小型汽車爆胎研究現(xiàn)狀分析

李蒙恩，張彥會

(廣西科技大學(xué)機(jī)械與交通工程學(xué)院，廣西柳州 545006)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國在汽車制造業(yè)方面投入了巨大的資金，汽車也不再像以前那樣對于工薪階層遙不可及，在我國汽車幾乎已經(jīng)成為每個(gè)家庭必不可少的代步工具，城市之間的交流也越來越密切，隨著道路上汽車數(shù)量的增加以及行駛速度的不斷提高，導(dǎo)致發(fā)生交通事故的頻次在不斷增加。據(jù)交通管理部門相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，在高速公路上由輪胎問題引發(fā)的交通事故占比接近32%，其中死亡率更是高達(dá)49%[1]。更值得人們注意的是，當(dāng)車速超過130 km/h發(fā)生爆胎時(shí)，車內(nèi)人員的死亡率更是達(dá)到驚人的100%。由此可見，爆胎產(chǎn)生的后果無法預(yù)見，汽車爆胎問題也就變成了高速行駛汽車安全的頭號殺手，汽車的安全問題愈來愈受到整個(gè)社會的關(guān)注，因此非常有必要對汽車在行駛中的爆胎工況進(jìn)行研究。下面將從汽車爆胎的原因、汽車爆胎的預(yù)防、汽車爆胎的穩(wěn)定性控制這3個(gè)方面來對爆胎汽車研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析。

1 車輛爆胎的原因

隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，國家越來越重視交通運(yùn)輸，道路也從過去的坑坑洼洼發(fā)展為平坦大路。另外我國加大汽車行業(yè)的投資，研發(fā)與制造技術(shù)高速發(fā)展，相比于過去，目前由我國所研制的汽車，其各項(xiàng)性能都明顯地得到優(yōu)化，盡管如此由爆胎引起的交通事故仍在不斷上升。經(jīng)過一番查閱相關(guān)資料后，文中將汽車爆胎的原因分為外部原因與內(nèi)部原因，歸納如下[2-4]：

(1)道路條件導(dǎo)致爆胎：輪胎與地面直接接觸，所以對輪胎壽命影響程度最高的是其所行駛環(huán)境的路面情況，當(dāng)汽車在凹凸不平的路面行駛時(shí)，路面上的凸起物加速輪胎表面的磨損速度，也加大了輪胎被尖銳物刺破的概率，尤其是在高速行駛的狀態(tài)下，路面上的尖銳物更是容易導(dǎo)致汽車爆胎。

(2)氣溫過高導(dǎo)致爆胎：溫度對輪胎的使用壽命影響很大，當(dāng)汽車在溫度較高的條件下行駛時(shí)，輪胎會因?yàn)槭軣崤蛎浀脑戆l(fā)生變形，時(shí)間久了輪胎彈性也就會降低，汽車在行駛的過程中輪胎與地面不斷摩擦產(chǎn)生熱量，輪胎主要是由人工合成橡膠制成，散熱能力本身就是其一大短板，輪胎胎壓會因?yàn)樘?nèi)難以及時(shí)散去的熱量而急劇增高，最終在胎體的較薄弱處發(fā)生爆胎。

(3)超載或超速導(dǎo)致爆胎：由于輪胎結(jié)構(gòu)和材料的不同，對汽車有一定的速度級別與承載能力的限制，目前在國內(nèi)，汽車超載和超速危險(xiǎn)行駛的情況非常普遍。當(dāng)汽車的實(shí)載質(zhì)量超過車輪的最大允許載荷時(shí)，輪胎內(nèi)氣壓增高，容易引發(fā)爆胎；而長時(shí)間超速行駛輪胎會產(chǎn)生急劇升高的溫度，加速橡膠材料的老化，輪胎使用壽命變短，最壞的結(jié)果可能是在行駛的過程中發(fā)生爆胎。

