輪胎負(fù)荷及胎壓對路面受力的影響

輪胎負(fù)荷及胎壓對路面受力的影響

傳統(tǒng)的路面力學(xué)采用多層彈性理論，假設(shè)車輪對路面的垂直影響是圓形的。然而實際輪胎作用于路面的形狀及垂直應(yīng)力相當(dāng)復(fù)雜,并非圓形均布所能簡單描述的。大量的文獻(xiàn)資料及其試驗結(jié)果顯示,輪胎作用于路面的形狀更接近于矩形,且隨載荷的增加,矩形形狀越明顯。同時,作用面內(nèi)的垂直作用力的大小也隨荷載的增減而發(fā)生變化,呈明顯的非均勻分布。輪胎作用于路面的這種不規(guī)則、不均勻性對路面的力學(xué)影響會有很大的差異。1胎面的織物紋面折減輪胎的高寬比不同,其斷面形狀不同,接地印痕也不一樣。資料雖顯示印痕更接近矩形,但同時接地印痕與輪胎的自身變形有很大的關(guān)系,當(dāng)變形較小時,接地印痕近似為橢圓,而當(dāng)變形較大時,接地印痕中間為矩形,兩端為弧形。因此在正常胎壓下,當(dāng)車輛荷載較小時,接地形狀近似橢圓,當(dāng)載荷較大時,接地形狀近似矩形。為了簡化有限元的計算模型,本文將荷載作用面積近似為矩形。因輪胎胎面的花紋存在,使得實際的有效接地面積比印痕內(nèi)的總接地面積小,存在一個折減量。一般認(rèn)為,對公路輪胎,縱溝型花紋折減量為75%～80%,橫溝型花紋折減量為70%75%。本文在進(jìn)行力學(xué)分析計算時,分別考慮了作用面積的不折減與折減兩種情況,并將其反映到接地長度或?qū)挾壬?。輕型貨車胎面花紋一般為縱向花紋,中、重型車胎面花紋一般為橫向花紋。故對輕型貨車,考慮接地寬度的折減,而對中型貨車考慮接地長度的折減。本文折減量均取75%,進(jìn)行折減時輪胎的整個作用面尺寸是不變的,且為了便于有限元計算時單元的劃分,將折減形式簡化為如圖1所示(陰影部分表示荷載作用位置),其中(a)為輕型貨車的荷載作用面積的折減,(b)為中、重型貨車的荷載作用面積的折減。2輪載作用于路面的不同分布形式國內(nèi)外有文獻(xiàn)資料對一些型號的輪胎進(jìn)行了自由滾動狀態(tài)下印痕內(nèi)的垂直應(yīng)力分布的測試實驗,從中可以得出一些輪胎作用于路面的應(yīng)力分布的近似規(guī)律:輪胎在額定負(fù)荷及胎壓時,作用面內(nèi)的豎向力在胎面寬度及長度方向變化不太明顯,兩個方向都近似均勻分布;在超荷情形下,胎壓不變時,或在胎壓不足,荷載一定時,作用面內(nèi)的豎向力在胎面寬度方向的分布情況發(fā)生改變,基本的變化趨勢是在胎冠中心,隨載荷增加,作用力變化趨勢不太明顯,而在兩側(cè)胎肩處,作用力卻逐漸增加,呈現(xiàn)出較明顯的凹形;但在長度方向作用力的變化趨勢相對平穩(wěn);在低荷載情形下,胎壓不變時,或在胎壓過量,荷載相對較小時,作用面內(nèi)的豎向力在輪胎寬度方向卻是在胎冠中心,其大小比胎肩處要高,呈現(xiàn)明顯的凸形;而在長度方向,力的分布也有不均勻變化的趨勢。輪胎作用于路面的壓力分布在不同負(fù)荷、不同胎壓時是各不相同的。本文的主要目的是為了分析不同車輛在各自一定負(fù)荷(額定載荷)時,在輪載作用力的不同分布形式下瀝青路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng),從而了解輪載的不同分布對路面結(jié)構(gòu)的影響究竟有何區(qū)別。因此只考慮了荷載作用力分布形式的變化,而整個作用面內(nèi)的作用量大小即車輛載荷是不變的。為了便于計算,本文將輪載作用于路面的壓應(yīng)力分布形式進(jìn)行了一些必要的簡化。如圖2所示,(a)、(b)、(c)分別為作用壓應(yīng)力在輪胎寬度方向分均布、凹型、凸型3種形式,對凸、凹型分布,其P值、0.75P值、0.5P值的分別占分布寬度的B/3,且對稱于輪胎的寬度中心,在行車方向作用力的大小是均勻不變的。當(dāng)考慮接地寬度的折減時非均勻分布的輪載作用力仍保持沿輪胎中心線的對稱。3計算車輛結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇3.1解放ca10b及黃河j150為了使所得的結(jié)果具有對比性,本文擬選取北京BJ130輕型貨車、后軸重不同的解放CA10B及黃河JN150中、重型貨車進(jìn)行計算。各車型的相關(guān)指標(biāo)見表1。3.2計算與路面結(jié)構(gòu)的計算路面結(jié)構(gòu)采用6層結(jié)構(gòu)體系,各層的材料性能指標(biāo)及厚度如圖3所示。