10---FTP技术在防止爆胎事故中的应用及原理

蒂龙爆胎应急安全装置——“FTP”技术在防止由爆胎引发的交通事故中的应用及原理编辑/蒂龙科技发展（北京）有限公司技术部“FTP”技术（全称FlatTyreProtection轮胎失压保护系统）是英国蒂龙汽车集团拥有的一项世界性专利技术，能够保证车辆在轮胎严重甚至完全失压后仍然能够安全、可控的行驶一段距离的技术。引言：轮胎是汽车与地面接触的中间载体,其除了缓冲及衰减汽车行驶中的冲击震动,支撑汽车重力外,还负责提供良好的附着条件,从而顺利实现对汽车的控制,如制动转向等。因此,轮胎性能对汽车的安全行驶至关重要。由于爆胎所致交通事故后续大多表现为碰撞或翻车，造成恶性交通事故，因而从根本上杜绝此类事故的发生显得尤为重要。下面我们从爆胎事故发生的原因及对车辆控制的分析入手详解“FTP”技术在解决爆胎问题上的作用及原理。一、爆胎事故发生率与道路天气原因的关系分析数据来源：广深高速公路始发广州经东莞到达深圳,全长122.8km,双向6车道,全沥青路面。通过对广州、东莞、深圳高速公路交警大队所提供的1998-2000年3年间848起爆胎事故档案,经整理进行统计学分析结果如下：1998-2000年，3年间广深高速公路共发生交通事故2484起，其中848起交通事故出现爆胎，发生率为34.14%(848/2484)。时间因素以10：00～16:00为高发段，占55.54%(471/848)，其中14:00最高，占9.67%(82/848)；每年4～9月份为高发期，占56.84%(482/848)。爆胎部位以单个右后胎高发，共398起，占46.93%(398/848)；左后胎次之，共295起，占34.79%(295/848)。爆胎部位见表1。表1848起交通事故爆胎部位与事故数部位事故数构成比(%)左前胎9010.61右前胎4530.00左后胎29534.79右后胎39846.92双前胎20.24双后胎141.65左前左后20.24左前右后10.12四胎10.12合计848100.00爆胎后车辆发生事故以碰撞方式最为常见，共441起，占52.00%(441/848)；其次是翻车，共316起，占37.26%(316/848)，其他共91起,占10.73%(91/848)。路段情况以直道为高发,共506起,占59.67%;高架桥次之共314起,占37.03%;其他路段28起,占3.30%。路面因素以平坦为高发，共778起，占91.75%；其他路面70起，占8.25%。天气因素以晴天为高发，共734起，占86.56%，其他天气114起，占13.44%。照明因素中以白天光亮为高发，共613起，占72.29%；夜间照明共140起，占16.51%;其他95起，占11.20%。因爆胎造成特大交通事故5起，重大交通事故27起，一般交通事故233起，轻微交通事故583起。848起爆胎事故中死亡212例，受伤200例，占同期2484起事故总伤亡人数的22.55%(212/940)。同期国内西宝高速公路交通事故爆胎的发生率为22.6%，京津塘高速公路交通事故爆胎发生率为22%，福泉高速公路交通事故爆胎发生率为20%。均较广深高速公路交通事故爆胎发生率34.14%略低。除去车速因素外，南方气温较高应该是另一重要影响因素。本组资料显示爆胎与时间因素有密切关系，以10:00～16:00为高发段，占55.54%，其中14:00为最高，占9.69%；每年4～9月份为高发期，占56.72%，这些时间均为南方地区高温天气。在行驶中轮胎要连续不断地伸缩变形，橡胶、帘线、外胎及地面等相互之间产生摩擦，产生大量的热量，从而造成胎体温度升高。当外界气温较高，也使轮胎产生较高热量，从而导致轮胎气压增大。但由于橡胶不仅是热的不良导体，不散热，而且其性能因高温而下降，当胎体温度达到一定程度时，气压超过橡胶材料的极限强度，必然导致轮胎损坏。因此，炎热天气在高速公路行驶时，驾驶员更应注意车速及轮胎的保养，防止爆胎的发生。