（材料学专业论文）水泥混凝土路面抗滑机理及测试技术研究.pdf

摘要 路面抗滑能力是保证公路行车安全及养护维修的一项重要指标，对水泥混凝土路面 抗滑机理的研究非常必要。加强对水泥路面抗滑性能的检测，有助于对路面使用状况的 了解，开发测试成本低、测试效率高的新型路面抗滑测试设备，可以改善当前路面抗滑 性能测试技术的缺陷。 本文利用摩擦学等理论，分析轮胎与水泥混凝土路面之间摩擦产生的机理，对路面 潮湿状况下，轮胎与路面之间的接触形式进行了相应的分析。利用a b a q u s 有限元软 件分析路表构造、轮胎荷载、行车速度、胎压等几个重要因素对轮胎与路面相互作用的 影响，并提出了路面的附着系数与各因素的回归公式。本文分析了现有的水泥路面抗滑 构造形式及相应的施工方法，并对现有的路面抗滑性能检测设备的检测原理、检测方法 及优缺点进行了分析，并指出目前存在的问题。自行研制了新型路面抗滑测试仪，并提 出相应的测试方法及指标。对新型路面抗滑测试仪进行了重复性试验、速度试验以及与 摆式仪和铺砂法的对比试验，认为新型路面抗滑测试仪具有一定的稳定性，对于同种表 面构造的试件，测试结果变异性小，且测试结果与测试速度存在良好的相关性，与规范 中规定的摆式仪测得摆值、铺砂法测得的构造深度之间存在较好的相关性。根据与铺砂 法的回归关系式，提出新型路面抗滑测试仪相应的抗滑评价标准。 关键词：水泥混凝土路面，抗滑机理，表面构造，新型抗滑性能测试仪，摩擦系数 a b s t r a c t t h ea n t i s l i d i n gp e r f o r m a n c eo ft h er o a di sa ni m p o r t a n tf a c t o rt oe n s u r er o a dt r a f f i c s a f e t ya n dp r e s e r v i n g ，s ot h er e s e a r c ha b o u tt h ea n t i s l i d i n gm e c h a n i s mo fc e m e n tc o n c r e t e p a v e m e n ti sn e c e s s a r y t os t r e n g t h e nt h ea n t i s l i d i n gp e r f o r m a n c et e s t i n go ft h ec e m e n tr o a d c o n t r i b u t e st ot h eu n d e r s t a n d i n go fr o a du s a g e d e v e l o p m e n tl o wc o s ta n de f f i c i e n t a n t i s l i d i n gt e s t i n ge q u i p m e n tc a ni m p r o v et h ed e f e c t so ft h ec u r r e n ta n t i - s l i d i n gt e s t i n g t e c h n i q u e s b yu s i n gt r i b o l o g i c a lt h e o r y ，t h i sp a p e ra n a l y z e st h ef r i c t i o nm e c h a n i s mb e t w e e nt h et i r e a n dc e m e n t sc o n c r e t ep a v e m e n t ，a n da n a l y z e st i r ea n dr o a ds u r f a c ec o n t a c tf o r m sa b o u tw e t r o a dc o n d i t i o n s i na d d i t i o n ，b yu s i n gf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ea b a q u st oa n a l y s i st h er o a d t e x t u r e ，t i r el o a d ，s p e e d ，t i r ep r e s s u r ea n do t h e rf a c t o r sa f f e c t i n go ni n t e r a c t i o nb e t w e e nt i r e a n dr o a ds u r f a c e ，a n dp r e s e n tt h er e g r e s s i o nf o r m u l ao fr o a ds u r f a c ec o e f f i c i e n ta n da d h e s i o n f a c t o r s t h i sp a p e ra n a l y z e st h ee x i s t i n gf o r m so fc o n c r e t ep a v e