汪祖國(guó)，汪曉旋（國(guó)家汽車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心（襄陽(yáng)），襄陽(yáng)，441004）

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客車爆胎應(yīng)急安全裝置試驗(yàn)方法研究

汪祖國(guó)，汪曉旋
（國(guó)家汽車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心（襄陽(yáng)），襄陽(yáng)，441004）

摘 要：進(jìn)行客車爆胎后轉(zhuǎn)向力增量試驗(yàn)時(shí)需要在汽車行駛過(guò)程中模擬爆胎進(jìn)行測(cè)試，該方法存在重復(fù)性差、成本高、安全性差、可操作性差等方面的問(wèn)題，本文通過(guò)汽車爆胎時(shí)的動(dòng)力學(xué)分析，研究了爆胎過(guò)程中對(duì)汽車方向盤轉(zhuǎn)向力增量的主要影響因素，提出了新的試驗(yàn)方案，并從理論計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證兩方面證明了該方案的合理性和有效性，可以有效簡(jiǎn)化相關(guān)試驗(yàn)，大大提高工作效率。

關(guān)鍵詞：爆胎；轉(zhuǎn)向力增量；應(yīng)急安全裝置

汪祖國(guó)畢業(yè)于吉林工業(yè)大學(xué)， 獲學(xué)士學(xué)位，2006年9月獲上海交通大學(xué)工程碩士學(xué)位，現(xiàn)就職于國(guó)家汽車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心（襄陽(yáng)），從事整車檢測(cè)及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)研究工作，受聘擔(dān)任全國(guó)警用裝備標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)委員和全國(guó)汽標(biāo)委客車分委會(huì)委員。

1　前言

當(dāng)前，隨著汽車保有量不斷增加和高等級(jí)公路的快速發(fā)展，車輛交通事故也不斷增加。據(jù)有關(guān)方面統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)高速公路發(fā)生的重大交通事故約70%是由于輪胎突然爆胎或嚴(yán)重漏氣導(dǎo)致高速行駛車輛的轉(zhuǎn)向和制動(dòng)失靈而引起的。有關(guān)研究表明，高速行駛車輛的爆胎，導(dǎo)致了汽車運(yùn)動(dòng)性能的突變，駕駛員應(yīng)急反映與操作直接影響車輛行駛后果，若操作失誤，則可能直接造成事故。爆胎應(yīng)急安全技術(shù)的研究與應(yīng)用，已成為國(guó)內(nèi)外廣泛關(guān)注焦點(diǎn)，由此而產(chǎn)生的車輛爆胎應(yīng)急安全裝置技術(shù)研究已進(jìn)入快速發(fā)展階段。

爆胎應(yīng)急安全裝置的應(yīng)用也伴隨著對(duì)該裝置的檢測(cè)需求，目前我國(guó)已針對(duì)客車制定了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JT/T 782-2010《營(yíng)運(yùn)客車爆胎應(yīng)急安全裝置技術(shù)要求》,該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了輪胎爆胎時(shí)及爆胎后轉(zhuǎn)向、制動(dòng)以及續(xù)駛里程方面的要求，其中爆胎時(shí)的轉(zhuǎn)向力增量標(biāo)準(zhǔn)要求試驗(yàn)需在模擬汽車輪胎爆胎情況下進(jìn)行試驗(yàn)。

該項(xiàng)試驗(yàn)方法目前存在以下問(wèn)題：1、通常采用的比較貼近真實(shí)爆胎情況的模擬方法為槍擊法和炸藥爆破法，由于槍支和彈藥的使用在我國(guó)受到極為嚴(yán)格的管控，在試驗(yàn)中獲取非常困難，而且也存在一定的安全隱患；2、采用槍擊法和炸藥爆破法模擬爆胎時(shí)，由于安裝位置、輪胎厚薄、炸藥用量、槍管直徑等都會(huì)對(duì)爆胎效果產(chǎn)生影響，其重復(fù)性很差；3、目前也有人開(kāi)展了在輪輞上加裝放氣裝置來(lái)模擬爆胎的研究工作，理論上是可以實(shí)現(xiàn)按需精確控制輪胎爆胎效果且達(dá)到好的重復(fù)性，但是這種方法對(duì)每種規(guī)格輪輞均需要專門設(shè)計(jì)制作專用放氣裝置，設(shè)計(jì)加工周期長(zhǎng)且成本高。鑒于此，筆者設(shè)想如果在進(jìn)行此項(xiàng)試驗(yàn)時(shí)不模擬汽車在運(yùn)動(dòng)中突然爆胎即可獲取相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果，則可達(dá)到事半功倍的效果。

