李月明 王鵬翔 張毅 習(xí)波波 楊海燕

（吉利汽車研究院（寧波）有限公司，浙江省汽車安全技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，寧波 315336）

主題詞：被動安全 自動緊急制動 Hybrid Ⅲ假人 離位

1 前言

自動緊急制動（Autonomous Emergency Braking，AEB）系統(tǒng)對于提高道路交通安全性具有重要意義，但研究認(rèn)為，AEB系統(tǒng)作用造成乘員偏離被動安全設(shè)計(jì)中的正常坐姿位置，與沒有配置AEB 系統(tǒng)的同等強(qiáng)度碰撞事故相比，將使原約束系統(tǒng)匹配方案無法發(fā)揮最佳保護(hù)效果，導(dǎo)致車內(nèi)乘員傷害程度增加。因此，在《CNCAP 路線圖（2022～2028）》中，規(guī)劃新增虛擬測評項(xiàng)目：在AEB系統(tǒng)介入導(dǎo)致的乘員離位碰撞傷害（主被動融合）工況中，考慮乘員離位狀態(tài)下發(fā)生正面碰撞的損傷情況（2025 年開始監(jiān)測）。另外，主動預(yù)緊式安全帶被認(rèn)為是現(xiàn)階段在碰撞前最直接有效的假人前向離位約束手段，因此，路線圖規(guī)劃將其作為加分項(xiàng)。事實(shí)上，乘員離位程度與AEB系統(tǒng)制動強(qiáng)度密切相關(guān)，假人姿態(tài)改變也會造成約束系統(tǒng)作用方式、作用強(qiáng)度發(fā)生變化，而該變化未必完全產(chǎn)生負(fù)面影響。另外，現(xiàn)有乘用車已普遍采用潰縮吸能式轉(zhuǎn)向管柱，在碰撞過程中管柱通常會有70 mm左右的可潰縮行程，在一定程度上緩解AEB系統(tǒng)造成的影響。當(dāng)前研究普遍基于仿真進(jìn)行，且缺少對前述內(nèi)容的考慮，在此種情況下，如認(rèn)為配置AEB系統(tǒng)均需額外增加其他配置，將導(dǎo)致制造成本不斷增加，不利于AEB系統(tǒng)的推廣。鑒于此，本文對AEB系統(tǒng)介入后假人離位姿態(tài)進(jìn)行加速滑臺試驗(yàn)研究，考察安全氣囊、安全帶肩帶和腰帶、座椅等約束強(qiáng)度的重新分配對乘員保護(hù)產(chǎn)生的影響。

2 AEB系統(tǒng)制動作用下假人離位探討

《C-NCAP管理規(guī)則（2021年版）》中，50 km/h正面碰撞試驗(yàn)中前排采用第50百分位Hybrid Ⅲ假人，正面50%重疊移動可變形壁障碰撞試驗(yàn)中駕駛員側(cè)假人采用第50百分位THOR男性假人。另外，在正面約束系統(tǒng)開發(fā)試驗(yàn)中以采用第50百分位Hybrid Ⅲ假人為主，而在《C-NCAP路線圖（2022～2028）》中規(guī)劃的主動預(yù)緊式安全帶的測評方案中，擬采用第50百分位THOR男性假人。由此可見，未來開展主被動融合試驗(yàn)時，第50百分位Hybrid Ⅲ假人和第50百分位THOR男性假人均有可能被采用，因此，本文通過加速滑臺模擬AEB系統(tǒng)制動，對2種假人在AEB系統(tǒng)制動條件下的離位情況分別進(jìn)行探討。

研究試驗(yàn)中，通常采集假人頭部、胸部和骨盆的3個方向加速度，以及上頸部3個方向載荷、胸部變形量、安全帶肩帶力（B3）和腰帶力（B6）。建立假人加速度和載荷坐標(biāo)系：向?yàn)榍昂蠓较?，向?yàn)樽笥曳较颍驗(yàn)樯舷路较?。對于加速度，向前為正，向右為正，向下為正。對于假人胸部變形量，受壓為?fù)。對于臺車，向?yàn)榍昂蠓较颍蚯盀檎?/p>

