CN114252278B - 一种高压喷射式汽车轮胎爆胎模拟装置及方法 - Google Patents

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Abstract

一种高压喷射式汽车轮胎爆胎模拟装置，包括发射装置、穿孔器，发射装置通过连接板安装在被测轮胎内侧的车桥上，发射装置的轴线与车桥轴线相平行，发射装置内部开设有用于装填穿孔器的推进腔，推进腔为一盲孔，推进腔开口端正对被测轮胎，封闭端与高压气体生成装置经过高压气管连通；穿孔器为阶梯状结构，穿孔器正对被测轮胎的一侧为三角锯齿刃口结构，另一端为与推进腔小间隙配合的圆柱体；本发明质量轻且对被测轮胎不产生任何附加质量，不会因此对试验结果产生影响，适用于任何规格型号的轮胎且安装方便，模拟爆胎效果好且可以确保重复性。

Description

一种高压喷射式汽车轮胎爆胎模拟装置及方法
技术领域
本发明涉及汽车安全试验装置技术领域，尤其是一种高压喷射式汽车轮胎爆胎模拟装置及方法。
背景技术
为了预防汽车轮胎突然爆胎导致高速行驶车辆的转向和制动失灵而引起交通事故的发生，提高汽车安全性能，已有不少汽车生产企业在装备的汽车轮胎上安装了爆胎应急安全装置或者其它爆胎监测及控制系统。国家也对相关产品制定了相应国家或行业标准，如JT/T 782-2020《营运客车爆胎应急安全装置技术要求》，GB/T38976-2020《汽车爆胎应急安全装置性能要求和试验方法》，GBT30513-2014《乘用车爆胎监测及控制系统技术要求和试验方法》等。上述标准均对汽车爆胎时的转向、制动性能规定了具体的要求和试验方法，在进行相关试验时必须对汽车轮胎进行爆胎模拟。
为了准确测量爆胎后应急安全装置的装车性能，目前新制修订的相关国家及行业标准中对爆胎模拟方法新增了明确的指标要求，包括泄气时间及破口尺寸以及模拟装置附加在轮胎上的质量要求等。
大量试验表明炸药爆破法的爆破效果比较贴近实际爆胎场景，但是由于雷管炸药的使用在我国受到极为严格的管控，在试验中获取困难，且存在一定的安全隐患，因此使用受限；电控放气采用在轮辋或轮胎上钻孔，在轮辋上安装电控装置控制轮胎放气，这种方案由于模拟爆胎前已经改变了轮胎的实际状态，现行国家标准已不允许采用。
目前最常用的爆胎模拟方法为针刺方法，现有的针刺法可归为两类，一类是装置在道路上，一类是安装在车辆上，安装在道路上的针刺装置由于位置固定，使用时需要驾驶车辆以需爆破的车轮对准针刺装置并从上面压过，利用车辆重力和冲击使针刺装置刺入轮胎胎冠从而模拟爆胎，这种方案存在以下不足：(1)驾驶操作困难；(2)不同人员驾驶甚至相同人员驾驶每次试验刺入的位置均不同，试验重复性差，现有方法中，车辆与针刺装置之间的相对位置靠驾驶员驾驶操作保证，无法精准控制，每次驶过针刺装置时，针刺装置相对轮胎的位置、角度、转速自然各不相同，由此导致每次爆破效果不一样；(3)受汽车重量、冲击速度、轮胎强度、针刺位置等多种不确定因素影响，每次可实现的爆胎效果不确定；(4)针刺装置作用在胎冠上，即使爆胎，破口发生在胎冠，也不符合现有国家标准规定在胎侧产生破口的要求；另一类安装在车辆上的针刺方案，其中一种采用车载装置向轮胎前方释放针刺器，解决了上述(1)驾驶操作困难的问题，但(2)(3)(4)提及的问题依然存在，其他安装在轮胎上的针刺装置，通过直线电机或液压推动针刺器作用在轮胎侧壁可以实现轮胎刺破，但又会带来新的问题：1、电机及液压缸装置会对轮胎产生较大的附加质量，从而影响试验结果；2、由于微型直线电机及液压