汽車(chē)機(jī)械式爆胎應(yīng)急安全裝置工作原理探析

李沖天，王莎莎，馬 磊

（陜西汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司，陜西 西安 710200）

爆胎應(yīng)急安全裝置分電子式與機(jī)械式，目前市場(chǎng)上應(yīng)用最廣的是機(jī)械式爆胎應(yīng)急安全裝置，它是一種環(huán)繞輪轂安裝的組件，其被稱為繼安全帶、制動(dòng)防抱死系統(tǒng)、安全氣囊后第四代安全保護(hù)裝置系統(tǒng)。許權(quán)威等認(rèn)為其工作原理是把真空輪輞的凹槽或斜面填補(bǔ)起來(lái)，在車(chē)輛發(fā)生爆胎事故后，該裝置會(huì)阻止輪胎胎唇向凹槽滑移，這樣輪胎就不會(huì)和輪輞脫離，保證車(chē)輛對(duì)地面的有效附著力；有效減少車(chē)輛爆胎后的高度差，增加爆胎輪的支撐高度，減少側(cè)傾力，使車(chē)輛行駛方向持續(xù)可控；同時(shí)增大爆胎輪的滾動(dòng)阻力，有效保證了爆胎后車(chē)輛的轉(zhuǎn)向性能。

由于爆胎的危險(xiǎn)性與不可重復(fù)性，造成很多人對(duì)這一原理依然不能完全理解。為此，有必要對(duì)機(jī)械式爆胎應(yīng)急安全裝置的工作原理進(jìn)行探索研究。

1 影響爆胎后汽車(chē)操穩(wěn)性的力學(xué)因素

爆胎后輪胎（因機(jī)械式爆胎應(yīng)急安全裝置僅用于真空輪胎，本文輪胎均指真空輪胎）內(nèi)部壓力迅速接近大氣壓力，相對(duì)大氣胎壓差為零。根據(jù)零胎壓輪胎力學(xué)特性試驗(yàn)研究，輪胎的滾動(dòng)阻力系數(shù)增大為正常輪胎的10～30倍。即爆胎輪胎的滾動(dòng)阻力系數(shù)比正常輪胎大10～30倍，根據(jù)汽車(chē)?yán)碚摑L動(dòng)阻力系數(shù)與滾動(dòng)阻力，關(guān)系式=，則車(chē)輛同軸上爆胎輪胎滾動(dòng)阻力是正常輪胎滾動(dòng)阻力的10～30倍，此差值作用下會(huì)產(chǎn)生偏向爆胎輪胎的一個(gè)附加的橫擺力矩。

同時(shí)，零胎壓輪胎力學(xué)特性試驗(yàn)研究表明，側(cè)偏剛度與縱滑剛度約降為正常輪胎的10%。根據(jù)側(cè)偏剛度與側(cè)偏力關(guān)系式=，則車(chē)輛同軸上爆胎輪胎側(cè)偏力是正常輪胎側(cè)偏力的10%，此差值作用下還會(huì)產(chǎn)生一個(gè)附加的橫擺力矩。

爆胎車(chē)輛輪胎性能的改變只是事故的直接誘因，偏航是爆胎車(chē)輛最顯著的動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象，產(chǎn)生的附加橫擺力矩才是爆胎后決定車(chē)輛操穩(wěn)性的內(nèi)在關(guān)鍵因素。

2 機(jī)械式爆胎應(yīng)急安全裝置工作原理分析

2.1 輪胎與爆胎應(yīng)急安全裝置內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)

輪胎是一個(gè)非線性系統(tǒng)，由胎冠、帶束層、胎肩、胎側(cè)、胎圈、胎踵等組成，如圖1所示，各組成部分結(jié)構(gòu)和作用不同。胎冠是輪胎與地面直接接觸的部分，具有保護(hù)胎體的作用，是輪胎磨損最大部分，為車(chē)輛提供驅(qū)動(dòng)力、制動(dòng)力和轉(zhuǎn)向力等；胎側(cè)的主要功能是吸收路面的沖擊和振動(dòng)；胎肩是胎側(cè)和胎冠的過(guò)渡區(qū)；胎圈是輪胎與輪輞接觸的部分，其作用是將輪胎緊密的扣住輪輞；胎踵是胎圈外側(cè)與輪輞座圓角接觸的部分，是外胎與輪輞的固定點(diǎn)，可承受輪胎充氣后所受的應(yīng)力，保護(hù)胎圈鋼絲，發(fā)揮包膠緊固作用，在充氣狀態(tài)下，與輪輞箍緊。