2.1 AEB系統(tǒng)制動減速度選擇

當(dāng)前，法規(guī)對AEB 系統(tǒng)制動產(chǎn)生的減速度沒有明確要求。在《C-NCAP 路線圖（2022～2028）》中，也沒有明確乘員離位標(biāo)準(zhǔn)波形（AEB 系統(tǒng)制動曲線）。根據(jù)GB/T 33195—2016 附錄B.1，車速在48 km/h 以上時，干燥的新鋪裝混凝土路面汽車滑動附著系數(shù)為0.70～0.85。該規(guī)定表明，車輛在實(shí)際道路上制動產(chǎn)生的減速度最大值不會超過8.3 m/s。在GB/T 39901—2021 中，定義緊急制動階段為在AEB 系統(tǒng)控制下，試驗(yàn)車輛以至少4.0 m/s的減速度開始減速的階段。綜合2個標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，AEB系統(tǒng)制動減速度應(yīng)在4.0～8.3 m/s范圍內(nèi)。

當(dāng)前，AEB 系統(tǒng)制動減速度控制策略主要有2 類，即一級制動和多級制動：一級制動是指AEB 系統(tǒng)作用時立即以最大減速度進(jìn)行制動；多級制動是指AEB 系統(tǒng)作用時，車輛在不同的狀況下，可以不同減速度進(jìn)行制動。另外，蘭鳳崇等通過抽取100起輕微碰撞事故進(jìn)行統(tǒng)計(jì)研究，指出兩級制動下的一級制動減速度均值為4.0 m/s，二級制動減速度均值為7.1 m/s。文獻(xiàn)[9]指出，制動加速度越大，離位程度越大。

基于上述分析，結(jié)合當(dāng)前加速滑臺的加速行程有限，確定AEB 系統(tǒng)模擬滑臺試驗(yàn)一級制動的減速度分別為6.0 m/s和8.0 m/s，模擬制動時間為600 ms。另外，考慮試驗(yàn)沖擊強(qiáng)度較低，確定試驗(yàn)通過座椅和安全帶進(jìn)行。試驗(yàn)中，采集假人骨盆加速度信號，對假人頭部質(zhì)心和肩部粘貼標(biāo)記進(jìn)行動態(tài)追蹤。

2.2 AEB系統(tǒng)制動下第50百分位Hybrid Ⅲ假人離位探討

2.2.1 制動過程分析

對第50百分位Hybrid Ⅲ假人進(jìn)行2次AEB系統(tǒng)模擬試驗(yàn)，分別表示為H和H，對應(yīng)制動減速度分別為6.0 m/s和8.0 m/s。試驗(yàn)錄像截屏如圖1所示，2次試驗(yàn)中，假人頭部、肩部前傾，前臂、臀部和腿部無明顯移動跡象，300 ms后假人整體姿態(tài)不再變化，即300 ms內(nèi)假人離位運(yùn)動已經(jīng)完成，試驗(yàn)持續(xù)時間滿足要求。2次試驗(yàn)相比，第300 ms時刻，8.0 m/s制動加速度下假人上半身離位幅度較大。

圖1 不同制動加速度下第50百分位Hybrid Ⅲ假人試驗(yàn)錄像截屏

2.2.2 AEB系統(tǒng)制動對骨盆的影響

設(shè)a、a分別為假人骨盆和臺車的向加速度，2次試驗(yàn)中a與a的結(jié)果如圖2所示，忽略坐標(biāo)系間的差異，2次試驗(yàn)中，a和a均在臺車起步初期經(jīng)短暫延時后迅速提高。約200 ms后，骨盆與臺車近似同步加速，即骨盆與臺車可能的相對位移只發(fā)生在試驗(yàn)的前200 ms內(nèi)。設(shè)s、s分別為假人骨盆和臺車的向位移，分別對2 次試驗(yàn)的a和a進(jìn)行積分獲得s和s，200 ms 內(nèi)的位移如圖3 所示：6.0 m/s制動加速度下，假人骨盆未發(fā)生離位；8.0 m/s制動加速度下，假人骨盆相對臺車前移了約30 mm。

圖2 H1、H2試驗(yàn)假人骨盆與臺車x向加速度

圖3 H1、H2試驗(yàn)假人骨盆與臺車x向位移

2.2.3 頭部和肩部追蹤數(shù)據(jù)分析

2 次試驗(yàn)假人頭部和肩部動態(tài)追蹤結(jié)果如圖4 所示，、分別為假人頭部向和向位移，、分別為肩部向和向位移。圖4a 中，在約第240 ms 時刻，頭部和肩部位移達(dá)到最大，在向，頭部和肩部總體上具有同步性，在向，頸部有9 mm 的伸長。圖4b 中，在約第275 ms時刻，頭部和肩部位移達(dá)到最大，在向，頭部和肩部總體上也具有同步性，在向，頸部有23 mm 的伸長。2 次試驗(yàn)中，假人頭部和肩部位移達(dá)到最大值后，均持續(xù)保持基本不變。