缸伸缩速度一般不会超过0.3m/s，而车辆试验时轮胎处高速旋转状态，因此极易导致针刺器在刺入轮胎侧壁尚未拔出过程中会卷入轮胎底部导致针刺器及轮胎内的安全装置损坏；3、现有的针刺方法基本都采用三角形针刺器，且刺入速度很低，试验时轮胎破口受轮胎气压、结构强度以及气体迸出时的撕裂效果影响会形成不同的尺寸及形状，无法保证多次试验时的重复性要求，另外,对于多轮胎同时爆胎需求，很难保证多胎同步爆胎，一方面现有针刺方式试验时轮胎破口受轮胎气压、结构强度以及气体迸出时的撕裂效果影响会形成不同的尺寸及形状，不能保证重复性自然无法保证同步性，另一方面现有针刺方案刺入速度低，一般不会超过0.3m/s，多胎同时爆胎模拟时由于受安装位置、轮胎变形等因素影响,各轮胎针刺装置与轮胎间距无法保证完全相同，以30mm安装误差进行考虑，两条轮胎在同步启动爆胎模拟的情况下，针刺装置刺入轮胎的时间将至少相差0.1s，两方面综合影响可能会达到近1s，而实际的爆胎过程泄压时间通常不足0.1s；4、液压设备及电机装置结构笨重，安装使用均不方便。
发明内容
本发明的目的在于为解决上述现有技术存在的技术缺陷，从而提供一种高压喷射式汽车轮胎爆胎模拟装置及方法，
本发明的技术方案为：一种高压喷射式汽车轮胎爆胎模拟装置，包括发射装置、穿孔器，发射装置通过连接板安装在被测轮胎内侧的车桥上，发射装置的轴线与车桥轴线相平行，发射装置内部开设有用于装填穿孔器的推进腔，推进腔为一盲孔，推进腔开口端正对被测轮胎，封闭端与高压气体生成装置经过高压气管连通；穿孔器为阶梯状结构，穿孔器正对被测轮胎的一侧为三角锯齿刃口结构，另一端为与推进腔小间隙配合的圆柱体。
穿孔器的圆柱体外壁与推进腔内壁之间的间隙为0.1mm∽0.3mm。
高压气体生成装置为气体生成器，气体生成器的电控开关设置于待测车的驾驶室内，电控开关与车载电源通过电线连接。
高压气体生成装置为内部储存有叠氮化钠(NaN3)与硝酸铵(NH4NO3)的气体生成器，电子点火后可发生爆燃并生成大量氮气，用于控制高压气体生成装置点火的电控开关设置在待测车的驾驶室内，电控开关与高压气体生成装置的点火器及车载电源相串联。
高压气体生成装置为内部储存有高压气体的储存罐，储存罐出气口与推进腔之间通过电磁线圈控制阀门控制通断，控制储存罐阀门的电控开关设置在待测车的驾驶室内，电控开关与阀门的电磁线圈及车载电源相串联。
所述高压气体生成装置送至推进腔内的高压气体在推进腔内至少要在封闭端形成30MPa的压力，以使穿孔器的射出速度至少为200m/s，动能至少为2000J。
发射装置封闭端的进气口为沿轴向设置的通孔，发射装置内的推进腔为直通的盲孔。
发射装置内的推进腔为台阶孔，台阶孔的大孔与穿孔器间隙配合，台阶孔的小孔靠近发射装置封闭端，发射装置封闭端的进气口为与小孔贯通的径通孔。
爆胎模拟装置的总重不大于1kg。
推进腔设置方法包括以下步骤：
第一步，根据以下公式V2-V0 2＝2a×s，推算穿孔器3的运行加速度a，式中V为穿孔器3穿过轮胎时需求的最小速度，s为穿孔器3的运行距离；
第二步，根据公式F＝ma推算穿孔器3受到气体推力F，m为穿孔器质量；
第三步，根据公式F＝PS推算穿孔器3到推进腔中心位置时的容积估算推进腔9内平均压力P，S为推进腔9横截面积；
第四步，根据PV＝nRT，以及公式P＝P1V1/V推算推进腔9的容积V，P1、V1分别为高压气体生成装置4在0.1s内生成的气体压力与体积；
第五步，最后根据公式V＝π*r2*h设计推进腔9的长度h，r穿孔器外径与爆胎孔洞大小一致。
有益效果：与现有技术相比本发明：
