基于安全制動(dòng)的自動(dòng)檔汽車爆胎控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王愛國，李 源

（ 1.安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 蕪湖 241000；2.合肥工業(yè)大學(xué)，安徽 合肥 230093；

3.昆明冶金高等?？茖W(xué)校，云南 昆明 650033 ）

【土木工程與機(jī)械工程】

基于安全制動(dòng)的自動(dòng)檔汽車爆胎控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王愛國1，2，李 源3

（ 1.安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 蕪湖 241000；2.合肥工業(yè)大學(xué)，安徽 合肥 230093；

3.昆明冶金高等?？茖W(xué)校，云南 昆明 650033 ）

在分析現(xiàn)有的降低高速爆胎危害控制技術(shù)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出新的爆胎控制系統(tǒng)。當(dāng)汽車發(fā)生爆胎時(shí)，控制器接收胎壓信號和橫擺角速度信號，通過語音操作提示、燈光等，提醒本車駕駛員和其他車輛注意；通過斷油、降檔和分階段制動(dòng)，實(shí)現(xiàn)安全制動(dòng)。

自動(dòng)檔； 安全制動(dòng)； 爆胎； 控制系統(tǒng)

汽車在行駛時(shí)，尤其在高速公路上行駛，如果發(fā)生車輪爆胎（特別是前輪），將會(huì)發(fā)生方向失控、側(cè)翻等現(xiàn)象，導(dǎo)致嚴(yán)重的交通事故。為了解決這一課題，相關(guān)學(xué)者和技術(shù)人員進(jìn)行了大量研究，也取得了豐富的成果，具體有以下幾類。第一類是改變輪胎結(jié)構(gòu)，將輪胎變?yōu)槎嗵ソY(jié)構(gòu)，或在輪胎內(nèi)部的輪轂上安裝填充物，即使發(fā)生爆胎了，也會(huì)短暫維持車輛行駛。此類技術(shù)的弊端是輪胎結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如果是多胎結(jié)構(gòu)，還將很難保證每個(gè)胎的氣壓是相等的，導(dǎo)致整個(gè)輪胎磨損不均勻；如果在輪轂上安裝填充物，將增加車輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，動(dòng)平衡也需要重新調(diào)整。第二類是一個(gè)輪胎發(fā)生爆胎時(shí)，控制裝置迅速將同軸的另一個(gè)輪胎刺破，保證兩個(gè)輪胎的滾動(dòng)半徑是一樣的，減少車輛跑偏。此類技術(shù)的弊端是控制復(fù)雜，而且在輪胎完好的情況下，可能發(fā)出錯(cuò)誤信號或錯(cuò)誤指令，刺破好的車輪，反而導(dǎo)致重大事故。第三類是在爆胎時(shí)，通過引爆火藥迅速給爆胎充氣。此類技術(shù)的弊端是增加車輪質(zhì)量和動(dòng)不平衡，而且一旦爆胎，很難通過充氣來維持車輛平衡。第四類是爆胎時(shí)，采用方向自鎖裝置，避免車輛跑偏。此類技術(shù)的弊端是同軸的兩個(gè)車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)半徑不一樣（爆胎后），如果將轉(zhuǎn)向鎖死后，將會(huì)導(dǎo)致向一個(gè)方向跑偏。故此技術(shù)處于表象研究階段，研究成果很少，而且沒有救助功能。第五類是爆胎時(shí)，控制裝置將爆胎信號送到中央控制單元，控制剎車并直至停車，此類技術(shù)的弊端是減速度過大，汽車的方向穩(wěn)定性不好。第六類是爆胎時(shí)，通過雷達(dá)測速，判斷后方的車輛距離，進(jìn)而決定是否制動(dòng)，但是，在發(fā)生爆胎時(shí)，發(fā)生碰撞的事故主要是在前方，而不是后方。