m e n ts u r f a c et e x t u r ea n dt h e c o r r e s p o n d i n gc o n s t r u c tm e t h o d ，a n dr e v i e w st h ep e r f o r m a n c eo fe x i s t i n ga n t i - s l i d i n gt e s t i n g e q u i p m e n tp r i n c i p l e ，t e s t i n gm e t h o d sa n di t sa d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s ，t h e np o i n t e so u t t h ee x i s t i n gp r o b l e m s d e v e l o p e dan e wa n t i s l i d i n gp e r f o r m a n c et e s t e r , a n dp r e s e n t st h e f r i c t i o nc o e f f i c i e n ta st h er o a da n t i s l i d i n gp e r f o r m a n c ee v a l u a t i o ni n d e x f o rt h en e w a n t i s l i d i n gp e r f o r m a n c et e s t e r ，t h i sp a p e rp u tt ot h er e p e a t a b i l i t yt e s t ，s p e e dt e s ta n d c o m p a r i s o nt e s t i n gw i t l lb r i t i s hp e n d u l u mt e s t e ra n ds a n dp a t c hm e t h o d a n dc o n s i d e r st h a t t h en e w a n t i s l i d i n gt e s t e rh a sac e r t a i nd e g r e eo fs t a b i l i t y ，f o rt h es a m er o a dt e x m r e ，t h e r ei s s m a l lv a r i a b i l i t yi nt e s tr e s u l t s ，a n dt e s tr e s u l t sh a v eg o o dc o r r e l a t i o nw i t hs p e e d a tt h es a m e t i m e ，t e s tr e s u l t sh a v ed e f i n i t i v ec o r r e l a t i o nw i t hb p na n dm t d a c c o r d i n gt ot h er e g r e s s i o n r e l a t i o n s h i p 晰t ht h em t d ，t h i sp a p e rp u t s f o r w a r dn e wa n t i - s l i d et e s ts t a n d a r d s c o r r e s p o n d i n gt h en e wa n t i s l i d i n gt e s t e r k e yw o r d s ：c e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n t ，f r i c t i o nm e c h a n i s m ，r o a dt e x t u r e ，n e wa n t i s l i d i n g p e r f o r m a n c et e s t e r ，f r i c t i o nc o e f f i c i e n t 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 榉洚 峰占月g 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导师签名： 样洽 防k 中 年多月衫日 年彳月舌 日 乃，夕 加 砖 长安大学硕士学位论文 1 1 选题意义及背景 第一章绪论 自改革开放以来，我国公路建设仍保持着快速增长的势头。高速公路的兴建和公路 等级的普遍提高使我国的公路交通呈现出车速快、流量大的特点，交通越来越方便。然 而，另一方面，交通事故发生的频率也成上升趋势，使得行车安全问题日益突出，人们 在享受现代化交通科技的同时也常有着“车祸猛于虎”的感叹。目前，我国是世界上道 路交通事故万车死亡率最高的国家之一，每年在道路交通事故中死亡约5 万多人，直接 经济损失十几亿元。