基于安全制动的自动档汽车爆胎控制系统设计

王爱国，李 源

（ 1.安徽机电职业技术学院，安徽 芜湖 241000；2.合肥工业大学，安徽 合肥 230093；

3.昆明冶金高等专科学校，云南 昆明 650033 ）

【土木工程与机械工程】

基于安全制动的自动档汽车爆胎控制系统设计

王爱国1，2，李 源3

（ 1.安徽机电职业技术学院，安徽 芜湖 241000；2.合肥工业大学，安徽 合肥 230093；

3.昆明冶金高等专科学校，云南 昆明 650033 ）

在分析现有的降低高速爆胎危害控制技术基础上，设计出新的爆胎控制系统。当汽车发生爆胎时，控制器接收胎压信号和横摆角速度信号，通过语音操作提示、灯光等，提醒本车驾驶员和其他车辆注意；通过断油、降档和分阶段制动，实现安全制动。

自动档； 安全制动； 爆胎； 控制系统

汽车在行驶时，尤其在高速公路上行驶，如果发生车轮爆胎（特别是前轮），将会发生方向失控、侧翻等现象，导致严重的交通事故。为了解决这一课题，相关学者和技术人员进行了大量研究，也取得了丰富的成果，具体有以下几类。第一类是改变轮胎结构，将轮胎变为多胎结构，或在轮胎内部的轮毂上安装填充物，即使发生爆胎了，也会短暂维持车辆行驶。此类技术的弊端是轮胎结构复杂，如果是多胎结构，还将很难保证每个胎的气压是相等的，导致整个轮胎磨损不均匀；如果在轮毂上安装填充物，将增加车轮转动惯量，动平衡也需要重新调整。第二类是一个轮胎发生爆胎时，控制装置迅速将同轴的另一个轮胎刺破，保证两个轮胎的滚动半径是一样的，减少车辆跑偏。此类技术的弊端是控制复杂，而且在轮胎完好的情况下，可能发出错误信号或错误指令，刺破好的车轮，反而导致重大事故。第三类是在爆胎时，通过引爆火药迅速给爆胎充气。此类技术的弊端是增加车轮质量和动不平衡，而且一旦爆胎，很难通过充气来维持车辆平衡。第四类是爆胎时，采用方向自锁装置，避免车辆跑偏。此类技术的弊端是同轴的两个车轮的转动半径不一样（爆胎后），如果将转向锁死后，将会导致向一个方向跑偏。故此技术处于表象研究阶段，研究成果很少，而且没有救助功能。第五类是爆胎时，控制装置将爆胎信号送到中央控制单元，控制刹车并直至停车，此类技术的弊端是减速度过大，汽车的方向稳定性不好。第六类是爆胎时，通过雷达测速，判断后方的车辆距离，进而决定是否制动，但是，在发生爆胎时，发生碰撞的事故主要是在前方，而不是后方。

1.高速爆胎控制原理

当爆胎时，尤其是前轮爆胎时，驾驶员要紧握方向盘，保持方向稳定，然后抢“低档”，利用发动机进行制动，直至车速降下来。在车速较高时，如果没有应急制动压力调节装置，不能踩下制动踏板。理论上虽然如此，但是发生高速爆胎时，驾驶员（尤其是经验不足的驾驶员）将很难做到这一点，因此高速爆胎大部分都将发生事故。本文以自动档汽车为研究基础（目前，在乘用轿车中，自动档汽车在

美国和日本等发达国家所占比例达90%以上，在中国的比例也在逐年提高），利用控制装置实现上述方法，并且增加制动压力调节装置，根据前方障碍物的距离，调节制动力，从而实现爆胎时平稳、快速停车目的。