(4)胎壓異常導(dǎo)致爆胎：胎壓過高或胎壓過低都統(tǒng)稱為胎壓異常，汽車在胎壓異常的情況下行駛極易引起汽車爆胎。過度充氣的高胎壓輪胎，輪胎內(nèi)部的簾布層會受到過大的張力，一旦受到?jīng)_擊，容易將側(cè)壁撕裂導(dǎo)致爆胎;當(dāng)行駛的汽車胎壓不足時(shí)，折彎脈動(dòng)應(yīng)力便會出現(xiàn)在輪胎側(cè)壁且其數(shù)值較大，此應(yīng)力會使輪胎的薄弱處發(fā)生爆胎。經(jīng)過查閱資料得出對于汽車爆胎而言，胎壓過低造成的爆胎后果遠(yuǎn)遠(yuǎn)嚴(yán)重于胎壓過高。

(5)過度磨損與腐蝕導(dǎo)致爆胎：當(dāng)輪胎表面存在過度磨損時(shí)，其負(fù)載及抗壓能力已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于正常的輪胎，這種輪胎維持汽車的正常行駛都有一定的風(fēng)險(xiǎn)，加上高溫天氣、路面凹凸不平以及超速超載等危險(xiǎn)因素很容易發(fā)生爆胎導(dǎo)致交通事故。輪胎的主要構(gòu)成材料是橡膠，橡膠是一種有機(jī)物質(zhì)，從化學(xué)的角度上說有機(jī)物質(zhì)溶于機(jī)油、汽油等有機(jī)溶劑，所以受有機(jī)溶劑腐蝕的輪胎表面開裂，這樣的輪胎上路行駛時(shí)極易發(fā)生爆胎事故。

2 汽車爆胎的預(yù)防

2.1 胎壓監(jiān)測系統(tǒng)

輪胎胎壓監(jiān)測系統(tǒng)[5-9](Tire Pressure Monitoring System，TPMS)能夠在對行駛的汽車進(jìn)行實(shí)時(shí)的輪胎胎壓監(jiān)測，一旦系統(tǒng)監(jiān)測到某個(gè)輪胎胎壓異常時(shí)便會通過儀表板上的顯示屏及車內(nèi)聲響系統(tǒng)進(jìn)行報(bào)警，引起駕駛員的注意從而保證車輛行駛的安全。胎壓監(jiān)測系統(tǒng)是一種采用無線傳輸技術(shù)與汽車電子技術(shù)相結(jié)合的汽車主動(dòng)安全技術(shù)產(chǎn)品。其系統(tǒng)工作原理圖如圖1所示。

圖1 胎壓監(jiān)測系統(tǒng)工作原理

輪胎胎壓監(jiān)測系統(tǒng)可以利用安裝在每一個(gè)輪胎上的高靈敏度微型無線傳輸裝置，實(shí)時(shí)精確測量出每個(gè)輪胎靜止或者行駛時(shí)的壓力和溫度，并將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)及時(shí)地傳輸?shù)絻x表臺上的顯示屏，并由顯示屏以數(shù)字化的形式顯示相關(guān)數(shù)據(jù)，當(dāng)胎壓監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測到任一輪胎的數(shù)據(jù)與正常值有一定差距時(shí)，它便會在駕駛位置醒目的地方顯示警示語向駕駛員通報(bào)車輛運(yùn)行情況。更高端的汽車可能會有人工智能提示，使車輛情況及時(shí)通報(bào)駕駛員，最大程度地保證安全駕駛。目前胎壓監(jiān)測系統(tǒng)尚且存在不足之處就是用于測量胎內(nèi)壓力與胎內(nèi)溫度的傳感器置于輪輞上，由于車輪轉(zhuǎn)動(dòng)速度時(shí)快時(shí)慢，所以對輪胎上的傳感器電量供應(yīng)便成為一項(xiàng)問題，只能通過技術(shù)盡量減小其能源消耗速度，讓其工作時(shí)間更加持久。隨著電子技術(shù)與傳感器技術(shù)的飛速發(fā)展，對于輪胎胎壓監(jiān)測系統(tǒng)存在的能源問題在不久的將來一定能得到解決。其系統(tǒng)工作流程圖如圖2所示。