二、交通事故中汽车轮胎爆胎分析1、轮胎分类汽车轮胎按用途可分为轿车轮胎、载重车轮胎、摩托车轮胎和特种车辆及工程机械用轮胎；按结构特点分为斜交轮胎、子午线轮胎和带束斜交轮胎；按胎面花纹分为普通花纹轮胎（横沟花纹与纵沟花纹）、混合花纹轮胎（横沟与纵沟兼有）和越野花纹轮胎（砖块花纹）；按空气压力大小可分为高压轮胎（气压为490kPa～686kPa）、低压轮胎（气压为196kPa～490kPa）和超低压轮胎（气压在196kPa以下）。普通斜交轮胎和子午线轮胎在汽车上得到广泛的应用，特别是子午线轮胎的应用最为广泛。子午线轮胎由帘布层、带束层、胎冠、胎肩和胎圈等组成，以带束层箍紧胎体。子午线轮胎的优点较为突出，一是接地面积大，附着性能好，胎面滑移小，对地面的单位压力也小，因而滚动的阻力小，使用寿命长；二是胎冠较厚并且有坚硬的带束层，不易刺穿，行驶时变形小；三是由于帘布层减少，胎侧薄，散热性好；四是径向弹性大，缓冲性能好，负荷能力较大。子午线轮胎的缺点一是胎冠较厚，胎侧较薄，在胎冠和胎侧的过渡区容易产生裂口；二是由于胎侧较薄，容易产生变形，导致汽车的侧向稳定性差；三是胎侧的抗撞击性能较差，容易损坏。普通斜交轮胎由胎冠、缓冲层、帘布层、三角胶、胎唇钢丝等组成。普通斜交轮胎具有胎面和胎侧强度大的特点，在载重汽车等大型车辆中大量应用。但同时由于胎侧较厚，普通斜交轮胎的散热性能较差，容易造成结构性损坏。2、轮胎的损坏形式轮胎的损坏形式主要有机械损坏、疲劳损坏、热损坏三种。（1）机械损坏机械损坏是指轮胎受外物的撞击或刺伤、表面擦伤及挤压等导致的损坏。这种损坏形式常见于载重汽车、大型客车所用轮胎中。由于轮胎受到非正常的摩擦、撕裂作用或路面硬物对轮胎表面的穿刺，当超过胶料的极限强度时，将引起轮胎的裂缝，形成应力集中，产生机械损坏，引起轮胎表面裂纹、掉皮等现象。（2）疲劳损坏疲劳损坏是指轮胎受到快速的动态应力和应变作用而发生的损坏。由于轮胎胶料的粘弹特性，轮胎受到载荷作用发生交变变形时，应力和应变不同步，产生永久变形，使得分子链缓慢破坏。这种损坏称为疲劳损坏。疲劳损坏最显著的表现是轮胎表面出现明显的裂缝，这主要是由于填充剂（炭黑）分布不均匀、局部应力集中、表面裂纹划伤等引起。（3）热损坏热损坏是指轮胎胶料的粘弹性能使其在交变应力作用下，会产生滞后损失，这部分能量以热能的形式存在于胶料中，其中的一部分通过轮胎外表面散失在空气、路表面中，另一部分则导致了轮胎的温度升高。当温度升高到一定程度时，轮胎胶料的各种热学、力学性能将会下降，影响到轮胎的行驶安全，甚至导致轮胎的过热损坏。轮胎的机械损坏、疲劳损坏、热损坏等损坏形式在轮胎行驶过程中是同时存在的，是个逐步累积的过程。一旦损坏程度突破轮胎的承受极限，就有可能引发爆胎。（4）爆胎爆胎是指轮胎在极短的时间内（一般少于0.1秒），胎体突然破裂而失去轮胎中所充气体的情况，是一种非正常快速失压。3、轮胎爆胎原因分析轮胎结构上的固有弱点、轮胎制造缺陷、使用维护不当、外力撞击、气候因素等都可能造成车辆轮胎爆胎。（1）轮胎结构固有的弱点车辆轮胎的带束层边缘、胎体帘线边缘、胎唇边缘等部位是两种性能差异很大的材料的交叉边界，在受力变形的情况下会产生应力集中，从而导致局部变形、生热。往复变形一段时间后，轮胎局部温度可高达250℃以上，这将导致材料的结合性能劣化并由此引发分离、熔断等缺陷。轮胎过热使胎面或帘布层脱层，并使胎面沟槽及胎肩龟裂、帘线断裂、胎肩部位快速磨耗，而不规则磨损会造成轮胎滚动阻力增加。胎圈与轮辋之间的异常摩擦是引起胎圈损伤或者轮胎与轮辋脱离而发生爆胎的最大隐患。（2）轮胎制造缺陷轮胎在制造过程中会产生各种不可避免的缺陷，如气泡、杂质等。这些缺陷在轮胎动态运行中都会成为应力集中点。随着缺陷的发展，会因为胎腔气体的高压渗透作用而形成空腔，并导致层间剥离，在外观上表现为脱层、鼓泡，即使在正常使用情况下，这些缺陷也会使轮胎发生爆胎。