2.基于安全制动的自动档汽车爆胎控制系统

2.1.总体设计思路

在汽车本身部件的基础上，控制装置主要部件包括胎压监测装置、单片机、横摆角速度传感器、雷达测距传感器、语音操作提示系统等。当汽车发生爆胎时，胎压将骤然降低，此时胎压监测装置将判断为爆胎，并将爆胎信号采用无线传送的方式传送到单片机。如果发生爆胎，汽车的横摆角速度将发生急变，单片机同时也接收横摆角速度传感器信号。单片机只有在接收到胎压监测的爆胎信号和横摆角速度急变时，才判断车轮爆胎，避免因误判而造成事故。在确定为爆胎后，单片机控制双闪信号灯工作和制动灯闪烁，提醒后方车辆驾驶员注意：前方车辆发生异常，注意避让；单片机也同时通过语音操作提示系统，指挥驾驶员进行具体的操作，避免驾驶员误操作。单片机还将爆胎信号送到中央控制单元，中央控制单元接到爆胎信号后，立即送出三路信号，第一路信号送到发动机控制单元，让发动机停止供油；第二路信号送到自动变速器控制单元，根据实际车速大小，让发动机强制降档，利用发动机进行制动；第三路信号送到制动系统控制单元，让爆胎车轮失去制动力，对与爆胎同轴的另一个车轮实施适当制动，制动的结果是维持爆胎前的行驶方向，当车速降到一定数值时，或者与前车和障碍物小于安全值时，对剩下的两个车轮也实施制动，确保方向稳定和快速停车。

2.2.具体设计过程

本控制系统的装置主要由左前轮胎压监测、右前轮胎压监测、左后轮胎压监测、右后轮胎压监测、横摆角速度传感器、雷达测距传感器、单片机、语音操作提示系统等，需要利用到汽车本身的装置有车速传感器、4个车轮转速传感器、制动系统控制单元、自动变速器控制单元、发动机控制单元、中央控制单元、双闪信号灯、制动灯等，如图1所示

图1 基于安全制动的自动档汽车爆胎控制系统

每个轮胎上安装一个胎压监测装置，当胎压快速降低时，则胎压监测装置判断为爆胎，胎压监测装置利用无线传输的方式，将胎压监测到的爆胎信号送到单片机，单片机接收到该信号时，需要通过横摆角速度信号进行确认。只有上述两个信号都判断为爆胎发生时，单片机才确认汽车真正的发生爆胎事故。然后，单片机通过a端口给双闪信号灯送出信号，让左右转向灯工作；通过b端口给制动灯送出周期性信号，让制动灯闪烁，双闪和闪烁的制动灯同时工作，可以更有效的提醒后方车辆驾驶员：

前方车辆出现异常情况，控制车距并随时停车。一旦发生爆胎，驾驶员很可能出现慌张状况，因处理不当将进一步加重事故的危害性。因此当车速≥60km/h时，单片机通过c端口给语音操作提示系统送给信号，语音系统将发出“车辆爆胎、握紧方向盘、轻踩刹车”；当车速＜60km/h时，语音系统发出“握紧方向盘、踩下刹车”，增加制动力，引导驾驶员正确操作。

另外，单片机通过d端口给中央控制单元送出爆胎信号，中央控制单元获得信号后，同时送出三路信号：第一路信号送给发动机控制单元，由发动机控制单元切断喷油器线圈供电，发动机停止供油，切断发动机动力源（经试验证明，汽车滑行时，断油后的方向盘还是可以自由转动的）；第二路信号送到自动变速器控制单元，控制档位的变化；第三路信号送到制动系统控制单元，控制制动力的变化。第二路信号送到自动变速器控制单元的控制示意图如图2所示，控制自动变速器内部的离合器、单项离合器和制动器等，实现降档处理。当车速≥60km/h时，控制单元将自动变速器强制降到3档；当60km/h＞车速≥40km/h时，控制单元将自动变速器强制降到2档；当车速＜40km/h时，控制单元将自动变速器强制降到1档，直至停车。通过以上的降档处理，实现发动机制动，减少驱动轴的转速，将车速快速而稳定的降下来。