3.3層間應(yīng)力分析根據(jù)上面的計算數(shù)據(jù),可以進(jìn)行三維有限元的分析。分析軟件采用通用的有限元計算程序。計算模型如圖4所示。依據(jù)垂直應(yīng)力及接地尺寸的特性,分析范圍X、Y、Z向各為2.5m,2.5m,4.0m(對BJ130輕型貨車,Z為6.0m),計算采用8結(jié)點等參元。邊界條件假設(shè)為:底面上沒有Z方向位移,左右兩面沒有X方向位移,前后兩側(cè)沒有Y方向位移,層間完全連續(xù)。計算取最大彎沉值、輪隙中心彎沉值、整個路面的最大剪應(yīng)力峰值及各層底拉應(yīng)力值進(jìn)行分析。為了便于比較,同時計算了各車型在額定荷載作用下輪隙彎沉及最大彎沉的理論解。4最大剪應(yīng)力峰值的分析將各種車型及相應(yīng)的計算參數(shù)輸入通用的程序進(jìn)行計算。各計算值列于表3,為了直觀,將黃河車荷載的各種分布作用下,Z=-13.33mm層面的最大剪應(yīng)力分布三維圖示于圖5,其平面位置取一個車輪的荷載作用范圍。從表3的計算數(shù)據(jù)和圖5可以看出如下一些規(guī)律。(1)對相同軸載,無論荷載作用面積的折減與否或分布形式如何,對最大彎沉及輪隙彎沉值的影響均不明顯。(2)路面結(jié)構(gòu)的最大剪應(yīng)力峰值隨著輪載作用力分布形式的不同而有很大的差別。從表中可看出,對相同車型和荷載作用面積,均勻分布時最大剪應(yīng)力峰值最小,而非均勻分布時,不管是凸型分布還是凹型分布,最大剪應(yīng)力峰值要明顯比均勻分布增大(如黃河車型凸型分布比均勻分布的增幅達(dá)32.3%),且隨著軸重的增加其變化幅度越明顯。峰值作用位置均出現(xiàn)在上面層,但對相同車型其位置隨著荷載分布不同會在深度和水平面上有所改變。(3)最大剪應(yīng)力峰值隨著荷載作用面積的折減也有很大的提高。如表中所列黃河車型,均勻分布時面積折減時的值要比不折減時增加48.0%,且同樣隨著軸重的增加變化幅度也更明顯。峰值的作用位置也會隨著面積的折減在深度和水平面上有所改變。(4)當(dāng)荷載作用面積不折減時,輕型貨車在作用力呈凸型分布時路面的最大剪應(yīng)力峰值(0.18268MPa),要比中型解放貨車作用力均勻分布時的最大剪應(yīng)力峰值(0.16549MPa)還要大;當(dāng)荷載作用面積折減時,輕型貨車在作用力呈凹型分布時路面的最大剪應(yīng)力峰值(0.22327MPa),與中型解放貨車作用力均布時對路面的最大剪應(yīng)力峰值(0.23617MPa)相比相差也不大,這說明輕型貨車對路面結(jié)構(gòu)的影響不可低估。(5)從圖5中可以看出,當(dāng)考慮車輪荷載作用面積的折減時,Z=-0.04m平面位置上的最大剪應(yīng)力對比同樣荷載分布情形下荷載作用面積不折減時的最大剪應(yīng)力值,除了峰值有明顯增大外,其分布也更加不均勻;同時,對相同荷載作用面積,作用力的分布形式不一樣時,各自的分布規(guī)律也明顯不同。(6)層底的最大拉壓應(yīng)力,對同一車型,一方面,隨著深度的加深其量值變化越小,這也是符合圣維南原理的;另一方面,荷載的分布形式及面積的折減與否,對其量值的影響并不明顯,且其中σx的位置比較穩(wěn)定而σy的位置相對有所變化。5路面受拉壓的影響(1)車輛輪胎負(fù)荷反映到路面從接地形狀上更接近于矩形,而且其量值的分布更是呈現(xiàn)出非均勻特性。本文所模擬的分布形式雖然也只是一種近似,但它比圓形均布應(yīng)該更合理;不同類型的車輛輪胎的大小、尺寸是各不相同,本文基本上考慮了各車型的實際輪胎尺寸;同時車輛輪胎也因花紋的存在而對路面的作用面積有一個折減量,因此進(jìn)行計算時也有必要進(jìn)行考慮。(2)荷載的分布形式對路面結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力的分布具有顯著的影響,尤其對面層的受力具有顯著的影響。(3)我國公路超載現(xiàn)象十分嚴(yán)重,當(dāng)輪胎胎壓為標(biāo)準(zhǔn)胎壓時,超載的存在會使得輪載作用力呈現(xiàn)出凹型分布,且超載量越大凹型特性越明顯。實際上本文只考慮輪胎負(fù)荷為額定荷載時的情形,如果考慮超載時荷載的增加量,雖然此時輪胎作用面積會有少許的變化,但最大剪應(yīng)力峰值等力學(xué)響應(yīng)值的增加量應(yīng)該是更加明顯的。因此車輛實際輪載特別是超載時輪載作用力的分布形式及量值大小對路面結(jié)構(gòu)的受剪特性影響是有