南京市公安局交通管理局車輛管理所 黃筼先

制動檢驗時輪胎剝傷現(xiàn)象探源及其對策（一）

南京市公安局交通管理局車輛管理所 黃筼先

筆者在參加機動車安檢機構(gòu)監(jiān)督檢查時，與機構(gòu)相關(guān)人員座談交流過程中，聽到有關(guān)滾筒反力式汽車制動檢驗臺檢驗制動時，偶有輪胎剝傷現(xiàn)象發(fā)生的反饋信息。后經(jīng)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)在制動檢驗過程中出現(xiàn)輪胎剝傷現(xiàn)象（俗稱“扒胎”）的情況并非個案，其他機動車檢驗機構(gòu)也偶有此類現(xiàn)象發(fā)生。因此筆者決定探究制動檢驗時輪胎剝傷現(xiàn)象的原因及其對策，以供廣大從業(yè)人員參考。

經(jīng)過調(diào)查統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，發(fā)生“扒胎”現(xiàn)象的車輛主要以大車居多，客車和校車所占比例也比較大，且后軸居多。下面筆者從檢驗設(shè)備、輪胎和車輛、操作與規(guī)范、環(huán)境與氣候等4個方面，對“扒胎”現(xiàn)象的原因進行分析。

1 檢驗設(shè)備

檢驗機構(gòu)常用的檢測車輛制動性能的設(shè)備是滾筒反力式汽車制動檢驗臺。

1.1 滾筒反力式汽車制動檢驗臺受力分析

在進行制動性能檢驗時，滾筒反力式汽車制動檢驗臺的受力情況如圖1所示。行車制動器開始制動時，在F1和F2的推動下，車輪有沿后滾筒向上爬升的運動趨勢。在制動力增加到使車輪抱死，車輪即將離開前滾筒的瞬間，前滾筒上N1=0，F(xiàn)1=0。此時可列出下列關(guān)系式：

聯(lián)解上式可得：

另外，從圖3中可得：

圖1 滾筒反力式汽車制動檢驗臺受力分析

式中ψ——車輪與滾筒間的附著系數(shù)；L——前滾筒與后滾筒之間的中心距；h——前后滾筒高度差；α——車輪、前滾筒中心連線與重力方向夾角；R——車輪滾動半徑；r——滾筒半徑。

在此種情況下，由式（2）可知，在一定范圍內(nèi)，當θ增大時，車輪與滾筒間的附著系數(shù)ψ也隨之增大。因為tan（2θα）≤1（因?qū)嶋H附著系數(shù)范圍為0～1），即2θ-α≤45°，按照《汽車底盤測功機》（JT/T 445—2008）的規(guī)定，其推薦安置角為31.5°，則31.5°≤2θ-α≤45°所以當安置角θ在一定范圍內(nèi)增大，ψ也增大；但當安置角θ超出一定范圍時，ψ不會再增大。由式（3）可知，加大中心距L可使安置角θ增大。但在實際情況下，不可能僅依靠加大中心距L來得到較大的附著系數(shù)ψ。

實際上，滾筒與車輪之間的接觸面積小于地面與車輪之間的接觸面積，因此，車輪對滾筒表面的壓強（壓力與接觸面積的比值）比車輪對地面的壓強大。接觸面壓強在一定限度內(nèi)增大有助于附著力的增大，但是當壓強一旦增大到滾筒凹凸不平表面上的每一處微“凹坑”都被橡膠緊緊地“塞滿”，車輪與滾筒之間形成了全面的“鑲嵌”時，再增加壓強就徒勞無益了。這時只有增加滾筒的直徑，增大接觸面積（接觸面積增大就存在更多的“凹坑”），就能夠有效增加附著力。

由式（3）可知，滾筒中心距L、h確定后，安置角θ與車輪滾動半徑R有關(guān)，R增大時θ減小，致使附著力F2減小。因此，用同一制動臺測試大車和小車，其測試結(jié)果是有偏差的。由式（3）還可知，當滾筒半徑r取較大值時，不同半徑車輪的安置角θ的變化范圍小。也就是說，大直徑滾筒制動臺測試大車和小車，其測試結(jié)果的偏差比小直徑滾筒的制動臺的測試結(jié)果小。

采用大直徑的滾筒雖然會加大制動臺的電動機和減速器的功率，但卻能大大改善車輪的受力狀態(tài)，提高制動臺的測試性能。因此，建議制動臺采用大直徑滾筒（Ф≥200 mm）的方案。

