張騫 劉樹(shù)偉

摘 要：當(dāng)今發(fā)生的交通事故中，由于爆胎的引起的事故占很大的比例，所以對(duì)爆胎的預(yù)防和爆胎后的應(yīng)對(duì)措施的研究是十分必要的。為了更好的研究汽車(chē)爆胎這一現(xiàn)象，本文首先分析汽車(chē)爆胎的原因，然后分別從防爆措施研究和爆胎仿真以及爆胎后汽車(chē)控制這兩方面進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：爆胎 防爆 仿真 控制

1 引言

隨著人們?cè)诟鱾€(gè)城市之間交流的越來(lái)越頻繁，汽車(chē)和高速公路已經(jīng)成為了人們出行重要的部分，但是人們又不得不面對(duì)由于汽車(chē)在高速行駛時(shí)引起的交通事故的威脅，最近幾年在高速公路交通事故中，由于輪胎引起的事故占有大約46%，其中70%以上的事故是由于爆胎引起的[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)汽車(chē)的速度超過(guò)130km/h時(shí)，出現(xiàn)爆胎后的死亡率為百分之百。因此對(duì)爆胎事故的預(yù)防和爆胎后的應(yīng)對(duì)措施的研究變得尤為重要。下面將從爆胎的原因，爆胎的預(yù)防和對(duì)爆胎仿真控制這三個(gè)方面對(duì)這一領(lǐng)域進(jìn)行論述。

2 爆胎的原因

爆胎的原因可以分為以下幾點(diǎn)：

（1）高速行駛導(dǎo)致爆胎：從原理上來(lái)講輪胎接地時(shí)形狀發(fā)生了改變，當(dāng)這部分輪胎從地面離開(kāi)的時(shí)候，輪胎就開(kāi)始復(fù)原，從變形到復(fù)原需要一個(gè)過(guò)程，當(dāng)汽車(chē)飛速行駛的時(shí)候，車(chē)輪轉(zhuǎn)速過(guò)快，轉(zhuǎn)一圈的時(shí)間可能還沒(méi)有復(fù)原時(shí)間多，所以處于變形狀態(tài)的車(chē)胎再次受到擠壓即“駐波”現(xiàn)象，從而使該部分由于較大變形產(chǎn)生高溫。輪胎溫度過(guò)高使簾布層脫落，并使胎面凹槽及胎肩出現(xiàn)裂紋、簾線(xiàn)斷開(kāi)、胎肩磨耗加劇最終造成輪胎滾動(dòng)阻力增加形成爆胎。（2）胎內(nèi)壓力導(dǎo)致爆胎：當(dāng)輪胎壓力過(guò)低時(shí)，由于輪胎較軟，輪胎兩邊較中間磨損嚴(yán)重，進(jìn)而磨損不均勻，在車(chē)輛行駛的過(guò)程中，由于內(nèi)胎和輪輞不斷接觸，就很容易在輪胎薄弱的地方發(fā)生爆胎。當(dāng)輪胎壓力過(guò)大時(shí)，輪胎受到的載荷比正常胎壓下受到的載荷大，內(nèi)應(yīng)力也會(huì)隨之變大，輪胎的簾布層受的張力就會(huì)變大，加劇了簾布層的損壞，一旦受到較大的沖擊，就會(huì)發(fā)生爆胎。（3）輪胎老化及高溫導(dǎo)致爆胎：由于輪胎時(shí)間過(guò)長(zhǎng)磨損嚴(yán)重導(dǎo)致輪胎老化，在遇到高溫路面就會(huì)促使胎內(nèi)壓力急速上升，最終導(dǎo)致爆胎。（4）路面條件導(dǎo)致爆胎：當(dāng)路面有尖銳物體時(shí)，輪胎很容易被劃傷導(dǎo)致爆胎。

3 防爆胎措施研究現(xiàn)狀

為了防止爆胎引起的交通事故，在爆胎預(yù)警方面現(xiàn)在汽車(chē)廠往往在輪胎的內(nèi)部裝上胎壓傳感器來(lái)實(shí)時(shí)的監(jiān)控輪胎內(nèi)部的壓力和溫度即胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（TPMS：Tire Pressure Monitoring System），并在出現(xiàn)異常的情況及時(shí)的提醒駕駛員做出防范措施。

