连通的。js e r r a 引2 1 i 从形态学的角度定义了连通性，并在此基础上结合腐 蚀膨胀原理，得出了连通性的分等级概念及其测量方法，sc o s t a s 、mp e t o r s 口副 依据这一原理建立起了连通性的多尺度分析测量方法，并将它运用于土壤的连 通性等级划分和颗粒鉴定。在路面微观形貌结构特征中，连通性作为路表面的 一个基本拓扑结构，影响路表面水液的存储和流动分布，对研究水膜动压力和 路面抗滑性能具有重要意义。2 0 0 7 年，黄毅【1 4j 以数字图像处理和分析技术为基 础，建立起基于欧拉数和数学形态学的三维表面形貌连通性的度量模型及相应 算法，以支承率为8 0 的截面为基准面，综合分析了模拟激光纹理表面的凹坑 间距和半径的变化对连通性的影响，同时定量分析了表面连通性系数随承载高 度变化的情况。此外还对实际缸套表面进行了连通性表征，为缸套表面的连通 性评价提供具体的数值。 体积参数是研究相互作用表面形貌的一种非常重要的功能参数。主要包括 实体接触面积比a ，、开放空体面积比a 。、封闭空体面积比a 矿最大封闭空体 面积比a 胁、和封闭空体体积形，。车辆在湿润路面上行驶时，轮胎与路面相互 接触摩擦，在假定胎面光滑的情况下，由机械流变模型可知，两表面的接触界 面可划分为以下三部分：实体接触区、开放空体区和封闭空体区。在实体接触 区( 实体材料区) ，两表面完全接触，不仅承担大部分外载荷还提供车辆行驶所 需的切向摩擦力；在开放空体区( 动态储液区) ，空体部分与边界相通，在外 4 载荷作用下开放空体区中的液体被挤出产生流体动压力；而在封闭空体区( 静 态储液区) 中，空体部分与边界互不相通，液体滞留其中，在外载荷作用下不 流出形成流体静压力。所以说，外载荷由流体动压力、流体静压力和实体接触区 三部分共同承担。mp f e s t o r f 等拉5 j 于1 9 9 8 年就根据机械流变模型1 2 6 1 ，提出了对 应于接触界面各个区域的三维体积参数：实体接触面积比、开放空体面积比和 封闭空体面积比，并介绍了其测量方法和表面分析模型，还将该类参数用于分 析钢板在冷轧的过程中表面形貌的变化。2 0 0 8 年，冯嫦杰1 27 】在前人研究的基础 上，再延伸出两个体积参数：最大封闭空体面积比和封闭空体体积。以m a t l a b 软 件为工具，结合数学形态学数字图像处理技术给出了详细的参数计算方法，并应用 于分析各种模拟表面和实际表面。研究表明：实体接触面积比、开放与封闭空体面 积比以及最大封闭空体面积比给出了表面承载能力和润滑性能信息，封闭空体体积 量化表面液体滞留量反映表面液体保持能力。 2 0 11 年，李兵【2 引、刘仕冬 29 1 、李见3 0 1 在前人研究的基础上，分别以线接 触、平面间接触、平面与曲面接触摩擦副为研究对象，通过自制的试件组进行 相关的摩擦磨损试验，采用i s 0 2 5 17 8 参数、连通性参数、体积参数等对三维 表面形貌进行表征，研究了三维表面形貌参数与摩擦副摩擦学特性( 表面摩擦 系数、摩擦温升和磨损量) 的相关性，同时也分析了表面微凹坑、网纹等结构 对摩擦学特性的影响。这些结果为摩擦副表面的形貌优化设计和表面的功能设 计提供了有益的方法指导和数据参考。 1 2 2 湿滑路面上轮胎附着性能的研究 人们普遍认为，轮胎与路面之间的滑动摩擦力主要受粘附和迟滞作用的影 响。qvb u i 等【3 i 】在橡胶体与刚性粗糙表面接触模型的基础上，对橡胶滑动摩 擦力进行分析，指出粘附作用产生的摩擦力可由接触界面的切变强度表示，而 迟滞作用产生的摩擦力则可由表征橡胶应变机械行为的粘弹性模型近似求得。 通过采用有限元法，分别分析了橡胶体与刚性粗糙表面间的粘附作用和迟滞作 用，发现了滑动速度、温度、表面粗糙度以及接触压力对滑动摩擦力均有巨大 影响。pg a b r i e l 3 2 l 则通过有限元法( f e a ) 进一步验证了橡胶材料的几何要素 对橡胶与刚性表面的滑动摩擦力也具有重要影响。 随着信息技术在汽车领域的广泛应用，轮胎路面摩擦分析( t r f e ) 已经 成为一个较热门的研究领域。