李蒙恩，張彥會

(廣西科技大學機械與交通工程學院，廣西柳州 545006)

0 引言

隨著我國經濟的快速發(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成為每個家庭必不可少的代步工具，城市之間的交流也越來越密切，隨著道路上汽車數量的增加以及行駛速度的不斷提高，導致發(fā)生交通事故的頻次在不斷增加。據交通管理部門相關數據顯示，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49%[1]。更值得人們注意的是，當車速超過130 km/h發(fā)生爆胎時，車內人員的死亡率更是達到驚人的100%。由此可見，爆胎產生的后果無法預見，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社會的關注，因此非常有必要對汽車在行駛中的爆胎工況進行研究。下面將從汽車爆胎的原因、汽車爆胎的預防、汽車爆胎的穩(wěn)定性控制這3個方面來對爆胎汽車研究現狀進行分析。

1 車輛爆胎的原因

隨著我國經濟的飛速發(fā)展，國家越來越重視交通運輸，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)與制造技術高速發(fā)展，相比于過去，目前由我國所研制的汽車，其各項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。經過一番查閱相關資料后，文中將汽車爆胎的原因分為外部原因與內部原因，歸納如下[2-4]：

(1)道路條件導致爆胎：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，當汽車在凹凸不平的路面行駛時，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致汽車爆胎。

(2)氣溫過高導致爆胎：溫度對輪胎的使用壽命影響很大，當汽車在溫度較高的條件下行駛時，輪胎會因為受熱膨脹的原理發(fā)生變形，時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，輪胎胎壓會因為胎內難以及時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)超載或超速導致爆胎：由于輪胎結構和材料的不同，對汽車有一定的速度級別與承載能力的限制，目前在國內，汽車超載和超速危險行駛的情況非常普遍。當汽車的實載質量超過車輪的最大允許載荷時，輪胎內氣壓增高，容易引發(fā)爆胎；而長時間超速行駛輪胎會產生急劇升高的溫度，加速橡膠材料的老化，輪胎使用壽命變短，最壞的結果可能是在行駛的過程中發(fā)生爆胎。

(4)胎壓異常導致爆胎：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，輪胎內部的簾布層會受到過大的張力，一旦受到沖擊，容易將側壁撕裂導致爆胎;當行駛的汽車胎壓不足時，折彎脈動應力便會出現在輪胎側壁且其數值較大，此應力會使輪胎的薄弱處發(fā)生爆胎。經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遠嚴重于胎壓過高。

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

2 汽車爆胎的預防

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行實時的輪胎胎壓監(jiān)測，一旦系統(tǒng)監(jiān)測到某個輪胎胎壓異常時便會通過儀表板上的顯示屏及車內聲響系統(tǒng)進行報警，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與汽車電子技術相結合的汽車主動安全技術產品。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輪胎上的高靈敏度微型無線傳輸裝置，實時精確測量出每個輪胎靜止或者行駛時的壓力和溫度，并將監(jiān)測到的數據及時地傳輸到儀表臺上的顯示屏，并由顯示屏以數字化的形式顯示相關數據，當胎壓監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測到任一輪胎的數據與正常值有一定差距時，它便會在駕駛位置醒目的地方顯示警示語向駕駛員通報車輛運行情況。更高端的汽車可能會有人工智能提示，使車輛情況及時通報駕駛員，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壓力與胎內溫度的傳感器置于輪輞上，由于車輪轉動速度時快時慢，所以對輪胎上的傳感器電量供應便成為一項問題，只能通過技術盡量減小其能源消耗速度，讓其工作時間更加持久。隨著電子技術與傳感器技術的飛速發(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，因此美國前總統(tǒng)克林頓簽署了國會關于修改聯邦運輸法的提案,TPMS將作為美國汽車廠商在2003年11月以后生產的新車上一項將標準配置。這一提案在美國國家公路交通安全管理局得到了實施，并且制定了一項聯邦機動車輛安全標準(Federal Motor Vehicle Safety Standards，FMVSS):No.138所有新的輕型汽車上必須強制安裝輪胎胎壓監(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先警報作用，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安全控制系統(tǒng)進行研究，而胎壓監(jiān)測技術的快速發(fā)展已經為爆胎后汽車穩(wěn)定性控制系統(tǒng)研究奠定了一定的基礎。