2　爆胎過(guò)程及應(yīng)急安全裝置簡(jiǎn)述

前已述及，當(dāng)汽車前軸一側(cè)輪胎發(fā)生爆胎時(shí)將導(dǎo)致汽車運(yùn)動(dòng)性能的突變，其直接原因在于普通車輪爆胎后，在地面摩擦和沖擊作用下會(huì)造成輪胎脫圈，輪輞直接接地，該側(cè)車輪與地面作用力發(fā)生急劇變化（大小劇增、方向不定）從而導(dǎo)致車輛失控。

在現(xiàn)有普通車輪中加裝的爆胎應(yīng)急安全裝置其作用機(jī)理就是通過(guò)安全裝置的支撐或限位使得車輪發(fā)生爆胎后在一定行駛里程范圍內(nèi)不發(fā)生脫圈，輪輞不會(huì)接地。目前符合JT/T 782-2010《營(yíng)運(yùn)客車爆胎應(yīng)急安全裝置技術(shù)要求》中定義的安全裝置基本上可分為兩類：第一種是在輪胎中安裝有支撐體，發(fā)生爆胎時(shí)靠支撐體支撐避免輪輞接地（見(jiàn)圖2-1）；第二種是在輪輞溝槽中安裝卡環(huán)防止輪胎脫圈從而避免輪輞接地（見(jiàn)圖2-2）。

這兩種結(jié)構(gòu)的應(yīng)急安全裝置各有自己不同的優(yōu)缺點(diǎn)，此處不做詳細(xì)闡述，二者有一個(gè)共同點(diǎn)就在于：在爆胎發(fā)生后一定行駛里程范圍內(nèi)，可以保證爆胎車輪以胎冠接地正常滾動(dòng)，只是由于安全裝置結(jié)構(gòu)和尺寸不一，爆胎后車輪直徑變化不一，車輪滾動(dòng)阻力變化或大或小而已。

圖2-1

圖2-2

3　爆胎時(shí)車輪動(dòng)力學(xué)分析

按照汽車?yán)碚撓嚓P(guān)知識(shí)對(duì)汽車爆胎車輪建立單質(zhì)量單自由度系統(tǒng)模型，如圖1：

圖1　單質(zhì)量單自由度系統(tǒng)模型

圖中M1……懸掛質(zhì)量

k……懸架剛度

C……減震器阻尼系數(shù)

q……路面不平度輸入函數(shù)

由此，以平衡位置為原點(diǎn)可以建立運(yùn)動(dòng)微分方程：

進(jìn)行上述爆胎試驗(yàn)時(shí)，路面為理論平面，因此q=0，故上式簡(jiǎn)化為：

M1z 即為懸掛質(zhì)量M1在離開(kāi)平衡位置在距離為z時(shí)受到的慣性力。

根據(jù)牛頓第三定律，此時(shí)道路對(duì)相應(yīng)車輪的作用力（動(dòng)載荷增量）將發(fā)生大小等于的相應(yīng)增減。

由于一般懸架阻尼系數(shù)較小，同時(shí)為了便于計(jì)算，這..里將忽略阻尼系數(shù)C的影響，則

值得一提的是，本文對(duì) 的計(jì)算主要用于估算道路對(duì)輪胎的最大動(dòng)載荷增量，忽略阻尼系數(shù)C的影響，將使計(jì)算得出的動(dòng)態(tài)最大值比實(shí)際偏大。

由式3-4可以看出，只要獲取了爆胎時(shí)的k和z的變化情況即可計(jì)算出爆胎過(guò)程中路面對(duì)輪胎產(chǎn)生的垂直動(dòng)載荷增量。

下面分析車輪發(fā)生爆胎時(shí)，上述單質(zhì)量單自由度系統(tǒng)模型中的k和z的變化情況。

我們知道上述模型中的k取決于懸架線剛度k1以及輪胎垂直剛度k2，由于k1和k2串聯(lián)，所以

在車輪胎壓正常時(shí)，k1和k2不變，當(dāng)發(fā)生爆胎時(shí)，k1不變，但k2卻發(fā)生急劇下降，從本質(zhì)上說(shuō)正是由于k2的劇烈變化引起上述單質(zhì)量系統(tǒng)平衡位置發(fā)生變化從而導(dǎo)致垂直動(dòng)載荷增量的發(fā)生。

