董明明
北京汽车集团有限公司 ，101300
摘要：
爆胎危险性极高且难以预测。汽车爆胎后,会出现明显的横摆、偏航,甚至是甩尾、激转等,严重威胁着驾乘人员的生命和财产安全。由于心理紧张、驾驶经验不足等原因,驾驶员很难及时做出准确有效的反应,而且经常会出现过度操作甚至是错误操作。目前,汽车装备的底盘集成主动安全控制系统,仍然不具备爆胎汽车主动控制功能。本文在现有主动安全控制系统的基础上,进行拓展和延伸,设计了一种爆胎应急主动安全制动系统，根据爆胎产生的附加横摆力矩建立了模糊控制模型的，针对发生爆胎的车辆通过自动制动将车速降低至安全范围直至车辆停住。辅助爆胎车辆实现安全停车，以防车辆失控，主动安全控制系统以实际爆胎及车辆运动状况为依据通过向车辆施加平衡力矩实现运动轨迹的纠偏控制过程。系统装置的模拟试验结果表明这种主动安全控制策略的可行性，它可确保爆胎车辆在较短时间内减速至安全车速并按原轨迹行驶，以确保爆胎车辆行驶的稳定性。对比仿真结果表明:该应急主动安全制动系统应用于车辆在发生爆胎后，车辆能够在原行驶轨迹中迅速稳定下来，使爆胎车辆稳定性控制过程得以有效实现，验证了该控制策略的有效性。
关键词：汽车爆胎主动安全控制；爆胎应急装置；附加横摆力矩；轻点刹车
前言
我国高速公路里程不断增加，汽车已经成为日常出行必不可少的交通工具，随着汽车保有量的不断增加，交通事故对人们的生命及财产安全产生了严重影响，其所引发的问题使人们对汽车的安全性能及操作性能的要求不断提高，在各类交通事故中轮胎爆胎成为引发安全事故的主要因素之一，发生爆胎后的车辆轮受到力学特性发生显著改变的爆胎的影响，严重影响了车辆的操纵稳定性及安全性。尤其是对于缺乏处理紧急事故经验的驾驶员来说，极易由于紧张而进行了错误的操作增加了事故后果的严重性，爆胎车辆稳定性控制已成为行业内的研究重点。
1.需求分析
车辆的运动特性在发生爆胎后会迅速改变，通常会使驾驶员不得不采取仓促的应激性操作，而不恰当的操作（包括驾驶员制动反应时间延迟）则易导致车身剧烈侧滑、甩尾情况的发生，增加了翻倾等严重事故的发生概率，为有效的解决这一问题对爆胎车辆的自动制动功能的需求不断提高，在车辆失控前通过自动制动系统采用相关自动制动策略实现车速到安全车速范围的迅速调整，辅助爆胎车辆完成安全停车过程。在车辆处于高速行驶过程中爆胎的突然发生通常会使驾驶员通过狠踩刹车降低车速，这反而会增加车辆跑偏程度进而易使爆胎车辆翻车，极大的威胁到了驾驶员的生命财产安全，尽量抢换低速挡后再轻点刹车降低车速是此时需采取的正确做法。
针对汽车爆胎提高轮胎的防爆性是市场上轮胎厂商大多常用的技术，而相关的应急装置通过使用机械传动控制处理爆胎后的应急方式方面的研究较少［１］。为使车辆爆胎时由驾驶员制动反应时间延迟引发的安全问题得以有效避免，本文主要对基于汽车爆胎时主动安全控制仿真系统进行了研究，辆制动系统基于ＥＨＢ，为防止驾驶员的误操作，对制动油路进行改进，通过制动阀和平衡阀的使用实现对油压的有效调节和控制过程，通过对轻点刹车环节进行自动控制，实现对爆胎车辆的稳定控制过程。
2.爆胎应急自动制动系统设计
本文设计的应急主动安全制动系统的硬件构成如图1所示，主要增加了横摆角速度传感器，该系统基于电控液压制动系统（EHB），制动电动泵及各电磁阀在制动系统控制单元（根据输入的爆胎信号）的驱动下实现对爆胎车辆的自动制动过程，再通过对车辆实施相应的差动制动完成对车辆制动方向的控制（以横摆角及其速度变化情况为依据），同时根据轮速对车轮状态进行判断，若车轮抱死则启动车轮防抱死控制功能（通过驱动相应电磁阀完成）。系统执行机构主要由各轮缸进／出油阀／动力源部分（包括常规及自动制动）、隔离阀、电磁阀、平衡阀等构成，处于行驶状态的车辆通过蓄能器完成对液压管路的自动制动以确保其具备一定的预压力，液压力在通过踏板进行常规制动后会通过隔离阀、平衡阀完成从制动主缸到各轮缸的传递，从而最终实现常规制动过程；
应急主动安全制动系统在车辆发生爆胎后即开始工作，在电作用下的隔离阀、平衡阀会打开各轮缸的进油阀，通过采用自动制动的动力源向各轮缸传送制动液压压力，针对车辆行驶状态爆胎应急主动安全制动系统以横摆角速度信号为依据完成准确判断过程，在此基础上完成各轮缸制动压力的确定及相应差动制动策略的产生，从而控制车辆行驶状态。
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3.应急主动制动稳定性控制策略
3.1主动制动执行模块
