关于爆胎汽车研究综述

张骞 刘树伟

摘 要：当今发生的交通事故中，由于爆胎的引起的事故占很大的比例，所以对爆胎的预防和爆胎后的应对措施的研究是十分必要的。为了更好的研究汽车爆胎这一现象，本文首先分析汽车爆胎的原因，然后分别从防爆措施研究和爆胎仿真以及爆胎后汽车控制这两方面进行了分析。

关键词：爆胎 防爆 仿真 控制

1 引言

随着人们在各个城市之间交流的越来越频繁，汽车和高速公路已经成为了人们出行重要的部分，但是人们又不得不面对由于汽车在高速行驶时引起的交通事故的威胁，最近几年在高速公路交通事故中，由于轮胎引起的事故占有大约46%，其中70%以上的事故是由于爆胎引起的[1]。据统计，当汽车的速度超过130km/h时，出现爆胎后的死亡率为百分之百。因此对爆胎事故的预防和爆胎后的应对措施的研究变得尤为重要。下面将从爆胎的原因，爆胎的预防和对爆胎仿真控制这三个方面对这一领域进行论述。

2 爆胎的原因

爆胎的原因可以分为以下几点：

（1）高速行驶导致爆胎：从原理上来讲轮胎接地时形状发生了改变，当这部分轮胎从地面离开的时候，轮胎就开始复原，从变形到复原需要一个过程，当汽车飞速行驶的时候，车轮转速过快，转一圈的时间可能还没有复原时间多，所以处于变形状态的车胎再次受到挤压即“驻波”现象，从而使该部分由于较大变形产生高温。轮胎温度过高使帘布层脱落，并使胎面凹槽及胎肩出现裂纹、帘线断开、胎肩磨耗加剧最终造成轮胎滚动阻力增加形成爆胎。（2）胎内压力导致爆胎：当轮胎压力过低时，由于轮胎较软，轮胎两边较中间磨损严重，进而磨损不均匀，在车辆行驶的过程中，由于内胎和轮辋不断接触，就很容易在轮胎薄弱的地方发生爆胎。当轮胎压力过大时，轮胎受到的载荷比正常胎压下受到的载荷大，内应力也会随之变大，轮胎的帘布层受的张力就会变大，加剧了帘布层的损坏，一旦受到较大的冲击，就会发生爆胎。（3）轮胎老化及高温导致爆胎：由于轮胎时间过长磨损严重导致轮胎老化，在遇到高温路面就会促使胎内压力急速上升，最终导致爆胎。（4）路面条件导致爆胎：当路面有尖锐物体时，轮胎很容易被划伤导致爆胎。

3 防爆胎措施研究现狀

为了防止爆胎引起的交通事故，在爆胎预警方面现在汽车厂往往在轮胎的内部装上胎压传感器来实时的监控轮胎内部的压力和温度即胎压监测系统（TPMS：Tire Pressure Monitoring System），并在出现异常的情况及时的提醒驾驶员做出防范措施。

在轮胎结构上许多的轮胎厂商也做出了相应的轮胎可以分为以下两大类：第一类充气式安全轮胎[2]，包括有在轮胎内部加有一层自封胶体的自密封式轮胎、通过加厚胎壁的支撑式轮胎、将轮胎内部由一个腔室改为多个腔室的多腔室式轮胎。第二类就是非充气式轮胎[3]，非充气式轮胎是将轮胎和轮辋做为一个整体，轮胎和轮辋之间采用不同的支撑结构来连接，从而达到支撑、缓冲和防爆的目的。除此之外，还存在轮辋上固定上支撑结构的辅助支撑轮胎[4]，其目的是防止爆胎汽车轮毂接地加剧车辆的偏移。

