非牛顿流体爆胎二层保险装置

非牛顿流体爆胎二层保险装置

杨浩宇,杨莹

哈尔滨远东理工学院，黑龙江 哈尔滨 150025

摘要：近年来，随着人们生活水平的提高，汽车越来越多的进入到寻常百姓家，成为家喻户晓的代步工具。我们在享受汽车所带来的便捷舒适和节省时间的同时，交通安全隐患也越来越多，交通事故的发生率也在不断提高。这其中由轮胎所引起的交通安全事故非常之多，通过大量的研究表明汽车在行驶过程中，最容易导致轮胎发生摩擦产生爆胎，而且轮胎的爆炸所带来的致死率也是非常高的，因此轮胎的保险装置非常重要。本文设计了一款基于非牛顿流体的爆胎二层保护装置，当轮胎压力发生变化时，通过非牛顿流体自身的特性，保持轮胎不变形，防止爆胎，直至安全停车。本设计在保护轮胎的同时更是提高了安全性能，防止发生交通事故，具有一定的经济价值和社会价值。

1研究背景

随着汽车拥有量越来越多，汽车安全也越来越引起重视，轮胎爆胎往往是引发交通事故的罪魁祸首。汽车性能的优良和轮胎使用寿命的长短均受到轮胎气压的影响。据SAE(Society of Automotive Engineers，美国汽车工程师协会)的数据说明，在美国，因为轮胎故障引起的交通事故每年多达26万余次，爆胎引起的高速公路事故高达70%。除此之外，轮胎渗漏或充气不足是轮胎发生故障的主要原因，每年大约有75%的轮胎故障是因此发生。数据还表明：在高速行驶，由于轮胎发生故障而引起的爆胎是交通事故频发的重要原因。在国内因轮胎爆胎出现的交通事故也比比皆是，占事故率的七成以上。据统计2018-2020年之间，广东省交通部门在广深高速公路上共统计2484起交通事故，其中848起交通事故出现爆胎情况，爆胎发生概率达到34.14%。而发生爆胎的时间段又是以AM 10:00--PM 16:00之间为主，且每年4月到9月是高发期。在这848起事故中，死亡212例，受重伤200例。 综上所述，汽车轮胎保险装置是预防事故减低风险的一项有效措施。

本设计是在轮胎检测报警装置的基础上，设计的二层保险装置。轮胎的检测和报警装置只能起到测试轮胎压力和报警提醒的作用，即使一些带有紧急制动功能的保险装置也是停止车辆的使用，不能从根本上解决问题，尤其在不适合停车的道路使用，非常不方便。本设计的重点在于，当传感器检测到轮胎压力减小时，轮胎中的非牛顿流体根据射流胀大特性，可使行驶中的轮胎，即使接触地面也不会发生变形，从而保护轮胎不会爆胎，保证车辆的安全。

2非牛顿流体爆胎二层保险装置工作原理

2.1非牛顿流体在装置中的作用

非牛顿流体，是指不满足牛顿黏性实验定律的流体，即其剪应力与剪切应变率之间不是线性关系的流体。非牛顿流体广泛存在于生活、生产和大自然之中。绝大多数生物流体都属于所定义的非牛顿流体。人身上淋巴液、囊液等多种体液，以及像细胞质那样的“半流体”都属于非牛顿流体。

非牛顿流体有几个明显的特性：

1.射流胀大

如果非牛顿流体被迫从一个大容器，流进一根毛细管，再从毛细管流出时，可发现射流的直径比毛细管的直径大。射流的直径与毛细管直径之比，称为模片胀大率（或称为挤出物胀大比）。对于高分子熔体或浓溶液，其值可超过10。一般来说，模片胀大率是流动速率与毛细管长度的函数。模片胀大现象，在口模设计中十分重要。聚合物熔体从一根矩形截面的管口流出时，管截面长边处的胀大，比短边处的胀大更加显著。尤其在管截面的长边中央胀得最大。因此，如果要求生产出的产品的截面是矩形的，口模的形状就不能是矩形，而必须是四边中间都凹进去的形状。

2.无管虹吸或开口虹吸

对高分子液体，如聚异丁烯的汽油溶液和百分之一的POX水溶液，或聚醣在水中的轻微凝胶体系等，都很容易表演无管虹吸实验。将管子慢慢地从容器拨起时，可以看到虽然管子己不再插在液体里，液体仍源源不断地从杯中抽出，继续流进管里。甚至更简单些，连虹吸管都不要，将装满该液体的烧杯微倾，使液体流下，该过程一旦开始，就不会中止，直到杯中液体都流光。这种无管虹吸的特性，是合成纤维具备可纺性的基础。