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[2]中提供的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)：發(fā)生爆胎后k2會(huì)在瞬間下降至初始值的8%以內(nèi)，在此情況下懸掛質(zhì)量M1將快速下移，直至輪胎安全裝置外環(huán)面與輪胎胎冠內(nèi)側(cè)接觸并發(fā)生擠壓后，懸掛質(zhì)量M1到達(dá)新的平衡位置時(shí)為止，懸掛質(zhì)量M1從開(kāi)始的平衡位置到最終的平衡位置之間的垂直位移即為z，其大小可根據(jù)輪胎規(guī)格估算也在輪胎可泄壓后測(cè)量得出。

綜上，可將車輪發(fā)生爆胎后，懸掛質(zhì)量M1的運(yùn)動(dòng)情況總結(jié)為：

z即為懸掛質(zhì)量M1的最大振幅，亦即懸掛質(zhì)量M1新舊平衡位置之間距。因此，在全過(guò)程中對(duì)懸掛質(zhì)量M1所產(chǎn)生的慣性力(亦即動(dòng)載荷增量)為：

4　爆胎車輪垂直動(dòng)載荷增量及轉(zhuǎn)向力增量的計(jì)算

4.1 爆胎車輪垂直動(dòng)載荷增量

為了定量說(shuō)明爆胎時(shí)輪胎對(duì)路面所產(chǎn)生的垂直動(dòng)態(tài)載荷增量，本文以兩臺(tái)實(shí)車進(jìn)行了分析計(jì)算，本文第二章中簡(jiǎn)單介紹了兩種結(jié)構(gòu)的應(yīng)急安全裝置，

很顯然，第二種結(jié)構(gòu)由于安全裝置外環(huán)面與胎冠內(nèi)側(cè)間距較大，同型號(hào)輪胎安裝第二種結(jié)構(gòu)應(yīng)急安全裝置爆胎時(shí)懸掛質(zhì)量發(fā)生垂直位移較大，將產(chǎn)生較大垂直動(dòng)態(tài)載荷增量，因此計(jì)算中以圖2-2中結(jié)構(gòu)為例。

兩輛樣車相關(guān)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4-1：

根據(jù)上表中計(jì)算得出的垂直動(dòng)載荷增量可以分別求出兩種車型的動(dòng)載荷增量與靜態(tài)載荷比分別為：3.94%和4.74%。

4.2 爆胎時(shí)的轉(zhuǎn)向力增量

根據(jù)汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作原理：汽車轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)作用在方向盤上的操舵力為

表4-1　爆胎車輪垂直動(dòng)態(tài)載荷增量計(jì)算結(jié)果

式中：

Fb-施加在方向盤上的操舵力

i-轉(zhuǎn)向系的力傳動(dòng)比，

rh-轉(zhuǎn)向盤的半徑，

η-轉(zhuǎn)向系的傳動(dòng)效率，

式中：

T1-轉(zhuǎn)向車輪相對(duì)于主銷軸線的滾動(dòng)阻力矩

T2-輪胎與地面接觸部分的滑動(dòng)摩擦力矩

T3-轉(zhuǎn)向車輪的穩(wěn)定力矩或自動(dòng)回正力矩所形成的阻力矩。

在本項(xiàng)目研究的試驗(yàn)條件下，由于要求維持汽車爆胎前后均保持直線行駛，車輪未發(fā)生偏轉(zhuǎn)，T2和 T3可以忽略，Tr的增量主要取決于 T1。

而根據(jù)文獻(xiàn)[2]，T與輪荷之間的關(guān)系滿足經(jīng)驗(yàn)

1公式

式中：

ρ-爆胎后車輪與地面滾阻系數(shù)

G -爆胎后車輪垂直動(dòng)載荷

對(duì)于特定車輛來(lái)說(shuō)，上述各參數(shù)i、rh、 η和ρ均為常數(shù)，由此可得

5　方案提出及試驗(yàn)驗(yàn)證

基于以上理論分析和計(jì)算結(jié)果：對(duì)于爆胎車輪而言，從爆胎開(kāi)始到其在平整路面達(dá)到平衡狀態(tài)，全過(guò)程中G的大小滿足： ∈【M1-F, M1+F】

