轮胎滑水的影响因素研究

张彦鹏，田国红，韩忠浩，阴春晔，苏柏宇

（辽宁工业大学汽车与交通工程学院，辽宁 锦州 121001）

引言

道路环境是影响车辆行驶安全性的重要因素之一，轮胎与路面间的研究显得非常重要。据统计，2017 年汽车交通事故发生139412 起（来源于国家统计局），其中大约有27883起发生在雨天，并且研究发现车辆发生事故的主要原因是由于降雨使轮胎与路面间摩擦系数减小而发生侧滑造成的[1]。在降雨天影响轮胎与路面间摩擦系数的因素有很多，比如轮胎花纹、轮胎花纹深度、轮胎宽度、轮胎胎压、路面材料、路面坡度、路面坡长、降雨强度等。

1 国外对影响轮胎滑水因素的研究

NASA Langley 于20 世纪60 年代后期进行了汽车轮胎滑水实验[2]，认为滑水主要受轮胎胎压的影响。A.W.Gilbert 等对滑水实验数据进行研究，发现轮胎花纹深度、路面粗糙度与轮胎胎压均与轮胎滑水速度成正比，轮胎负载对滑水速度影响较小。B.Wies 等通过实验认为花纹类型、花纹结构和排列方式对轮胎滑水速度产生影响，并且通过实验表明花纹沟槽越大，轮胎排水性能越好，可改善轮胎滑水性能。1973 年美国史蒂文森理工学院Gilbert 等通过一系列试验系统分析了轮胎花纹深度、路面粗糙度、轮胎胎压和载重对轮胎滑水性能的影响，结果表明花纹深度、路面粗糙度和胎压对滑水性能成正相关，载重对滑水影响甚微。德国大陆轮胎公司Wies 对不同轮胎花纹对滑水性影响做了分析，所得结论如图1 所示[3]。Groggier H 于20 世纪90 年代运用数学建模分析滑水情况，研究发现临界滑水速度、周边压力场的分布、静态光面和纵向花纹轮胎之间的关系[4]。El-Sayegh，Zeinab 等人于2017 年采用光滑粒子流体的动力学（SPH）方法和默纳汉状态方程对水进行建模，研究445/50R22.5 轮胎在干湿路面的滚动和滑动情况，并且研究了胎压、载荷、速度、水膜厚度对滚动阻力和滑水的影响。日本横滨轮胎公司的Okano[5]等人提出了瞬态滑水速度，利用此方法比较了不同轮胎花纹结构对轮胎滑水的影响，证明纵横沟越大，抗滑水性能越好。

2 国内对影响轮胎滑水因素的研究

国内对轮胎滑水研究较国外晚大约半世纪，2004 年，东南大学季天剑等对路面因素考虑了坡度、坡度长度、路面粗糙度、以及路面水膜厚度对轮胎滑水的影响，轮胎本身假设通过花纹沟槽的水能以原有速度排除，不发生动能损失，花纹沟槽中的水分不产生动水压力[6]。2009 年，臧孟炎[7]等人运用有限元分析了轮胎花纹沟槽对滑水的影响。2010 年，赵珍辉[8]运用有限元研究了轮胎横向花纹对轮胎滑水的影响，表明花纹沟槽宽度越大，轮胎排水越及时，湿滑路面轮胎抗滑性能也越好。2011 年，重庆交通大学的董斌等[9]采用FLUENT 软件研究得出了水膜厚度、动水压力、轮胎花纹和滑水速度间的关系。2017 年，周海超[10]等人的研究了不同积水深度对滑水速度的影响，表明积水越少，对轮胎滑水的影响越小。

3 小结与展望

考虑到轮胎的材料非线性、几何非线性、橡胶帘线复合材料的各向异性、橡胶材料的不可压缩性和湿滑路面轮胎滑水的“流固耦合”问题等复杂状况，使得轮胎滑水研究变得异常艰难，轮胎滑水研究是好几门学科的综合。目前国内、外对湿滑路面轮胎滑水的研究主要集中在现场试验和计算机仿真两种方法上，室内现场试验对试验场地，测试装备，测 试人员要求较高，试验操作具有不可重复性，并且受滑水瞬间难以判断等因素的制约，同时水膜厚度测试目前也没较为准确的模型，因此成本高，误差大。计算机仿真是当前主流的研究方法，试验操作具有可重复性，但建立的模型都做了一定程度的简化，与实车情况差别甚远。未来可以尝试：（1）充分考虑轮胎和水膜间的流固耦合；（2）建立轮胎模型时考虑其完整性和复杂度等；（3）仿真过程中考虑模型对整车的影响。