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爆胎与轮胎安全技术_安全研究_山东道路交通安全网

  轮胎是汽车结构中最重要的部件之一,直接关系到驾驶性能和行车安全。随着汽车性能的不断提高、高等级公路的快速发展,对轮胎的安全性能提出了更高的要求。据统计,目前我国高速公路交通事故中由于爆胎而引发的交通事故已占意外原因引发事故总数的30%以上,爆胎已成为高速公路交通事故的重要肇因。为解决爆胎以及因轮胎漏气、缺气行驶进而引发爆胎等问题,世界各国科研人员都开展了各种各样的研究,从不同角度着手改善轮胎的安全性,以尽可能减少爆胎,或在发生爆胎后尽可能减少损害。

  一、轮胎爆胎原因分析

  汽车轮胎按构造可分为斜交轮胎和子午线轮胎两大类,其中子午线轮胎又分为有内胎型和无内胎型两种。从环保、安全等角度看,无内胎子午线轮胎具有很大优越性,包括重量轻、滚动阻力小、内外胎之间无磨擦生热、轮胎升温低,有利于高速、长距离运输等。另外,无内胎轮胎被扎破后,不会像有内胎轮胎那样胎压一泄到底,往往是缓慢漏气,使驾驶人有一定的时间减速停车,因此具有更高的安全性。目前绝大多数高速行驶车辆(如轿车等)都使用无内胎的子午线轮胎,从轮胎发展趋势看,子午化、无内胎化也是今后轮胎发展的主流。目前的轮胎安全技术,基本上都是在无内胎轮胎基础上开发和推广应用的。

  从爆胎产生原因看,有外界因素也有内在原因,概括起来主要有以下几种:车轮行驶在路上遇到异物的撞击或被割破;由于轮胎老化、胎侧帘线断裂等原因,在轮胎外侧出现鼓包或裂纹,局部强度降低,当高速行驶时如果内部胎压升高,造成爆胎;轮胎气压异常,包括胎压过高或胎压过低。

  轮胎气压异常对轮胎的影响主要表现在:当轮胎气压过高时,会引起轮胎伸张变形,胎体弹性降低,汽车在道路上行驶时所受到的动负荷也增大,如遇到冲击会产生内裂或爆破,同时胎压过高还会使轮胎的接地面积减少,使胎冠中部磨损加剧。胎压过低,则会使轮胎胎面的中部区域与路面间接触力量减小,胎肩承受的载荷增加,此时,轮胎的挠曲变形加大,刚度降低,易导致胎体帘布层呈环状断裂,严重时就会引发爆胎。另外,当车辆缺气行驶时,随着胎压的下降,轮胎与地面的摩擦将成倍增加,胎温急剧升高,使得轮胎变软,强度下降,在这种情况下,如果车辆高速行驶,就可能导致爆胎。轮胎缺气,即便是低速行驶也会损伤轮胎,埋下安全隐患。

  据统计,在各种爆胎原因中,轮胎气压过高占20%,轮胎气压不足占57%,其他占23%。因此,防止轮胎缺气行驶,是减少爆胎产生的重要手段之一。

  二、轮胎安全技术

  与爆胎相关的轮胎安全技术可分为二大类,一类是预防轮胎因非正常使用而造成爆胎的“预防”技术;另一类是在爆胎后进行挽救,防止车辆因爆胎而发生事故的“补救”技术。

  (一)预防爆胎的技术

  1、轮胎压力监测系统TPMS

  由于轮胎气压异常(尤其是缺气)是引发爆胎的最重要原因,因此,通过技术手段监测胎压,保持轮胎在正常胎压状况下行驶,是预防爆胎发生的重要手段。轮胎压力监测系统TPMS(Tire Pressure Monitoring System)是在汽车行驶或停止时,对轮胎的压力和温度进行实时监测,以保证轮胎的压力和温度维持在标准范围内。当轮胎压力或温度超过规定范围时,TPMS能发出报警,提醒驾驶人及时检查轮胎状况。

  TPMS主要有直接式和间接式两种类型,它们通过不同的工作原理对轮胎实施监测。直接式TPMS通过安装在轮胎内的传感器直接测量轮胎内的气压和温度,并将有关数据以无线方式传输到驾驶室内的接收主机;间接式TPMS则通过汽车ABS系统的轮速传感器测量轮胎的转速,通过比较四个轮胎的转速差来推断轮胎气压是否异常:当某一只轮胎的气压太高或不足时,轮胎的直径就会变大或变小,车轮的转速也相应产生变化,监测系统将车轮转速的变化情况同预先储存的标准值比较,就能得出轮胎气压太高或不足结论,从而报警。