1.2 制動時車輪后移的影響

根據(jù)《機動車安全技術(shù)檢驗項目和方法》（GB21861—2014）中C1.1.c的規(guī)定，從動、主動滾筒中心距為460 mm，從動滾筒上母線與地面水平面的高度差+40 mm，即從動滾筒高出地平面一些；主動滾筒與從動滾筒的水平高度差為+30 mm，即主動滾筒高出從動滾筒一些。按照宣貫材料解釋，其目的是使受測車輪的周緣最低點與地面相切，確保參檢車的各個車輪處在同一平面上。主動滾筒抬高，使得受測車輪后移時不易翻越滾筒。同時也使受測車輪越發(fā)壓向主動滾筒，增大了接觸壓強。

1.3 輪胎與滾筒的接觸印痕

制動檢驗時，受測車輪與滾筒接觸印痕區(qū)與道路行駛時截然不同。寬度方向上略窄于胎冠寬度；長度方向上因車型不同 （輪胎氣壓正常情況下，小型車約20 mm～40 mm；大型車約35 mm～60 mm。大型車在平板式制動臺上的接地印痕長在200 mm以上）。對于大型客車和重型商用混凝土攪拌車來說，盡管空載，軸荷也相當大，這就造成受檢車輪與滾筒接觸印痕區(qū)內(nèi)壓強較大的不利條件。下面，來看2個案例。

案例1 海格K L Q 3 1 2 2客車

海格KLQ3122客車的整備質(zhì)量為13 990 kg，制動數(shù)據(jù)如表1所列。以海格 KLQ6122型客車為例計算結(jié)果如下：

已知：印痕區(qū)長 6 cm，雙胎冠寬 20×2=40 cm，因為tan（2θ-α）≤1（因?qū)嶋H附著系數(shù)在0～1之間），即2θ-α≤45°，按照《汽車底盤測功機》（JT/T 445—2008）規(guī)定，其推薦安置角為31.5°，則31.5°≤2θ-α≤45°，取ψ=0.7。

設(shè)：接地印痕區(qū)面積為 A：

A = 6 cm × 40 cm = 240 cm2。

接觸印痕區(qū)正壓力N2∶

N2= W/[cos（2θ-α）+ψsin（2θ-α）]。

當31.5°≤2θ-α時，

N2≥11 482.74 kg；

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當2θ-α≤45°時，

N2≤11 638.28 kg。

壓強為 P∶

P =接觸印痕區(qū)正壓力/接觸印痕區(qū)面積。

當31.5°≤2θ-α，N2≥11 482.74 kg時，

P≥47.84 kg/cm2；

當2θ-α≤45°，N2≤11 638.28 kg時，

宇通 ZK6109DX51型客車的整備質(zhì)量為9 850 kg，以宇通 ZK6109DX51型客車為例計算結(jié)果如下：

已知：印痕區(qū)長5.5 cm，胎冠寬 18×2=36 cm，因為tan（2θ-α）≤1（因?qū)嶋H附著系數(shù)在0～1之間），即2θ-α≤45°，按照《汽車底盤測功機》（JT/T 445—2008）規(guī)定，其推薦安置角為31.5°，則31.5°≤2θ-α≤45°，取ψ=0.7。

設(shè)：接觸印痕區(qū)面積為 A：

A = 5.5 cm × 36 cm = 198 cm2。

接觸印痕區(qū)正壓力為N2：

N2= W/[cos（2θ-α）+ψsin（2θ-α）]。

當31.5°≤2θ-α時，

N2≥8 084.70 kg；

當2θ-α≤45°時，

N2≤8 194.20 kg。

壓強為P∶

P =接觸印痕區(qū)正壓力/接觸印痕區(qū)面積。

當31.5°≥2θ-α，N2≥8 084.70 kg時，

P≥40.83 kg/cm2；

當2θ-α≤45°，N2≤8 194.20 kg時，

P≤41.38 kg/cm2。

由以上兩個例子可以看出，接地印痕區(qū)輪胎與滾筒接觸壓強已經(jīng)達到了工業(yè)上的中壓級別（液壓傳動中將壓力分五級：低壓為0 MPa～2.5 MPa；中壓為2.5 MPa～8 MPa；中高壓為8 MPa～16 MPa；高壓為16 MPa～32 MPa；大于32 MPa為超高壓）。舉升式加載制動臺液壓系統(tǒng)工作壓力滿載時約36 kg/cm2，而兩個案例中的壓強比這還要多出不少，可見滾筒臺對輪胎的作用力的強度。