诚然，引发交通事故的原因很多，一方面交通管理水平、人( 驾驶 技能、心理素质、身体状况、遵守交通法规的自觉性) 、车( 车辆的类型与技术状况) 、 气候( 雨、雪、雾、风) 及环境( 街道化程度) 等多种因素都有关系【l 】，另一方面与道 路路面的技术性能尤其是路面的抗滑性能【2 】【3 】密切相关。如果能让高速行驶的车辆在极 短的时间内停下来，且避免侧向滑移，将会避免很多事故的发生或降低其严重程度，因 此粗糙、抗滑的路面是保证行车安全的一个必要条件。从安全角度考虑，进行路面抗滑 性能技术分析、实行有效的防滑技术措施并对路面抗滑性能进行定期检测与评价具有重 要的现实意义，在很大程度上可以减轻事故的严重性。 路面抗滑能力是保证公路行车安全、维护及允许行车速度的一项重要指标。路面设 计、道路材料、施工工艺、养护等各项技术对路面抗滑能力均有非常重要的影响，而路 面抗滑能力的检测是反映以上这些综合技术的重要手段及专门技术。虽然路面抗滑性能 检测已被列入我国公路工程质量设计和检验的范畴，但是我国目前路面抗滑性能检测技 术及评价方法在某些方面还存在不足，与国外先进国家相比仍显落后。我国道路建设方 面还把重点停留在路面的结构性能阶段，对路面安全性等不够重视，在路面抗滑性能方 面研究相对较少。开展路面抗滑性能方面的研究以寻求更合适的检测设备和评价方法， 也成为当前亟待解决的课题。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 摩擦机理研究现状 路面抗滑性能的优劣对轮胎与路面之间的摩擦特性至关重要，轮胎通过与路面之间 的摩擦耦合传递车辆与路面之间的各种相互作用力。轮胎胎面与路面之间的相互作用可 第一章绪论 以利用摩擦学的知识来进行分析。摩擦学的概念源于1 9 6 6 年英国的p e t e rj o s t 完成的调 查报告【4 】。此后各种在摩擦学基础上产生的应用技术有了长足的发展。按照摩擦学的定 义，轮胎摩擦学是研究作相对运动的轮胎和道路间相互作用表面及其相关理论与实践的 一门科学技术。 在2 0 世纪3 0 年代，s c h u s t e r 和w e l c h s l e r 在试验中发现1 5 】，当轮胎滚动时，在接地面可 以看到弹性滑移现象，该现象随后被很多学者的实验所证实。轮胎在产生弹性滑移时， 接地印迹分成两部分( 如图1 1 所示) ，前部为粘着区，后部为滑移区。同时研究轮胎力 学特性，除了应有较准确的摩擦系数模型之外，还应建立包括接地面形状、法向压力和 切向力分布的接地面模型，即接地面上轮胎的变形及其与路面间相互作用力在该面上的 分布情况。国内外的试验研究表明，轮胎的接地面形状大多介于矩形和椭圆形之间。 献彳仃 ，一、 h w | ，| ly 道路滑移区附着区 - 图1 1 轮胎接地印痕分布示意 k 分界点，2 a 接地印痕长度7f z 轮胎所受的径向力 f i a l a - s a k a i 模型6 1 是经典的轮胎摩擦模型，认为轮胎与地面接触面的粘着区和滑动 区的大小与滑动率的大小相关，滑动率= ( 车轮线速度一车辆移动速度) 车轮线速度滑 动率越大，滑动区越大，粘着区越小。由于滑动区的摩擦系数与粘着区的摩擦系数不同， 轮胎摩擦系数随着滑动率的变化而变化。前苏联学者克拉盖尔斯基对轮胎摩擦的研究 【刀，认为为轮胎的接触区可分为滑动粘着一滑动三个区。我国学者管迪华【8 1 等通过模态 方法计算轮胎路面静态接触得出结论，接地印迹内部为粘着区，边缘为滑动区。 正像所有的摩擦一样，轮胎橡胶的摩擦也可以用c o u l o m b 定理描述 9 1 ： f = g ( 1 1 ) 式中：卜摩擦力； 一摩擦系数； g 一载荷。 长安大学硕士学位论文 与固体之间的摩擦不同，此处不是常数，与温度、湿度、速度、载荷等因素有非 线性关系，若忽略它的非线性，将其近似为常数将产生巨大的误差。因此在橡胶的摩擦 磨损中，直接使用该公式没有结果。 m o o r e 等研究表明【1 0 】【1 1 1 ，摩擦系数可以更进一步表示成如下公式： 砌= 疋 t a i l 万 ( 1 2 ) 彬= 毛 伽j ( 1 3 ) 式中：砌一粘附摩擦系数； 耐一滞后摩擦系数； t 缸6 一橡胶材料的滞后系数； e 一可恢复的弹性模量，即储能模量； k 、瓦一常系数； 尸一正压应力； 歹一是平均压力。 由此可见，橡胶的摩擦特性与其自身的属性t a n d 成正比，这是粘弹性在橡胶摩擦中 的一个明显特征。但是，这个模型只在低速时较正确，在高速时误差较大，彭旭东【1 2 】 等证明在速度达到8 0 k i 肌时，误差高达5 0 ，并认为产生这样的误差是该模型假设温度 为常数所致。在实际工作中，轮胎在高速行驶时，温度有时超过1 0 0 ( 2 ，粘弹性模量改 变很大。 此后，橡胶的摩擦研究从经验向理论发展，s a v k o o rar 【1 3 1 给出了具有代表性的滑 动摩擦系数经验公式。t a b o r 1 4 1 给出的流动摩擦系数计算中，虽然理论性较强，损耗系 数却难以得到。g p a l a s a n t z a s 1 5 1 在橡胶的摩擦磨损理论研究中，利用粘弹性力学、分形 学相关知识，并借助自相关函数、富式变换【1 6 】【1 7 1 的手段获得如下表达式： 一黝叫南若知叫 4 ， 式中：e ( ) 一频率为0 9 。