圖2 胎壓監(jiān)測系統(tǒng)工作流程

考慮到汽車爆胎很大程度上與輪胎胎壓有關(guān)，因此美國前總統(tǒng)克林頓簽署了國會關(guān)于修改聯(lián)邦運(yùn)輸法的提案,TPMS將作為美國汽車廠商在2003年11月以后生產(chǎn)的新車上一項(xiàng)將標(biāo)準(zhǔn)配置。這一提案在美國國家公路交通安全管理局得到了實(shí)施，并且制定了一項(xiàng)聯(lián)邦機(jī)動(dòng)車輛安全標(biāo)準(zhǔn)(Federal Motor Vehicle Safety Standards，F(xiàn)MVSS):No.138所有新的輕型汽車上必須強(qiáng)制安裝輪胎胎壓監(jiān)測系統(tǒng)(TPMS)，該規(guī)定于2007年9月1日起開始生效。

雖然TPMS能夠一定程度上地減少爆胎事故的發(fā)生，在汽車安全方面胎壓監(jiān)測系統(tǒng)只能通過監(jiān)測輪胎壓力與溫度從而起到輔助的預(yù)先警報(bào)作用，無法從源頭避免爆胎，并且爆胎后的穩(wěn)定性控制胎壓監(jiān)測系統(tǒng)也顯得無能為力。因此十分有必要對爆胎發(fā)生后汽車輪胎以及汽車主動(dòng)安全控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，而胎壓監(jiān)測技術(shù)的快速發(fā)展已經(jīng)為爆胎后汽車穩(wěn)定性控制系統(tǒng)研究奠定了一定的基礎(chǔ)。

2.2 輪胎的研究

輪胎性能對于汽車有很大的影響，為了減少汽車爆胎引發(fā)嚴(yán)重的事故，目前研發(fā)的安全輪胎分為充氣型安全輪胎與非充氣型安全輪胎。

2.2.1 充氣型安全輪胎

為了從根本上提高汽車行駛的安全系數(shù)，研究人員在充氣輪胎的基礎(chǔ)上研發(fā)出人們所熟知的防爆輪胎，也稱之為零胎壓續(xù)行輪胎，學(xué)名為 “泄氣保用輪胎”，此型充氣輪胎的各項(xiàng)安全性能都得到了一定的提高。防爆輪胎結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，如表4所示。

圖 3 防爆輪胎結(jié)構(gòu)圖

優(yōu)點(diǎn):(1)堅(jiān)固性∶研究人員研制出納米技術(shù)研制的天然可再生膠，防爆胎堅(jiān)固的主要原因就是其側(cè)壁面比普通胎要多一層這種膠，因此防爆胎的堅(jiān)固性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通輪胎。(2)耐磨性:當(dāng)正在行駛的汽車發(fā)生爆胎現(xiàn)象，裝有普通輪胎的汽車這時(shí)候可能寸步難行，甚至釀成車禍等嚴(yán)重后果。而裝有防爆胎的汽車不會當(dāng)場發(fā)生爆胎，可以維持車輛正常地行駛一段距離，至少可以行駛到安全地帶或者到最近的修理廠進(jìn)行維修。

缺點(diǎn)：防爆胎的安全系數(shù)肯定高于普通胎，這是毋庸置疑的，但防爆胎會使汽車整體的乘坐舒適性變差、并且防爆胎的制造成本高，自重大致使汽車行駛油耗偏高。

2.2.2 非充氣型安全輪胎

2008年,威斯康星州大學(xué)和固鉑輪胎公司受蜜蜂筑巢的靈感研發(fā)出了蜂巢輪胎(圖4)，該輪胎的輪轂和輪胎利用蜂巢的正六邊形來連接，這種基于仿生學(xué)研制的蜂巢形支撐結(jié)構(gòu)輪胎具有優(yōu)良的抗刺扎能力和減震能力，可以有效避免爆胎的發(fā)生[10]。

