动水压力计算

1、滑水现象

轮胎的滑水现象，也称为滑水现象或者液面效应，是指汽车在路表覆盖有一层水膜的路面上行驶时，因轮胎与地面之间不能完全排除或无法排除路面水膜，从而出现汽车在水膜上行驶的现象。这时轮胎与路面的直接接触受到妨碍，水在这里起着润滑剂的作用，使摩擦系数减少。路面潮湿时，轮胎的接地面内只有一部分直接与路面接触，其余部分是通过水膜接触路面的。水膜介入的部分越大，摩擦系数越低。

只要路表覆盖有一定量的水膜，轮胎在水膜覆盖的路面上高速行驶时，那么由于流体的压力就会使轮胎上浮，必定存在有某种程度的不完全滑水发生。如果进一步提高车速，最终将导致轮胎与地面完全失去接触，轮胎便在路面的积水上面向前滑动。这种现象恰如滑水运动一样，卷入轮胎下面的水压力与轮胎的载荷相平衡，轮胎与路面完全失去接触。轮胎在水膜覆盖的路面上行驶，轮胎的胎面和路面之间的接触状态存在三种不同形式的接触区，分别

是：挤压膜区，覆盖区，和牵引区，共三个区[1]。参见图1-1。这三个区域的接触形式很复

杂，包含多种的摩擦与润滑类型。

轮胎前进方向

水膜

路面

图1-1轮胎与路面接触的3个分区

图1-1中的这三个区域不是固定不变的，当外界条件发生变化，接触部的区域划分也会发生变化。在一定限度内，水层越厚、车速越高，动水压力就越大，对车轮的举升力也就越大。图1-1中的A 区也随之扩大，B 区逐渐向C 区移动，C 逐渐减小。图1-2是轮胎在路面上行驶时拍摄的照片，随着速度的增加，胎面与路面的接触面积减少。当路面积水的举升力超过轮胎的负荷力足以把汽车抬起时，轮胎与路面就完全脱离接触了，而是与水膜接触的面积增大了，若这种举升力能够继续保持下去，则汽车可在水面上滑行。这种情况即为完全动力滑水。由于汽车的方向已失去控制，在水面上的滑行是飘忽不定的，故称为水漂（dynamic

hydroplaning ）。如果是在山区，车辆在这种状态下行驶，车辆会因为不受司机控制而滑向四周，而道路边缘又无交通保护设施，车辆就会翻向山谷而发生车祸。

Daughaday [2]认为：完全滑水时这三个区变为一个挤压膜区，完全在干的路面上行驶时

这三个区又变为一个牵引区。由于轮胎和路面间没有水，就缺少了水在轮胎和路面间的润滑，因此挤压膜区域轮胎与路面大致上是没有相对运动的。在紧靠挤压膜区前面的区域里，轮胎与液体之间形成一个有限的楔角，由于楔角内液体的动量变化，建立起液体的上推力，这一上推力按轮胎对路面的前进速度的平方增加，在整个接触区域里，胎面单元在接触到路面上的大多数凸体以前，一定首先在它们的过程中压挤掉余下的水膜。覆盖区是水膜破裂的区域。在潮湿态下，轮胎与路面的真正接触只发生在牵引区，如果挤压过程能在最短的时间内完成，对一确定的车速，挤压膜区就越短，如果覆盖区长度不改变，则牵引区的长度就越长，轮胎的牵引力就会越大。他认为润滑状态可以分为两大类，一类是淹没状态，一类是潮湿状态，但淹没状发生时，轮胎的胎面沟和路面的平均空穴宽度结合起来，就能在特定的路段的平均最大车速下，在轮胎和道路间的接触区之间排走足够的水量。在研究中他还发现由于路面排水不同的设计，特定路段的平均最大车速也不尽相同。随着最大速度的提高，轮胎面与路面之间由于接触时间在减小，因而其的最大摩擦系数却不断减小，并且最大速度点前后的最大

摩擦系数不会连续。潮湿状态下，路面凸体顶端的微观粗糙度起着非常重要的作用，它能把覆盖区的液膜刺破，使接触面进入牵引区。Browne对动力滑水的研究表明，滑水的主要问题是正确的入口条件的确立，但只是基于光滑表面迭行研究，没有进一步对粗糙表面如何对动力滑水的作用进行研究。

图1-2在积水中行驶的轮胎

导致发生滑水的根本原因有三条，一是道路表面状况[3]（主要针对道路表面粗糙情况），路面粗糙度对轮胎的湿牵引性能影响较大。路面越粗糙，轮胎的湿牵引性能越好。路面越光滑，轮胎的湿牵引性能越低。二是轮胎花纹的排水能力和胎面花纹对潮湿路面上胎面单元附着性能，胎面花纹[4]对胎面单元的湿附着性能的提高作用明显，在相同的外部条件下，交叉花纹在本文建立的几种花纹模型中具有最好的湿附着性能。楔角对各种花纹胎面单元的压力分布均有较大影响，外载荷对胎面单元的附着性能影响明显。由于胎面花纹的排水作用[5]，花纹对其附近部位的液体压力的拉低作用非常明显，不同花纹胎面单元的压力分布也有很大不同。滑动速度越大，胎面单元的动压效应越强，胎面单元的附着性能也越差。但在本文选取的外载荷条件下，滑动速度对潮湿路面上胎面单元的附着性能影响较小。三是天气状况。对这几方面有重大影响的因素主要是：降雨水文（包括降雨强度以及降雨历时）、轮胎、车速、路面构造、下渗率、路面坡度和坡面的排水长度。从道路的功能而言，防止滑水，主要从路面表面构造、下渗率、路面坡度以及排水长度等几个方面入手，提高行车的安全性。

