小型汽车爆胎研究现状分析

李蒙恩，张彦会

(广西科技大学机械与交通工程学院，广西柳州 545006)

0 引言

随着我国经济的快速发展，我国在汽车制造业方面投入了巨大的资金，汽车也不再像以前那样对于工薪阶层遥不可及，在我国汽车几乎已经成为每个家庭必不可少的代步工具，城市之间的交流也越来越密切，随着道路上汽车数量的增加以及行驶速度的不断提高，导致发生交通事故的频次在不断增加。据交通管理部门相关数据显示，在高速公路上由轮胎问题引发的交通事故占比接近32%，其中死亡率更是高达49%[1]。更值得人们注意的是，当车速超过130 km/h发生爆胎时，车内人员的死亡率更是达到惊人的100%。由此可见，爆胎产生的后果无法预见，汽车爆胎问题也就变成了高速行驶汽车安全的头号杀手，汽车的安全问题愈来愈受到整个社会的关注，因此非常有必要对汽车在行驶中的爆胎工况进行研究。下面将从汽车爆胎的原因、汽车爆胎的预防、汽车爆胎的稳定性控制这3个方面来对爆胎汽车研究现状进行分析。

1 车辆爆胎的原因

随着我国经济的飞速发展，国家越来越重视交通运输，道路也从过去的坑坑洼洼发展为平坦大路。另外我国加大汽车行业的投资，研发与制造技术高速发展，相比于过去，目前由我国所研制的汽车，其各项性能都明显地得到优化，尽管如此由爆胎引起的交通事故仍在不断上升。经过一番查阅相关资料后，文中将汽车爆胎的原因分为外部原因与内部原因，归纳如下[2-4]：

(1)道路条件导致爆胎：轮胎与地面直接接触，所以对轮胎寿命影响程度最高的是其所行驶环境的路面情况，当汽车在凹凸不平的路面行驶时，路面上的凸起物加速轮胎表面的磨损速度，也加大了轮胎被尖锐物刺破的概率，尤其是在高速行驶的状态下，路面上的尖锐物更是容易导致汽车爆胎。

(2)气温过高导致爆胎：温度对轮胎的使用寿命影响很大，当汽车在温度较高的条件下行驶时，轮胎会因为受热膨胀的原理发生变形，时间久了轮胎弹性也就会降低，汽车在行驶的过程中轮胎与地面不断摩擦产生热量，轮胎主要是由人工合成橡胶制成，散热能力本身就是其一大短板，轮胎胎压会因为胎内难以及时散去的热量而急剧增高，最终在胎体的较薄弱处发生爆胎。

(3)超载或超速导致爆胎：由于轮胎结构和材料的不同，对汽车有一定的速度级别与承载能力的限制，目前在国内，汽车超载和超速危险行驶的情况非常普遍。当汽车的实载质量超过车轮的最大允许载荷时，轮胎内气压增高，容易引发爆胎；而长时间超速行驶轮胎会产生急剧升高的温度，加速橡胶材料的老化，轮胎使用寿命变短，最坏的结果可能是在行驶的过程中发生爆胎。

(4)胎压异常导致爆胎：胎压过高或胎压过低都统称为胎压异常，汽车在胎压异常的情况下行驶极易引起汽车爆胎。过度充气的高胎压轮胎，轮胎内部的帘布层会受到过大的张力，一旦受到冲击，容易将侧壁撕裂导致爆胎;当行驶的汽车胎压不足时，折弯脉动应力便会出现在轮胎侧壁且其数值较大，此应力会使轮胎的薄弱处发生爆胎。经过查阅资料得出对于汽车爆胎而言，胎压过低造成的爆胎后果远远严重于胎压过高。

(5)过度磨损与腐蚀导致爆胎：当轮胎表面存在过度磨损时，其负载及抗压能力已经远远低于正常的轮胎，这种轮胎维持汽车的正常行驶都有一定的风险，加上高温天气、路面凹凸不平以及超速超载等危险因素很容易发生爆胎导致交通事故。轮胎的主要构成材料是橡胶，橡胶是一种有机物质，从化学的角度上说有机物质溶于机油、汽油等有机溶剂，所以受有机溶剂腐蚀的轮胎表面开裂，这样的轮胎上路行驶时极易发生爆胎事故。