圖4 蜂巢輪胎

在國內(nèi)，2008年以來趙又群科研團(tuán)隊(duì)對非充氣型安全輪胎進(jìn)行研究，并設(shè)計(jì)出了一種非充氣型機(jī)械彈性安全車輪(圖5)。此輪胎的設(shè)計(jì)理念與傳統(tǒng)輪胎有一定區(qū)別，彈性車輪外圈和輪轂的非充氣結(jié)構(gòu)由鉸鏈組進(jìn)行連接，機(jī)械結(jié)構(gòu)彈性替代橡膠材料的彈性，且具有傳統(tǒng)輪胎所有的功能，并且相較于傳統(tǒng)輪胎還具有承載能力強(qiáng)與抗扎刺等優(yōu)點(diǎn)。其結(jié)構(gòu)主要由銨鏈組、懸轂和鞣輪構(gòu)成[11]。

圖5 機(jī)械彈性安全車輪

3 汽車爆胎后的控制

3.1 爆胎控制的研究現(xiàn)狀

汽車爆胎是一個(gè)瞬態(tài)非線性變化且不可預(yù)測的復(fù)雜過程,輪胎特征各項(xiàng)參數(shù)的變化會因胎內(nèi)壓力的變化而變化，主要是輪胎側(cè)偏角、輪胎剛度(徑向剛度、縱向剛度)以及輪胎的有效滾動(dòng)半徑等，故車身姿態(tài)和高度會因此受到影響，汽車會發(fā)生側(cè)傾、偏航甚至甩尾。各車輪垂直載荷會因此重新分布，會對汽車的轉(zhuǎn)向、制動(dòng)造成嚴(yán)重的影響，由于同軸的爆胎輪與非爆胎輪動(dòng)力學(xué)特性差異明顯，使得汽車的橫向、縱向均出現(xiàn)力學(xué)上的不平衡，致使汽車出現(xiàn)側(cè)傾、橫擺、側(cè)向加速度激增危險(xiǎn)現(xiàn)象[12]。