1.高速爆胎控制原理

當(dāng)爆胎時(shí)，尤其是前輪爆胎時(shí)，駕駛員要緊握方向盤，保持方向穩(wěn)定，然后搶“低檔”，利用發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行制動(dòng)，直至車速降下來。在車速較高時(shí)，如果沒有應(yīng)急制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)裝置，不能踩下制動(dòng)踏板。理論上雖然如此，但是發(fā)生高速爆胎時(shí)，駕駛員（尤其是經(jīng)驗(yàn)不足的駕駛員）將很難做到這一點(diǎn)，因此高速爆胎大部分都將發(fā)生事故。本文以自動(dòng)檔汽車為研究基礎(chǔ)（目前，在乘用轎車中，自動(dòng)檔汽車在

美國和日本等發(fā)達(dá)國家所占比例達(dá)90%以上，在中國的比例也在逐年提高），利用控制裝置實(shí)現(xiàn)上述方法，并且增加制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)裝置，根據(jù)前方障礙物的距離，調(diào)節(jié)制動(dòng)力，從而實(shí)現(xiàn)爆胎時(shí)平穩(wěn)、快速停車目的。

2.基于安全制動(dòng)的自動(dòng)檔汽車爆胎控制系統(tǒng)

2.1.總體設(shè)計(jì)思路

在汽車本身部件的基礎(chǔ)上，控制裝置主要部件包括胎壓監(jiān)測裝置、單片機(jī)、橫擺角速度傳感器、雷達(dá)測距傳感器、語音操作提示系統(tǒng)等。當(dāng)汽車發(fā)生爆胎時(shí)，胎壓將驟然降低，此時(shí)胎壓監(jiān)測裝置將判斷為爆胎，并將爆胎信號采用無線傳送的方式傳送到單片機(jī)。如果發(fā)生爆胎，汽車的橫擺角速度將發(fā)生急變，單片機(jī)同時(shí)也接收橫擺角速度傳感器信號。單片機(jī)只有在接收到胎壓監(jiān)測的爆胎信號和橫擺角速度急變時(shí)，才判斷車輪爆胎，避免因誤判而造成事故。在確定為爆胎后，單片機(jī)控制雙閃信號燈工作和制動(dòng)燈閃爍，提醒后方車輛駕駛員注意：前方車輛發(fā)生異常，注意避讓；單片機(jī)也同時(shí)通過語音操作提示系統(tǒng)，指揮駕駛員進(jìn)行具體的操作，避免駕駛員誤操作。單片機(jī)還將爆胎信號送到中央控制單元，中央控制單元接到爆胎信號后，立即送出三路信號，第一路信號送到發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元，讓發(fā)動(dòng)機(jī)停止供油；第二路信號送到自動(dòng)變速器控制單元，根據(jù)實(shí)際車速大小，讓發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)制降檔，利用發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行制動(dòng)；第三路信號送到制動(dòng)系統(tǒng)控制單元，讓爆胎車輪失去制動(dòng)力，對與爆胎同軸的另一個(gè)車輪實(shí)施適當(dāng)制動(dòng)，制動(dòng)的結(jié)果是維持爆胎前的行駛方向，當(dāng)車速降到一定數(shù)值時(shí)，或者與前車和障礙物小于安全值時(shí)，對剩下的兩個(gè)車輪也實(shí)施制動(dòng)，確保方向穩(wěn)定和快速停車。

2.2.具體設(shè)計(jì)過程

本控制系統(tǒng)的裝置主要由左前輪胎壓監(jiān)測、右前輪胎壓監(jiān)測、左后輪胎壓監(jiān)測、右后輪胎壓監(jiān)測、橫擺角速度傳感器、雷達(dá)測距傳感器、單片機(jī)、語音操作提示系統(tǒng)等，需要利用到汽車本身的裝置有車速傳感器、4個(gè)車輪轉(zhuǎn)速傳感器、制動(dòng)系統(tǒng)控制單元、自動(dòng)變速器控制單元、發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元、中央控制單元、雙閃信號燈、制動(dòng)燈等，如圖1所示

圖1 基于安全制動(dòng)的自動(dòng)檔汽車爆胎控制系統(tǒng)

