關(guān)于爆胎汽車研究綜述

張騫 劉樹偉

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，所以對爆胎的預(yù)防和爆胎后的應(yīng)對措施的研究是十分必要的。為了更好的研究汽車爆胎這一現(xiàn)象，本文首先分析汽車爆胎的原因，然后分別從防爆措施研究和爆胎仿真以及爆胎后汽車控制這兩方面進行了分析。

關(guān)鍵詞：爆胎 防爆 仿真 控制

1 引言

隨著人們在各個城市之間交流的越來越頻繁，汽車和高速公路已經(jīng)成為了人們出行重要的部分，但是人們又不得不面對由于汽車在高速行駛時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，當(dāng)汽車的速度超過130km/h時，出現(xiàn)爆胎后的死亡率為百分之百。因此對爆胎事故的預(yù)防和爆胎后的應(yīng)對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)防和對爆胎仿真控制這三個方面對這一領(lǐng)域進行論述。

2 爆胎的原因

爆胎的原因可以分為以下幾點：

（1）高速行駛導(dǎo)致爆胎：從原理上來講輪胎接地時形狀發(fā)生了改變，當(dāng)這部分輪胎從地面離開的時候，輪胎就開始復(fù)原，從變形到復(fù)原需要一個過程，當(dāng)汽車飛速行駛的時候，車輪轉(zhuǎn)速過快，轉(zhuǎn)一圈的時間可能還沒有復(fù)原時間多，所以處于變形狀態(tài)的車胎再次受到擠壓即“駐波”現(xiàn)象，從而使該部分由于較大變形產(chǎn)生高溫。輪胎溫度過高使簾布層脫落，并使胎面凹槽及胎肩出現(xiàn)裂紋、簾線斷開、胎肩磨耗加劇最終造成輪胎滾動阻力增加形成爆胎。（2）胎內(nèi)壓力導(dǎo)致爆胎：當(dāng)輪胎壓力過低時，由于輪胎較軟，輪胎兩邊較中間磨損嚴重，進而磨損不均勻，在車輛行駛的過程中，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)輪胎壓力過大時，輪胎受到的載荷比正常胎壓下受到的載荷大，內(nèi)應(yīng)力也會隨之變大，輪胎的簾布層受的張力就會變大，加劇了簾布層的損壞，一旦受到較大的沖擊，就會發(fā)生爆胎。（3）輪胎老化及高溫導(dǎo)致爆胎：由于輪胎時間過長磨損嚴重導(dǎo)致輪胎老化，在遇到高溫路面就會促使胎內(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，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)在汽車廠往往在輪胎的內(nèi)部裝上胎壓傳感器來實時的監(jiān)控輪胎內(nèi)部的壓力和溫度即胎壓監(jiān)測系統(tǒng)（TPMS：Tire Pressure Monitoring System），并在出現(xiàn)異常的情況及時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：第一類充氣式安全輪胎[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、通過加厚胎壁的支撐式輪胎、將輪胎內(nèi)部由一個腔室改為多個腔室的多腔室式輪胎。第二類就是非充氣式輪胎[3]，非充氣式輪胎是將輪胎和輪輞做為一個整體，輪胎和輪輞之間采用不同的支撐結(jié)構(gòu)來連接，從而達到支撐、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輪轂接地加劇車輛的偏移。