2.2 爆胎試驗(yàn)與道路事故機(jī)理分析

汽車(chē)高速?gòu)澋辣ピ囼?yàn)研究表明，在車(chē)速120 km/h，車(chē)輛發(fā)生爆胎后2 s左右，車(chē)輛很難控制，為維持車(chē)輛在行駛通道內(nèi)行駛，需要進(jìn)行大角度的方向盤(pán)修正，由于左后與右后車(chē)輛穩(wěn)定性較差，車(chē)輛有沖出車(chē)道的危險(xiǎn)。但同時(shí)也表明，爆胎是可以控制的。

道路交通事故（指汽車(chē)主動(dòng)性爆胎）表明，（1）車(chē)輛的運(yùn)動(dòng)軌跡一般都會(huì)在爆胎點(diǎn)處發(fā)生突然的偏轉(zhuǎn)，爆胎會(huì)有明顯的路面損傷痕跡；（2）爆胎輪胎失壓后，其輪輞通過(guò)胎冠直接和路面接觸，劃傷和戳破道路路面，同時(shí)輪輞與輪胎內(nèi)側(cè)剮蹭碾壓，在輪胎內(nèi)部，會(huì)形成明顯的條狀壓痕；（3）會(huì)有逐漸變寬或變窄的地面?zhèn)然?，?chē)輛偏離原行駛方向相對(duì)地面做橫向滑移運(yùn)動(dòng)，滑移印的寬度一般大于或小于輪胎的胎面寬度，不顯示胎面花紋，爆胎行駛的路程越遠(yuǎn)，側(cè)滑印的寬度越大，與此對(duì)應(yīng)的對(duì)邊輪胎的印跡則越來(lái)越淡，這是爆胎后兩側(cè)輪胎行駛阻力不一致形成橫擺力矩導(dǎo)致車(chē)輛自動(dòng)轉(zhuǎn)彎；（4）會(huì)伴隨有輪胎的散落物，如橡膠皮、黑色橡膠質(zhì)顆粒等；（5）輪胎輪輞損傷遍及整個(gè)圓周方向，爆胎后輪輞直接承載車(chē)輛重量，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成輪輞圓周性損傷，輪輞與輪胎內(nèi)壁接觸，輪輞會(huì)在輪胎內(nèi)壁形成碾壓痕跡。道路交通事故又表明不增加輔助應(yīng)急裝置的情況下，橫擺力矩導(dǎo)致車(chē)輛突然地偏轉(zhuǎn)等情況發(fā)生，爆胎事故很多沒(méi)有被控制住。

2.3 爆胎附加橫擺力矩建模分析

建立車(chē)輛在良好水平路面爆胎時(shí)，縱向阻力及側(cè)向力、附加的橫擺力矩變化引起的附加橫擺力矩估算模型，如圖2所示。

式中，、分別為車(chē)輪縱向阻力和側(cè)向力（下標(biāo)i、j分別表示左前輪lf、右前輪rf、左后輪lr、右后輪rr）；0為車(chē)輛質(zhì)心；、為前后車(chē)軸距汽車(chē)質(zhì)心的距離；為汽車(chē)輪距；為縱向力引起的橫擺力矩；為側(cè)向力引起的橫擺力矩；為爆胎時(shí)縱向力和側(cè)向力引起的橫擺力矩。

將式（1）、式（2）、式（3）、式（4）、式（5）代入，得

又由于輪胎是一個(gè)由胎冠、帶束層、胎肩、胎側(cè)、胎圈、胎踵等組成的非線性系統(tǒng)，在地面上滾動(dòng)時(shí)，輪胎各組成部分橡膠、簾線等物質(zhì)分子間的相互摩擦，滾動(dòng)阻力以機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，而消失在大氣中。爆胎后輪胎接觸面積增大，導(dǎo)致輪胎內(nèi)部分子間的摩擦消耗就越大。據(jù)研究，能量損失中胎面占50%，輪箍占20%，簾布層占10%，側(cè)壁占10%，所以爆胎不僅增大滾動(dòng)阻力，而且增大了能量損失，能量的損失造成傳遞給轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的力不能體現(xiàn)出來(lái)。據(jù)試驗(yàn)結(jié)果表明，滾動(dòng)阻力增大了三十倍，回正力矩在試驗(yàn)結(jié)果中沒(méi)有相應(yīng)數(shù)據(jù)顯示變化，因此，由滾動(dòng)阻力產(chǎn)生的縱向力矩可以在分析車(chē)輛操縱穩(wěn)定性時(shí)忽略。

根據(jù)汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作原理，汽車(chē)轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)作用在轉(zhuǎn)向盤(pán)上操縱力矩為

