基于机电一体化的爆胎训练装置设计及可靠性分析*

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(浙江大学 能源工程学院，浙江 杭州 310027)

0 引言

轮胎是行驶系的重要组成部分，在车辆行驶过程中，由于轮胎可能存在的质量缺陷、路面障碍物或天气恶劣等原因，容易出现爆胎的情况[1-2]。据交通管理部门统计，近年来我国高速公路上发生的交通事故中，由爆胎引起的重大交通事故占了很大比例，如在广深高速公路上这一比例达到 34.14%[3]。在大多数爆胎引发的交通事故中，车辆驾驶员会因为惊慌而采取错误的操作方式，不仅起不到应有的补救效果反而会导致事故加剧。爆胎事故可以分成多种不同的类别，只有让驾驶员实际体验不同的爆胎发生情形，才能使其克服爆胎时慌张的心理反应，并采取相应的补救措施。因此在驾驶员培训学习过程中，通过进行爆胎模拟演习，让他们实际体验汽车在不同情况下的爆胎，并且由安全员在旁指导爆胎时的正确操作，降低由于错误操作导致爆胎演变为重大交通事故的可能性，对于培养驾驶员实战经验至关重要。

1 现有爆胎装置简述

1.1 地刺式爆胎训练装置

图1 传统地刺式爆胎装置

目前应用较为广泛的爆胎训练装置多为地刺式，如图1所示。这类爆胎装置是对警用破胎器的改良，通过栅栏状金属板上安装的尖刺来刺破轮胎，达到爆胎的目的。训练时，把栅栏板从箱中拉出伸展开，放置于训练车辆的行驶路径上，训练完毕后折叠收入箱中即可，简易便捷。但这类爆胎装置的缺点也很明显，就是容易被驾驶员发现放置位置，从而降低了爆胎的突发性和随机性，驾驶员由于本能，在接近预定爆胎区域时，会自然地放松油门，达不到预定车速，和真实的高速爆胎情况差距较大，爆胎训练效果并不好[4]。

1.2 泄气阀式爆胎训练装置

图2 泄气阀式爆胎装置

为避免驾驶员预先知晓爆胎时机，提高爆胎训练的真实度，可采取直接将爆胎装置集成到车轮上的方法。图2中的泄气阀门式爆胎装置通过在轮辋中心安装放气阀体，在轮辋内边缘上钻孔，然后通过金属软管连接到放气阀体处，爆胎训练时，通过控制放气阀门的开启来实现爆胎时机的控制[3]。该装置较于地刺式爆胎装置在提高爆胎真实性上有所改善，但缺点是整个装置对车轮改动大，在轮辋上钻孔后，很难保证良好的气密性，稳定性较差[4]；且该爆胎装置的放气效率因为和泄气阀直径直接相关，导致该装置的质量往往偏重，会影响到爆胎训练时车辆的转向效果[5]，因此采用的较少。

2 新型爆胎训练装置结构设计和工作原理

2.1 结构设计

由前所述，可知将爆胎装置安装在轮胎上能有效降低驾驶员的防范心理，从而提高爆胎训练的真实性，又相较于放气式爆胎而言，刺入式爆胎方式更为简单直接。因此，为克服现有汽车爆胎训练装置存在的种种缺陷，基于机电一体化的设计思想，设计了一种无线控制爆胎训练装置，该装置对原车轮胎改动小，稳定性好，能更加真实地模拟汽车爆胎过程，帮助驾驶员更好地进行爆胎应对训练。