為了提高車輛在爆胎后的行駛穩(wěn)定性，避免駕駛員在緊急情況下因失誤操作而釀成嚴(yán)重的交通事故，汽車主動(dòng)安全系統(tǒng)逐漸成為研究熱點(diǎn)，國內(nèi)外一些學(xué)者也因此對爆胎車輛的主動(dòng)控制方面進(jìn)行了一系列深入研究。1994年，PATWARDHAN等學(xué)者提出了一種方案，通過對爆胎輪胎的同軸異側(cè)輪胎進(jìn)行主動(dòng)爆胎控制，減少爆胎后因車輪不平衡產(chǎn)生的橫向位移，當(dāng)安裝在輪胎上的傳感器檢測到爆胎時(shí)，控制器會主動(dòng)施加一個(gè)與爆胎產(chǎn)生的轉(zhuǎn)向趨勢相反的轉(zhuǎn)向力，以抑制車輛的偏航，這就對執(zhí)行器的反應(yīng)速度有較高的要求，以提高控制實(shí)施的反應(yīng)時(shí)間[13]。2015年馬韜等人設(shè)計(jì)了一種基于胎壓監(jiān)測的爆胎緊急充氣系統(tǒng)，通過安裝在車輛上的傳感器對胎壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，當(dāng)汽車發(fā)生爆胎時(shí)，爆胎信號會被發(fā)送到充氣控制器，控制器發(fā)送指令使氣體發(fā)生器產(chǎn)生大量氣體對爆胎輪胎快速充氣，最終達(dá)到車輛安全行駛的目的。隨著車輛系統(tǒng)的復(fù)雜度加大，僅僅考慮輪胎是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)開始從底盤、車身懸架等方面對爆胎車輛進(jìn)行控制。通過對底盤、懸架進(jìn)行分析，并建立爆胎整車模型，最終采取制動(dòng)、轉(zhuǎn)向的方法對爆胎車輛進(jìn)行控制[14]。2009年ARNDT通過對實(shí)車進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)常規(guī)的電子穩(wěn)定性控制系統(tǒng)在對爆胎后車輛的穩(wěn)定性控制的過程中具有一定的缺陷，其忽略了汽車爆胎后各個(gè)車輪的垂向載荷轉(zhuǎn)移,使控制器產(chǎn)生抵消沖擊力矩的附加橫擺力矩效率不高，對控制效果具有一定的影響[15]。2009年湖南大學(xué)黃江針對ESP控制器對于爆胎后車輛的穩(wěn)定性控制效果進(jìn)行了研究，單純的電子穩(wěn)定控制效果不是很理想,進(jìn)而基于ESP提出了爆胎汽車的差動(dòng)制動(dòng)控制策略，并且利用CarSim與Simulink聯(lián)合仿真，驗(yàn)證了該控制方法的可行性[16]。2018年江西理工大學(xué)的葉濤基于現(xiàn)有的穩(wěn)定性控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種差動(dòng)制動(dòng)控制系統(tǒng)，對爆胎汽車進(jìn)行主動(dòng)安全控制改善其動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。2019年桂林電子科技大學(xué)的劉維等對爆胎汽車的模糊滑?？刂扑惴ㄟM(jìn)行研究，主要是通過理想狀態(tài)下的橫擺角速度與實(shí)際值作比較以及理想狀態(tài)下質(zhì)心側(cè)偏角與實(shí)際值作比較,其差值作為控制器的輸入,最終使實(shí)際的橫擺角速度與質(zhì)心側(cè)偏角更加接近理想狀態(tài),保持汽車的運(yùn)行軌跡以及汽車的穩(wěn)定性[17]。

3.2 兩種主要的控制模式

目前對爆胎汽車的穩(wěn)定性控制研究主要原理就是當(dāng)汽車發(fā)生爆胎時(shí)，利用控制器計(jì)算出理想行駛狀態(tài)下的橫擺角速度與汽車爆胎后車輛實(shí)際的橫擺角速度的差值，理想行駛狀態(tài)下的質(zhì)心側(cè)偏角與汽車爆胎后車輛實(shí)際的質(zhì)心側(cè)偏角的差值。將這兩個(gè)參數(shù)的差值作為不同控制器的輸入從而得出所輸出附加的橫擺力矩?cái)?shù)值,然后通過主動(dòng)轉(zhuǎn)向或差動(dòng)制動(dòng)方法來實(shí)現(xiàn)爆胎汽車的穩(wěn)定性控制。

3.2.1 基于主動(dòng)轉(zhuǎn)向控制模式

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由齒輪齒條轉(zhuǎn)向器、離合器、電動(dòng)機(jī)、減速機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)矩傳感器及車速傳感器等組成[18]，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

圖6 主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)正在行駛的汽車發(fā)生爆胎時(shí)，車輛的行駛軌跡會發(fā)生改變，利用車輪軌跡控制方法對爆胎的汽車進(jìn)行控制，輸出為方向盤的轉(zhuǎn)角。爆胎時(shí)首先產(chǎn)生一個(gè)與方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)相反方向的轉(zhuǎn)角進(jìn)行系統(tǒng)補(bǔ)償，這樣可對爆胎后發(fā)生角度變化的方向盤進(jìn)行修正，并由電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)計(jì)算出補(bǔ)償轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角所對應(yīng)的車輛前輪轉(zhuǎn)角。對爆胎車輛軌跡成功糾偏的前提就是經(jīng)過控制的前輪轉(zhuǎn)角恢復(fù)到正常范圍內(nèi)。又因?yàn)榭刂祁愋蛯儆谥鲃?dòng)控制,在對爆胎汽車方向控制的過程中全程由控制器控制完成,所以將電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的這種控制模式稱為對爆胎車輛的主動(dòng)糾偏控制。