4 整车爆胎实验建模及控制的研究现状

因为实车的爆胎实验成本高和危险系数大等缺点，所以必须要利有计算机建立精确的爆胎车辆模型为基础才能进行之后的研究。国外国内学者们对爆胎汽车做了大量的实验进而研究爆胎后的轮胎特性的变化和爆胎车辆的运动轨迹。1999年Fay，R.J.对不同车速下汽车轮胎胎面带束层出现问题时汽车拖拽行驶及转向响应进行了研究[5]。William Blythe等人假设爆胎持续时间为100ms，根据相应的参数变化建立了爆胎车辆模型，然后研究驾驶员以不同的方向盘转角和制动踏板力对爆胎车辆的影响[6]。2005年Zbigniew Lozia在研究中建立了多自由度的爆胎车辆模型，并分析了车辆爆胎过程中的轮胎载荷转移、汽车横摆角速度，轮胎力学等参数变化[7]。2012年到2015年Guo H建立了低自由度整车爆胎模型，但忽略了垂向方向载荷转移，所以建立的模型不能完全反应车辆爆胎后动态响应[8、9]。2017年Vichare A利用重型商用车爆胎时的轮胎力学参数的变化，建立了整车爆胎模型并在不同的路面条件下对爆胎车辆进行仿真分析[10]。而国内相对来说对爆胎方面的研究起步较晚。2007年至2010年吉林大学郭孔辉院士团队在轮胎方面研究做出了巨大贡献，其团队的卢荡借助吉大汽车动态模拟国家重点实验室进行了不同胎压的轮胎侧偏试验，通过分析胎压对轮胎特性的影响并改进了UniTire模型，对不同胎压下轮胎回正力矩和侧偏力做了预测[11、12]。同团队的王英麟对爆胎后的轮胎特性变化进行了大量的实验，并将实验数据总结了一套规律，在郭孔辉院士的UnTire轮胎模型基础上建立爆胎模型，同时将爆胎模型与Carsim软件进行联合仿真，研究了爆胎汽车的动力学响应[13]。2016年吉林大学的高元伟则是在爆胎车辆动力学模型的基础上又添加了驾驶员转向操纵模型和驾驶员制动模型，对驾驶员干预包括驾驶员的误操作下的爆胎动力学进行了分析[14]。2018年东南大学的陈晓则是采用以魔术公式为基础的Pacejka5.2轮胎模型建立爆胎模型，并与Carsim软件进行联合仿真研究了不同路表特性参数对爆胎车辆运动方式的影响[15]。同年叶涛采用Dugoff轮胎模型选用其做为爆胎模型，并且用Matlab中的Simulink建立了七自由度整车爆胎动力学模型[16]。

国内外学者在爆胎建模基础上对汽车爆胎稳定性控制进行了大量的研究，其主要原理就是当汽车发生爆胎时利用理想状态下的横摆角速度和质心侧偏角与爆胎车辆实际的横摆角速度和质心侧偏角的差值作为不同控制器的输入来得出附加的横摆力矩，然后对汽车进行差动制动、主动转向或者差动制动—主动转向协调控制的方法来实现整车的稳定性控制。2009年Arndt S M通过实车测试，发现常规的电子稳定性控制系统对爆胎后车辆运动特性发生突变的稳定性控制存在一些不足。例如，电子稳定性控制并没有考虑载荷转移，制动时产生的横摆力矩效率低，从而影响控制效果[17]。同年湖南大学黄江首先研究了ESP控制器对于爆胎后车辆的控制效果但是不理想，进而在ESP基础上提出了爆胎汽车的差动制动控制策略[18]。2012年广西大学的张彦红则是运用模糊控制原理对转向轮进行主动转向控制使爆胎汽车达到不偏航的效果[19]。2013年MO Taiping设计一种利用滑模控制算法的差速制动控制器，通过调整爆胎对侧车轮的制动力从而达到稳定车身的目的[20]。2018年山东理工大学的侯秀敏在差动制动—主动转向控制协调控制策略基础上利用了复合转向阻尼器，从而保证了爆胎汽车的稳定性[21]。