表1 海格KLQ3122客車制動數(shù)據(jù)

1.4 后輪制動檢測時的受力分析

對后輪進行制動檢測時的受力分析，后輪的受力情況如圖2所示。根據(jù)試驗觀察，在踩下制動踏板后，經(jīng)過短暫時間，前、后車輪之間的軸距微微發(fā)生變化，后軸后移。實際上，這是由于受力后輪胎、車身、懸架等總成的彈性、間隙積累造成的縱向拉伸形變，使得受測車軸向后移動。隨即，受測車輪離開從動滾筒，全部壓向主動滾筒。

選取坐標系如圖2所示。接觸印痕區(qū)可視作由有限多個形變微單元組成，形變微單元所受到的切向力集合形成圖中藍色粗線，代表滾筒切向力，將其沿著坐標系的X軸和Z軸進行分解，構(gòu)成圖中藍色細線，分別代表“上抬分力”和“后拉分力”。運用“力的平移定理”將后軸荷移動到與上抬分力共線，在受測車輪處形成了Z軸方向上，軸荷與上抬分力的平衡；力平移后得到的力偶矩與行車制動器制動力矩中的一部分相互抵消。在X軸方向上，前輪施加的拉力與滾筒切向力的“后拉分力”平衡，后拉分力在車軸上的力矩與行車制動器剩余的制動力矩抵消，從而達到受力平衡和力矩平衡。

圖2 后輪制動時受力分析

1.5 形變微單元分析

把輪胎、滾筒接觸區(qū)沿輪胎周緣方向想象排列著有限多個形變微單元（圖3）。這些形變微單元，受到離開輪胎胎冠的拉力和位于車輪中心后側(cè)、向上的擠壓力雙重作用。相鄰形變微單元之間會有胎冠裂紋發(fā)生的傾向。

圖3 輪胎表面形變分析

從車輪外緣與滾筒接觸的情況來看，a～b為正常段，b～c為拉伸漸長段，c～d為壓縮段，d～e為恢復(fù)正常段。輪緣在b～c段被拉長，極有可能出現(xiàn)上述形變微單元間裂紋，或使原來已有的裂紋加深。c～d段為壓縮段，在c點處出現(xiàn)最大應(yīng)力集中點?！拜喬ヌス趧儌爆F(xiàn)象，應(yīng)該在此處初始形成“撕裂紋”但還不至于剝落，但到d點后，滾筒的切向力作用線已經(jīng)從指向輪胎內(nèi)部轉(zhuǎn)而指向輪胎外部，如果裂紋處胎冠與簾布層間結(jié)合強度不夠，就會在輪胎胎面上產(chǎn)生“剝傷”。

1.6 滾筒的粘砂與網(wǎng)格

新粘砂層的金剛砂峰角尖銳，對輪胎嵌入效應(yīng)強，附著系數(shù)明顯高于舊粘砂層。網(wǎng)格粘砂層結(jié)構(gòu)使得印痕區(qū)面積“縮水”，壓強又有所增加。同時，網(wǎng)格狀粘砂層的小溝槽使得粘砂層表面附著物易于脫落，在一定程度上有利于滾筒的自潔。壓強增大和自潔作用是此種表面結(jié)構(gòu)附著系數(shù)略高于其他的主因。研究發(fā)現(xiàn)，“輪胎剝傷”現(xiàn)象出現(xiàn)的幾率與粘砂層具有相關(guān)性，新粘砂層出現(xiàn)幾率高于舊粘砂層，有網(wǎng)格的粘砂表面出現(xiàn)幾率高于無網(wǎng)格粘砂表面。

綜上所述，接觸印痕區(qū)窄、滾筒與輪胎之間接觸壓強過大、呈反曲特征的輪胎形變，是導致輪胎損傷的主要原因。滾筒臺結(jié)構(gòu)原理上存在先天不足，主動滾筒高于從動滾筒增加了受測車輪與主動滾筒間接觸壓強，后移過程中滾筒切向力方向由內(nèi)向外變化會加重剝傷趨勢；粘砂層銳度的大小與新舊直接相關(guān)，銳度大則附著系數(shù)高，滾筒切向力大，因此新滾筒更易損傷輪胎；網(wǎng)格花紋表面壓強較非網(wǎng)格表面要略大，這會使“輪胎剝傷”現(xiàn)象發(fā)生幾率略增。

（未完待續(xù)）

2016-12-10）