李沖天，王莎莎，馬 磊

（陜西汽車集團股份有限公司，陜西 西安 710200）

爆胎應(yīng)急安全裝置分電子式與機械式，目前市場上應(yīng)用最廣的是機械式爆胎應(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、制動防抱死系統(tǒng)、安全氣囊后第四代安全保護裝置系統(tǒng)。許權(quán)威等認為其工作原理是把真空輪輞的凹槽或斜面填補起來，在車輛發(fā)生爆胎事故后，該裝置會阻止輪胎胎唇向凹槽滑移，這樣輪胎就不會和輪輞脫離，保證車輛對地面的有效附著力；有效減少車輛爆胎后的高度差，增加爆胎輪的支撐高度，減少側(cè)傾力，使車輛行駛方向持續(xù)可控；同時增大爆胎輪的滾動阻力，有效保證了爆胎后車輛的轉(zhuǎn)向性能。

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

1 影響爆胎后汽車操穩(wěn)性的力學(xué)因素

爆胎后輪胎（因機械式爆胎應(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，相對大氣胎壓差為零。根據(jù)零胎壓輪胎力學(xué)特性試驗研究，輪胎的滾動阻力系數(shù)增大為正常輪胎的10～30倍。即爆胎輪胎的滾動阻力系數(shù)比正常輪胎大10～30倍，根據(jù)汽車?yán)碚摑L動阻力系數(shù)與滾動阻力，關(guān)系式=，則車輛同軸上爆胎輪胎滾動阻力是正常輪胎滾動阻力的10～30倍，此差值作用下會產(chǎn)生偏向爆胎輪胎的一個附加的橫擺力矩。

同時，零胎壓輪胎力學(xué)特性試驗研究表明，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%，此差值作用下還會產(chǎn)生一個附加的橫擺力矩。

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

2 機械式爆胎應(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，具有保護胎體的作用，是輪胎磨損最大部分，為車輛提供驅(qū)動力、制動力和轉(zhuǎn)向力等；胎側(cè)的主要功能是吸收路面的沖擊和振動；胎肩是胎側(cè)和胎冠的過渡區(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，可承受輪胎充氣后所受的應(yīng)力，保護胎圈鋼絲，發(fā)揮包膠緊固作用，在充氣狀態(tài)下，與輪輞箍緊。

2.2 爆胎試驗與道路事故機理分析

汽車高速彎道爆胎試驗研究表明，在車速120 km/h，車輛發(fā)生爆胎后2 s左右，車輛很難控制，為維持車輛在行駛通道內(nèi)行駛，需要進行大角度的方向盤修正，由于左后與右后車輛穩(wěn)定性較差，車輛有沖出車道的危險。但同時也表明，爆胎是可以控制的。

道路交通事故（指汽車主動性爆胎）表明，（1）車輛的運動軌跡一般都會在爆胎點處發(fā)生突然的偏轉(zhuǎn)，爆胎會有明顯的路面損傷痕跡；（2）爆胎輪胎失壓后，其輪輞通過胎冠直接和路面接觸，劃傷和戳破道路路面，同時輪輞與輪胎內(nèi)側(cè)剮蹭碾壓，在輪胎內(nèi)部，會形成明顯的條狀壓痕；（3）會有逐漸變寬或變窄的地面?zhèn)然?，車輛偏離原行駛方向相對地面做橫向滑移運動，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，側(cè)滑印的寬度越大，與此對應(yīng)的對邊輪胎的印跡則越來越淡，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)致車輛自動轉(zhuǎn)彎；（4）會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圓周方向，爆胎后輪輞直接承載車輛重量，嚴(yán)重時會造成輪輞圓周性損傷，輪輞與輪胎內(nèi)壁接觸，輪輞會在輪胎內(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)致車輛突然地偏轉(zhuǎn)等情況發(fā)生，爆胎事故很多沒有被控制住。

2.3 爆胎附加橫擺力矩建模分析

建立車輛在良好水平路面爆胎時，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為車輛質(zhì)心；、為前后車軸距汽車質(zhì)心的距離；為汽車輪距；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)，在地面上滾動時，輪胎各組成部分橡膠、簾線等物質(zhì)分子間的相互摩擦，滾動阻力以機械能轉(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。據(jù)試驗結(jié)果表明，滾動阻力增大了三十倍，回正力矩在試驗結(jié)果中沒有相應(yīng)數(shù)據(jù)顯示變化，因此，由滾動阻力產(chǎn)生的縱向力矩可以在分析車輛操縱穩(wěn)定性時忽略。

根據(jù)汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作原理，汽車轉(zhuǎn)彎行駛時作用在轉(zhuǎn)向盤上操縱力矩為

式中，為轉(zhuǎn)向車輪的轉(zhuǎn)向阻力距；為施加在轉(zhuǎn)向盤上的手力；為轉(zhuǎn)向系力傳動比；為轉(zhuǎn)向盤半徑；為轉(zhuǎn)向系傳動效率。

爆胎時，

為施加在轉(zhuǎn)向盤上的手力，將式（8）代入式（6）中

而未爆胎時施加在轉(zhuǎn)向盤上的手力為

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

在國家標(biāo)準(zhǔn)《汽車轉(zhuǎn)向系基本要求》（GB 17675—2021）4.1.1中規(guī)定：在車輛轉(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上的手力增加量不大于25 N。

2.4 實車試驗機械式爆胎應(yīng)急安全裝置可控性

在國家汽車試驗場進行不同車型不同車速爆胎應(yīng)急安全裝置可控性試驗：M客車車速80 km/h直線行駛爆胎制動試驗、N貨車爆胎后繞S樁試驗、N貨車車速80 km/h彎道制動試驗，如圖3—圖5所示。

按照GB/T 38796—2020汽車爆胎應(yīng)急安全裝置性能要求和試驗方法，以國內(nèi)某品牌爆胎應(yīng)急安全裝置進行直線80 km/h、彎道制動50 km/h和繞樁行駛試驗等實車試驗，爆胎后的安全性能試驗結(jié)果如表1所示。

試驗證明安裝機械式爆胎應(yīng)急安全裝置的車輛在爆胎后輪輞凹槽被封閉，胎圈未滑入凹槽，輪胎通過自身厚度及韌性形成橡膠墊層使輪轂不會著地。施于方向盤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，達到國標(biāo)GB/T 38796—2020要求，轉(zhuǎn)向盤的外緣切向力增量小于50 N；試驗結(jié)果表明了爆胎附加橫擺力矩模型的可行性，車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

通過上述的分析和試驗驗證，可以對機械式爆胎應(yīng)急安全裝置工作原理得出以下結(jié)論：

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

（2）機械式爆胎應(yīng)急安全裝置在爆胎時通過封閉輪輞凹槽，維持了輪胎通過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)致的輪轂著地及車輛操穩(wěn)性進一步惡化，保持了爆胎輪胎的性能穩(wěn)定及傳遞給轉(zhuǎn)向盤力的大小可控。駕駛員和具有機械式爆胎應(yīng)急安全裝置的車輛作為一個控制回路，在爆胎擾動而導(dǎo)致事故即將發(fā)生時，對駕駛員要求不高地控制了車輛，實現(xiàn)了爆胎時的應(yīng)急安全。