时材料的弹性模量； l ，一泊松比； 3 第一章绪论 i m 】一表示取 】数的虚部； 日一粗糙度指数，是分形学中的参数； 形一表面形态参数，是高度的均方差根； q 一橡胶摩擦表面的震动频率。 从这个公式可以定量地看出橡胶的摩擦系数与滑动速度的关系。 p e r s s o n t l 8 1 在系统研究的基础上，给出了基于粘弹性力学的计算方法，并使用该方法 计算说明了雨天轮胎摩擦力大减的原因，这一发现让人们看到了统一各项研究成果的希 望。g c a r b o r e t l 9 1 等基于表面粘附能理论，根据弹性力学、断裂力学的基本原理，忽略 波的传播和粘弹性所引起的能量损失时，给出了摩擦系数的如下表达式： 纠枷s ：眈k ) 壁挚 剐 k = 2 ，r 2( 1 6 ) 式中：只一橡胶材料中垂直地面离接触表面无限远处的压应力； a 一微观波动长度； 办一表面粗糙度值； a 一微观接触面积半径； p 一移动时接触面积的中心与静态接触面积的中心的偏移量。 从该公式同样可以得到摩擦系数与偏离量e 的关系。上述两个公式，在高滑动系数 时，计算较大的偏差，因此仅考虑粘弹性而忽略表面的粘附性或仅考虑表面的粘附性而 忽略粘弹性，都是不妥的，必须给予全面考虑，方能与实际相符。二者在低滑动速度时 符合度均较好，说明粘弹性与表面的粘附有某种相关性，而不是人们所认为的是二者简 单的代数和。 我国学者郭孔辉2 0 】等在轮胎方面也作了大量的研究，他对轮胎侧偏力的研究，在国 内外都具有领先的地位，其主要特点就是将轮胎的曲率因素考虑进去，利用一定的数学 手段，拟合出的侧向力为f ，： f ，= df ： 一e x p ( - t o y - e i 伊；一( e 产+ 去) 伊； c 7 ， 式中： 卢d 一摩擦系数； 4 长安大学碗+ 学位论上 丘一曲率因数； c 一垂直载荷； 吼一侧向相对滑移率。 上式各项意义明确，没有经验系数。虽然该公式理论性不严密，但实用性较好 圈1 2 积水中 雠的轮胎 摩擦机理研究的另一个重要内容是对水漂现象的分析。水漂即轮胎的滑水现象，如 图1 2 所示，当汽车在路表覆盖有一层水膜的路面上行驶时，因轮胎与路面问不能完全 或无法排除路面水膜，出现汽车在水膜上行驶的现象，从而极易导致汽车的滑行失控。 最早的水漂研究足美国全国空运机协会( 即后来的国家航空与航天局) 进行的，目的是 解决b 机着陆时的安全问题。后来水漂研究的内容涉及到降雨特性( 降雨强度和降雨时 间) 、汽车特性( 汽车重量、轮胎花纹等) 、路面特性( 宏观构造、横坡、纵坡、排水径 流长度等) 以及轮胎与路面问的相互作用【”i 。随着计算机的高速发展，三维数值的计算 方法也随之出现，并越来越多地应用于轮胎的滑水分析。二十世纪九十年代初g 哪g e l h 等人使用流体和结构分析软件对滑水现象进行了数值计算，但分析时没有考虑轮胎的转 动。随后h o m e 研究得出了轮胎的最小极限水上滑行速度公式，指出了滑水速度和气压 的关系田i 。再后来季天剑1 2 3 1 1 2 4 1 等人利用有限元方法建立了轮胎模型，讨论了在滑水现 象发生时路面附着系数变化的情况，但没有考虑路面构造的影响。 综上所述，汽车轮胎的运动力学比较复杂，轮胎的理论研究还报不完整，过多的简 化导致与实际情况有明显差距，因此对轮胎与路面之间抗滑机理研究还不够深入。轮胎 与路面的数值计算考虑的影响因素也不全面，大量的人为假设存在其中，从而产生不应 5 第一章绪论 有的偏差。 1 2 2 抗滑测试技术研究现状 国外路面抗滑测试技术的研究始于2 0 世纪2 0 年代，比我国起步要早。早在1 9 2 0 年美国和法国就已开始这类研究，英国也是世界上最早研究路面抗滑技术的国家之一， 1 9 2 7 年英国特丁顿( t e d d i n g t o n ) 国立物理研究所已开始了这类研究。世界道路协会在 1 9 4 9 年设立了滑溜与平整度技术委员会( 后来更名为表面特性技术委员会) ，在其组织 下于1 9 5 8 年和1 9 7 7 年召开了第一届和第二届国际防滑会议，以后又召开过数届道路表 面特性国际会议【2 5 】。回顾几十年的发展历史，国际上对路面抗滑测试技术的研究可归纳 为如下几个方面： ( 1 ) 摩擦系数测试技术 最初的研究是从摩擦系数测试仪器的研制开始的，1 9 5 5 年由英国研制成功的摩擦 系数测试仪虽然在今天看来只代表低速下的摩擦系数、只能进行点测量等缺点，但它在 世界范围内得到了广泛应用。 ( 2 ) 对滑溜事故以及抗滑标准的研究 对路面抗滑能力研究的目的是减少因滑溜而引起的交通事故，对事故与滑溜的关系 及相应路面抗滑标准的研究一直是世界各国的研究热点。1 9 9 2 年9 月至1 0 月间，世界 道路协会在比利时和西班牙实际公路路面上进行了一次广泛的实地测量并制定了一个 国际摩擦指标i f i ( i n t e r n a t i o n a lf r i c t i o ni n d e x ) t 2 6 1 。 ( 3 ) 对抗滑表层修筑技术的研究 说到抗滑表层的修筑技术，除了采用抗磨光、耐磨耗的集料外，主要就是如何形成 适当宏观构造的问题。 以上这些研究为世界各国的公路工作者们提供了理论基础和实践标准。由于解决了 测量原理和测量手段这些基本问题，世界各国据此纷纷研制出很多路面摩擦系数的检测 设备和仪器，例如英国、法国、美国、德国、日本、瑞典、瑞士、丹麦、荷兰、西班牙、 南非等国都有自己制造的仪器。其中比较有影响的是英国的s c r i m ，瑞典的b v - 1 l 以 及其他b v 系列滑溜测试仪。 我国对于路面抗滑技术的研究始于2 0 世纪7 0 年代。在这以前我国几乎没有路面摩 擦系数的实验和数据，后来采用刹车法( 制动距离法) 进行试验，7 0 年代中期才有五 轮仪，1 9 8 0 年，我国第一台测定摩擦系数的仪器一摆式摩擦系数测试仪问世。8 0 年代 6 长安大学硕士学位论文 初又相继研制出了石料加速磨光机，并用它对全国1 7 个省市的4 0 0 多种石料做了磨光 值普查，与此同时还在7 个省市内对5 0 0 0 余公里干线油路上的1 0 0 0 余个事故路段进行 了调查，籍此建立了路面抗滑力与事故危险程度之间的关系，通过上述工作建立了沥青 路面的抗滑标准及其指标体系。在这之后，也就是在国家“七五”计划期间，重点研究了 沥青路面的抗滑表层。在此期间还研制出了能连续测量路面摩擦系数的滑溜拖车，使我 国路面摩擦力测试仪器摆脱了点测量的缺点，提高了测量效率。8 0 年代后期的国家科 委引导性项目( 0 2 5 项目) ，我国对水泥混凝土路面( 包括小型机具施工、滑模摊铺和 碾压混凝土) 的抗滑技术进行了研究，并在此期间研制出了达到国外同类产品水准的横 向力系数测试设备( s c 刚m ) 。自此之后，对于新型抗滑测试技术的研究较少，对于路 面的抗滑性能检测，一直沿用规范中规定的摆式仪、铺砂法和s c r i m 系统等几种测试 方法。早期的测试系统在有些方面己经显得落后，需要进行进一步的研究改进，使其向 硬件设备精密化、标准化、稳定化，数据采集快速化、精确化，数据处理实时化以及软 件系统人性化、自动化的方向发展。另一方面，目前较为先进的连续式摩擦测试设备制 造及测试费用非常昂贵，因此需要开发制造测试成本低、测试效率高的新型路面抗滑测 试设备，从而适应当前路面抗滑性能测试的需要。 1 3 本文主要研究内容 针对国内外研究现状及目前存在问题，本文拟主要进行以下几个方面的研究： ( 1 ) 水泥混凝土路面抗滑机理分析 利用摩擦学等理论，分析轮胎与水泥混凝土路面之间相互作用，从路面宏观构造和 微观构造两个方面阐述轮胎与水泥混凝土路面之间摩擦产生的机理； ( 2 ) 轮胎与水泥混凝土路面摩擦接触数值分析 利用a b a q u s 有限元软件分析路表构造、轮胎荷载、行车速度、胎压等几个重要 因素对轮胎与路面相互作用的影响； ( 3 ) 水泥混凝土路面抗滑性能测试技术研究 结合目前水泥混凝土路面抗滑构造形式，对当前的道路抗滑性能检测设备进行深入 分析，重点分析几种常用设备对水泥混凝土路面抗滑性能测试的适用性；综合考虑真实 行车条件下，开发新型水泥混凝土路面抗滑性能测试仪，并通过试验全面研究其技术性 能和特点，重点研究该设备测试结果的稳定性，与测试速度、路面构造的关系，并与摆 值及构造深度进行对比研究。 7 第二章水泥混凝土路面抗滑机理分析 第二章水泥混凝土路面抗滑机理分析 轮胎与路面间的摩擦力是汽车驱动、制动及转向的动力来源，对汽车驱动性、制动 性及转向操纵性有直接影响。对轮胎与路面间的摩擦特性进行深入分析是正确预测轮胎 与路面间摩擦力的基础，而这对于许多安全控制系统来说至关重要。 2 1 轮胎与路面之间的相互作用 摩擦是两个接触表面相互作用引起的滑动阻力和能量损耗。早期人们曾提出机械啮 合理论来解释摩擦的形成，后来又用分子作用理论进行解释。在2 0 世纪3 0 年代末期，人 们从机械一分子联合作用的观点发展了较完善的固体摩擦理谢7 1 。 轮胎与路面的摩擦问题较为复杂，不能单纯认为是两种物体之间的滑动摩擦状态， 接触过程所需的全部变形由轮胎产生。应用摩擦理论，分析干燥状态轮胎与路面间的相 互摩擦作用，可以归结为以下四个方面： ( 1 ) 轮胎与路面间的分子力作用 当两个物体表面之间相距非常近时，其间的分子引力作用相当可观，这种分子引力 就构成了轮胎与路面间摩擦力的一部分。 c = a ( a o + b o p 6 ) ( 2 1 ) 式中：f 一分子作用产生的摩擦力； 彳一分子作用的面积； 以一为分子作用的切向阻力； 玩一粗糙度影响系数； p - 一单位面积上的法向荷载； 卜趋近于1 的指数。 显然，分子摩擦力主要取决于轮胎和路面间实际接触面积的大小，同时受路面状态， 如路表污染程度、水膜、灰尘及湿度等影响较大。 ( 2 ) 轮胎与路面间的粘着作用 和金属间的粘着类似，轮胎与路面间也会发生粘着作用，由此所产生的摩擦力称为 粘着摩擦力。对轮胎在路面上进行磨损试验后，可在轮胎表面找到粘着在其上的路面磨 粒。同样，在路面上也可发现粘着在其上的橡胶磨粒。另外，轮胎与路面间发生的静电 8 长安大学硕士学位论文 吸引也是轮胎与路面间发生粘着的一个证明。 