汽车控制稳定性的严格要求以及防抱死系统( a b s 系统) 的普及，更使人们加大了对制动情况下轮胎摩擦特性的分析。l9 9 7 年， fg u s t a f s s o n1 3 3 1 依据一个具有故障检测功能的白适应滤波器构建了一个相关的 摩擦参数模型，以v o l v o8 5 0g l t 为试验车，通过改变路面条件、轮胎类型进 行了大量的试验，分析讨论了滑移率k 、偏移量d 、纹理参数y 与最大摩擦力之 间的关系。2 0 0 3 年，nm i y a s h i t a 等 3 4 1 采用广义的斜抛物线函数表征与路面接 触界面轮胎的周向压力分布，在f i a l a s a k a i 模型的基础上，建立起了一种轮胎 制动摩擦力解析新模型，该模型能够准确反映制动系数和滑移率的关系曲线。 并以湿润路面上制动的1 9 5 6 5 r 1 7 轮胎为例进行模拟计算分析，得到不同速度 下制动系数和滑移率的关系曲线以及粘性摩擦系数、滑动摩擦系数、制动稳定 系数以及接触压力分布情况。这些将对轮胎路面摩擦问题的进一步研究具有重 要意义。 在轮胎路面的接触摩擦中，轮胎的附着性能主要受轮胎结构、路面、轮胎 的工作条件和环境等因素的影响 3 川。现今广泛使用的子午线轮胎与斜交轮胎相 比，具有帘布层数少、胎体柔软和带束层刚性大等特点，子午线轮胎接地面积 大，压力分布均匀，因此其附着性能好，而轮胎胎面花纹的作用就是使轮胎在 湿润路面上行驶时能够有效地排水，以增大与路面之间的附着因数；良好的路 面宏观和微观纹理结构可以提高轮胎在湿路面上的附着性能，而路面上的油脂、 沙土等污物将使轮胎路面之间的附着性能大幅度降低。而且路面的外部状况如 路面冰雪、雨水以及温度等对轮胎的附着性能也有重要影响。 在北方寒冷地区，路面经常会被冰雪覆盖，冬季行车的安全性令人担忧。 改善轮胎在冰雪路面上的牵引性，对汽车的行驶安全性和操作稳定性都大大有 益。彭旭东等1 3 6 - 3 8 1 综合介绍了国内外对冰雪路面摩擦机理的研究，指出影响冰 雪路面轮胎牵引力的主要因数是轮胎设计参数和性能( 如轮胎结构、胎面花纹、 低温模量) 、冰雪的温度以及路面条件等。最后在考虑轮胎表面和冰面粗糙度 的情况下，假定轮胎为刚形体，依据能量守恒定律和冰的摩擦熔化理论，建立 了摩擦界面冰完全熔化时的混合摩擦模型，研究表明，该模型能较好地预测冰 面上轮胎的摩擦力特性，摩擦系数随着表面粗糙度的增大而增大，且轮胎滑动 速度越大，影响也越大。这将对研究和改善轮胎在冰面上的抗滑性能产生积极 作用。 在潮湿的天气或雨后，路面会覆盖一层薄薄的水膜，此时，水液成为轮胎 与路面之间的润滑剂，轮胎路面之间的有效摩擦显著减小，若车速过高，流体 动压力将使轮胎与路面逐渐分离，导致车辆失控。由于水液及滑水现象的存在， 轮胎在湿润路面上的摩擦运动也变得相当复杂，同时这也吸引了越来越多的国 内外科研人员投入到轮胎湿附着性能研究。 早期的轮胎滑水现象及其抗滑性能研究大多基于试验。1 9 2 0 年以来，出现 了大量的抗滑力测量方法并以此来分析抗滑力和滑水速度与相关的轮胎、路面 系数之间的关系。2 0 世纪6 0 年代，h o r n e 、j o y n e r 3 9 j 通过实验研究，发现了著 名的n a s a 滑水方程。随后，d a u g h a d a y 、b r o w n e 、z m i n d a r 、o n g 等人开始试 图用解析的方法来模拟滑水现象，进行滑水分析，并取得了一定的成绩。 早在1 9 6 9 年，hd a u g h a d a y 、ct u n g 4o j 就致力于轮胎滑水现象的解析分析， 研究表明，在轮胎滑动速度低于完全滑水所需的临界速度时，轮胎路面的接触 6 区域可划分为挤压膜区、覆盖区和牵引区三部分。为了进一步探索轮胎路面的 滑水机理，o n g 等1 4 l 4 7 i 在固体力学、流体动力学等理论知识的基础上，建立了 一个较为完善的3 d 有限元模型，模拟了轮胎在有水膜覆盖的光滑路面上滑动 时轮胎流体路面之间的相互作用，并进行滑水和轮胎抗滑性能分析。该模型 可有效地研究轮胎特性、轮胎f a r 、路面水膜厚度以及路面粗糙度等因数对湿 滑路面的抗滑力和滑水速度的影响。