1、安装在车桥上，对被测轮胎不产生任何附加质量，确保试验结果准确性；
2、本体质量轻(总重不大于1kg，不足现有针刺装置的1/5)，使用方便，适用于任何规格型号的轮胎；
3、利用穿孔器的高动能及锋利刃口可实现轮胎穿透率达100％，且开口规则，重复性好，精确控制了开口大小，自然就保证了泄气时间满足标准中规定的要求。
4、可根据需要改变发射装置及穿孔器形状及尺寸以产生规定尺寸及形状的洞口；
5、可以实现多胎试验时精准同步控制，同步精度可达0.001s，在测试车的需要同步测试的车胎内侧均安装一个本发明装置，并通过一个电控开关控制启停，由于本发明启动后穿孔器运行速度不低于200m/s，即使每个穿孔器发射装置与相应轮胎安装间距相差200mm，其导致的时间误差也仅0.001s。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图中：1、被测轮胎，2、发射装置，3、穿孔器，4、高压气体生成装置，5、高压气管，6、电控开关，7、车载电源，8、车桥，9、推进腔，10、连接板。
具体实施方式
图1中，本发明包括发射装置2、穿孔器3、高压气体生成装置4、高压气管5、电控开关6、车载电源7几部分组成。本实施例中，发射装置2内设有高压气体推进腔9，穿孔器3安装在高压气体推进腔9内，气体推进腔9内壁光滑，穿孔器3与高压气体推进腔9内壁保持微小间隙(约0.1mm∽0.3mm)，当穿孔器3与高压气体推进腔9内壁仅保持微小间隙时，由于空间近似密封所以当快速向其中填充大量气体时会产生高压，在高压作用下，由于穿孔器3沿推进腔9可以自由运动，所以推动穿孔器3高速运动(只有在穿孔器3不能运动的情况下，气体才会通过穿孔器3与高压气体推进腔9内壁之间的间隙向外释放)，穿孔器3一端为锋利三角锯齿刃口，另一端为与推进腔9小间隙配合的圆柱体，推进腔9与高压气体生成装置4通过高压气管5相连通，所述高压气体生成装置4为可瞬间生成高压空气(或惰性气体)的F-21气体生成器，在0.1s内可生成60L压力为100kPa的惰性气体,由于穿孔器3与所述高压气体推进腔9之间在0.1s内近似为密封空间，根据理想气体定律(PV＝nRT)粗略计算，该腔体内气压在0.1s内可升至大约30MPa以上，气体生成器的电控开关6设置于待测车的驾驶室内，电控开关6与车载电源7通过电线连接。爆胎模拟装置的总重不大于1kg
高压气体生成装置4或为自身储存有高压空气(或惰性气体)的容器储存罐，储存罐出气口与推进腔9之间通过电磁线圈控制阀门控制通断，控制储存罐阀门的电控开关6设置在待测车的驾驶室内，电控开关6与阀门的电磁线圈及车载电源7相串联。
高压气体生成装置4或为内储存有叠氮化钠(NaN3)与硝酸铵(NH4NO3)的气体生成器，电子点火后可发生爆燃并生成大量氮气，用于控制高压气体生成装置4点火的电控开关6设置在待测车的驾驶室内，电控开关6与高压气体生成装置4的点火器及车载电源7相串联。
一个实施例中，发射装置2封闭端的进气口为沿轴向设置的通孔，发射装置2内的推进腔9为直通的盲孔。
另一个实施例中，发射装置2内的推进腔9为台阶孔，台阶孔的大孔与穿孔器3间隙配合，台阶孔的小孔靠近发射装置2封闭端，发射装置2封闭端的进气口为与小孔贯通的径通孔。
通过以下方法设计推进腔9：
第一步，根据以下公式V2-V0 2＝2a×s，推算穿孔器3的运行加速度a，式中V为穿孔器3穿过轮胎时需求的最小速度，s为穿孔器3的运行距离；
第二步，根据公式F＝ma推算穿孔器3受到气体推力F，m为穿孔器质量；
