，，

(浙江大學(xué) 能源工程學(xué)院，浙江 杭州 310027)

0 引言

輪胎是行駛系的重要組成部分，在車輛行駛過程中，由于輪胎可能存在的質(zhì)量缺陷、路面障礙物或天氣惡劣等原因，容易出現(xiàn)爆胎的情況[1-2]。據(jù)交通管理部門統(tǒng)計(jì)，近年來我國(guó)高速公路上發(fā)生的交通事故中，由爆胎引起的重大交通事故占了很大比例，如在廣深高速公路上這一比例達(dá)到 34.14%[3]。在大多數(shù)爆胎引發(fā)的交通事故中，車輛駕駛員會(huì)因?yàn)轶@慌而采取錯(cuò)誤的操作方式，不僅起不到應(yīng)有的補(bǔ)救效果反而會(huì)導(dǎo)致事故加劇。爆胎事故可以分成多種不同的類別，只有讓駕駛員實(shí)際體驗(yàn)不同的爆胎發(fā)生情形，才能使其克服爆胎時(shí)慌張的心理反應(yīng)，并采取相應(yīng)的補(bǔ)救措施。因此在駕駛員培訓(xùn)學(xué)習(xí)過程中，通過進(jìn)行爆胎模擬演習(xí)，讓他們實(shí)際體驗(yàn)汽車在不同情況下的爆胎，并且由安全員在旁指導(dǎo)爆胎時(shí)的正確操作，降低由于錯(cuò)誤操作導(dǎo)致爆胎演變?yōu)橹卮蠼煌ㄊ鹿实目赡苄?，?duì)于培養(yǎng)駕駛員實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)至關(guān)重要。

1 現(xiàn)有爆胎裝置簡(jiǎn)述

1.1 地刺式爆胎訓(xùn)練裝置

圖1 傳統(tǒng)地刺式爆胎裝置

目前應(yīng)用較為廣泛的爆胎訓(xùn)練裝置多為地刺式，如圖1所示。這類爆胎裝置是對(duì)警用破胎器的改良，通過柵欄狀金屬板上安裝的尖刺來刺破輪胎，達(dá)到爆胎的目的。訓(xùn)練時(shí)，把柵欄板從箱中拉出伸展開，放置于訓(xùn)練車輛的行駛路徑上，訓(xùn)練完畢后折疊收入箱中即可，簡(jiǎn)易便捷。但這類爆胎裝置的缺點(diǎn)也很明顯，就是容易被駕駛員發(fā)現(xiàn)放置位置，從而降低了爆胎的突發(fā)性和隨機(jī)性，駕駛員由于本能，在接近預(yù)定爆胎區(qū)域時(shí)，會(huì)自然地放松油門，達(dá)不到預(yù)定車速，和真實(shí)的高速爆胎情況差距較大，爆胎訓(xùn)練效果并不好[4]。

1.2 泄氣閥式爆胎訓(xùn)練裝置

圖2 泄氣閥式爆胎裝置

為避免駕駛員預(yù)先知曉爆胎時(shí)機(jī)，提高爆胎訓(xùn)練的真實(shí)度，可采取直接將爆胎裝置集成到車輪上的方法。圖2中的泄氣閥門式爆胎裝置通過在輪輞中心安裝放氣閥體，在輪輞內(nèi)邊緣上鉆孔，然后通過金屬軟管連接到放氣閥體處，爆胎訓(xùn)練時(shí)，通過控制放氣閥門的開啟來實(shí)現(xiàn)爆胎時(shí)機(jī)的控制[3]。該裝置較于地刺式爆胎裝置在提高爆胎真實(shí)性上有所改善，但缺點(diǎn)是整個(gè)裝置對(duì)車輪改動(dòng)大，在輪輞上鉆孔后，很難保證良好的氣密性，穩(wěn)定性較差[4]；且該爆胎裝置的放氣效率因?yàn)楹托箽忾y直徑直接相關(guān)，導(dǎo)致該裝置的質(zhì)量往往偏重，會(huì)影響到爆胎訓(xùn)練時(shí)車輛的轉(zhuǎn)向效果[5]，因此采用的較少。

2 新型爆胎訓(xùn)練裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工作原理

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由前所述，可知將爆胎裝置安裝在輪胎上能有效降低駕駛員的防范心理，從而提高爆胎訓(xùn)練的真實(shí)性，又相較于放氣式爆胎而言，刺入式爆胎方式更為簡(jiǎn)單直接。因此，為克服現(xiàn)有汽車爆胎訓(xùn)練裝置存在的種種缺陷，基于機(jī)電一體化的設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)了一種無線控制爆胎訓(xùn)練裝置，該裝置對(duì)原車輪胎改動(dòng)小，穩(wěn)定性好，能更加真實(shí)地模擬汽車爆胎過程，幫助駕駛員更好地進(jìn)行爆胎應(yīng)對(duì)訓(xùn)練。