如图2 1 所示，粘着摩擦力为轮胎橡胶与路面各个粗糙凸起之间抗剪阻力水平分量之 和。路面上的摩擦力主要以粘着摩擦力为主，并且随着接触面积增大，轮胎与路面之间 的附着力也增大。 粘着摩擦力气ts 缸。 图2 1 粘着摩擦力示意图 粘着摩擦力是单独路面微凸体与轮胎发生接触时产生的，比如一个单独的路面凸 起，压入到橡胶块中。橡胶在压缩之下发生的是弹性变形，并且在路面凸起与橡胶之间 能够产生较大的垂直压力。每个单独的接触代表一个微粘着分量。在动态接触区域上各 分剪切力的总和产生一个合成摩擦剪切力凡。 瓦= s 以 ( 2 2 ) l 式中：兄一各剪切力的总和； a 撕一单个橡胶与颗粒交界面的实际接触面积； 嗍切强度比； 瓦一轮胎与路面摩擦力的粘着摩擦力。 将轮胎与路面间粘着点剪断所需的摩擦力主要取决于轮胎与路面材料的性能、接触 面之间的压力、路面状态以及轮胎与路面间的实际接触面积。 ( 3 ) 胎面橡胶的弹性变形 与金属材料不同，橡胶是一种弹性非常好的材料。在路面较大微凸体及胎面花纹等 作用下，胎面橡胶会反复产生较大的弹性变形，而弹性变形会产生变形力与弹性变形恢 复力，由于存在弹性滞后等影响，弹性变形恢复力总是小于弹性变形力，其中能量损失 所产生的阻力也构成了摩擦力的一部分，称为粘滞摩擦力。 9 第二章水泥混凝土路面抗滑机理分析 牯浠摩擦力c 荤l e e e 1 l 图2 2 粘滞摩擦力示意图 粘滞摩擦力比粘着摩擦力复杂得多，如图2 2 所示，当橡胶轮胎向右侧运动时，必须 要越过微凸体，并受到变形的支配。该变形包括两个阶段，分别是微凸体左侧的受压阶 段以及右侧的拉伸阶段。当橡胶块在左侧受到压缩时，就会产生能量积累e ，。在右侧 拉伸阶段，轮胎橡胶则不能完全释放压缩阶段所积累的能量，而是只能释放一部分能量 e ，由此便产生了能量损失( e e d ) ，这些能量损失以热能的形式释放出来，根据能 量守恒，能量损失必须产生一个外力e 。来补偿，e ，作用的方向与轮胎橡胶运动的方向 相同。作用在单个橡胶与颗粒接触面上的外力e ，与损失的能量成比例。 e 。= c ( e ，一e ) ( 2 3 ) 式中：e ，一作用在橡胶与单个微凸体接触面上的外力； c 一比例常数； e e 一散失的热能。 而粘滞摩擦力圪即为作用在整个接触区域的e ，的总和： 一= c ( e e 。，) ( 2 4 ) 不同胎面花纹的轮胎在纵向或横向荷载作用下将产生完全不同的变形情况，因此产 生纵向或横向摩擦力的能力也完全不同，这充分说明了橡胶弹性变形对轮胎与路面问粘 滞摩擦力产生的作用。这种摩擦力主要取决于胎面花纹和路面上较大尺寸微凸体的性能 世 守o ( 4 ) 路面上小尺寸微凸体的微切削作用 在载荷作用下，路面上较小尺寸的微凸体会在胎面的局部产生较大的应力集中。当 胎面上所产生的局部应力超过了其断裂强度时，在切向力的作用下，路面上尺寸较小的 微凸体就会对胎面形成微切削作用，如图2 3 所示。这种微切削作用和一般金属摩擦学中 的犁沟作用非常类似，微切削过程中产生的阻力就是轮胎与路面间摩擦力的一部分。 1 0 长安大学硕士学位论文 f e 一 图2 3 微切削作用示意图 e = a a ， ( 2 5 ) 式中：e 一微切削作用产生的摩擦力 a 接触面积； 盯。一材料的屈服极限。 许多轮胎摩擦表面的扫描电镜照片都证明了轮胎与路面间微切削作用的存在。由微 切削作用产生的摩擦力除了与轮胎及路面的材料性能有关外，主要取决于路面上较小尺 寸微凸体的大小、分布情况及锋利性等。 综上所述，轮胎与路面之间总的摩擦力f 可以联合公式( 2 1 ) 、 ( 2 2 ) 、( 2 4 ) 和( 2 5 ) ，由下式表示： f = c + f o + e + c ( 2 6 ) 2 2 潮湿状态下路面与轮i i i , 勺接触形式 在潮湿路面上，由于有水膜作用，将会发生弹流动力现象，这也是造成汽车牵引力 大打折扣的主要原吲2 7 1 。滚动及滑动轮胎产生的弹流动力现象范围见表2 1 。 第二章水泥混凝土路面抗滑机理分析 表2 1 弹流动力现象总汇表 轮胎工作方式操纵目标弹流动力现象 动力滑水 滑动状态 紧急刹车厚水膜 流体动压上推 水楔贯穿( 渗透) 挤压膜分离 制动 粘性滑水 驱动 滚动状态薄水膜 为不接触侵蚀 自由滚动 表面翘曲 转弯 边缘接触 2 2 1 接触形式 有水存在的情况下轮胎与路面的接触有两种基本形式：边界层润滑型摩擦接触和弹 性动力润滑型摩擦接触。 轮胎前进方向 - - - - - - - 一 水盐么 路面 轮胎前进方向 _ - - - - - - - - - - - - - 一 水建这么 路面 图2 4 边界层润滑型摩擦接触图2 5 动力润滑型摩擦接触 当两物体紧密接触时发生边界层摩擦，滑膜只有几个分子层的厚度，如图2 4 所示， 边界层摩擦发生在较低的行车速度下，并且能产生较大的摩擦力。弹性水动力润滑型摩 擦与边界层摩擦相反。在较高车速的作用下，由于车轮前进方向的积聚而使轮胎产生弹 性凹陷( 水的惯性和粘滞性阻力是引起这种凹陷的原因) 并形成向上的压力，由此而导 致摩擦力的急速下降，这种现象称为水动力润滑，如图2 5 ，这实际上是部分边界膜润 滑和部分弹性水动力润滑的混合状态，当速度再提高时将会产生完全的水动力润滑。