图3所示的是无线控制爆胎训练装置示意图。该装置主要由密封塞1，带推杆螺母(以下简称螺母)2，杠杆3，支架4，刀头5，安装底板6，直流电机7，固定支座8，以及控制器和遥控器(图中未画出)组成。安装底板6与车轮辐板法兰连接，安装底板6为其余部件的安装基座，控制器和支架4与安装底板6用螺栓固定连接，直流电机7通过固定支座8固定在安装底板6的中心，直流电机7的电机轴上有螺纹，与螺母2相互配合，螺母2的上下两侧对称焊接有球头推杆，其球头嵌入杠杆3中。杠杆3由空心钢管制成，其内径略大于球头直径，同时杠杆3靠近尾端开有一段滑槽供推杆在其中滑动，杠杆3尾端塞有密封塞1防止推杆滑出。此外，杠杆3还与支架4活性连接，并可绕连接点转动，杠杆3首端与刀头5螺纹连接，刀头5设计为锯齿状，以便于割破轮胎外侧壁，刀尖和轮胎外壁间保留微小的初始距离。该无线控制爆胎训练装置安装时仅需在车轮辐板上打几个安装孔即可，因此对原车轮胎改动很小，装置整体结构简单轻便，也不会影响车辆的正常行驶。

图3 无线控制爆胎训练装置结构示意图

2.2 工作原理

图4 无线控制爆胎训练装置工作原理图

图4所示为无线控制爆胎训练装置从开始工作到刺破轮胎的过程示意图。该装置利用无线遥控器，可实现远程控制爆胎训练的目的。爆胎训练开始后，训练员可按训练意图随时通过遥控器发出动作信号，安装底板6上的控制器一旦接受到信号便控制直流电机7正转，从而带动螺母2在电机轴上旋转并向远离车轮平面方向移动，和螺母2一体的推杆球头将沿杠杆3的滑槽向杠杆3底部滑动，同时带动杠杆3绕其与支架4的连接点转动，安装在杠杆3头部的刀头5也向靠近轮胎方向移动，克服预留的初始距离与轮胎侧壁接触，在直流电机7的扭矩逐步带动下，刀头5开始对轮胎侧壁进行切割，模拟爆胎过程正式开始，待刀头5大部分进入轮胎内后，电机立即停止转动，模拟爆胎过程结束。因为爆胎装置的安装底板6与车轮辐板为法兰连接，故在一次爆胎训练结束后可卸下整个装置用于另一次爆胎训练。

3 可靠性分析

图5 爆胎结束时装置受力分析图

爆胎过程时间很短，按一般轮胎充气压力来计算，整个过程持续仅0.8 s左右[6]。当爆胎过程刚结束时，由于瞬时气流从裂口喷涌而出，由于其冲击作用过大[7]，若直流电机功率过小可能会因无法抵御反冲气流导致刀头弹出轮胎，从而影响装置的可靠性，甚至损坏装置其余部分的机械结构。因此，为保证爆胎训练装置能稳定有效运行，需通过理论分析得到电机扭矩满足何种条件时才能抵抗住泄露气流的反冲作用。

对整个爆胎装置在模拟爆胎过程结束时进行受力分析，如图5。

设爆胎前后轮胎内部压强变化为ΔP[8-9]，爆胎处裂口面积为S，则刀头受到的轮胎内部气流冲击力Fld为：

Fld=ΔP·S

(1)

力Fld经杠杆的传递作用后传到带推杆螺母的推杆处，由图5可知：

(2)

Fgt_x=Fgt·cosα

(3)

式中：Fgt—杠杆对带推杆螺母的合力；Fgt_x—杠杆对带推杆螺母的水平方向分力；l1，l2—刀尖、推杆到O点距离；α—推杆和水平方向的夹角；

由(1)、(2)、(3)联立可得：

(4)

而在直流电机驱动力矩作用下，带推杆螺母所受到的轴向驱动力可由下式计算得到[10]：

(5)

4 结论

1)介绍了两种目前使用较多的爆胎训练装置，一种为地刺式爆胎装置，另一种为泄气阀式爆胎装置，分别阐述了两种爆胎训练装置的工作原理和存在的不足。

2)针对前面两种爆胎装置的不足，基于机电一体化的思想设计了真实度更高、稳定性更好的无线控制爆胎训练装置，对爆胎装置的基本结构和工作原理进行了详细介绍；作了爆胎结束后的防气流反冲分析，为日后的电机选型提供了重要依据。

3)该装置一旦应用于爆胎训练，能帮助驾驶员更好地应对爆胎的发生，从而避免由于驾驶员误操作带来的严重后果，另外该装置的应用前景广泛，除了爆胎训练，还能作为实验装置供高校或企业进行爆胎特性研究。