许多交通事故数据分析表明，潮湿的路面是引起交通事故的重要因素。这是由于汽车在潮湿的路面上行驶时，路面上存在一定厚度的水膜，轮胎与路面之间的摩擦系数明显降低，汽车的制、驱动能力和转向能力部分或完全丧失所致。而摩擦系数是保证汽车安全行驶的基本条件，当其降低时，汽车产生的牵引力和路面对汽车产生的摩擦力就会失去平衡，导致汽车不能按预定方向行驶，从而产生事故隐患。

汽车在潮湿路面上行驶时，随着车速的提高，因路面条件（主要针对道路表面粗糙情况）和水膜厚度（会影响轮胎面和路面之间的附着系数）的不同，轮胎可以产生动力滑水现象，也可以产生粘性滑水两种滑水现象。从这两个滑水的定义可以看出，这两种滑水现象都对汽车的行车安全造成严重危害。动力滑水（完全动力滑水）是在路面有积水情况下，随着车速的提高，在轮胎胎面与路面之间产生动水压力，使轮胎与路面因此逐渐分离开来，最终使轮

胎胎面完全支承于水膜之上，而不是支承于路面上的现象。发生完全动力滑水时，一般当水膜厚度超过1mm，液体的惯性效应就会占据主导的地位。完全动力滑水导致轮胎面与路面之间传递的制动力、驱动力和转向作用力丧失。在完全动力滑水开始之前，随着车速的提高，流体动压力引起轮胎面与路面之间的接触区域逐渐减小，这一过渡状态可以在很宽的车速范围内发生，称为部分动力滑水现象。部分动力滑水导致轮胎摩擦系数减小，车辆的牵引能力和方向控制能力降低，制动距离会增长。粘性滑水[6]是指在潮湿天气或雨后，路面上存在很薄的一层水膜（约为0.01～0.2mm），当车辆在有积水的路面上行驶时，随着行车速度的提高，由于弹性流体动力润滑机理，依附在在路面上的水膜破坏了胎面单元与路面之间的密切接触，而使胎面与水膜接触，降低了路面摩擦系数，引起轮胎相对于路面滑动的现象。当发生粘性滑水时，液体的粘性效应占据主导地位。粘性滑水导致轮胎的薄膜湿牵引能力降低或完全丧失。可以看出，无论是动力滑水，还是粘性滑水，都会影响汽车的行驶，使汽车不能按照原先的计划行驶，而是要受到水膜厚度的制约，水膜厚度处于不同的范围，就会产生不同的滑水现象，对汽车行驶的影响也不同。

与动力滑水相比，轮胎的粘性滑水问题更为严重。这是因为，首先粘性滑水更容易发生，即粘性滑水可以在很薄的水膜和较低的车速下发生，而动力滑水的发生需要建立在一定厚度的水膜的基础上的，另外还还需要一定的车速才能发生。其次，路面上的薄层水膜难以利用机械方式加以清除，因此就很容易发生粘性滑水，但是动力滑水的问题就相对比较容易解决，比如可以用采取排水措施把路面积水排掉，或者通过交通管制措施，可以保证此类隐患的出现。

综上所述，当车辆在有水膜覆盖的路面上高速行驶时，由于轮胎挤压水膜，使水膜受挤产生一定的变形，当变形过大时，就会产生的动水压力使得轮胎与路面脱离接触，使轮胎沿路面积水滑行，从而发生滑水现象。对于安全行车来讲，这是十分危险的行为，如果轻微发生滑水，使车辆本身受到损害，如果发生严重滑水，必须采取各种措施来防止滑水的发生。对于轮胎而言，可以提高胎压以及胎面花纹深度；对于路面而言[7]，增加表面的纹理深度，提高路表坡度，减小路表水膜厚度，这些措施都可以降低发生滑水的机率。还可以利用科技力量实施监控[8]，加强路面巡逻管控力度。我们要充分利用好现有超速监控设施，依托各种科技装备，一方面加大测速强度，延长测速时间，最大限度的监控和抓拍超速违法车辆。另一方面采用流动设施和固定设施相互结合的办法，尽量扩大监控范围。在添置监控设施时要注意具体参数，一定要选择具有全天候监控、高速抓拍、远程控制等功能的高像素设施，避免“拍不到”和“拍到不能用”等问题发生。路面的执勤巡逻民警在巡逻过程中要加强对超速违法行为的监管，可以利用流动监控设施予以记录，或者通过喊话方式责令纠正，或者跟随进入收费站、服务区指出违法行为并予以纠正。必要时，各大队可以集中行动，采用主线测速，服务区纠正并处罚的方式严厉打击超速驾驶违法行为，并通过各种媒体宣传，扩大影响范围，起到警示作用。在三种滑水中，动力滑水最为常见，也最为主要，有必要对此进行分析研究。

2、对形成滑水现象的动水压力的分析

滑水问题可以看作轮胎与路面接触区域之间水膜被轮胎挤压到一定程度，产生动水压力，当动水压力达到一定的程度，从而使路面积水沿着一定的方向被排出。可以把汽车速度看作加载后的速度，如果速度越快，则加载速度越快。把水膜的一部分厚度看作需要排出的水的数量的依据[9]。当轮胎与路面接触区域之间的积水能够在加载时间内排出，不会影响到车辆的正常行驶，则被认为不发生滑水，反之则发生滑水。一方面，只要路表覆盖有一定量的积水时，车辆在水膜覆盖的路面上以很高的速度行驶时，由于路面积水和轮胎接触的时间过短，它们之间引起的动水压力还达不到一定程度，从而使轮胎与路面间实际接触区域内的水就可