在輪胎結(jié)構(gòu)上許多的輪胎廠商也做出了相應(yīng)的輪胎可以分為以下兩大類(lèi)：第一類(lèi)充氣式安全輪胎[2]，包括有在輪胎內(nèi)部加有一層自封膠體的自密封式輪胎、通過(guò)加厚胎壁的支撐式輪胎、將輪胎內(nèi)部由一個(gè)腔室改為多個(gè)腔室的多腔室式輪胎。第二類(lèi)就是非充氣式輪胎[3]，非充氣式輪胎是將輪胎和輪輞做為一個(gè)整體，輪胎和輪輞之間采用不同的支撐結(jié)構(gòu)來(lái)連接，從而達(dá)到支撐、緩沖和防爆的目的。除此之外，還存在輪輞上固定上支撐結(jié)構(gòu)的輔助支撐輪胎[4]，其目的是防止爆胎汽車(chē)輪轂接地加劇車(chē)輛的偏移。

4 整車(chē)爆胎實(shí)驗(yàn)建模及控制的研究現(xiàn)狀

因?yàn)閷?shí)車(chē)的爆胎實(shí)驗(yàn)成本高和危險(xiǎn)系數(shù)大等缺點(diǎn)，所以必須要利有計(jì)算機(jī)建立精確的爆胎車(chē)輛模型為基礎(chǔ)才能進(jìn)行之后的研究。國(guó)外國(guó)內(nèi)學(xué)者們對(duì)爆胎汽車(chē)做了大量的實(shí)驗(yàn)進(jìn)而研究爆胎后的輪胎特性的變化和爆胎車(chē)輛的運(yùn)動(dòng)軌跡。1999年Fay，R.J.對(duì)不同車(chē)速下汽車(chē)輪胎胎面帶束層出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)汽車(chē)拖拽行駛及轉(zhuǎn)向響應(yīng)進(jìn)行了研究[5]。William Blythe等人假設(shè)爆胎持續(xù)時(shí)間為100ms，根據(jù)相應(yīng)的參數(shù)變化建立了爆胎車(chē)輛模型，然后研究駕駛員以不同的方向盤(pán)轉(zhuǎn)角和制動(dòng)踏板力對(duì)爆胎車(chē)輛的影響[6]。2005年Zbigniew Lozia在研究中建立了多自由度的爆胎車(chē)輛模型，并分析了車(chē)輛爆胎過(guò)程中的輪胎載荷轉(zhuǎn)移、汽車(chē)橫擺角速度，輪胎力學(xué)等參數(shù)變化[7]。2012年到2015年Guo H建立了低自由度整車(chē)爆胎模型，但忽略了垂向方向載荷轉(zhuǎn)移，所以建立的模型不能完全反應(yīng)車(chē)輛爆胎后動(dòng)態(tài)響應(yīng)[8、9]。2017年Vichare A利用重型商用車(chē)爆胎時(shí)的輪胎力學(xué)參數(shù)的變化，建立了整車(chē)爆胎模型并在不同的路面條件下對(duì)爆胎車(chē)輛進(jìn)行仿真分析[10]。而國(guó)內(nèi)相對(duì)來(lái)說(shuō)對(duì)爆胎方面的研究起步較晚。2007年至2010年吉林大學(xué)郭孔輝院士團(tuán)隊(duì)在輪胎方面研究做出了巨大貢獻(xiàn)，其團(tuán)隊(duì)的盧蕩借助吉大汽車(chē)動(dòng)態(tài)模擬國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了不同胎壓的輪胎側(cè)偏試驗(yàn)，通過(guò)分析胎壓對(duì)輪胎特性的影響并改進(jìn)了UniTire模型，對(duì)不同胎壓下輪胎回正力矩和側(cè)偏力做了預(yù)測(cè)[11、12]。同團(tuán)隊(duì)的王英麟對(duì)爆胎后的輪胎特性變化進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)，并將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)了一套規(guī)律，在郭孔輝院士的UnTire輪胎模型基礎(chǔ)上建立爆胎模型，同時(shí)將爆胎模型與Carsim軟件進(jìn)行聯(lián)合仿真，研究了爆胎汽車(chē)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)[13]。2016年吉林大學(xué)的高元偉則是在爆胎車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上又添加了駕駛員轉(zhuǎn)向操縱模型和駕駛員制動(dòng)模型，對(duì)駕駛員干預(yù)包括駕駛員的誤操作下的爆胎動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了分析[14]。2018年?yáng)|南大學(xué)的陳曉則是采用以魔術(shù)公式為基礎(chǔ)的Pacejka5.2輪胎模型建立爆胎模型，并與Carsim軟件進(jìn)行聯(lián)合仿真研究了不同路表特性參數(shù)對(duì)爆胎車(chē)輛運(yùn)動(dòng)方式的影響[15]。同年葉濤采用Dugoff輪胎模型選用其做為爆胎模型，并且用Matlab中的Simulink建立了七自由度整車(chē)爆胎動(dòng)力學(xué)模型[16]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者在爆胎建?；A(chǔ)上對(duì)汽車(chē)爆胎穩(wěn)定性控制進(jìn)行了大量的研究，其主要原理就是當(dāng)汽車(chē)發(fā)生爆胎時(shí)利用理想狀態(tài)下的橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角與爆胎車(chē)輛實(shí)際的橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角的差值作為不同控制器的輸入來(lái)得出附加的橫擺力矩，然后對(duì)汽車(chē)進(jìn)行差動(dòng)制動(dòng)、主動(dòng)轉(zhuǎn)向或者差動(dòng)制動(dòng)—主動(dòng)轉(zhuǎn)向協(xié)調(diào)控制的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)整車(chē)的穩(wěn)定性控制。2009年Arndt S M通過(guò)實(shí)車(chē)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)常規(guī)的電子穩(wěn)定性控制系統(tǒng)對(duì)爆胎后車(chē)輛運(yùn)動(dòng)特性發(fā)生突變的穩(wěn)定性控制存在一些不足。例如，電子穩(wěn)定性控制并沒(méi)有考慮載荷轉(zhuǎn)移，制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的橫擺力矩效率低，從而影響控制效果[17]。同年湖南大學(xué)黃江首先研究了ESP控制器對(duì)于爆胎后車(chē)輛的控制效果但是不理想，進(jìn)而在ESP基礎(chǔ)上提出了爆胎汽車(chē)的差動(dòng)制動(dòng)控制策略[18]。2012年廣西大學(xué)的張彥紅則是運(yùn)用模糊控制原理對(duì)轉(zhuǎn)向輪進(jìn)行主動(dòng)轉(zhuǎn)向控制使爆胎汽車(chē)達(dá)到不偏航的效果[19]。2013年MO Taiping設(shè)計(jì)一種利用滑?？刂扑惴ǖ牟钏僦苿?dòng)控制器，通過(guò)調(diào)整爆胎對(duì)側(cè)車(chē)輪的制動(dòng)力從而達(dá)到穩(wěn)定車(chē)身的目的[20]。2018年山東理工大學(xué)的侯秀敏在差動(dòng)制動(dòng)—主動(dòng)轉(zhuǎn)向控制協(xié)調(diào)控制策略基礎(chǔ)上利用了復(fù)合轉(zhuǎn)向阻尼器，從而保證了爆胎汽車(chē)的穩(wěn)定性[21]。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，爆胎主要是由高速行駛、胎內(nèi)壓力、輪胎老化及高溫、路面條件引起的。防爆措施目前主要包括胎壓預(yù)警和對(duì)輪胎結(jié)構(gòu)的改變，而整車(chē)爆胎后汽車(chē)穩(wěn)定性控制方法主要是通過(guò)調(diào)節(jié)懸架的高度、差動(dòng)制動(dòng)、主動(dòng)轉(zhuǎn)向以及差動(dòng)制動(dòng)—主動(dòng)轉(zhuǎn)向協(xié)調(diào)控制來(lái)使汽車(chē)爆胎后迅速恢復(fù)穩(wěn)定行駛狀態(tài)。