3.2.2 基于差動(dòng)制動(dòng)控制模式

整體的差動(dòng)制動(dòng)控制分為兩個(gè)步驟:第一是系統(tǒng)接收到爆胎信號后，控制器開始計(jì)算出能抵消沖擊力矩的附加橫擺力矩，通過產(chǎn)生一個(gè)附加橫擺力矩抵消爆胎所導(dǎo)致沖擊力矩;第二便是由控制器計(jì)算出制動(dòng)力，并將制動(dòng)力分配至不同的車輪，實(shí)現(xiàn)差動(dòng)制動(dòng)[19-20]。系統(tǒng)最終輸出為各個(gè)車輪上不同的制動(dòng)力矩，差動(dòng)制動(dòng)控制的結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示。

圖7 差動(dòng)制動(dòng)控制系統(tǒng)圖

爆胎會對行駛的汽車帶來嚴(yán)重的沖擊作用，目前的想法是通過引入一個(gè)能夠盡量抵消爆胎沖擊力矩的附加橫擺力矩,所以就要通過控制系統(tǒng)產(chǎn)生一個(gè)與沖擊力矩相反的力矩,從而保持爆胎汽車行駛的穩(wěn)定。目前應(yīng)用較多的是采用PID控制算法對所需要的附加橫擺力矩進(jìn)行決策[21]，原理如圖8所示，并將PID控制與模糊控制相結(jié)合，設(shè)計(jì)模糊PID控制器，原理如圖9所示，控制器的輸入為爆胎后實(shí)際車輛行駛狀態(tài)與理想車輛行駛狀態(tài)的差值(e)以及差值變化率(ec)，控制器的輸出即為決策出的最優(yōu)附加橫擺力矩，控制流程圖如圖10所示。

圖8 PID控制原理圖

圖9 模糊控制器結(jié)構(gòu)圖

圖10 模糊PID控制流程圖

4 總結(jié)與展望

綜上所述,爆胎主要是由道路條件、高溫、超速超載、胎壓異常、輪胎老化引起的。胎壓監(jiān)測系統(tǒng)和對輪胎結(jié)構(gòu)的重新設(shè)計(jì)只能對汽車爆胎起到一定的預(yù)防作用,而對汽車爆胎后的穩(wěn)定性控制就顯得無能為力。為了進(jìn)一步提高汽車爆胎后的穩(wěn)定性及系統(tǒng)寬裕度，研究人員提出了通過分配制動(dòng)力矩的差動(dòng)制動(dòng)控制以及通過控制器補(bǔ)償方向盤轉(zhuǎn)角的主動(dòng)轉(zhuǎn)向控制。這兩種控制都可以在汽車爆胎后將汽車質(zhì)心側(cè)偏角和橫擺角速度都控制在能夠保證汽車穩(wěn)定性的安全變化范圍內(nèi)，使爆胎后的汽車迅速恢復(fù)穩(wěn)定行駛狀態(tài)。

目前對爆胎汽車的研究主要是直線行駛工況和轉(zhuǎn)向行駛工況,汽車的變速和變道等工況未加以考慮,日后還需要對爆胎汽車多工況進(jìn)行全面綜合的研究。同時(shí)當(dāng)前的爆胎汽車穩(wěn)定性控制大多是從橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角作為參考的參數(shù)﹐缺乏一定的準(zhǔn)確性，但是在汽車爆胎后車輛的整體參數(shù)都發(fā)生變化，例如車輪有效滾動(dòng)半徑、垂向載荷、爆胎汽車道路偏移量、車身側(cè)傾角等輪胎參數(shù)與車身姿態(tài),因此在汽車爆胎后的穩(wěn)定性控制的研究中綜合考慮盡可能多的參數(shù)將是未來對汽車爆胎后控制的主要研究方向。