圖3所示的是無線控制爆胎訓(xùn)練裝置示意圖。該裝置主要由密封塞1，帶推桿螺母(以下簡(jiǎn)稱螺母)2，杠桿3，支架4，刀頭5，安裝底板6，直流電機(jī)7，固定支座8，以及控制器和遙控器(圖中未畫出)組成。安裝底板6與車輪輻板法蘭連接，安裝底板6為其余部件的安裝基座，控制器和支架4與安裝底板6用螺栓固定連接，直流電機(jī)7通過固定支座8固定在安裝底板6的中心，直流電機(jī)7的電機(jī)軸上有螺紋，與螺母2相互配合，螺母2的上下兩側(cè)對(duì)稱焊接有球頭推桿，其球頭嵌入杠桿3中。杠桿3由空心鋼管制成，其內(nèi)徑略大于球頭直徑，同時(shí)杠桿3靠近尾端開有一段滑槽供推桿在其中滑動(dòng)，杠桿3尾端塞有密封塞1防止推桿滑出。此外，杠桿3還與支架4活性連接，并可繞連接點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，杠桿3首端與刀頭5螺紋連接，刀頭5設(shè)計(jì)為鋸齒狀，以便于割破輪胎外側(cè)壁，刀尖和輪胎外壁間保留微小的初始距離。該無線控制爆胎訓(xùn)練裝置安裝時(shí)僅需在車輪輻板上打幾個(gè)安裝孔即可，因此對(duì)原車輪胎改動(dòng)很小，裝置整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單輕便，也不會(huì)影響車輛的正常行駛。

圖3 無線控制爆胎訓(xùn)練裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 工作原理

圖4 無線控制爆胎訓(xùn)練裝置工作原理圖

圖4所示為無線控制爆胎訓(xùn)練裝置從開始工作到刺破輪胎的過程示意圖。該裝置利用無線遙控器，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制爆胎訓(xùn)練的目的。爆胎訓(xùn)練開始后，訓(xùn)練員可按訓(xùn)練意圖隨時(shí)通過遙控器發(fā)出動(dòng)作信號(hào)，安裝底板6上的控制器一旦接受到信號(hào)便控制直流電機(jī)7正轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)螺母2在電機(jī)軸上旋轉(zhuǎn)并向遠(yuǎn)離車輪平面方向移動(dòng)，和螺母2一體的推桿球頭將沿杠桿3的滑槽向杠桿3底部滑動(dòng)，同時(shí)帶動(dòng)杠桿3繞其與支架4的連接點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，安裝在杠桿3頭部的刀頭5也向靠近輪胎方向移動(dòng)，克服預(yù)留的初始距離與輪胎側(cè)壁接觸，在直流電機(jī)7的扭矩逐步帶動(dòng)下，刀頭5開始對(duì)輪胎側(cè)壁進(jìn)行切割，模擬爆胎過程正式開始，待刀頭5大部分進(jìn)入輪胎內(nèi)后，電機(jī)立即停止轉(zhuǎn)動(dòng)，模擬爆胎過程結(jié)束。因?yàn)楸パb置的安裝底板6與車輪輻板為法蘭連接，故在一次爆胎訓(xùn)練結(jié)束后可卸下整個(gè)裝置用于另一次爆胎訓(xùn)練。

3 可靠性分析

圖5 爆胎結(jié)束時(shí)裝置受力分析圖

爆胎過程時(shí)間很短，按一般輪胎充氣壓力來計(jì)算，整個(gè)過程持續(xù)僅0.8 s左右[6]。當(dāng)爆胎過程剛結(jié)束時(shí)，由于瞬時(shí)氣流從裂口噴涌而出，由于其沖擊作用過大[7]，若直流電機(jī)功率過小可能會(huì)因無法抵御反沖氣流導(dǎo)致刀頭彈出輪胎，從而影響裝置的可靠性，甚至損壞裝置其余部分的機(jī)械結(jié)構(gòu)。因此，為保證爆胎訓(xùn)練裝置能穩(wěn)定有效運(yùn)行，需通過理論分析得到電機(jī)扭矩滿足何種條件時(shí)才能抵抗住泄露氣流的反沖作用。

對(duì)整個(gè)爆胎裝置在模擬爆胎過程結(jié)束時(shí)進(jìn)行受力分析，如圖5。

設(shè)爆胎前后輪胎內(nèi)部壓強(qiáng)變化為ΔP[8-9]，爆胎處裂口面積為S，則刀頭受到的輪胎內(nèi)部氣流沖擊力Fld為：

Fld=ΔP·S

(1)

力Fld經(jīng)杠桿的傳遞作用后傳到帶推桿螺母的推桿處，由圖5可知：

(2)

Fgt_x=Fgt·cosα

(3)

式中：Fgt—杠桿對(duì)帶推桿螺母的合力；Fgt_x—杠桿對(duì)帶推桿螺母的水平方向分力；l1，l2—刀尖、推桿到O點(diǎn)距離；α—推桿和水平方向的夾角；

由(1)、(2)、(3)聯(lián)立可得：

(4)

而在直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩作用下，帶推桿螺母所受到的軸向驅(qū)動(dòng)力可由下式計(jì)算得到[10]：

(5)

4 結(jié)論

1)介紹了兩種目前使用較多的爆胎訓(xùn)練裝置，一種為地刺式爆胎裝置，另一種為泄氣閥式爆胎裝置，分別闡述了兩種爆胎訓(xùn)練裝置的工作原理和存在的不足。

2)針對(duì)前面兩種爆胎裝置的不足，基于機(jī)電一體化的思想設(shè)計(jì)了真實(shí)度更高、穩(wěn)定性更好的無線控制爆胎訓(xùn)練裝置，對(duì)爆胎裝置的基本結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行了詳細(xì)介紹；作了爆胎結(jié)束后的防氣流反沖分析，為日后的電機(jī)選型提供了重要依據(jù)。

3)該裝置一旦應(yīng)用于爆胎訓(xùn)練，能幫助駕駛員更好地應(yīng)對(duì)爆胎的發(fā)生，從而避免由于駕駛員誤操作帶來的嚴(yán)重后果，另外該裝置的應(yīng)用前景廣泛，除了爆胎訓(xùn)練，還能作為實(shí)驗(yàn)裝置供高?；蚱髽I(yè)進(jìn)行爆胎特性研究。