图2 安全制动中的降档控制系统

第三路信号送到制动系统控制单元的控制示意图如图3所示。现代汽车ABS是标配，部分汽车升级到了ESP（电子横向稳定系统），所以每个车轮都安装了轮速传感器、制动轮缸进油电磁阀和出油电磁阀。当制动系统控制单元接收到爆胎信号后，将发生爆胎的制动缸进油电磁阀关闭、出油电磁阀打开，让该轮胎失去制动力。同时将发生爆胎的同轴另一个轮胎的进油电磁阀和出油电磁阀周期性的打开和关闭，对该轮胎实施制动力，制动强度是维持发生爆胎前的横摆角速度。如果爆胎之前车辆是直线行驶，则横摆角速度为零，如果发生爆胎时车辆在转弯，则制动强度维持车辆在该横摆角速度上。当车速＜60km/h时，或者与前面车辆和障碍物小于安全距离时，对剩下的两个车轮也实施制动，制动的方式是按照车辆本身ABS控制方式进行，也即通过进油电磁阀和出油电磁阀周期性的启闭，实施制动，制动的滑移率控制在15%～25%之间。

图3 安全制动中车轮制动力控制系统

3.总结

本系统在高速爆胎发生时，实现以下功能：制动灯闪烁、双闪工作，警示后方车辆；语音提醒驾驶员进行正确操作；控制自动变速器抢“低档”，从高档降到3档、2档、1档，利用发动机制动；同时根据车速和车辆前方障碍物的距离大小，对没有发生爆胎的轮胎分别实施制动，与爆胎同轴的轮胎制动强度是维持车辆运行稳定，如果另外两个轮胎需要制动，则制动强度按照ABS控制强度进行，并且发生爆胎的车轮始终没有制动力。通过以上控制设置，实现基于安全制动的高速爆胎控制，从而达到：即使驾驶经验不足的驾驶员，也能实现爆胎时的稳定控制，将爆胎危害降到最低程度。

另外，对于手动档汽车在高速行驶发生爆胎时，可以参考自动档汽车控制方式进行设计。如果去除降档控制，则自动档汽车的高速爆胎控制方式可以直接应用到手动档汽车高速爆胎控制中。

[1] 王爱国，马玲，倪晋挺，等.基于安全制动的自动挡汽车爆胎控制系统及方法[P].中国.ZL201510159707.1，2015.08.12.

[2] 付百学.汽车电子控制技术[M].北京：机械工业出版社，2010.

[3] 李学智，陈庆樟，许广举.轮胎压力监测与爆胎控制研究[J].中国农机化学报，2015，36（5）：184-187.

[4] 麻友良，卢荡，宋晓明，等.爆胎轮胎动态特性试验研究报告[R].长春：吉林大学汽车动态模拟国家重点实验室，2010.

[5] 李瑞，程亚楠.一种改进的C4.5算法[J].科学技术与工程，2010，10（27）：70-74.

Design of Control System of AT Based on Safety Brake After the Blow-out

WANG Aiguo1,2, LI Yuan3
( 1. Anhui Technical College, Wuhu, Anhui 241000, China; 2. Hefei University of Technology, Hefei, Anhui 230009, China; 3. Journal of Kunming Metallurgy College, Kunming, Yunnan 650033, China )

Based on analysis on existing control technique for reducing the damages of tire burst on high way, the new tire burst control system is designed. In case of tire burst, the controller will receive signals of tire pressure and yaw velocity. Through voice operation tip and lamplight, the driver is warned of paying attentions to other vehicles to realize safe braking through fuel cut, downshift and grading braking.

automatic transmission, safety arrestment, tire burst, control system

U461

A

1673-9639 (2016) 04-0117-04

（责任编辑 佘彦超）（责任校对 毛 志）

2016-03-12

2014安徽省优秀人才基金项目；安徽省自然科学基金重点项目（KJ2016A138）。

王爱国（1976-），男，安徽合肥人，副教授，博士研究生，研究方向：控制技术。