而4.1計(jì)算結(jié)果表明F/ M1≤5 %,需要說(shuō)明的是，本文在第三章和第四章的理論計(jì)算中，由于只為定性地分析爆胎過(guò)程中垂直動(dòng)載荷增量F與相應(yīng)車輪懸掛質(zhì)量之比，多處采取了近似處理，主要遵循兩個(gè)原則：一是忽略次要因素，二是近似處理使得F結(jié)果偏大。在此前提下仍然得出F/ M1≤5%的計(jì)算結(jié)果，由此可以根據(jù)式4-5得出結(jié)論：垂直動(dòng)載荷增量F對(duì)方向盤操舵力Fb的影響完全可以忽略。

因此，可以提出新的試驗(yàn)方案：在按照J(rèn)T/T 782-2010《營(yíng)運(yùn)客車爆胎應(yīng)急安全裝置技術(shù)要求》進(jìn)行轉(zhuǎn)向力增量項(xiàng)目檢測(cè)時(shí)無(wú)需在動(dòng)態(tài)模擬汽車爆胎的情況下進(jìn)行，只需要分別測(cè)量汽車在胎壓正常和完全泄壓兩種狀態(tài)行駛時(shí)的方向盤操舵力即可得出標(biāo)準(zhǔn)中要求的轉(zhuǎn)向力增量。

為了驗(yàn)證上述分析及計(jì)算的正確性，我們對(duì)前面敘及的兩輛樣車分別進(jìn)行了實(shí)際測(cè)量，兩輛車在爆胎過(guò)程中方向盤轉(zhuǎn)向力矩變化過(guò)程曲線分別見(jiàn)圖5-1及圖5-2：

圖5-1　6116型客車

圖5-2　6115型客車

從圖5-1及圖5-2可以看出雖然爆胎前后方向盤轉(zhuǎn)向力矩發(fā)生比較明顯的增量，但是爆胎過(guò)程中方向盤轉(zhuǎn)向力矩的峰值與爆胎后車輛穩(wěn)定行駛過(guò)程中方向盤轉(zhuǎn)向力矩的峰值之間并無(wú)明顯差異，相關(guān)轉(zhuǎn)向力增量試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5-1：

表5-1

從圖5-1及圖5-2也可以看出轉(zhuǎn)向力矩測(cè)量曲線通常會(huì)存在較明顯的鋸齒狀波動(dòng)，這主要是因?yàn)樵谶M(jìn)行汽車轉(zhuǎn)向力道路測(cè)試時(shí)，由于路面不平，輪胎不平衡，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)摩擦阻尼以及測(cè)量?jī)x器設(shè)備本身存在誤差等因素導(dǎo)致，這部分因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響甚至可以超過(guò)輪胎爆胎時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)載荷增量的影響，這更從另一方面說(shuō)明了忽略垂直動(dòng)載荷增量F對(duì)方向盤操舵力Fb影響的合理性。

由此可見(jiàn)，采用分別測(cè)量汽車在胎壓正常和完全泄壓兩種狀態(tài)行駛時(shí)的方向盤操舵力再行計(jì)算轉(zhuǎn)向力增量的方案是完全可行的，該方案將大大提高工作效率，降低安全風(fēng)險(xiǎn)同時(shí)還能保證相應(yīng)精度要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]周磊，張向文 基于Dugoff輪胎模型的爆胎車輛運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，計(jì)算機(jī)仿真，2012年6月，308-311.

[2]王望予 汽車設(shè)計(jì)（第三版）機(jī)械工業(yè)出版社2000年05月.

中圖分類號(hào)：U467.1+1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1005-2550（2016）02-0079-05

doi:10.3969/j.issn.1005-2550.2016.02.013

收稿日期：2015-11-24

Study on Test Method of Tyre Failure Emergency Safety Device of Bus

WANG Zu-Guo, WANG Xiao-xuan
( National Automobile Quality Supervision and Test Center(Xiangyang), Xiangyang, 441004 )

Abstract:According to relevant standards, when we test the steering force increment while the tyre of a bus get to blow-out，we should make the testing on moving bus with a simulation blowingout . The method exist poor repeatability, high cost, poor safety and poor operation, this paper carried out a dynamics analysis on tire explosion process, studied the main influence factors to the steering force increment in tyre blowing-out ,presents a new test method, and from the theoretical calculation and experimental verification both proved the rationality and validity of the scheme, can effectively simplify the relevant test, and greatly improve the work efficiency.

Key Words:Tyre Blow-Out; Steering Force Increment; Tyre Failure Emergency Safety Device