另 一种重要的润滑形式( 在某种程度上归属弹性水动力润滑一类) 是“挤压膜润滑接触”， 如图2 6 所示。此时车速较高，轮胎较软，水被罩在轮胎的凹陷之内。 1 2 长安大学硕士学位论文 轮j | 目前进方阿 - - 一 永叁 心 1 只6 = 忍 lc = l + c 6 ( 3 1 ) 【尸= p n + 忍l ， 式中：t 一滑动摩擦系数。 由： 得到： 式中：仇一附着系数。 c = c x p ( 3 2 ) f p x2x p ( 3 3 ) 由式3 1 中可知路面的附着系数要大于路面的滑动摩擦系数。这是因为轮胎在滑动区 域由路面反力只产生滑动摩擦力f x b = j f 只，在附着区域由路面反力只产生一定的静止 长安大学硕士学位论文 摩擦力，该静止摩擦力大于此附着区域发生滑动时的摩擦力。附着力e 不等于作用在车 轮上的法向荷载p 与摩擦系数的乘积。附着因数缈。的含义是：作用在整个接触面上的 水平反力和法向荷载之比。附着因数和摩擦系数的概念是不同的，因为在整个接触区域 包括粘着和滑动两个部分，当轮胎胎面的滑转面积或者滑移面积扩大到整个接触面积 时，附着力才等于摩擦力。 3 2 轮胎与水泥混凝土路面摩擦接触状况有限元模型的建立 轮胎结构及其力学特征极为复杂，在建立轮胎有限元结构分析模型时，要考虑轮胎 工作时存在的几何、材料和边界条件的非线性，计算模型较大且复杂，计算耗时。本文 在建模时除了尽可能充分准确反映轮胎在不同工况下的材料和结构的变形特征外，还要 考虑所需计算时间来决定模型的自由度，完成装配、充气、承受静载荷和稳态滚动等。 3 2 1 轮胎有限元模型 为在有限元分析中即尽量考虑轮胎结构力学特性，即材料非线性应力应变行为、 大变形、大应变、边界条件的持续变化、材料的复合属性，以及轮胎与路面的接触问题 等，又能使计算简化，引入了如下假设和处理方法： ( 1 ) 材料的物理参数均为常数，在各类荷载作用下不变，不受温度影响。所有材料 参数从现有材料参数库中选取。 ( 2 ) 橡胶、钢丝帘线和包布帘线的材料属性单独给出，互不影响，每部位的帘线对 应的初始角度相同，在负荷作用下可以随胎体曲率变化而变化。 ( 3 ) 各类橡胶材料视为各项同性近似不可压缩的超弹性材料，用门尼一雷福林 ( m o o n e y r j v l i n ) 超弹性模型描写材料的应力应变关系。 ( 4 ) 轮胎充气压力作用在轮胎内表面的法线方向。 ( 5 ) 只考虑轮胎的纵向花纹，胎面花纹模拟为弹性材料。 ( 6 ) 轮胎在带有刻槽的水泥混凝土路面上滚动，并经受力学上的稳定变形。 ( 7 ) 稳定滚动轮胎内能量损失的唯一机理是由于轮胎橡胶粘弹性特性所产生的迟滞 损失。 根据a b a q u s 软件相关计算模块的功能和特点以及大量的试算，针对轮胎机构有 限元建模初步总结了建模方法，利用轮胎结构的几何对称性来生成有限元模型，不仅可 以提高建模效率，同时也有利于避免模型定义出错。 2 1 第i 章轮骆一水泥错土路面摧齄仃甩，c 分析 缈 圈3 2 轮胎二堆1 2 辏銎 翻3 0 转m - - t t l 2 晷e 型 本文采用的1 1 0 0 r 2 0 型轮胎二维结构断面图如图3 2 所示。在建立轮胎结构空间 计算模型时，先建立平面的轮胎1 理模型，利用平面的1 ，2 模型生成三维轮胎1 2 空问 模型( 如图3 3 新示) 。在建立平面的l ，2 模型时，利用了h y p e r m e s h 强大的前处理功 能，即在h y p e r m e s h 中划分有限元网格，然后转换成a b a q u s 命令行文件( i n p 格式 文件) 。有限元弼格划分是轮胎结擒有限元计算的难点之一，因为要用尽可能少的单元 数量来模拟复杂的轮胎几何形状和材料分布特性因此必须简化轮胎几何形状的一些细 节部分还要根据轮胎材料分布图对复杂的材料界面季乍必要的简化。虽然胎面花纹对接 地压力和胎冠应力计算结果影响显著，但由于a b a q u s 模拟轮胎的滚动计算时要求结 构的几何形态严格满足旋转对称性条件，它限制了对胎面横向花纹的模拟，因此本文的 轮胎模型只考虑了主要的纵向花纹。 圈艳眙整模垂 在三维轮胎l ，2 空间模型的基础上，采用a b a q u $ 提供的s y m m e t r i cm o d e l g e n e r a t i o n 功能，生成整轮胎空间模型( 如圜3 所承) 。 k 立大学碰士学位论文 3 2 2 路面表面构造有限元模型 将水泥混凝土路面材料模拟为线弹性材料，水泥混凝土路面的弹性模量为3 0 g p a ， 泊松比为o 1 5 ，密度为2 4 0 0 衄m 3 ，水泥路面尺寸长5 0 c m ，宽4 0 c m ，高度为2 5 c m 。 水泥混凝土路面有限元模拟的表面构造形式为刻槽。如图3 5 所示： 圈3 5 水泥路面表面刻檀有限元模型 最后通过a b a q u $ 的a s s e m b l y 功能将轮胎整模型与水泥路面模型装配在一起 如3 6 图所示。 