第三步，根据公式F＝PS推算穿孔器3到推进腔中心位置时的容积估算推进腔9内平均压力P，S为推进腔9横截面积；
第四步，根据PV＝nRT，以及公式P＝P1V1/V推算推进腔9的容积V，P1、V1分别为高压气体生成装置4在0.1s内生成的气体压力与体积；
第五步，最后根据公式V＝π*r2*h设计推进腔9的长度h，r穿孔器外径与爆胎孔洞大小一致。
穿孔器发射速度的计算简单说明如下：穿孔器外径根据爆胎孔洞大小确定，以50mm为例，推进腔长度综合考虑体积大小，穿孔器发射速度取200mm，则推进腔容积为3.925×10-4m3，由于压力在整个过程中动态变化，取穿孔器到推进腔中心位置时的容积估算推进腔内平均压力，根据PV＝nRT(常量)可得平均压力P＝P1V1/V＝100kPa×60L/(0.3925L/2)≈30MPa，则穿孔器受到气体推力F＝PS＝30×106×π×(50/2)2×10-6＝5.9×104N,穿孔器质量大约100g，根据牛顿第二定律F＝ma，穿孔器加速度a＝F/m＝5.9×104/0.1＝5.9×105m/s2,则V＝486m/s，相反，如果设定好发射速度，则可反推推进腔长度及内径。
试验前，将发射装置2通过连接板10固定在车桥8上，发射装置2的开口端正对被测轮胎1侧壁，穿孔器3置于高压气体推进腔9内靠近盲孔端，穿孔器3的刃口端朝向被测轮胎1，电控开关6及车载电源7安放在车辆驾驶室内，试验时，操作电控开关6控制高压气体生成装置4将储存在其中或瞬间生成的高压空气(或惰性气体)导入高压气体推进腔9，此时穿孔器3在高压气体的推进下以不低于200m/s的速度射向被测轮胎1侧壁，从而穿透被测轮胎1侧壁，在被测轮胎1形成规则孔洞，进而实现爆胎模拟。
进一步，通过改变高压气体推进腔9和穿孔器3的形状及尺寸可以实现在轮胎侧壁形成不同形状和大小的孔洞(现有针刺方式通过采用扎入和拔出实现轮胎刺破效果，由于速度低、动能小对弹性体无法实现整体穿孔效果)，由于发射出的穿孔器具备很高的动能，试验时能很规则地切削掉轮胎侧壁部分，从而确保多次试验时具备良好的重复性结果；
更进一步，由于穿孔器3穿透轮胎侧壁后仍然具备较高的动能，出于安全的考虑可以在被测轮胎外侧设置安全屏障(可以安装在车体上，也可以安装在路侧)，亦可在穿孔器3与发射装置2之间安装活动链接器(如钢丝绳)，将穿孔器3的行程进行限位，以免穿孔器3穿透轮胎侧壁后影响安全。
本发明可以彻底解决背景技术提出的问题：1、安装在车桥上，穿孔器作用于胎侧，穿刺位置不受驾驶影响，对轮胎的附加质量为零；2、采用高速穿透原理，穿孔器在10-3s内穿透轮胎侧壁，穿孔器与轮胎侧壁的安装间距对爆破时间的影响几乎为零，另外由于穿孔器具备高强度、高速度及高动能可以直接将轮胎侧壁切削出规则孔洞；3、由于整体结构简单，重量轻(总重不大于1kg)，因此安装使用方便。
在车桥上对准轮胎侧壁安装穿孔器发射装置，发射装置内设有高压气体推进腔，穿孔器安装在高压气体推进腔内，穿孔器与高压气体推进腔内壁保持微小间隙，穿孔器具备一定质量和较强硬度，其一端有锋利刃口，高压气体推进腔与高压气体生成装置相连通，通过电控线路控制高压气体生成装置将储存在其中或瞬间生成的高压气体导入高压气体推进腔，穿孔器在高压气体的推进下以不低于200m/s的速度射向轮胎侧壁，从而穿透轮胎侧壁，在轮胎侧壁形成规则孔洞，通过改变推进腔和穿孔器的形状及尺寸可以实现在轮胎侧壁形成不同形状和大小的孔洞，由于发射出的穿孔器具备很高的动能，试验时能很规则地切削掉轮胎侧壁部分，进而确保多次试验时具备良好的重复性结果。