2 汽车爆胎的预防

2.1 胎压监测系统

轮胎胎压监测系统[5-9](Tire Pressure Monitoring System，TPMS)能够在对行驶的汽车进行实时的轮胎胎压监测，一旦系统监测到某个轮胎胎压异常时便会通过仪表板上的显示屏及车内声响系统进行报警，引起驾驶员的注意从而保证车辆行驶的安全。胎压监测系统是一种采用无线传输技术与汽车电子技术相结合的汽车主动安全技术产品。其系统工作原理图如图1所示。

图1 胎压监测系统工作原理

轮胎胎压监测系统可以利用安装在每一个轮胎上的高灵敏度微型无线传输装置，实时精确测量出每个轮胎静止或者行驶时的压力和温度，并将监测到的数据及时地传输到仪表台上的显示屏，并由显示屏以数字化的形式显示相关数据，当胎压监测系统监测到任一轮胎的数据与正常值有一定差距时，它便会在驾驶位置醒目的地方显示警示语向驾驶员通报车辆运行情况。更高端的汽车可能会有人工智能提示，使车辆情况及时通报驾驶员，最大程度地保证安全驾驶。目前胎压监测系统尚且存在不足之处就是用于测量胎内压力与胎内温度的传感器置于轮辋上，由于车轮转动速度时快时慢，所以对轮胎上的传感器电量供应便成为一项问题，只能通过技术尽量减小其能源消耗速度，让其工作时间更加持久。随着电子技术与传感器技术的飞速发展，对于轮胎胎压监测系统存在的能源问题在不久的将来一定能得到解决。其系统工作流程图如图2所示。

图2 胎压监测系统工作流程

考虑到汽车爆胎很大程度上与轮胎胎压有关，因此美国前总统克林顿签署了国会关于修改联邦运输法的提案,TPMS将作为美国汽车厂商在2003年11月以后生产的新车上一项将标准配置。这一提案在美国国家公路交通安全管理局得到了实施，并且制定了一项联邦机动车辆安全标准(Federal Motor Vehicle Safety Standards，FMVSS):No.138所有新的轻型汽车上必须强制安装轮胎胎压监测系统(TPMS)，该规定于2007年9月1日起开始生效。

虽然TPMS能够一定程度上地减少爆胎事故的发生，在汽车安全方面胎压监测系统只能通过监测轮胎压力与温度从而起到辅助的预先警报作用，无法从源头避免爆胎，并且爆胎后的稳定性控制胎压监测系统也显得无能为力。因此十分有必要对爆胎发生后汽车轮胎以及汽车主动安全控制系统进行研究，而胎压监测技术的快速发展已经为爆胎后汽车稳定性控制系统研究奠定了一定的基础。

2.2 轮胎的研究

轮胎性能对于汽车有很大的影响，为了减少汽车爆胎引发严重的事故，目前研发的安全轮胎分为充气型安全轮胎与非充气型安全轮胎。

2.2.1 充气型安全轮胎

为了从根本上提高汽车行驶的安全系数，研究人员在充气轮胎的基础上研发出人们所熟知的防爆轮胎，也称之为零胎压续行轮胎，学名为 “泄气保用轮胎”，此型充气轮胎的各项安全性能都得到了一定的提高。防爆轮胎结构图如图3所示，如表4所示。

图 3 防爆轮胎结构图

优点:(1)坚固性∶研究人员研制出纳米技术研制的天然可再生胶，防爆胎坚固的主要原因就是其侧壁面比普通胎要多一层这种胶，因此防爆胎的坚固性远远高于普通轮胎。(2)耐磨性:当正在行驶的汽车发生爆胎现象，装有普通轮胎的汽车这时候可能寸步难行，甚至酿成车祸等严重后果。而装有防爆胎的汽车不会当场发生爆胎，可以维持车辆正常地行驶一段距离，至少可以行驶到安全地带或者到最近的修理厂进行维修。