  这两种系统各有优缺点:直接式系统测量精度高、报警时间短,无论停车或行驶时都能测量,但生产成本高,且目前使用的基本上都是带电池TPMS,即安装在轮胎内的传感器单元需使用电池供电,因此电池寿命的长短直接关系到TPMS的使用年限,限制了传感器单元的检测采样频率和发射频率。而间接式系统则不存在电池寿命问题,其生产成本也远低于直接式系统,但间接式系统在使用上存在一定的局限性,如当车辆停止时或两个以上轮胎同时缺气时(这种情况可能在汽车闲置一段时间后发生)间接式系统就无法发挥作用;当工作环境发生变化,如更换新轮胎时,间接式系统需要重新设定;间接式系统也无法对轮胎温度进行测量和报警。

  由于TPMS能在汽车行驶的动态过程中对轮胎状况进行实时监测,对日常行驶中最常出现的轮胎漏气、低压行驶等现象能有效进行预警和提示,对提高汽车行驶安全性具有很好的“事先预防”的作用,是目前使用最广泛的轮胎安全产品,在北美、欧洲、日本等市场已得到了广泛应用。如美国从2007年9月起,所有新销售的汽车都安装了TPMS,TPMS已成为汽车电子系统中必备的安全装置。我国目前配置安装TPMS的车型还很少,但随着我国道路状况的不断改善,人们对行车安全要求的不断提高,TPMS在我国的应用也会越来越广。

  2、防漏气轮胎

  轮胎漏气后缺气行驶,是造成轮胎损伤和引发爆胎的重要原因之一,因此,除了采用TPMS等胎压监测装置监测胎压外,世界各国还十分重视防漏型轮胎的开发研究,历经了长期的摸索和试验,曾对轮胎灌入防漏剂等,目的是在轮胎漏气后堵住漏洞。但防漏剂的液态性能使其流动性大,特别在加速、刹车时,都能感觉到液体在车胎中的冲撞,影响轮胎的平衡性。同时,车辆高速行驶时,流动的防漏剂会在离心力的作用下向轮周的中心部流动,造成轮胎的不平衡和偏重,影响行驶安全。加上防漏剂对轮胎内腔和轮毂的腐蚀作用,使轮毂过早报废,这些都限制了防漏剂的可应用性。

  新型的防漏气轮胎,则是在轮胎内部喷涂一种特殊的防漏气涂层,这种技术的关键是解决了涂层材料的物理、化学性能以及涂层材料和轮胎内壁之间的喷涂粘合工艺,使涂层材料在-45℃至120℃的温度范围内均能保持硬度和粘度不变,防止涂层材料在使用中的堆聚现象。在喷涂工艺方面,采用清洗剂处理轮胎内壁表面后直接喷涂的方法,使防漏材料和轮胎内壁之间能牢固粘合,同时不损伤轮胎内壁。

  用这种材料和工艺制成的轮胎具备耐扎、防漏气的性能,其作用原理是,通过在轮胎内壁均匀地喷涂一层带状的、呈胶状物的高分子有机合成橡胶,在胎内形成了一个带有一定厚度的防漏气安全保护层。当轮胎的行驶面被钉子等尖状物体扎破后,保护层的胶状物就会在瞬间从各个方向将其紧紧封住,不让胎内气体泄漏。钉子拔出后,胶状物又会自动复位闭合,完全堵住漏洞,从而使轮胎照常行驶,不必换胎。

  新型防漏气轮胎解决了轮胎慢性漏气的问题,并能在轮胎内扎入异物后、或者在拔出异物后都能保持胎压不漏气,使轮胎在扎破后还能照常使用,具有“不怕扎”的功能,在防漏技术方面已达到国内外领先水平。该技术的推广应用,不仅有利于提高轮胎的安全性,还能减少换胎、补胎等引起的麻烦,节省资源,具有良好的社会、经济效益。

  (二)爆胎后的安全挽救技术

  1、汽车爆胎自动减速装置

  TPMS的作用是对轮胎气压、温度进行即时监测,在轮胎气压、温度出现异常时,通过报警来提示驾驶员,由驾驶员提前减速、停车,对轮胎进行检查,以降低和化解可能爆胎引发的危险。但TPMS的作用主要是预警,不能对突发的爆胎情况自动采取措施。

  汽车爆胎自动减速装置则是一种带有执行装置的爆胎安全控制系统,它由轮胎信息采集部分和制动控制部分二部分组成,相当于在TPMS的基础上,又增加了一套自动减速的执行装置,形成从采集、监测到爆胎后自动执行的完整系统。

