轴载、轮胎气压与轮胎平均接地压应力之间的关系

张巨功

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

0 引言

沥青路面的路用性能受外部条件如车辆荷载、轮胎气压的影响很大，高温下沥青混合料的车辙变形随车辆荷载、轮胎气压的增加而快速增加，最终导致沥青混合料无法抵挡表面压应力的作用而产生永久变形[1-2]。随着车辆的大型化和载重能力的不断增加，汽车的轮胎充气压力也在不断增加，额定载重150 kN的货车实际载重达380 kN，轮胎的充气压力可达1.0～1.1 MPa左右[3-4]，而对于不同轮胎充气压力时，同类型同载重的汽车对路面压应力有所不同。一般认为，轮胎作用于地面为椭圆分布,但部分文献认为[5]，轮胎作用于路面的接地形状在荷载的增加过程中很大程度上趋近为矩形，并越来越明显。

本文在常温下，选用双轮单后轴货车，进行不同轮胎充气压力、不同轴载下测试实际轮胎接地压应力。轮胎气压分别为 0.6 MPa、0.7 MPa、0.9 MPa、1.1 MPa、1.3 MPa，轴载选择 110 kN、120 kN、130 kN、140 kN、150 kN，分析轴载、轮胎气压与路面压应力之间的关系。

1 轮胎接地面积

本文对双轮单后轴货车的后轴所有轮胎改变气压、轴载进行试验，后轴每个轮胎气压选用气压表放气的方式设定到设计气压，并保证后轴各轮胎的气压相同，荷载通过装载土的方式逐级增加。轮胎接地面积选后轴所有轮胎接地面积，采用毫米网格复写纸放入货车所有后轮胎下测试相加而得。

从不同轴载、不同气压的轮胎印来看，在一定气压下，随轴载的增加，复写纸上的胎印越来越清淅，表明对路面的压力明显增加；轮胎印的宽度没发生变化，而轮胎印的长度发生了增加，表明轮胎随轴载的增加，轮胎接地面积增加；胎印中间印迹比外围明显，表明轮压为中间大两边小的非均匀分布；轴载增加过程中，插于放气孔中的气压表气压几乎没有变化，表明轴载的变化对胎内气压影响微弱。

2 轮胎平均接地压应力

通过对不同轮胎气压、轴载的轮胎平均接地压应力测试，计算得不同轴载和轮胎气压时的实际接地面积，进而计算轮胎平均接地压应力，计算结果见表1，关系图见图1、图2。从表1可知，轮胎气压不变，随轴载的增加，轮胎平均接地面积增加，平均接地压应力也增加，表明轮胎接地面积的增加影响量不能抵消轴载的增加影响量。荷载不变，随着轮胎气压的升高，轮胎平均接地压应力升高。

图1 平均接地压应力与轴向荷载之间的关系

表1 轮胎气压、轴载、轮胎平均接地压应力之间的关系

图2 平均接地压应力与轮胎气压之间的关系

从图1、图2可以看出，平均接地压应力与轴向荷载、轮胎气压之间呈很好的线性关系，线性相关系数都达到0.98以上。轴向荷载与轮胎气压都影响平均接地压应力，且轮胎气压对平均接地压应力的影响不可忽略。

3 轮胎平均接地压应力三维曲面回归

通过对平均接地压应力与轴向荷载、轮胎气压之间的相关性分析，平均接地压应力与其他两个指标之间都呈很好的线性关系，所以在三维空间中应成很好的平面关系。运用SPSS软件[5]对平均接地压应力与轴向荷载、轮胎气压进行三维回归，回归方程如式（1），曲面图见图3。

Z=0.114+0.549x+0.003 13y R2=0.986，（1）式中：Z表示轮胎平均接地压应力，MPa；x表示轮胎充气压力，MPa；y表示标准单后轴轴向荷载，kN。

从式（1）可以看出，轴载不变时，轮胎气压每升高1 MPa，轮胎平均接地压应力升高约0.5 MPa;轴载每增加1 t，轮胎平均接地压应力增加0.03 MPa。轮胎气压从0.7 MPa升高到1.3 MPa时，轮胎平均接地压应力升高到约 3 MPa，轴载从 10 t增加到15 t时，轮胎平均接地压应力增加0.15 MPa。

图3 平均接地压应力与轴向荷载、轮胎气压之间的关系

车辆驾驶员为了节约燃油，提高轮胎气压以减少轮胎接地面积过大对车辆的阻力。从图3可以看出，提高轮胎气压后，势必引起平均接地压应力的升高，对路面的损害与超载无异。

4 结语

a）随轴载的增加，轮胎接地面积呈中间大两边小的非均匀分布，并随轴载的增加，轮印逐渐趋于矩形。

b）轮胎气压不变，随轴载的增加，轮胎平均接地面积增加，平均接地压应力也增加。表明，轮胎接地面积的增加影响量不能抵消轴载增加的增加量。

c）轴载不变，随轮胎气压升高，轮胎平均接地压应力升高。

d）平均接地压应力与轴向荷载、轮胎气压之间呈很好的线性关系。

e）轴载不变时，轮胎气压每升高1 MPa，轮胎平均接地压应力升高约0.5 MPa；轴载每增加1 t，轮胎平均接地压应力增加0.03 MPa。轮胎气压对轮胎平均接地压应力的影响不可小视。

f）目前超限治理中，只注重了载重汽车的总重，而没有注意轮胎气压超压使路面平均接地压应力严重超出0.7 MPa的设计标准。建议路政部门增加轮胎气压的检测或设计单位路面设计时提高沥青路面轮胎平均接地压应力标准。