式中，為轉(zhuǎn)向車(chē)輪的轉(zhuǎn)向阻力距；為施加在轉(zhuǎn)向盤(pán)上的手力；為轉(zhuǎn)向系力傳動(dòng)比；為轉(zhuǎn)向盤(pán)半徑；為轉(zhuǎn)向系傳動(dòng)效率。

爆胎時(shí)，

為施加在轉(zhuǎn)向盤(pán)上的手力，將式（8）代入式（6）中

而未爆胎時(shí)施加在轉(zhuǎn)向盤(pán)上的手力為

結(jié)合式（9）、式（10）可以得出，爆胎后駕駛員施加在方向盤(pán)上的手力增加了10%。

在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《汽車(chē)轉(zhuǎn)向系基本要求》（GB 17675—2021）4.1.1中規(guī)定：在車(chē)輛轉(zhuǎn)向助力作用下，M、M轉(zhuǎn)向操縱力不大于150 N；M、N、N轉(zhuǎn)向操縱力不大于200 N；N轉(zhuǎn)向操縱力不大于250 N。

由于轉(zhuǎn)向操縱力不大于250 N，所以爆胎后顯示在方向盤(pán)上的手力增加量不大于25 N。

2.4 實(shí)車(chē)試驗(yàn)機(jī)械式爆胎應(yīng)急安全裝置可控性

在國(guó)家汽車(chē)試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行不同車(chē)型不同車(chē)速爆胎應(yīng)急安全裝置可控性試驗(yàn)：M客車(chē)車(chē)速80 km/h直線行駛爆胎制動(dòng)試驗(yàn)、N貨車(chē)爆胎后繞S樁試驗(yàn)、N貨車(chē)車(chē)速80 km/h彎道制動(dòng)試驗(yàn)，如圖3—圖5所示。

按照GB/T 38796—2020汽車(chē)爆胎應(yīng)急安全裝置性能要求和試驗(yàn)方法，以國(guó)內(nèi)某品牌爆胎應(yīng)急安全裝置進(jìn)行直線80 km/h、彎道制動(dòng)50 km/h和繞樁行駛試驗(yàn)等實(shí)車(chē)試驗(yàn)，爆胎后的安全性能試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

試驗(yàn)證明安裝機(jī)械式爆胎應(yīng)急安全裝置的車(chē)輛在爆胎后輪輞凹槽被封閉，胎圈未滑入凹槽，輪胎通過(guò)自身厚度及韌性形成橡膠墊層使輪轂不會(huì)著地。施于方向盤(pán)的外緣切向力的增量為21.4 N，不大于附加橫擺力矩模型25 N。同時(shí)，達(dá)到國(guó)標(biāo)GB/T 38796—2020要求，轉(zhuǎn)向盤(pán)的外緣切向力增量小于50 N；試驗(yàn)結(jié)果表明了爆胎附加橫擺力矩模型的可行性，車(chē)輛附加的橫擺力矩在人為施加轉(zhuǎn)向操縱力后可控，并繼續(xù)行駛了一定距離。

3 結(jié)論

通過(guò)上述的分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，可以對(duì)機(jī)械式爆胎應(yīng)急安全裝置工作原理得出以下結(jié)論：

（1）試驗(yàn)結(jié)果表明了機(jī)械式爆胎應(yīng)急安全裝置橫擺力矩模型的可行性。車(chē)輛爆胎后，輪胎滾動(dòng)阻力及附加橫擺力矩大幅增加，影響車(chē)輛操穩(wěn)性，但是這種增量并沒(méi)有相應(yīng)大幅地體現(xiàn)在轉(zhuǎn)向盤(pán)上，顯示在轉(zhuǎn)向盤(pán)上的手力增加量不大于25 N。

（2）機(jī)械式爆胎應(yīng)急安全裝置在爆胎時(shí)通過(guò)封閉輪輞凹槽，維持了輪胎通過(guò)自身厚度及韌性形成橡膠墊層與地面的摩擦力，防止了胎圈及胎踵等滑入凹槽及滑入后可能導(dǎo)致的輪轂著地及車(chē)輛操穩(wěn)性進(jìn)一步惡化，保持了爆胎輪胎的性能穩(wěn)定及傳遞給轉(zhuǎn)向盤(pán)力的大小可控。駕駛員和具有機(jī)械式爆胎應(yīng)急安全裝置的車(chē)輛作為一個(gè)控制回路，在爆胎擾動(dòng)而導(dǎo)致事故即將發(fā)生時(shí)，對(duì)駕駛員要求不高地控制了車(chē)輛，實(shí)現(xiàn)了爆胎時(shí)的應(yīng)急安全。