  汽车爆胎自动减速装置的基本控制方式是通过现有的TPMS技术对轮胎压力进行实时监测,当轮胎压力下降到正常胎压的70%时,系统发出声光报警,提醒驾驶人检查轮胎,防止轮胎缺气行驶,起到预防爆胎的作用,系统本身不采取制动措施。当汽车高速行驶时(如大于70公里/小时),同时轮胎气压快速下降到正常胎压的40%以下时,表示发生了爆胎,此时系统在极短的时间内迅速作出响应,点亮制动灯并同时采取点刹式制动,使汽车从爆胎瞬间起在几秒到十几秒时间内自动减速,直至停车。在此过程中,如驾驶人采取了制动措施(表明已反应过来,可有意识地控制车辆),系统则立即切换至人工控制状态,而此时车速已明显降低,即使刹车也不致引起失控。

  该系统之所以能在爆胎后起到良好的平稳制动效果,基本原因在于迅速反应。由于爆胎瞬间车辆尚未跑偏,而驾驶人本身不可能在零点几秒的时间内反应过来,此时系统迅速代替驾驶人实施行车制动,降低车速,使高速行驶车辆的动能快速减小下来,从而避免了很多驾驶人可能出现的错误操作。即在反应过来后赶紧制动,此时往往已爆胎2~3秒,车辆已明显跑偏,再采取紧急制动就极易造成车辆的甩尾、失控等严重事故。汽车爆胎自动减速装置利用机电器件快速反应的特性,能弥补人脑对外界信息反应滞后的生理局限,在汽车爆胎后驾驶人还无法作出反应的极短时间内,即迅速制动,降低车速,赢得宝贵的3~5秒时间,使汽车在驾驶员反应过来之前,已提前50~100米距离进行制动,将汽车动能下降一半以上,有效降低爆胎后发生危险的概率。

  该技术的关键是爆胎后系统迅速响应并立刻采取制动的响应时间(响应同时还必须立刻点亮制动灯),时间越短,汽车开始减速并避免出现跑偏的效果也就越好,而制动力却不必太大。从试验效果看,在几秒到十几秒的时间内使汽车减速直至停车,都能取得平稳的制动效果,而适度的制动力还能减少在高速行驶时后面跟车发生追尾的可能,目前的响应时间已达300ms以内。

  汽车爆胎自动减速装置经过多次轿车和大型客车的实车单胎爆胎试验,包括前胎爆胎、后胎爆胎,试验时轿车的最高爆胎车速达到160公里/小时以上,大客车的爆胎车速达到80公里/小时以上,在驾驶人轻扶方向盘情况下,车辆均能平稳制动,未出现明显的跑偏、侧滑等现象。

  该技术目前还处在试验和单车试用阶段,经过不断改进和完善,有可能成为爆胎后能防止事故发生的重要装备之一。

  2、汽车轮胎保险装置

  爆胎后汽车失控的一个主要原因,就是爆裂轮胎的半径突然变小,使车辆重心向爆胎一侧偏移,同时爆裂轮胎的滚动阻力急剧上升,造成车身失衡,如驾驶人操作不当,就会造成车辆失控。为防止轮胎爆胎后半径突变,最直接的方法就是在轮胎内加装支撑结构,使轮胎在爆胎后能够靠支撑骨架的作用减少半径突变的冲击,防止车辆失控,在可能时再依靠支撑骨架使汽车续行一段距离,到安全地点后进行换胎或维修。

  由于支撑骨架的材料、结构不同,对轮胎的支撑作用和续行能力也不同。目前国内开发出的一种带差速结构的汽车轮胎保险装置,在改善轮胎爆胎后的续行能力方面具有良好效果。该装置采用内、外环的结构,两环之间可以差速滑动。当汽车在行驶中发生爆胎后,汽车轮胎保险装置可依靠其支撑作用减小轮胎爆胎前后的静半径变化量,避免车辆失控;同时,由于内、外环之间的差速滑动作用,使爆胎一侧的周长差得以弥补,解决了轮胎续行时出现碾胎的问题,使车辆在爆胎后仍可受控继续行驶一段较长的路程,离开爆胎现场。

  该装置的最大特点就是解决了车辆爆胎后继续行驶的问题,这对警用特种车辆、运钞车、危险品运输车等都具有非常实际的使用价值。

  综上,各种轮胎安全技术之间也不是互不相关,如汽车爆胎自动减速装置就是在TPMS技术上的延伸,而防漏气轮胎与轮胎保险装置配合使用,则能起到防扎、防漏,以至爆胎后继续行驶的效能。随着轮胎制造技术的不断改进,以及轮胎安全技术在各种车型上的推广应用,轮胎的安全性能将得到大幅提高,行车的安全性也会得到更有效的保障。(作者单位:公安部交通管理科学研究所)


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