缺点：防爆胎的安全系数肯定高于普通胎，这是毋庸置疑的，但防爆胎会使汽车整体的乘坐舒适性变差、并且防爆胎的制造成本高，自重大致使汽车行驶油耗偏高。

2.2.2 非充气型安全轮胎

2008年,威斯康星州大学和固铂轮胎公司受蜜蜂筑巢的灵感研发出了蜂巢轮胎(图4)，该轮胎的轮毂和轮胎利用蜂巢的正六边形来连接，这种基于仿生学研制的蜂巢形支撑结构轮胎具有优良的抗刺扎能力和减震能力，可以有效避免爆胎的发生[10]。

图4 蜂巢轮胎

在国内，2008年以来赵又群科研团队对非充气型安全轮胎进行研究，并设计出了一种非充气型机械弹性安全车轮(图5)。此轮胎的设计理念与传统轮胎有一定区别，弹性车轮外圈和轮毂的非充气结构由铰链组进行连接，机械结构弹性替代橡胶材料的弹性，且具有传统轮胎所有的功能，并且相较于传统轮胎还具有承载能力强与抗扎刺等优点。其结构主要由铵链组、悬毂和鞣轮构成[11]。

图5 机械弹性安全车轮

3 汽车爆胎后的控制

3.1 爆胎控制的研究现状

汽车爆胎是一个瞬态非线性变化且不可预测的复杂过程,轮胎特征各项参数的变化会因胎内压力的变化而变化，主要是轮胎侧偏角、轮胎刚度(径向刚度、纵向刚度)以及轮胎的有效滚动半径等，故车身姿态和高度会因此受到影响，汽车会发生侧倾、偏航甚至甩尾。各车轮垂直载荷会因此重新分布，会对汽车的转向、制动造成严重的影响，由于同轴的爆胎轮与非爆胎轮动力学特性差异明显，使得汽车的横向、纵向均出现力学上的不平衡，致使汽车出现侧倾、横摆、侧向加速度激增危险现象[12]。

为了提高车辆在爆胎后的行驶稳定性，避免驾驶员在紧急情况下因失误操作而酿成严重的交通事故，汽车主动安全系统逐渐成为研究热点，国内外一些学者也因此对爆胎车辆的主动控制方面进行了一系列深入研究。1994年，PATWARDHAN等学者提出了一种方案，通过对爆胎轮胎的同轴异侧轮胎进行主动爆胎控制，减少爆胎后因车轮不平衡产生的横向位移，当安装在轮胎上的传感器检测到爆胎时，控制器会主动施加一个与爆胎产生的转向趋势相反的转向力，以抑制车辆的偏航，这就对执行器的反应速度有较高的要求，以提高控制实施的反应时间[13]。2015年马韬等人设计了一种基于胎压监测的爆胎紧急充气系统，通过安装在车辆上的传感器对胎压进行实时监测，当汽车发生爆胎时，爆胎信号会被发送到充气控制器，控制器发送指令使气体发生器产生大量气体对爆胎轮胎快速充气，最终达到车辆安全行驶的目的。随着车辆系统的复杂度加大，仅仅考虑轮胎是远远不够的，国内外研究机构开始从底盘、车身悬架等方面对爆胎车辆进行控制。通过对底盘、悬架进行分析，并建立爆胎整车模型，最终采取制动、转向的方法对爆胎车辆进行控制[14]。2009年ARNDT通过对实车进行实验，发现常规的电子稳定性控制系统在对爆胎后车辆的稳定性控制的过程中具有一定的缺陷，其忽略了汽车爆胎后各个车轮的垂向载荷转移,使控制器产生抵消冲击力矩的附加横摆力矩效率不高，对控制效果具有一定的影响[15]。2009年湖南大学黄江针对ESP控制器对于爆胎后车辆的稳定性控制效果进行了研究，单纯的电子稳定控制效果不是很理想,进而基于ESP提出了爆胎汽车的差动制动控制策略，并且利用CarSim与Simulink联合仿真，验证了该控制方法的可行性[16]。2018年江西理工大学的叶涛基于现有的稳定性控制系统设计了一种差动制动控制系统，对爆胎汽车进行主动安全控制改善其动力学响应。2019年桂林电子科技大学的刘维等对爆胎汽车的模糊滑模控制算法进行研究，主要是通过理想状态下的横摆角速度与实际值作比较以及理想状态下质心侧偏角与实际值作比较,其差值作为控制器的输入,最终使实际的横摆角速度与质心侧偏角更加接近理想状态,保持汽车的运行轨迹以及汽车的稳定性[17]。

