轮胎负荷及胎压对路面受力的影响

轮胎负荷及胎压对路面受力的影响

传统的路面力学采用多层弹性理论，假设车轮对路面的垂直影响是圆形的。然而实际轮胎作用于路面的形状及垂直应力相当复杂,并非圆形均布所能简单描述的。大量的文献资料及其试验结果显示,轮胎作用于路面的形状更接近于矩形,且随载荷的增加,矩形形状越明显。同时,作用面内的垂直作用力的大小也随荷载的增减而发生变化,呈明显的非均匀分布。轮胎作用于路面的这种不规则、不均匀性对路面的力学影响会有很大的差异。1胎面的织物纹面折减轮胎的高宽比不同,其断面形状不同,接地印痕也不一样。资料虽显示印痕更接近矩形,但同时接地印痕与轮胎的自身变形有很大的关系,当变形较小时,接地印痕近似为椭圆,而当变形较大时,接地印痕中间为矩形,两端为弧形。因此在正常胎压下,当车辆荷载较小时,接地形状近似椭圆,当载荷较大时,接地形状近似矩形。为了简化有限元的计算模型,本文将荷载作用面积近似为矩形。因轮胎胎面的花纹存在,使得实际的有效接地面积比印痕内的总接地面积小,存在一个折减量。一般认为,对公路轮胎,纵沟型花纹折减量为75%～80%,横沟型花纹折减量为70%75%。本文在进行力学分析计算时,分别考虑了作用面积的不折减与折减两种情况,并将其反映到接地长度或宽度上。轻型货车胎面花纹一般为纵向花纹,中、重型车胎面花纹一般为横向花纹。故对轻型货车,考虑接地宽度的折减,而对中型货车考虑接地长度的折减。本文折减量均取75%,进行折减时轮胎的整个作用面尺寸是不变的,且为了便于有限元计算时单元的划分,将折减形式简化为如图1所示(阴影部分表示荷载作用位置),其中(a)为轻型货车的荷载作用面积的折减,(b)为中、重型货车的荷载作用面积的折减。2轮载作用于路面的不同分布形式国内外有文献资料对一些型号的轮胎进行了自由滚动状态下印痕内的垂直应力分布的测试实验,从中可以得出一些轮胎作用于路面的应力分布的近似规律:轮胎在额定负荷及胎压时,作用面内的竖向力在胎面宽度及长度方向变化不太明显,两个方向都近似均匀分布;在超荷情形下,胎压不变时,或在胎压不足,荷载一定时,作用面内的竖向力在胎面宽度方向的分布情况发生改变,基本的变化趋势是在胎冠中心,随载荷增加,作用力变化趋势不太明显,而在两侧胎肩处,作用力却逐渐增加,呈现出较明显的凹形;但在长度方向作用力的变化趋势相对平稳;在低荷载情形下,胎压不变时,或在胎压过量,荷载相对较小时,作用面内的竖向力在轮胎宽度方向却是在胎冠中心,其大小比胎肩处要高,呈现明显的凸形;而在长度方向,力的分布也有不均匀变化的趋势。轮胎作用于路面的压力分布在不同负荷、不同胎压时是各不相同的。本文的主要目的是为了分析不同车辆在各自一定负荷(额定载荷)时,在轮载作用力的不同分布形式下沥青路面结构的力学响应,从而了解轮载的不同分布对路面结构的影响究竟有何区别。因此只考虑了荷载作用力分布形式的变化,而整个作用面内的作用量大小即车辆载荷是不变的。为了便于计算,本文将轮载作用于路面的压应力分布形式进行了一些必要的简化。如图2所示,(a)、(b)、(c)分别为作用压应力在轮胎宽度方向分均布、凹型、凸型3种形式,对凸、凹型分布,其P值、0.75P值、0.5P值的分别占分布宽度的B/3,且对称于轮胎的宽度中心,在行车方向作用力的大小是均匀不变的。当考虑接地宽度的折减时非均匀分布的轮载作用力仍保持沿轮胎中心线的对称。3计算车辆结构参数的选择3.1解放ca10b及黄河j150为了使所得的结果具有对比性,本文拟选取北京BJ130轻型货车、后轴重不同的解放CA10B及黄河JN150中、重型货车进行计算。各车型的相关指标见表1。3.2计算与路面结构的计算路面结构采用6层结构体系,各层的材料性能指标及厚度如图3所示。3.3层间应力分析根据上面的计算数据,可以进行三维有限元的分析。