圈3 6 辖胎与路面有限元模墅 323 接触算法 有限元程序a b a q u s q o 的a b a q u s e x p l i c i t 分析模块，可以解决较短的和瞬间动态 问题【2 8 1 ，特别是通过一个显式动态有限模拟来改变接触条件的非线性问题，显式分析的 优点在于更方便地建立接触条件，应用中心差分法对运动方程进行显式的时间积分，利 用上一个增量步的动力学条件计算下一个增量步的动力学条件，并且每一个增量步计算 。 第三章轮胎一水泥混凝土路面接触有限元分析 成本低，大大降低了计算机的计算时间，因此采用本文应用a b a q u s e x p l i c i t 显式动 态分析对轮胎与路面之间的相互作用过程进行分析。 轮胎与路面的接触存在轮胎的边界条件非线性【3 2 1 ，从力学分析角度看，接触时边界 条件高度非线性的复杂问题，轮胎与地面接触问题属于带约束条件的泛函极值问题，最 常用的方法有拉格朗日乘子法、罚函数法以及基于求解器的直接约束法。 拉格朗日乘子法是通过拉格朗日乘子施加接触体必须满足的非穿透约束条件的带 约束极值问题的描述方法，这种方法是把约束条件加在一个系统中最完美的数学描述。 该方法增加了系统变量的数目，并且使系统矩阵的主对角线元素为零。这就需要在数值 方案的贯彻中处理非正定系统，数学上将发生困难，需要实施额外的操作才能保证计算 精度，从而使得计算费用增加。另外由于拉格朗日乘子与质量无关，导致这种由拉格朗 日描述的接触算法不能用于显式动力碰撞问题的分析3 3 1 。 罚函数法是一种施加接触约束的数值方法，其原理如下：每一时步先检查各从节点 是否穿过主接触面，没有穿透则对该从节点不做任何处理；如果穿透，则在该从节点和 被穿透主表面之间引入一个较大的界面接触力矢量f ，其大小与穿透深度、主片刚度成 正比，称为罚函数值，即： 只= 一d k f ( 3 4 ) 式中：n ，为接触点处主片s 的外法线单位矢量；t 为主片墨的刚度，可按下式计算： 后；：翌丛( 3 5 ) k 式中：，广接触刚度比例系数； 后一主片s i 所在单元的体积模量； k 一主片s 所在单元的体积； 4 一主片s 。所在单元的主片面积。 用罚函数法的优点是在数值上实施比较容易，在显式动力学分析中被广泛应用。 直接约束法处理接触问题是追踪物体的运动轨迹，一旦探测出发生接触，便将接触 所需要的运动约束( 即法向无相对运动，切向可以滑动) 和节点力( 法向压力和切向摩 擦力) 作为边界条件直接施加在产生接触的节点上，该方法不增加系统的自由度数目， 但由于接触关系的变化会增加系统矩阵的带宽。 2 4 拄立大学碗士学位论文 3 _ 3 轮胎与水泥混凝土路面摩擦接触状况的有限元分析 轮胎是汽车与路面发生相互作用的唯一直接接触部分，轮胎接地性能的好坏直接影 响汽车的行驶安全性，同时由于轮胎接地压力对水泥混凝土路面表面宏观构造的破坏， 会影响水泥混凝土路面的使用性能，因此对轮胎与路面之间的接触部分进行分析尤为重 要。 3 31 静载作用下接触分析 为了验证模型的正确性，进行轮胎在垂直荷载作用下的下沉量计算，并与经验公式 相对比。 轮胎在胎压及荷载的作用下，产生的变形见图3 7 ，根据经验公式】，计算轮胎在 3 0 0 0 n 的负荷作用下，下沉量大约为1 7 r i l i n ，而有限元分析的结果为1 4 m m ，相差1 76 ， 还计算了该轮胎在的2 0 0 0 n 、2 5 0 0 n 、3 0 0 0 n 、3 5 0 0 n 以及4 0 0 0 n 荷载作用下的轮胎下 沉量，见图38 ，虽然结果有一定的差距，但是发展趋势基本一致，表明用该有限元模 型来模拟实际轮胎结构是可行的。 ：目 ! _ 1 5 f - 1 0 5 圈3 7 轮胎下# d t 变形图 乡多缫瓣 圈3 8 轴胎下沉量对比圈 2 5 第! 章轮胎一水泥* 凝十路接触有限r 分析 由图37 也可看出，轮胎与地面接触后，变形主要发生在胎侧部位。轮胎的胎侧受 到来自地面的垂直载荷，发生了较大的变形，在轮胎在和刚性目标面发生接触的过程中， 轮胎胎体在内压作用下和刚性目标面垂直压入的双重作用下直径趋于增大，并且胎侧为 比较柔软的帘布层，刚性较小，则在接触过程中胎侧尺寸有所增加，向外侧膨胀。胎侧 中部鼓出最为明显，向胎肩部位逐渐过渡，变形逐渐减小。 3 32 行车荷载 2 0 0 0 n3 0 0 0 n4 0 0 0 n 圈3 9 不同荷载作用f 轮胎接地印记 轮胎性能优劣主要是通过与路面接触体现出来的，接触区域承担了加速、拐弯、刹 车等各种条件下轮胎与蹄面问的载荷传递与转换，因而研究轮胎与路面的相互作用力具 有重要的意义。罔3 9 y o 轮胎与路面接触后的接地印迹，由图可以看出垂直荷载越大。轮 胎与路面间的实际接触面积就越大，接触形状由椭圆形逐渐的变为矩形。 图31 0 毂向摩擦力分布囤 由轮胎滚动时的纵向摩擦力分布图( 图31 0 ) 也可以看出，轮胎在滚动的过程中， 纵向摩擦力的最大值出现在轮胎前进方向的前部，上土由于刻槽的作，整个接触面积内 长宣火学硕学位论立 第三章轮胎一水泥混凝土路面接触有限元分析 压应力逐渐减小。随着刚性目标面的压入，接触区域和接地压应力会由小逐渐增大，由 于路面的宏观构造为刻