4 整車爆胎實驗建模及控制的研究現(xiàn)狀

因為實車的爆胎實驗成本高和危險系數(shù)大等缺點，所以必須要利有計算機建立精確的爆胎車輛模型為基礎(chǔ)才能進行之后的研究。國外國內(nèi)學(xué)者們對爆胎汽車做了大量的實驗進而研究爆胎后的輪胎特性的變化和爆胎車輛的運動軌跡。1999年Fay，R.J.對不同車速下汽車輪胎胎面帶束層出現(xiàn)問題時汽車拖拽行駛及轉(zhuǎn)向響應(yīng)進行了研究[5]。William Blythe等人假設(shè)爆胎持續(xù)時間為100ms，根據(jù)相應(yīng)的參數(shù)變化建立了爆胎車輛模型，然后研究駕駛員以不同的方向盤轉(zhuǎn)角和制動踏板力對爆胎車輛的影響[6]。2005年Zbigniew Lozia在研究中建立了多自由度的爆胎車輛模型，并分析了車輛爆胎過程中的輪胎載荷轉(zhuǎn)移、汽車橫擺角速度，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)車輛爆胎后動態(tài)響應(yīng)[8、9]。2017年Vichare A利用重型商用車爆胎時的輪胎力學(xué)參數(shù)的變化，建立了整車爆胎模型并在不同的路面條件下對爆胎車輛進行仿真分析[10]。而國內(nèi)相對來說對爆胎方面的研究起步較晚。2007年至2010年吉林大學(xué)郭孔輝院士團隊在輪胎方面研究做出了巨大貢獻，其團隊的盧蕩借助吉大汽車動態(tài)模擬國家重點實驗室進行了不同胎壓的輪胎側(cè)偏試驗，通過分析胎壓對輪胎特性的影響并改進了UniTire模型，對不同胎壓下輪胎回正力矩和側(cè)偏力做了預(yù)測[11、12]。同團隊的王英麟對爆胎后的輪胎特性變化進行了大量的實驗，并將實驗數(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，同時將爆胎模型與Carsim軟件進行聯(lián)合仿真，研究了爆胎汽車的動力學(xué)響應(yīng)[13]。2016年吉林大學(xué)的高元偉則是在爆胎車輛動力學(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模型，對駕駛員干預(yù)包括駕駛員的誤操作下的爆胎動力學(xué)進行了分析[14]。2018年東南大學(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軟件進行聯(lián)合仿真研究了不同路表特性參數(shù)對爆胎車輛運動方式的影響[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爆胎動力學(xué)模型[16]。

國內(nèi)外學(xué)者在爆胎建模基礎(chǔ)上對汽車爆胎穩(wěn)定性控制進行了大量的研究，其主要原理就是當(dāng)汽車發(fā)生爆胎時利用理想狀態(tài)下的橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角與爆胎車輛實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得出附加的橫擺力矩，然后對汽車進行差動制動、主動轉(zhuǎn)向或者差動制動—主動轉(zhuǎn)向協(xié)調(diào)控制的方法來實現(xiàn)整車的穩(wěn)定性控制。2009年Arndt S M通過實車測試，發(fā)現(xiàn)常規(guī)的電子穩(wěn)定性控制系統(tǒng)對爆胎后車輛運動特性發(fā)生突變的穩(wěn)定性控制存在一些不足。例如，電子穩(wěn)定性控制并沒有考慮載荷轉(zhuǎn)移，制動時產(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控制器對于爆胎后車輛的控制效果但是不理想，進而在ESP基礎(chǔ)上提出了爆胎汽車的差動制動控制策略[18]。2012年廣西大學(xué)的張彥紅則是運用模糊控制原理對轉(zhuǎn)向輪進行主動轉(zhuǎn)向控制使爆胎汽車達到不偏航的效果[19]。2013年MO Taiping設(shè)計一種利用滑模控制算法的差速制動控制器，通過調(diào)整爆胎對側(cè)車輪的制動力從而達到穩(wěn)定車身的目的[20]。2018年山東理工大學(xué)的侯秀敏在差動制動—主動轉(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的穩(wěn)定性[21]。

5 結(jié)語

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)警和對輪胎結(jié)構(gòu)的改變，而整車爆胎后汽車穩(wěn)定性控制方法主要是通過調(diào)節(jié)懸架的高度、差動制動、主動轉(zhuǎn)向以及差動制動—主動轉(zhuǎn)向協(xié)調(diào)控制來使汽車爆胎后迅速恢復(fù)穩(wěn)定行駛狀態(tài)。

對于爆胎汽車的研究，大多數(shù)控制方法還是從單一的控制思路出發(fā)，如只進行轉(zhuǎn)向控制無法消除爆胎所帶來的沖擊力矩，只進行差動制動控制卻又無法解決爆胎汽車偏航問題，而差動制動—主動轉(zhuǎn)向協(xié)調(diào)控制可以在汽車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)控制方法實現(xiàn)爆胎車輛的穩(wěn)定性控制。此外目前對爆胎汽車的研究主要采用直線和彎道的行駛工況，未考慮汽車加減速和換道等工況，因此還需要對爆胎汽車多工況進行全面研究。同時當(dāng)前的爆胎汽車穩(wěn)定性控制多是從橫擺角速度做為參考的參數(shù)，但是汽車爆胎后其他參數(shù)也會發(fā)生變化，例如爆胎汽車道路偏移量、車身側(cè)傾角和質(zhì)心側(cè)偏角等，因此采用多參數(shù)對汽車爆胎后的穩(wěn)定性控制研究是未來對汽車爆胎后控制的主要研究方向。

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