每個(gè)輪胎上安裝一個(gè)胎壓監(jiān)測裝置，當(dāng)胎壓快速降低時(shí)，則胎壓監(jiān)測裝置判斷為爆胎，胎壓監(jiān)測裝置利用無線傳輸?shù)姆绞?，將胎壓監(jiān)測到的爆胎信號送到單片機(jī)，單片機(jī)接收到該信號時(shí)，需要通過橫擺角速度信號進(jìn)行確認(rèn)。只有上述兩個(gè)信號都判斷為爆胎發(fā)生時(shí)，單片機(jī)才確認(rèn)汽車真正的發(fā)生爆胎事故。然后，單片機(jī)通過a端口給雙閃信號燈送出信號，讓左右轉(zhuǎn)向燈工作；通過b端口給制動(dòng)燈送出周期性信號，讓制動(dòng)燈閃爍，雙閃和閃爍的制動(dòng)燈同時(shí)工作，可以更有效的提醒后方車輛駕駛員：

前方車輛出現(xiàn)異常情況，控制車距并隨時(shí)停車。一旦發(fā)生爆胎，駕駛員很可能出現(xiàn)慌張狀況，因處理不當(dāng)將進(jìn)一步加重事故的危害性。因此當(dāng)車速≥60km/h時(shí)，單片機(jī)通過c端口給語音操作提示系統(tǒng)送給信號，語音系統(tǒng)將發(fā)出“車輛爆胎、握緊方向盤、輕踩剎車”；當(dāng)車速＜60km/h時(shí)，語音系統(tǒng)發(fā)出“握緊方向盤、踩下剎車”，增加制動(dòng)力，引導(dǎo)駕駛員正確操作。

另外，單片機(jī)通過d端口給中央控制單元送出爆胎信號，中央控制單元獲得信號后，同時(shí)送出三路信號：第一路信號送給發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元，由發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元切斷噴油器線圈供電，發(fā)動(dòng)機(jī)停止供油，切斷發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力源（經(jīng)試驗(yàn)證明，汽車滑行時(shí)，斷油后的方向盤還是可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)的）；第二路信號送到自動(dòng)變速器控制單元，控制檔位的變化；第三路信號送到制動(dòng)系統(tǒng)控制單元，控制制動(dòng)力的變化。第二路信號送到自動(dòng)變速器控制單元的控制示意圖如圖2所示，控制自動(dòng)變速器內(nèi)部的離合器、單項(xiàng)離合器和制動(dòng)器等，實(shí)現(xiàn)降檔處理。當(dāng)車速≥60km/h時(shí)，控制單元將自動(dòng)變速器強(qiáng)制降到3檔；當(dāng)60km/h＞車速≥40km/h時(shí)，控制單元將自動(dòng)變速器強(qiáng)制降到2檔；當(dāng)車速＜40km/h時(shí)，控制單元將自動(dòng)變速器強(qiáng)制降到1檔，直至停車。通過以上的降檔處理，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)，減少驅(qū)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速，將車速快速而穩(wěn)定的降下來。

圖2 安全制動(dòng)中的降檔控制系統(tǒng)

第三路信號送到制動(dòng)系統(tǒng)控制單元的控制示意圖如圖3所示?，F(xiàn)代汽車ABS是標(biāo)配，部分汽車升級到了ESP（電子橫向穩(wěn)定系統(tǒng)），所以每個(gè)車輪都安裝了輪速傳感器、制動(dòng)輪缸進(jìn)油電磁閥和出油電磁閥。當(dāng)制動(dòng)系統(tǒng)控制單元接收到爆胎信號后，將發(fā)生爆胎的制動(dòng)缸進(jìn)油電磁閥關(guān)閉、出油電磁閥打開，讓該輪胎失去制動(dòng)力。同時(shí)將發(fā)生爆胎的同軸另一個(gè)輪胎的進(jìn)油電磁閥和出油電磁閥周期性的打開和關(guān)閉，對該輪胎實(shí)施制動(dòng)力，制動(dòng)強(qiáng)度是維持發(fā)生爆胎前的橫擺角速度。如果爆胎之前車輛是直線行駛，則橫擺角速度為零，如果發(fā)生爆胎時(shí)車輛在轉(zhuǎn)彎，則制動(dòng)強(qiáng)度維持車輛在該橫擺角速度上。當(dāng)車速＜60km/h時(shí)，或者與前面車輛和障礙物小于安全距離時(shí)，對剩下的兩個(gè)車輪也實(shí)施制動(dòng)，制動(dòng)的方式是按照車輛本身ABS控制方式進(jìn)行，也即通過進(jìn)油電磁閥和出油電磁閥周期性的啟閉，實(shí)施制動(dòng)，制動(dòng)的滑移率控制在15%～25%之間。