5 结语

综上所述，爆胎主要是由高速行驶、胎内压力、轮胎老化及高温、路面条件引起的。防爆措施目前主要包括胎压预警和对轮胎结构的改变，而整车爆胎后汽车稳定性控制方法主要是通过调节悬架的高度、差动制动、主动转向以及差动制动—主动转向协调控制来使汽车爆胎后迅速恢复稳定行驶状态。

对于爆胎汽车的研究，大多数控制方法还是从单一的控制思路出发，如只进行转向控制无法消除爆胎所带来的冲击力矩，只进行差动制动控制却又无法解决爆胎汽车偏航问题，而差动制动—主动转向协调控制可以在汽车爆胎后将横摆角速度和偏航距离都控制在很小的变化范围内，因此需要多采用协调控制方法实现爆胎车辆的稳定性控制。此外目前对爆胎汽车的研究主要采用直线和弯道的行驶工况，未考虑汽车加减速和换道等工况，因此还需要对爆胎汽车多工况进行全面研究。同时当前的爆胎汽车稳定性控制多是从横摆角速度做为参考的参数，但是汽车爆胎后其他参数也会发生变化，例如爆胎汽车道路偏移量、车身侧倾角和质心侧偏角等，因此采用多参数对汽车爆胎后的稳定性控制研究是未來对汽车爆胎后控制的主要研究方向。

参考文献：

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[4]陈胜华.“被动”的安全保证蒂龙爆胎保险装置[J].汽车工程学报，2009（1）：106-107.

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[6]William Blythe， Terry D.Day，Wesley D.3-Dimensional Simulation of Vehicle Response to TireBlow-outs，SAE Paper，980221.

[7]Zbigniew Lozia .Simulation Tests of Biaxial vehicle Motion after a “Tire Blow-out” [C]. SAE Paper No.2005-1-0410，April 2005.

[8]Guo H，Wang F，Chen H，et al. Stability control of vehicle with tire blowout using differential flatness based mpc method[C]//IntelligentControl and Automation （WCICA），2012 10thWorld Congress on. IEEE，2012：2066-2071.

[9]WangF，Guo H，Chen H. Nonlinear modelpredictive controlof blowout tire vehicles and its map-based implementation[C]//Control Conference （CCC），2015 34th Chinese. IEEE，2015：4043-4048.

[10]Vichare A，Palanivelu S. Simulation of heavy commercial vehicle response to rear super single tire blow out[C]//Symposium on Internation Automotive Technology. Franklin：SAE Press，2017：6-13.

[11]卢荡，郭孔辉.不同胎压轮胎回正力矩的预测模型.第三届计算智能与工业应用国际会议，2010.

[12]卢荡，郭孔辉.不同胎压下轮胎侧偏侧向力的预测.第三届电子与智能交通系统国际会议，2010.

[13]王英麟.基于CarSim与UniTire 的爆胎汽车动力学响应研究.吉林大吉林大学硕士学位论文，2007.

[14]高元伟.驾驶员干预下的爆胎动力学建模及仿真分析.吉林大学，2016.

[15]陈晓.路表特征对爆胎车辆运动方式的影响研究.东南大学.2018.

[16]叶涛.爆胎汽车动力学及其主动安全控制.江西理工大学，2018.

[17]Arndt S M，Arndt M W，Rosenfield M. Effectiveness of Electronic Stability Control on Maintaining Yaw Stability When an SUV Has a Rear Tire Tread Separation[J].SAE International Journal of Passenger Cars- Electronic and Electrical Systems，2009，2（1）：120-140.

[18]黄江.爆胎汽车稳定性控制原理与仿真研究[D].吉林大学，2009.

[19]张彦会，李晓萍，伍松.基于主动转向的爆胎汽车操纵稳定性模糊控制研究[J].机械设计与制造，2012，49（03）：182-184.

[20]MO Taiping， ZHANG Xiangwen，FAN Kefeng，et al. Design and simulation of the sliding mode controller for the vehicle blow-out process control[J].International Journal of Vehicle Safety，2013，6（4）：333-346.

[21]侯秀敏.爆胎车辆稳定性智能控制技术研究.山东理工大学，2018.