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，研究人員在充氣輪胎的基礎上研發(fā)出人們所熟知的防爆輪胎，也稱之為零胎壓續(xù)行輪胎，學名為 “泄氣保用輪胎”，此型充氣輪胎的各項安全性能都得到了一定的提高。防爆輪胎結構圖如圖3所示，如表4所示。

圖 3 防爆輪胎結構圖

優(yōu)點:(1)堅固性∶研究人員研制出納米技術研制的天然可再生膠，防爆胎堅固的主要原因就是其側壁面比普通胎要多一層這種膠，因此防爆胎的堅固性遠遠高于普通輪胎。(2)耐磨性:當正在行駛的汽車發(fā)生爆胎現象，裝有普通輪胎的汽車這時候可能寸步難行，甚至釀成車禍等嚴重后果。而裝有防爆胎的汽車不會當場發(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行維修。

缺點：防爆胎的安全系數肯定高于普通胎，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，這種基于仿生學研制的蜂巢形支撐結構輪胎具有優(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，2008年以來趙又群科研團隊對非充氣型安全輪胎進行研究，并設計出了一種非充氣型機械彈性安全車輪(圖5)。此輪胎的設計理念與傳統(tǒng)輪胎有一定區(qū)別，彈性車輪外圈和輪轂的非充氣結構由鉸鏈組進行連接，機械結構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與抗扎刺等優(yōu)點。其結構主要由銨鏈組、懸轂和鞣輪構成[11]。

圖5 機械彈性安全車輪

3 汽車爆胎后的控制

3.1 爆胎控制的研究現狀

汽車爆胎是一個瞬態(tài)非線性變化且不可預測的復雜過程,輪胎特征各項參數的變化會因胎內壓力的變化而變化，主要是輪胎側偏角、輪胎剛度(徑向剛度、縱向剛度)以及輪胎的有效滾動半徑等，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，會對汽車的轉向、制動造成嚴重的影響，由于同軸的爆胎輪與非爆胎輪動力學特性差異明顯，使得汽車的橫向、縱向均出現力學上的不平衡，致使汽車出現側傾、橫擺、側向加速度激增危險現象[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重的交通事故，汽車主動安全系統(tǒng)逐漸成為研究熱點，國內外一些學者也因此對爆胎車輛的主動控制方面進行了一系列深入研究。1994年，PATWARDHAN等學者提出了一種方案，通過對爆胎輪胎的同軸異側輪胎進行主動爆胎控制，減少爆胎后因車輪不平衡產生的橫向位移，當安裝在輪胎上的傳感器檢測到爆胎時，控制器會主動施加一個與爆胎產生的轉向趨勢相反的轉向力，以抑制車輛的偏航，這就對執(zhí)行器的反應速度有較高的要求，以提高控制實施的反應時間[13]。2015年馬韜等人設計了一種基于胎壓監(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行實時監(jiān)測，當汽車發(fā)生爆胎時，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)生器產生大量氣體對爆胎輪胎快速充氣，最終達到車輛安全行駛的目的。隨著車輛系統(tǒng)的復雜度加大，僅僅考慮輪胎是遠遠不夠的，國內外研究機構開始從底盤、車身懸架等方面對爆胎車輛進行控制。通過對底盤、懸架進行分析，并建立爆胎整車模型，最終采取制動、轉向的方法對爆胎車輛進行控制[14]。2009年ARNDT通過對實車進行實驗，發(fā)現常規(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車輪的垂向載荷轉移,使控制器產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)定性控制效果進行了研究，單純的電子穩(wěn)定控制效果不是很理想,進而基于ESP提出了爆胎汽車的差動制動控制策略，并且利用CarSim與Simulink聯合仿真，驗證了該控制方法的可行性[16]。2018年江西理工大學的葉濤基于現有的穩(wěn)定性控制系統(tǒng)設計了一種差動制動控制系統(tǒng)，對爆胎汽車進行主動安全控制改善其動力學響應。2019年桂林電子科技大學的劉維等對爆胎汽車的模糊滑?？刂扑惴ㄟM行研究，主要是通過理想狀態(tài)下的橫擺角速度與實際值作比較以及理想狀態(tài)下質心側偏角與實際值作比較,其差值作為控制器的輸入,最終使實際的橫擺角速度與質心側偏角更加接近理想狀態(tài),保持汽車的運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汽車發(fā)生爆胎時，利用控制器計算出理想行駛狀態(tài)下的橫擺角速度與汽車爆胎后車輛實際的橫擺角速度的差值，理想行駛狀態(tài)下的質心側偏角與汽車爆胎后車輛實際的質心側偏角的差值。將這兩個參數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數值,然后通過主動轉向或差動制動方法來實現爆胎汽車的穩(wěn)定性控制。