圖3 安全制動(dòng)中車輪制動(dòng)力控制系統(tǒng)

3.總結(jié)

本系統(tǒng)在高速爆胎發(fā)生時(shí)，實(shí)現(xiàn)以下功能：制動(dòng)燈閃爍、雙閃工作，警示后方車輛；語音提醒駕駛員進(jìn)行正確操作；控制自動(dòng)變速器搶“低檔”，從高檔降到3檔、2檔、1檔，利用發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)；同時(shí)根據(jù)車速和車輛前方障礙物的距離大小，對沒有發(fā)生爆胎的輪胎分別實(shí)施制動(dòng)，與爆胎同軸的輪胎制動(dòng)強(qiáng)度是維持車輛運(yùn)行穩(wěn)定，如果另外兩個(gè)輪胎需要制動(dòng)，則制動(dòng)強(qiáng)度按照ABS控制強(qiáng)度進(jìn)行，并且發(fā)生爆胎的車輪始終沒有制動(dòng)力。通過以上控制設(shè)置，實(shí)現(xiàn)基于安全制動(dòng)的高速爆胎控制，從而達(dá)到：即使駕駛經(jīng)驗(yàn)不足的駕駛員，也能實(shí)現(xiàn)爆胎時(shí)的穩(wěn)定控制，將爆胎危害降到最低程度。

另外，對于手動(dòng)檔汽車在高速行駛發(fā)生爆胎時(shí)，可以參考自動(dòng)檔汽車控制方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。如果去除降檔控制，則自動(dòng)檔汽車的高速爆胎控制方式可以直接應(yīng)用到手動(dòng)檔汽車高速爆胎控制中。

[1] 王愛國，馬玲，倪晉挺，等.基于安全制動(dòng)的自動(dòng)擋汽車爆胎控制系統(tǒng)及方法[P].中國.ZL201510159707.1，2015.08.12.

[2] 付百學(xué).汽車電子控制技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[3] 李學(xué)智，陳慶樟，許廣舉.輪胎壓力監(jiān)測與爆胎控制研究[J].中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，2015，36（5）：184-187.

[4] 麻友良，盧蕩，宋曉明，等.爆胎輪胎動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)研究報(bào)告[R].長春：吉林大學(xué)汽車動(dòng)態(tài)模擬國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，2010.

[5] 李瑞，程亞楠.一種改進(jìn)的C4.5算法[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2010，10（27）：70-74.

Design of Control System of AT Based on Safety Brake After the Blow-out

WANG Aiguo1,2, LI Yuan3
( 1. Anhui Technical College, Wuhu, Anhui 241000, China; 2. Hefei University of Technology, Hefei, Anhui 230009, China; 3. Journal of Kunming Metallurgy College, Kunming, Yunnan 650033, China )

Based on analysis on existing control technique for reducing the damages of tire burst on high way, the new tire burst control system is designed. In case of tire burst, the controller will receive signals of tire pressure and yaw velocity. Through voice operation tip and lamplight, the driver is warned of paying attentions to other vehicles to realize safe braking through fuel cut, downshift and grading braking.

automatic transmission, safety arrestment, tire burst, control system

U461

A

1673-9639 (2016) 04-0117-04

（責(zé)任編輯 佘彥超）（責(zé)任校對 毛 志）

2016-03-12

2014安徽省優(yōu)秀人才基金項(xiàng)目；安徽省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（KJ2016A138）。

王愛國（1976-），男，安徽合肥人，副教授，博士研究生，研究方向：控制技術(shù)。