分析软件采用通用的有限元计算程序。计算模型如图4所示。依据垂直应力及接地尺寸的特性,分析范围X、Y、Z向各为2.5m,2.5m,4.0m(对BJ130轻型货车,Z为6.0m),计算采用8结点等参元。边界条件假设为:底面上没有Z方向位移,左右两面没有X方向位移,前后两侧没有Y方向位移,层间完全连续。计算取最大弯沉值、轮隙中心弯沉值、整个路面的最大剪应力峰值及各层底拉应力值进行分析。为了便于比较,同时计算了各车型在额定荷载作用下轮隙弯沉及最大弯沉的理论解。4最大剪应力峰值的分析将各种车型及相应的计算参数输入通用的程序进行计算。各计算值列于表3,为了直观,将黄河车荷载的各种分布作用下,Z=-13.33mm层面的最大剪应力分布三维图示于图5,其平面位置取一个车轮的荷载作用范围。从表3的计算数据和图5可以看出如下一些规律。(1)对相同轴载,无论荷载作用面积的折减与否或分布形式如何,对最大弯沉及轮隙弯沉值的影响均不明显。(2)路面结构的最大剪应力峰值随着轮载作用力分布形式的不同而有很大的差别。从表中可看出,对相同车型和荷载作用面积,均匀分布时最大剪应力峰值最小,而非均匀分布时,不管是凸型分布还是凹型分布,最大剪应力峰值要明显比均匀分布增大(如黄河车型凸型分布比均匀分布的增幅达32.3%),且随着轴重的增加其变化幅度越明显。峰值作用位置均出现在上面层,但对相同车型其位置随着荷载分布不同会在深度和水平面上有所改变。(3)最大剪应力峰值随着荷载作用面积的折减也有很大的提高。如表中所列黄河车型,均匀分布时面积折减时的值要比不折减时增加48.0%,且同样随着轴重的增加变化幅度也更明显。峰值的作用位置也会随着面积的折减在深度和水平面上有所改变。(4)当荷载作用面积不折减时,轻型货车在作用力呈凸型分布时路面的最大剪应力峰值(0.18268MPa),要比中型解放货车作用力均匀分布时的最大剪应力峰值(0.16549MPa)还要大;当荷载作用面积折减时,轻型货车在作用力呈凹型分布时路面的最大剪应力峰值(0.22327MPa),与中型解放货车作用力均布时对路面的最大剪应力峰值(0.23617MPa)相比相差也不大,这说明轻型货车对路面结构的影响不可低估。(5)从图5中可以看出,当考虑车轮荷载作用面积的折减时,Z=-0.04m平面位置上的最大剪应力对比同样荷载分布情形下荷载作用面积不折减时的最大剪应力值,除了峰值有明显增大外,其分布也更加不均匀;同时,对相同荷载作用面积,作用力的分布形式不一样时,各自的分布规律也明显不同。(6)层底的最大拉压应力,对同一车型,一方面,随着深度的加深其量值变化越小,这也是符合圣维南原理的;另一方面,荷载的分布形式及面积的折减与否,对其量值的影响并不明显,且其中σx的位置比较稳定而σy的位置相对有所变化。5路面受拉压的影响(1)车辆轮胎负荷反映到路面从接地形状上更接近于矩形,而且其量值的分布更是呈现出非均匀特性。本文所模拟的分布形式虽然也只是一种近似,但它比圆形均布应该更合理;不同类型的车辆轮胎的大小、尺寸是各不相同,本文基本上考虑了各车型的实际轮胎尺寸;同时车辆轮胎也因花纹的存在而对路面的作用面积有一个折减量,因此进行计算时也有必要进行考虑。(2)荷载的分布形式对路面结构内应力的分布具有显著的影响,尤其对面层的受力具有显著的影响。(3)我国公路超载现象十分严重,当轮胎胎压为标准胎压时,超载的存在会使得轮载作用力呈现出凹型分布,且超载量越大凹型特性越明显。实际上本文只考虑轮胎负荷为额定荷载时的情形,如果考虑超载时荷载的增加量,虽然此时轮胎作用面积会有少许的变化,但最大剪应力峰值等力学响应值的增加量应该是更加明显的。因此车辆实际轮载特别是超载时轮载作用力的分布形式及量值大小对路面结构的受剪特性影响是有