3.2 两种主要的控制模式

目前对爆胎汽车的稳定性控制研究主要原理就是当汽车发生爆胎时，利用控制器计算出理想行驶状态下的横摆角速度与汽车爆胎后车辆实际的横摆角速度的差值，理想行驶状态下的质心侧偏角与汽车爆胎后车辆实际的质心侧偏角的差值。将这两个参数的差值作为不同控制器的输入从而得出所输出附加的横摆力矩数值,然后通过主动转向或差动制动方法来实现爆胎汽车的稳定性控制。

3.2.1 基于主动转向控制模式

电动助力转向系统由齿轮齿条转向器、离合器、电动机、减速机构、转矩传感器及车速传感器等组成[18]，其系统结构图如图6所示。

图6 主动转向系统结构图

当正在行驶的汽车发生爆胎时，车辆的行驶轨迹会发生改变，利用车轮轨迹控制方法对爆胎的汽车进行控制，输出为方向盘的转角。爆胎时首先产生一个与方向盘转动相反方向的转角进行系统补偿，这样可对爆胎后发生角度变化的方向盘进行修正，并由电动助力转向系统计算出补偿转向盘转角所对应的车辆前轮转角。对爆胎车辆轨迹成功纠偏的前提就是经过控制的前轮转角恢复到正常范围内。又因为控制类型属于主动控制,在对爆胎汽车方向控制的过程中全程由控制器控制完成,所以将电动助力转向系统的这种控制模式称为对爆胎车辆的主动纠偏控制。

3.2.2 基于差动制动控制模式

整体的差动制动控制分为两个步骤:第一是系统接收到爆胎信号后，控制器开始计算出能抵消冲击力矩的附加横摆力矩，通过产生一个附加横摆力矩抵消爆胎所导致冲击力矩;第二便是由控制器计算出制动力，并将制动力分配至不同的车轮，实现差动制动[19-20]。系统最终输出为各个车轮上不同的制动力矩，差动制动控制的结构框图如图7所示。

图7 差动制动控制系统图

爆胎会对行驶的汽车带来严重的冲击作用，目前的想法是通过引入一个能够尽量抵消爆胎冲击力矩的附加横摆力矩,所以就要通过控制系统产生一个与冲击力矩相反的力矩,从而保持爆胎汽车行驶的稳定。目前应用较多的是采用PID控制算法对所需要的附加横摆力矩进行决策[21]，原理如图8所示，并将PID控制与模糊控制相结合，设计模糊PID控制器，原理如图9所示，控制器的输入为爆胎后实际车辆行驶状态与理想车辆行驶状态的差值(e)以及差值变化率(ec)，控制器的输出即为决策出的最优附加横摆力矩，控制流程图如图10所示。

图8 PID控制原理图

图9 模糊控制器结构图

图10 模糊PID控制流程图

4 总结与展望

综上所述,爆胎主要是由道路条件、高温、超速超载、胎压异常、轮胎老化引起的。胎压监测系统和对轮胎结构的重新设计只能对汽车爆胎起到一定的预防作用,而对汽车爆胎后的稳定性控制就显得无能为力。为了进一步提高汽车爆胎后的稳定性及系统宽裕度，研究人员提出了通过分配制动力矩的差动制动控制以及通过控制器补偿方向盘转角的主动转向控制。这两种控制都可以在汽车爆胎后将汽车质心侧偏角和横摆角速度都控制在能够保证汽车稳定性的安全变化范围内，使爆胎后的汽车迅速恢复稳定行驶状态。

目前对爆胎汽车的研究主要是直线行驶工况和转向行驶工况,汽车的变速和变道等工况未加以考虑,日后还需要对爆胎汽车多工况进行全面综合的研究。同时当前的爆胎汽车稳定性控制大多是从横摆角速度和质心侧偏角作为参考的参数﹐缺乏一定的准确性，但是在汽车爆胎后车辆的整体参数都发生变化，例如车轮有效滚动半径、垂向载荷、爆胎汽车道路偏移量、车身侧倾角等轮胎参数与车身姿态,因此在汽车爆胎后的稳定性控制的研究中综合考虑尽可能多的参数将是未来对汽车爆胎后控制的主要研究方向。