對(duì)于爆胎汽車(chē)的研究，大多數(shù)控制方法還是從單一的控制思路出發(fā)，如只進(jìn)行轉(zhuǎn)向控制無(wú)法消除爆胎所帶來(lái)的沖擊力矩，只進(jìn)行差動(dòng)制動(dòng)控制卻又無(wú)法解決爆胎汽車(chē)偏航問(wèn)題，而差動(dòng)制動(dòng)—主動(dòng)轉(zhuǎn)向協(xié)調(diào)控制可以在汽車(chē)爆胎后將橫擺角速度和偏航距離都控制在很小的變化范圍內(nèi)，因此需要多采用協(xié)調(diào)控制方法實(shí)現(xiàn)爆胎車(chē)輛的穩(wěn)定性控制。此外目前對(duì)爆胎汽車(chē)的研究主要采用直線(xiàn)和彎道的行駛工況，未考慮汽車(chē)加減速和換道等工況，因此還需要對(duì)爆胎汽車(chē)多工況進(jìn)行全面研究。同時(shí)當(dāng)前的爆胎汽車(chē)穩(wěn)定性控制多是從橫擺角速度做為參考的參數(shù)，但是汽車(chē)爆胎后其他參數(shù)也會(huì)發(fā)生變化，例如爆胎汽車(chē)道路偏移量、車(chē)身側(cè)傾角和質(zhì)心側(cè)偏角等，因此采用多參數(shù)對(duì)汽車(chē)爆胎后的穩(wěn)定性控制研究是未來(lái)對(duì)汽車(chē)爆胎后控制的主要研究方向。

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