3.湍流减阻

非牛顿流体显示出的另一性质，是湍流减阻。人们观察到，如果在牛顿流体中加入少量聚合物，则在给定的速率下，可以看到显著的压差降低。湍流一直是困扰理论物理和流体力学界未解决的难题。然而在牛顿流体中加入少量高聚物添加剂，却出现了减阻效应。有人报告：在加入高聚物添加剂后，测得猝发周期加大了，认为是高分子链的作用。虽然湍流减阻效应的道理尚未弄得很清楚，却己有不错的应用。在消防水中添加少量聚乙烯氧化物，可使消防车龙头喷出的水的扬程提高一倍以上。应用高聚物添加剂，还能改善气蚀发生过程及其破坏作用。

在设计轮胎二层保险装置时，正是应用了非牛顿流体的这几个特性，可使轮胎压力恒定，不发生形变，保障车辆安全。

2.2二层保险装置的设计

在整体系统设计中，首先利用第一层保险装置，通过压力传感器检测轮胎中的压力是否符合行驶标准。当检测到的压力值开始下降并低于行驶标准时，轮胎内部的气囊会发生改变，推动非牛顿流体向外流动，由于非牛顿流体有着遇强则强、遇弱侧弱的特性，即使车轮在行驶过程中是高速旋转的，但非牛顿流体也会保持包裹着最外侧橡胶的状态。根据非牛顿流体射流胀大的特性，可使非牛顿流体被迫从一个大容器，流进一根细管，再从细管流出，可发现射流的直径比细管的直径大，从而使原本轮胎内原本降低的压力，又恢复到正常状态，这样就可保持轮胎维持原有的压力，可保证轮胎在转动时即使快速接触地面也不发生变形，保证轮胎能正常运转一段时间直至安全停车。

1.安装：

将蜂鸣器、数码管安装在车内，气压传感器粘贴在车胎内测，防止汽车正常行驶时损坏仪器。轮胎内置气囊处于轮胎外圈气密层中，同非牛顿流体所存储的位置紧紧贴合在一起，二者都处于轮辋外圈，而气囊处在最里面，储存非牛顿流体的橡胶圈套在外面，非牛顿流体是由特制橡胶材料储存，以确保在汽车运动过程中橡胶不会裂开导致非牛顿流体流出，整体能够很好贴合汽车轮毂。安装时，先将气囊稳妥地套在轮辋上，再套上轮胎，从轮辋的圆孔内取出气门嘴，带上气门帽，检查气密性；确保轮胎与轮辋的气密性后，务必安装气门帽；安装完成后，正确动平衡、装车。

工作方式：

由于汽车爆胎，气压传感器检测到气压变化，电爆管开始工作，将叠氮化钠（NaN3）工作时的反应方程式：2NaN3＝2Na＋3N2↑。产生大量氮气（N2），使安全气囊膨胀，将非牛顿流体快速填充到气密层。

非牛顿流体填充到气密层后由于车胎高速旋转非牛顿流体快速接触地面，由于遇强则强的特性，非牛顿流体会保持轮胎形状使车辆爆胎后依然能相对正常行驶至司机停车。

结论

汽车作为日常生活中的代步工具，已经成为我们生产生活中的一部分，车辆的安全是关乎到驾驶员及乘客生命的大事，其中轮胎的安全尤为重要，本设计从轮胎保险角度出发，利用非牛顿流体的特性，设计一款轮胎二层保险装置，在检测到轮胎压力降低时，增大轮胎压力，防止爆胎，保障车辆及人员安全。设计方案具有普遍适用性，通过科技创新加以合理应用，以创造更大的经济效益和社会效益。

参考文献

[1]魏蓝.有趣的非牛顿流体[J].科学启蒙,2021(Z2):57-59.

[2]秦立峰,陈劭,宋天佳,杜彬.汽车爆胎报警及控制系统的研究现状及发展趋势[J].世界科技研究与发展,2010,32(04):501-504.DOI:10.16507/j.issn.1006-6055.2010.04.028.

课题项目：2021年黑龙江省大学生创新创业训练计划项目--《非牛顿流体爆胎二层保险装置》（202113301002）

作者简介：杨浩宇（2002-），男，黑龙江省佳木斯市人，本科，研究方向：电子与智能制造

杨莹（1985-），女，黑龙江省哈尔滨市人，硕士，研究方向：电子与通信工程