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以柔克刚的典范,神奇的超载大卡车轮胎“高强度”之谜

时间:2022-09-29 21:51:16 | 浏览:552

超载始终是个沉重的社会话题,因为超载导致的事故时有发生。前不久的无锡312国道的桥面侧翻初步结果就是由于两辆总重约200吨的严重超载的大卡车导致的事故。如果说大卡车的车身是强度较好的金属结构,但是其轮胎却是橡胶材料。橡胶做成的轮胎都可以承受

超载始终是个沉重的社会话题,因为超载导致的事故时有发生。前不久的无锡312国道的桥面侧翻初步结果就是由于两辆总重约200吨的严重超载的大卡车导致的事故。如果说大卡车的车身是强度较好的金属结构,但是其轮胎却是橡胶材料。橡胶做成的轮胎都可以承受200吨的重量,钢筋混凝土的桥梁却无法承重,这究竟是什么原因?本文就揭开重型卡车“高强度”轮胎之谜。

1、重型卡车

卡车是一个类型的总称,包括货车、半牵挂引车等。根据货车的分类标准,总质量超过14吨即为重型载货车。显然,车身自重越大,其载重量也越大。

货车

我国《超限运输车辆行驶公路管理规定》对货车的载重有严格的规定,主要根据轴数来分类:普通的二轴货车,车货总重不超过18吨,三轴货车不超过25吨,四轴货车不超过31吨,五轴不超过43吨,六轴不超过49吨。具体如下图所示。

货车限重的说明(1)

货车限重的说明(2)

货车的轴数,如上图所示,它跟轮胎数密切相关,一根轴上有两组轮胎。所以,轴数越多,轮胎数量也就越多。

2、重型卡车的轮胎受力

以五轴货车为例,其受力图如下。整车受到自身的重力G,以及10组轮胎(两侧)处的地面支撑力。也就是说,整车的重量,最后都全部分担到轮胎上。所以,对轮胎的要求就比较高了。

货车的受力

但是,轮胎也不是刚体,个体的承受能力也不是无限大,所以就出现了多轴的货车,通过增加轴数来增加轮胎的数量,让更多的轮胎一起来分担整车的重量。实际上,单侧的轮胎也不一定就是一个,而是一组。其实,我们稍微注意下道路上的货车,就会发现有的货车同个位置有2个轮胎,这其实就是为了分担整车的总重,如下图。

同轴的一侧有两个轮胎来一起分担整车的重力

3、重型卡车轮胎的结构

重型卡车的轮胎与我们常见的自行车轮胎完全不一样,跟小汽车的轮胎类似。与自行车轮胎完全不一样,重型卡车的轮胎非常复杂,如下图。轮胎分好几层:最外层的胎冠,有花纹增加摩擦力;胎冠下面是保护层和带束层,里面含有钢网层,保护着轮胎不破裂;最内层是胎体层,主要是气密作用。在轮胎的边缘,叫做趾口的地方,内有多跟钢丝缠绕而成,增加刚性的同时,也增加强度。根据这个轮胎结构,做薄弱的部分是胎侧。

轮胎的结构

为了更详细了解轮胎的结构,我们一起来看下轮胎的剖面图(下图)。在胎冠保护层,有尼龙纤维层、横向分布刚丝层、纵向分布钢丝层。趾口附件有胎圈钢丝,耐磨胶、三角胶芯,以及外侧的胎垫。

轮胎剖面

为了让大家更直观地了解轮胎的结构,我把我家之前爆胎的小汽车轮胎解剖了下。由于工具的限制,手工解剖轮胎非常困难。利用细齿钢锯锯了2天,都没有办法锯断趾口的胎圈钢丝。后来用切割机,勉强割断了胎圈钢丝,但是利用切割机切割橡胶层非常危险。下图为解剖了一半的轮胎,从中可以明显看到胎圈钢丝。

轮胎解剖

4、轮胎的内压

轮胎出厂的时候,它的最大承载和最大胎压都已经确定了,标在轮胎上。重型卡车单个轮胎的承重约975kg-1800kg,安全胎压560kPa-770kPa(具体型号不同,数据也不同)。我家那个爆胎的小汽车轮胎,最大承载630kg,安全胎压300kPa。

轮胎的有限元模型(截面)

上图为轮胎的有限元模型,可以看到这个截面上有很多不同的颜色,代表着不同的材料。对轮胎的充气过程进行了模拟,过程如下图。首先是轮毂合拢,然后开始充气,最大应力出现在胎圈钢丝上。

轮胎充气模拟

下图为充完气之后的应力分布,最大应力仍然出现在胎圈钢丝上,由于被橡胶包裹着,无法看到,最大应力值135MPa,普通的胎圈钢丝承受极限应力可达1770MPa,高强度的更是达到2200MPa以上。胎冠保护层处的钢丝是第二大承力部件,而橡胶层则几乎不受力

轮胎的最大应力

由上可见,轮胎受内压后,主要的承力结构是胎圈钢丝,受到拉伸的作用。考虑外载车货总重之后,对于轮胎来讲,就是内压的增大。但是由于胎圈钢丝承载能力很强,只要没有到达它的极限,正常情况下轮胎可以安然无忧。

5、轮胎与桥面的作用

当超载的货车行驶在桥面上时,轮胎由于车重的作用,发生变形,轮胎底部与桥面接触面积变大。如下位移图所示,底部蓝色表示的与地面的接触。随着整车总量的增加,接触面积也会增加。

轮胎位移图

桥面铺的柏油,然后是钢筋混凝土,所以桥面的变形几乎没有,下图是夸张后的样子,接触的地方发生了凹陷。

软地面被压后的样子

高架的混凝土型号C35以上,C35的标准抗压强度23.4MPa,抗拉强度2.2MPa。200吨的重物,通过轮胎分散以后,再加上接触面积的增大,桥面受压处的压应力肯定小于23.4MPa,也就是说,纯粹的受压,通常是压不坏桥面的,如果发生事故,那么必定是拉伸破坏的形式。即:在桥墩处,由于桥面与桥墩的铰接形式,桥墩处的桥面产生拉伸应力,可以看到混凝土的抗拉性能很弱,这时候为了保证强度,就需要钢筋发挥作用了。但是,钢筋的强度也有限,大概在200-400MPa的范围,一旦这个应力超出了极限值,钢筋也会被拉断。实际上,这个时候混凝土首先已经碎裂了。

无锡高架桥面侧翻

为何超重点受力,却是桥墩处首先破坏呢?无锡312国道的破坏形式也是如此,如上图。这是因为桥墩处的链接,产生了较大的力矩。在这个力矩的作用下,混凝土首先达到拉应力的承受极限开始碎裂,然后是钢筋开始断开。

6、总结

轮胎的高强度得益于内部的刚强度钢丝,特别是趾口内的胎圈钢丝,承受了主要的载荷,而橡胶层的受力则小的多。所以,橡胶层主要起的耐磨、密封、和定型的作用。

单个的轮胎有自己的承重极限和安全气压,都已标识在轮胎的侧面,可供查看。为了增加运载量,可以通过增加轮胎数来分散掉整车的总重。

桥面与轮胎的相互作用,尽管接触面的力是作用力和反作用力完全相等,但是,无论是轮胎还是桥面,接触面的压力都没有超出其承受的极限值。桥梁的破坏,主要是由于桥面与桥梁的连接处产生较大的力矩,引起较大的拉应力,混凝土首先碎裂。

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