车辆发生爆胎后的短暂时间内还未建立起由爆胎导致的横摆，此时的制动力会施加到四个车轮上（由to表示施加时间为），当由爆胎引起的附加横摆力矩出现后则以此为依据完成差动制动模式的确定以获取车辆抵消横摆所需的制动力，并据此对爆胎同轴的对侧轮缸增加压力，再比对阈值范围对车辆实际的轨迹偏差量进行判断（以车辆横摆角速度信号为依据），位于阈值范围内的可继续在四轮上加力10ms，逆时针横摆为正值执行抗车辆逆时针横摆状态值，顺时针横摆为负值执行抗车辆顺时针横摆状态值。应急稳定性控制后于ABS控制执行，在执行车轮ABS控制过程中每中断一次执行的周期为50ms，完成后执行应急稳定性控制降低车速至每小时20km，并在此基础上保持原制动状态制止停车。以左后轮爆胎时（ifflag＝3）为例，应急主动制动执行模块的控制流程如图2所示，其中的ｅ和Δ分别表示实际横
摆角速度偏差及其阀值，左前轮缸进液阀关闭由LF－in＝0表示、出液阀打开由LF－out＝1表示，左后轮缸进液阀关闭由LR－in＝0表示、出液阀打开由LR－out＝1表示，右前轮缸进液阀关闭由RF－in＝0表示、出液阀打开由RF－out＝1表示；右后轮缸进液阀关闭由RR－in＝0表示，出液阀打开由RR－out＝1表示，其他轮爆胎的控制流程同其类似，通过修改各状态值标记完成对应爆胎轮标记号的确定即可。在仅对常见的单独车轮爆胎进行考虑的情况下，针对四种爆胎状态主动制动各执行状态值共包含16种，前后平衡阀状态分别由FB、RB表示，在爆胎车辆主动制动过程中前隔离阀状态、后隔离阀状态（分别由FS、RS表示）均保持分隔状态即对应值均为1，状态值在图2中取0时表示各轮缸保持压力，取3时则表示四轮皆加压制动状态，状态值取1和2时分别对应产生抗顺时针和抗逆时针横摆力矩状态。
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3.2基于液压控制的爆胎应急装置设计与实现
该应急装置主要由胎压传感器、单片机、回油路、射频传输器、电磁阀等构成，负责实现恢复车辆稳定制动的功能，通过在实时检测胎压的基础上由单片机负责对液压控制进行驱动，然后启动自动锁实现轻点刹车的功能再关闭自动锁。根据爆胎胎压的瞬间变化并结合爆胎同车速间的关系，通过单片机程序控制自动锁的启动、关闭或延时作用，以确保车辆的安全性。
3.2.1附加横摆力矩模糊控制器
本文选用了二维模糊控制器，输入变量为车辆横摆角速度偏差和及其变化率（分别由E、EC表示），输出变量为差动制动轮缸的调节压力（指爆胎轮对侧车轮，由PW表示），模糊化处理输入及输出变量，两个变量的模糊子集均包含负大、负中、负小0、正小、正中、正大7个等级，分别由｛NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB｝表示，在期望状态值远大于实际值的情况下对应为ＮＢ，若此时偏差变化率同样如此（即为NB），则需将一个较大力矩（正方向）施加给车辆，确保控制量取最大正大（即PB），从而使产生的偏差得以尽快消除；变化为PS、PB的偏差易产生超调，在偏差变化率为正小即偏差呈现减小趋势的情况下（PS），需通过中等正向控制力矩的施加（确保控制量较小量的增加）实现在加速达到目标值的同时有效防止系统超调的发生；在车辆期望运行状态远小于实际状态值且此时偏差变化率等级与其相同的情况下，需将较大的控制力矩（负方向）施加给车辆以获取负大的控制量尽快消除偏差；在偏差较小的情况下稳定性成为首要解决的问题，控制量的变化需以偏差变化率为依据确定，以在防止超调的同时使系统尽快稳定，具体的模糊控制规则如表1所示。
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假设，横摆角及横摆角速度分别由γ和γ.表示，横摆角及横摆角速度的参考值分别由γｒｅｆ和γ.ｒｅｆ表示（直线行驶时取值为0），控制器的输入变量E和EC的表达式如下。
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侧车轮轮缸进油阀状态由offside－in表示、出油阀状态由off－side－out表示，对侧轮缸电磁阀实施控制的过程中，左后或右前轮爆胎时的模糊规则输出量如表2所示，左前、右后轮爆胎时的输出见表3。
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3.2.2“轻点刹车”制动力的设计与实现
