交通事故中轮胎痕迹特征分析与车辆行驶速度重建模型构建

1. 引言

交通事故车辆速度重建是事故成因分析与责任划分的核心环节。轮胎与路面的相互作用会留下痕迹（如制动拖印、侧滑印），其特征直接反映车辆制动过程、侧偏运动等关键状态[1]。传统速度重建方法多依赖经验公式（如基于制动距离的简化公式），忽略了痕迹特征与车辆动力学参数的耦合关系，导致精度不足[2]。本文通过精细化分析轮胎痕迹特征，结合多物理场耦合建模，构建高精度速度重建模型，弥补现有方法的局限性。

2. 轮胎痕迹特征分析

2.1 痕迹类型与形成机理

轮胎痕迹按形成原因可分为四类：

• 制动拖印：车辆制动时轮胎抱死，胎面与路面滑动摩擦产生的连续黑色痕迹，反映制动阶段的滑动状态；

• 侧滑印：车辆发生侧向失控（如转向过度/不足）时，轮胎横向滑动形成的斜向痕迹，与侧偏角直接相关；

• 压印：轮胎未抱死时，胎面花纹与路面接触形成的间断性痕迹，反映滚动状态下的胎纹特征；

• 擦痕：轮胎边缘或轮毂与路面刮擦产生的线状痕迹，多伴随车辆侧翻或严重失控[3]。

2.2 关键特征参数提取

基于痕迹形态与物理意义，提取以下核心参数：

• 长度（L）：制动拖印/侧滑印的总长度，直接关联滑动距离；

• 宽度（W）：痕迹横向宽度，与轮胎胎压、载荷及侧偏角正相关（胎压降低或侧偏角增大时，W 增大）；

• 深度（D）：胎面橡胶残留厚度，反映摩擦能量（深度越大，滑动摩擦功越大）；

• 形态特征：连续/断续（制动拖印多连续，压印断续）、边缘清晰度（紧急制动时边缘锐利，缓制动时模糊）、胎纹残留度（压印胎纹清晰，拖印胎纹模糊或消失）[4]。

3. 车辆行驶速度重建模型构建

3.1 基于制动拖印的速度模型

制动拖印对应车辆抱死滑动过程，由动能定理推导基础公式：

E_k=W_f+W_r+W_a

其中， （车辆动能）， W_f=μmgL （滑动摩擦力做功，μ 为路面摩擦系数， (m) 为车辆质量， τ(g) 为重力加速度）， W_r=f_rmgL （滚动阻力做功， f_r 为滚动阻力系数）， （空气阻力做功， C_d 为空气阻力系数， ρ 为空气密度，(A)为迎风面积）。

忽略次要因素（ 、 W_a 占比 ≤5% ），简化得经典公式：

模型修正：考虑制动拖印宽度(W)与胎压 (p) 的关系（ (k)为轮胎结构系数），引入胎压修正因子 （ 为标准胎压下的痕迹宽度），修正后模型为：

3.2 基于侧滑印的速度模型

侧 滑 印 由 车 辆 侧 向 滑 动 产 生 ， 此 时 轮 胎 受 到 侧 向 摩 擦 力F_y=μmgcosθ （ 为侧倾角），侧向加速度 。根据侧向运动方程：

v_y²=2a_yL_y

其中 v_y 为侧向速度， L_y 为侧滑印长度。结合车辆纵向速度 V_X ，总速度 。若侧滑过程中纵向速度变化可忽略（短时间侧滑）， 。

3.3 多痕迹融合模型

复杂事故现场常存在多类型痕迹（如制动拖印 + 侧滑印），需分段建模：

• 制动阶段：用制动拖印模型计算制动结束时的速度 v₁ ；

• 侧滑阶段：以 v₁ 为初始速度，用侧滑印模型计算侧滑结束时的速度v₂ ；

• 综合速度：通过时间加权（各阶段持续时间）融合 v₁ v₂ ，得到事故发生前的行驶速度(v)。

4. 实验验证

4.1 实验设计

在标准试车场（沥青路面， μ=0.7 ）进行实验：

• 车辆参数：轿车（质量 1500kg ，轮胎规格205/55 R16），新胎（胎纹深度 8mm ）、旧胎（胎纹深度 2mm ）；

• 实验工况：制动强度（0.5g、0.8g、 1.0g ）、胎压（2.2bar、2.5bar、2.8bar），每组工况重复3 次；

• 数据采集：用高速相机（1000fps）记录痕迹形态，激光轮廓仪测量痕迹宽度/深度，GPS 记录实际行驶速度（误差± 0.5km/h ）。

4.2 结果与分析

• 制动拖印验证：新胎、标准胎压（2.5bar）下，模型计算速度与实际速度对比见表1，平均误差 3.2% ；

• 侧滑印验证：侧偏角 15^∘ 时，模型计算速度误差 4.5% ，优于传统侧滑公式（误差 8.7% ）；

• 多痕迹验证：制动拖印（长度 15m ） + 侧滑印（长度 5m ）工况下，融合模型速度误差 4.8% ，满足事故重建精度要求（ ≤5% ）。

表1 制动拖印速度重建结果（新胎，2.5bar）

5. 结论与展望

本文通过分析轮胎痕迹的类型与特征参数，构建了制动拖印、侧滑印及多痕迹融合的速度重建模型。实验表明，模型对典型工况的速度重建误差 ≤5% ，可为交通事故处理提供量化依据。未来研究可结合深度学习技术，通过图像识别自动提取痕迹特征参数，进一步提升模型的自动化与泛化能力。

关键词：交通事故；轮胎痕迹；特征分析；速度重建；动力学模型

参考文献

[1] 李扬, 王鹏. 基于轮胎痕迹的交通事故速度重建方法研究[J]. 中国安全科学学报, 2020, 30(5): 142-148.

[2] National Highway Traffic Safety Administration. Traffic Accident Reconstruction: Tire Marks and Scuff Marks[R]. Washington, DC: NHTSA, 2018.

[3] 张勇, 刘志强. 轮胎-路面摩擦特性对制动痕迹形成的影响[J]. 汽车工程, 2019, 41(3): 321-326.

[4]公安部交通管理科学研究所. 道路交通事故痕迹物证勘验[M]. 北京:人民交通出版社, 2021.

[5] Gillespie T D. Fundamentals of Vehicle Dynamics[M]. SAE International, 2012.