3.2.1 基于主動轉向控制模式

電動助力轉向系統(tǒng)由齒輪齒條轉向器、離合器、電動機、減速機構、轉矩傳感器及車速傳感器等組成[18]，其系統(tǒng)結構圖如圖6所示。

圖6 主動轉向系統(tǒng)結構圖

當正在行駛的汽車發(fā)生爆胎時，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行控制，輸出為方向盤的轉角。爆胎時首先產生一個與方向盤轉動相反方向的轉角進行系統(tǒng)補償，這樣可對爆胎后發(fā)生角度變化的方向盤進行修正，并由電動助力轉向系統(tǒng)計算出補償轉向盤轉角所對應的車輛前輪轉角。對爆胎車輛軌跡成功糾偏的前提就是經過控制的前輪轉角恢復到正常范圍內。又因為控制類型屬于主動控制,在對爆胎汽車方向控制的過程中全程由控制器控制完成,所以將電動助力轉向系統(tǒng)的這種控制模式稱為對爆胎車輛的主動糾偏控制。

3.2.2 基于差動制動控制模式

整體的差動制動控制分為兩個步驟:第一是系統(tǒng)接收到爆胎信號后，控制器開始計算出能抵消沖擊力矩的附加橫擺力矩，通過產生一個附加橫擺力矩抵消爆胎所導致沖擊力矩;第二便是由控制器計算出制動力，并將制動力分配至不同的車輪，實現差動制動[19-20]。系統(tǒng)最終輸出為各個車輪上不同的制動力矩，差動制動控制的結構框圖如圖7所示。

圖7 差動制動控制系統(tǒng)圖

爆胎會對行駛的汽車帶來嚴重的沖擊作用，目前的想法是通過引入一個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)產生一個與沖擊力矩相反的力矩,從而保持爆胎汽車行駛的穩(wěn)定。目前應用較多的是采用PID控制算法對所需要的附加橫擺力矩進行決策[21]，原理如圖8所示，并將PID控制與模糊控制相結合，設計模糊PID控制器，原理如圖9所示，控制器的輸入為爆胎后實際車輛行駛狀態(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 模糊控制器結構圖

圖10 模糊PID控制流程圖

4 總結與展望

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)和對輪胎結構的重新設計只能對汽車爆胎起到一定的預防作用,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力矩的差動制動控制以及通過控制器補償方向盤轉角的主動轉向控制。這兩種控制都可以在汽車爆胎后將汽車質心側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，使爆胎后的汽車迅速恢復穩(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行全面綜合的研究。同時當前的爆胎汽車穩(wěn)定性控制大多是從橫擺角速度和質心側偏角作為參考的參數﹐缺乏一定的準確性，但是在汽車爆胎后車輛的整體參數都發(fā)生變化，例如車輪有效滾動半徑、垂向載荷、爆胎汽車道路偏移量、車身側傾角等輪胎參數與車身姿態(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將是未來對汽車爆胎后控制的主要研究方向。