在汽车爆胎一瞬间通过在制动踏板的下方安装的线性电磁铁（不会影响正常情况下的制动过程）实现自动可靠的踩下制动踏板的过程，以确保爆胎后汽车能够快速可靠的主动控制过程完成轻点刹车功能。爆胎信号由单片机接收并进行处理后会以使能信号的形式传输至线性电磁铁，在较强的电磁力的作用下（由电磁圈产生）实现无需驾驶员执行刹车行为自动控制制动踏板向下运动过程直到预先设定的位置，完成轻点刹车功能，使反应速度及控制过程的便利性得以显著提升，从而有效避免汽车侧翻等交通事故的发生。选用某轿车进行制动力试验，安全制动距离为40m（根据交管部门规定），测试结果表明在130km／h的车速下（已超过高速公路限速），制动力为全制动力1／3时可控制制动距离不超过40m，过大的制动力会增加爆胎车辆跑偏和翻车事故发生的概率，即以全制动力的1／3作为制动力较为合理，具体通过制动油路泄压2／3（开启电磁阀）使轻点刹车的制动力占全制动力的1／3，压力调节器在车辆正常行驶的情况下会保持休眠状态以确保制动系统正常工作，爆胎瞬间爆胎应急装置（基于液压控制）中的单片机会接收到信号（以胎压值小于正常值1／3为准，由胎压传感器传送），此时爆胎警示灯会亮起，通过控制电磁阀动作完成对制动液压的降压处理以确保制动力达到所设置的区域（时间与车速相关，在2～7s范围内由单片机控制），轻点刹车功能通过间歇性开闭电磁阀阀门实现，使制动恢复到正常状态。汽车爆胎瞬间胎压传感器将是正常胎压1／3的压力值检测结果传输至单片机，再由单片机据此发出相应指令：车速不超过30km／h开启爆胎警示灯，仍然休眠（视为驾驶员可处理），制动系统正常运行；车速超过30km／h即为高速行驶，开启爆胎警示灯及爆胎应急装置，由单片机控制电磁阀工作在0.02s内完成油路的改变，向主缸运回2／3的制动液控制制动力的大小，不断开闭电磁阀阀门实现轻点刹车效果。
4.实验检测与分析
为检测本文所设计的应急主动制动系统的有效性进行了爆胎模拟实验，图3为模拟爆胎装置连接情况，主要由放气电磁阀、收发及摇控装置、放气控制阀构成，选用轮胎气压均充至正常值的BJ2500作为试验车辆，在平直水泥路面上行驶，车速为60km·h－1，摇控控制模拟爆胎装置，通过将加速度传感器安装于近车辆质心处对爆胎制动过程的速度变化情况进行检测，横摆角速度信号通过使用DL750示波器完成采集过程（包括轮速信号），据此获取车辆横摆响应和纵向行驶信息。对系统触发、横摆角速度、车辆加速度三类信号（分别由GH1、GH2、GH3表示）进行采集，爆胎后在无稳定性控制的情况下由四轮进行自动制动，爆胎应急装置启动时间不超过0.2S，电磁阀增压及减压速率分别约为2.1MPa／s和1.8MPa／s，使瞬间改变制动力的要求得以有效满足，图４为车辆加速度和横摆角速度的输出信号，横摆角速度在爆胎2000ms内的波动幅度初始较大随后降低至2.3V左右，并随车速降低基本回至原值（2.5V），加速度信号稳定减速时间约为3000ms。采用本文主动制动策略后的输出信号如图5所示。
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相比于没有稳定控制情况，横摆角速度的波动幅度显著降低，基本能够快速回到原值，减速度趋于稳定用时更短，验证了本文制定系统及策略的有效性。
结束语：
本文针对爆胎汽车设计的应急主动安全制动系统的工作原理在于发生爆胎后，针对所产生的附加横摆力矩，通过施加与其相反的平衡控制过程确保车身的平衡，并对车辆运动状态进行检测，对偏离原行驶轨迹的车辆通过模糊控制策略的使用完成纠偏过程，通过爆胎应急装置（基于液压控制）以胎压和车速信号为依据完成发生爆胎的判断后，串接于制动油路中的电磁阀在单片机控制的作用下实现对液压（作用于制动轮缸上）不断的泄压增压处理过程，自动实现轻点刹车功能，从而确保爆胎车辆以安全车速自动实现稳定安全制动过程。在仿真实验中将该应急主动安全制动系统应用于车辆在发生爆胎后，车辆能够在原行驶轨迹中迅速稳定下来，使爆胎车辆稳定性控制过程得以有效实现，验证了该控制策略的有效性。
参考文献：
［1］许志超，周福强，危银涛，等．商用车轮胎通过噪声与温度、速度和花纹关系的实验研究［J］．橡胶工业，2017（11）：
［2］张颖文，王国林，周海超，等．使用因素对滚动轮胎振动特性影响的有限元分析［J］．橡胶工业，2018（11）：
［3］李冰林，徐晓美，吕立亚，等．基于分数阶微积分的爆胎汽车横向稳定性控制［J］．安全与环境学报，2018（6）：