（3）使用维护不当主要有三种情况：一是超载，当车辆超载行驶时，轮胎承受的负荷、形变增大，胎体所承受的压力也相应增加，胎面与路面的接触面增大，相对滑移加剧，磨损加快，特别是胎侧弯曲变形会引起胎肩磨耗、胎温升高、轮胎帘布层脱落；二是高速行驶，随着车辆行驶速度增加，轮胎寿命不断降低，当行驶速度达到70km/h时，轮胎寿命下降30%左右，车速过快会使轮胎与地面形成不规则的磨损，胎面易出现剥离现象，同时会加速轮胎劣化过程，造成胎圈损伤或轮胎与轮辋脱离，胎面中心快速磨耗；三是轮胎欠压或过压，轮胎气压过低，车轮的下沉量增大，轮胎径向变形量增大，胎面与地面摩擦增加，滚动阻力上升，胎体的内应力也随之上升，造成胎体温度急剧升高，胎面橡胶变软，老化速度加快，引起胎体局部脱层和胎面磨损加剧。（4）外力撞击当轮胎受较强外力撞击时，容易产生外伤甚至爆胎。一是轮胎高速碾过道路上的石块、螺钉、玻璃等尖锐异物时，可能会划伤胎体，轮胎也可能会产生脱层缺陷，导致轮胎强度降低，进而导致爆胎；二是轮胎直接撞击路面上的固定物或坠车等，也会因胎体内应力的瞬间集中而发生爆胎。（5）气候因素气候是影响轮胎使用的重要外在因素，特别是气温的高低，对于爆胎有着直接影响。夏季气温较高，太阳直射下路面温度可高达60℃～70℃，轮胎长时间接触高温路面，热量聚集加剧，容易诱发爆胎。据统计，每年炎热的夏季（6月～8月）爆胎事故高发，占全年总数的近三分之一。（6）其他因素诸如车轮不平衡、车轮定位不准、不同速度级别的轮胎混用、轮胎结构选用不当等因素，也会引起车辆爆胎。三、爆胎对车辆控制的影响1轮辋触地对轮胎力学特性的影响爆胎后轮胎脱圈阻力急剧减小，随之轮胎脱离轮辋，轮胎外侧胎唇陷入轮毂凹槽部位，丧失支撑力，车身自身重量下沉会导致轮辋直接与路面接触，如图1所示。轮胎脱圈轮辋触地会对轮胎的力学特性产生很大的影响，此时已变成刚性轮辋直接在路面上滚动。轮心存在侧向速度时，如果路面光滑平整，轮辋会在路面上产生侧向滑移，由于轮辋与路面的摩擦系数比轮胎与路面的摩擦系数小，因此轮辋触地后轮胎的侧向力会减小。如果路面凹凸不平或存在裂缝、刹车等情况，轮辋会“卡”在路面上，限制了轮辋的侧向运动，从而导致轮胎侧向力在瞬间内急剧增大到原来的20倍。2轮胎爆胎对车辆行驶轨迹的影响（1）直线行驶右前轮爆胎仿真分析工况设定：汽车以100Km/h的初速度在正常附着系数（0.85）路面上直线加速行驶，当车速达到120Km/h时汽车右前轮发生爆裂。爆胎后按仿真结果曲线如图2至图7所示。图8为仿真结果三维动画图。从图3图4与图8可以看出，汽车右前轮发生爆胎后，若驾驶员向左急打方向盘并采取高强度制动时，汽车将发生翻车事故。轮胎发生爆胎时，其径向刚度急剧降低，使轮辋不停地碾压轮胎。同时爆胎轮胎的脱圈阻力急剧减小。驾驶员在爆胎0.5秒后突然施加的左转50度方向盘操作，使汽车产生一个很大的朝爆胎轮胎一侧的侧向加速度，导致右前轮的侧向力超过脱圈阻力，造成轮辋与轮胎分离，轮辋与地面直接接触在路面滑移。此时如果路面凹凸不平或存在裂缝，轮辋会“卡”在路面上，限制了轮胎的侧向滑移，使轮胎侧向力急剧增大，如图7所示，强大的离心力绕轮辋卡地点产生一个很大的翻倾力矩，从而导致翻车事故的发生。（2）直线行驶右后轮爆胎仿真分析工况设定：汽车以100Km/h的初速度在正常附着系数（0.85）路面上直线加速行驶，当车速达到120Km/h时汽车右前轮发生爆裂。爆胎后仿真结果曲线如图8至图13所示。图14为仿真结果三维动画图。从图10、图11与图15可以看出，汽车右后轮发生爆胎后，若驾驶员向左急打方向盘并采取高强度制动时，汽车将发生甩尾失控的严重后果。后轮爆胎并实施高强度制动时，汽车发生轴荷转移，汽车大部分重量由前轮承担，后轮的垂直载荷显著减小，同时爆胎轮胎侧偏刚度显著降低。在二者同时作用下爆胎车轮的侧向力急剧减少，如图14所示，使汽车具有过度转向趋势。驾驶员突然向左急打方向盘的操作使汽车瞬时产生一个较大的侧向加速度，后轮的侧向力不足以平衡此侧向加速度引起的离心力，从而使汽车发生甩尾。如