Claims (9)

1.一种高压喷射式汽车轮胎爆胎模拟装置，其特征在于：包括发射装置（2）、穿孔器（3），发射装置（2）通过连接板（10）安装在被测轮胎（1）内侧的车桥（8）上，发射装置（2）的轴线与车桥（8）轴线相平行，发射装置（2）内部开设有用于装填穿孔器（3）的推进腔（9），推进腔（9）为一盲孔，推进腔（9）开口端正对被测轮胎（1），封闭端与高压气体生成装置（4）经过高压气管（5）连通；穿孔器（3）为阶梯状结构，穿孔器（3）正对被测轮胎（1）的一侧为三角锯齿刃口结构，另一端为与推进腔（9）小间隙配合的圆柱体；
推进腔(9)设置方法包括以下步骤：
第一步，根据以下公式v2 -v0 2 =2a×s，推算穿孔器（3）的运行加速度a，式中v为穿孔器（3）穿过轮胎时需求的最小速度，s为穿孔器（3）的运行距离；
第二步，根据公式F=ma推算穿孔器（3）受到气体推力F，m为穿孔器质量；
第三步，根据公式F=PS推算穿孔器（3）到推进腔中心位置时的容积估算推进腔（9）内平均压力P，S为推进腔（9）横截面积；
第四步，根据PV= nRT，以及公式P=P1V1/V推算推进腔（9）的容积V，P1、V1分别为高压气体生成装置（4）在0.1s内生成的气体压力与体积；
第五步，最后根据公式V=π*r²* h设计推进腔（9）的长度h，r为穿孔器外径，与爆胎孔洞大小一致。
2.根据权利要求1所述的一种高压喷射式汽车轮胎爆胎模拟装置，其特征在于：穿孔器（3）的圆柱体外壁与推进腔（9）内壁之间的间隙为0.1mm∽0.3mm。
3.根据权利要求1所述的一种高压喷射式汽车轮胎爆胎模拟装置，其特征在于：高压气体生成装置（4）为气体生成器，气体生成器的电控开关（6）设置于待测车的驾驶室内，电控开关（6）与车载电源（7）通过电线连接。
4.根据权利要求1所述的一种高压喷射式汽车轮胎爆胎模拟装置，其特征在于：高压气体生成装置（4）为内部储存有叠氮化钠与硝酸铵的气体生成器，电子点火后可发生爆燃并生成大量氮气，用于控制高压气体生成装置（4）点火的电控开关（6）设置在待测车的驾驶室内，电控开关（6）与高压气体生成装置（4）的点火器及车载电源（7）相串联。
5.根据权利要求1所述的一种高压喷射式汽车轮胎爆胎模拟装置，其特征在于：高压气体生成装置（4）为内部储存有高压气体的储存罐，储存罐出气口与推进腔（9）之间通过电磁线圈控制阀门控制通断，控制储存罐阀门的电控开关（6）设置在待测车的驾驶室内，电控开关（6）与阀门的电磁线圈及车载电源（7）相串联。
6.根据权利要求1、3、4、5任意一项所述的一种高压喷射式汽车轮胎爆胎模拟装置，其特征在于：所述高压气体生成装置（4）送至推进腔（9）内的高压气体在推进腔（9）内至少要在封闭端形成30MPa的压力，以使穿孔器（3）的射出速度至少为200m/s，动能至少为2000J。
7.根据权利要求1所述的一种高压喷射式汽车轮胎爆胎模拟装置，其特征在于：发射装置（2）封闭端的进气口为沿轴向设置的通孔，发射装置（2）内的推进腔（9）为直通的盲孔。
8.根据权利要求1所述的一种高压喷射式汽车轮胎爆胎模拟装置，其特征在于：发射装置（2）内的推进腔（9）为台阶孔，台阶孔的大孔与穿孔器（3）间隙配合，台阶孔的小孔靠近发射装置（2）封闭端，发射装置（2）封闭端的进气口为与小孔贯通的径通孔。
9.根据权利要求1所述的一种高压喷射式汽车轮胎爆胎模拟装置，其特征在于：爆胎模拟装置的总重不大于1kg。
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