对照n a s a 方程以及经验关系式和相关试 验数据，对滑水速度和湿路面在不同滑动速度下的抗滑力变化过程进行模拟预 测，以证实该模型的有效性，进一步对抗滑性能衰减机制进行深入分析，得到 轮胎路面接触区域大小、法向接触力、牵引力、液体上推力以及液体拽力随轮 胎滑动速度增大的变化情况。jrc h o 等【43 j 则构造了基于流体动力润滑理论的 轮胎滑水数学模型和三维实体模型，采用有限体积和有限元素法求解雨水流和 轮胎的变形，同时采用欧拉拉格朗日耦合法对轮胎滑水性能进行数值迭代模 拟，将模拟结果和轮胎的三维仿真分析结果相对照，综合分析了轮胎花纹块的 排水能力、水的动压力以及轮胎的压力分布，得出图案轮胎的湿牵引性能要好 于三槽轮胎。为轮胎滑水理论的进一步完善和轮胎的优化设计提供理论依据。 国内的科研人员也积极投入到轮胎滑水问题的研究，并获得了一些重要的 科研成果。王吉忠【4 4 46 j 等在假定路面光滑的前提下，将轮胎的粘性滑水问题模 拟为胎面单元的挤压膜问题。列出只含有挤压项的r e y n o l d s 方程，并进行数值 迭代求解，分析了轮胎湿附着性能的影响因数。研究表明，胎面单元的柔性和 几何参数对轮胎的湿附着性能有重要影响，增大胎面单元的面积或边长比，均 可以提高轮胎的湿附着性能，但初始膜厚对轮胎的薄膜湿牵引性能影响不大， 这为胎面单元的抗湿滑设计提供了理论参考。 季天剑等1 4 7 , 4 8 j 根据能量守恒原理，通过有限元法推导出了附着系数与水膜 厚度、行车速度的关系式。分析得出，在发生部分滑水现象的湿滑路面上，轮 胎与路面间的附着系数要比在干燥路面上小很多，低速时，水膜厚度对附着系 数的影响较大；高速时，速度的影响较大。针对道路表面的坡面水流受坡面粗 糙度和降雨强度的影响，他以坡度、坡长、坡面粗粗度和降雨强度为输入层， 水膜厚度为输出层，建立起基于人工神经网络的表面水膜厚度预测模型，并通 过试验证实了其切实可行，但存在一定的适应范围限制。 孔江生等h 9 】以实验公式“= 6 3 4 4 p 为依据，从水流的速度、动量方程、接 地区斜楔内动压大小等因素出发，推导出了临界平衡条件即滑水时的临界车速 公式，并提出了一种通过增加胎宽接地中线附近车轮外胎径向刚度来增加轮胎 抗滑能力方法。 臧孟炎等1 5 uj 以l s d y n a 软件为工具，建立起轮胎3 一d 有限元模型，仿真模 拟了楔形水膜逐渐被挤入轮胎花纹沟槽并沿花纹沟槽排出时的情形，得出了在 干、湿路面上，轮胎路面接触力与轮速之间的关系曲线，验证了临界滑水速度 与水膜厚度的关系。临界滑水速度与水膜厚度成反比，水膜厚度越大，越危险。 朱林培l 】在臧孟炎所建立的轮胎三维有限元模型的基础上，仿真模拟了轮胎产 生滑水的全过程并进一步分析了滑水现象产生的原因。分析结果表明，带有横、 纵混合花纹的轮胎滑水性能明显好于只带纵向花纹的轮胎。这些研究结果对轮 胎的设计和改进具有一定的指导意义。 朱永刚2 j 以流体动压润滑理论为基础，综合考虑路面粗糙度的影响，将轮 胎的粘性滑水问题模拟为胎面单元与粗糙路面间的动压、挤压膜问题，结合橡 胶垂直变形公式，建立起以含动压、挤压项的平均流量方程为基础的数学模型， 并进行数值迭代求解，综合分析了胎面单元对轮胎的薄膜湿牵引性的影响。分 析结果表明，胎面单元的楔角、滑动速度以及面积对轮胎薄膜湿牵引性有重要 影响，滑动速度越大，湿牵引性越差。胎面单元的柔性、表面纹理以及初始膜 厚对轮胎湿牵引性能有一定影响。路面粗糙度对轮胎的湿牵引性能影响较大， 路面越粗糙，湿牵引性越好。 胎面花纹对轮胎路面相互作用界面的压力分布、轮胎的直线行驶稳定性以 及抗滑水能力都具有重要影响，通过改进胎面花纹的形式，可有效提高轮胎的 抗滑性能。张彦辉【53 j 在朱永刚研究的基础上，进一步加入胎面花纹的影响，依 据平均流量模型以及微凸体接触模型，建立起四种胎面花纹模型，分析研究了 不同胎面花纹对轮胎附着性能的影响，计算结果表明，在选取的四种花纹模型 中具有交叉花纹的胎面单元的湿附着性能最好。这些结果对于轮胎胎面花纹的 抗滑设计具有一定的理论参考价值。 公路一旦建成并投入使用后，不仅受到行车载荷的作用，还要受到自然环