圖4 H1、H2試驗(yàn)假人頭部和肩部追蹤位移

2.3 AEB 系統(tǒng)制動下第50 百分位THOR 男性假人離位探討

分別以6.0 m/s和8.0 m/s制動加速度進(jìn)行加速滑臺試驗(yàn)T和T，研究此制動條件下第50百分位THOR男性假人的離位情況。

2.3.1 制動過程分析

2次滑臺試驗(yàn)后，錄像截屏如圖5所示，假人離位表現(xiàn)與第50 百分位Hybrid Ⅲ假人基本相同，只是頭部和肩部的離位幅度在第600 ms時刻明顯較第300 ms時刻小，表明假人上半身離位后存在復(fù)位現(xiàn)象。

圖5 不同制動加速度下第50百分位THOR男性假人試驗(yàn)錄像截屏

2.3.2 AEB系統(tǒng)制動對骨盆的影響

T和T試驗(yàn)中，第50百分位THOR男性假人骨盆與臺車向加速度如圖6所示，積分獲得位移如圖7所示。圖6 中，a與a的相對關(guān)系與H和H中的表現(xiàn)基本相同。圖7中，忽略坐標(biāo)系之間存在的偏差影響，T、T試驗(yàn)中假人骨盆相對臺車分別前移了約13 mm和約45 mm。

圖6 T1、T2試驗(yàn)假人骨盆與臺車x向加速度

圖7 T1、T2試驗(yàn)假人骨盆與臺車x向位移

2.3.3 頭部和肩部追蹤數(shù)據(jù)分析

2次試驗(yàn)中，第50 百分位THOR 男性假人頭部和肩部動態(tài)追蹤結(jié)果如圖8 所示。圖8a 中：在約第300 ms 時刻，頭部和肩部位移達(dá)到最大，在向，頭部和肩部總體上具有同步性，在向，頸部有伸長，最大伸長量為14 mm；頭部和肩部位移在達(dá)到最大位移量后均有復(fù)位過程；頸部瞬時伸長量為9 mm。圖8b中：在約第285 ms時刻，頭部和肩部位移達(dá)到最大，在向，頭部和肩部總體上也具有同步性，在向，頸部最大伸長量為31 mm；頭部和肩部位移在達(dá)到最大位移量后也均有復(fù)位過程；頸部瞬時伸長量為15 mm。

圖8 T1、T2試驗(yàn)第50百分位THOR男性假人頭部和肩部追蹤位移

2.4 結(jié)果討論

匯總AEB 系統(tǒng)模擬試驗(yàn)結(jié)果如表1 所示，2 個假人試驗(yàn)結(jié)果間的明顯差異是，頭部和肩部達(dá)到最大位移后，第50 百分位Hybrid Ⅲ假人基本保持不變，但第50百分位THOR 男性假人有復(fù)位過程。在相同制動強(qiáng)度下，THOR 男性假人與Hybrid Ⅲ假人相比，骨盆前移量大約15 mm，頸部最大伸長量大約50%，復(fù)位后基本相近，頭部和肩部向最大位移量大約30 mm，復(fù)位后接近。因此，綜合各位移量的最大值，可以初步確認(rèn)：AEB系統(tǒng)以6.0 m/s進(jìn)行制動，在配置潰縮吸能式轉(zhuǎn)向管柱的情況下，第50百分位Hybrid Ⅲ假人頭部和胸部保護(hù)空間存在滿足約束系統(tǒng)需求的可能；AEB 系統(tǒng)以8.0 m/s進(jìn)行制動，而后進(jìn)行C-NCAP 正面碰撞試驗(yàn)，假人頭部會發(fā)生“氣囊不穩(wěn)定接觸”，胸部會發(fā)生“觸底”。對于第50 百分位THOR 男性假人，2 種制動工況下，都存在氣囊掃臉等風(fēng)險(xiǎn)，難以滿足乘員保護(hù)要求。

表1 AEB系統(tǒng)模擬試驗(yàn)結(jié)果匯總

文獻(xiàn)[7]認(rèn)為第50百分位Hybrid Ⅲ假人存在頸部和腰部剛度過大、運(yùn)動響應(yīng)擬合性差等缺點(diǎn)，第50百分位THOR 男性假人針對其進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，材質(zhì)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加逼真，生物力學(xué)性能更加接近人體。THOR相對Hybrid Ⅲ假人可能更適用于當(dāng)前正面碰撞試驗(yàn)，但2款假人在2種制動工況下的離位表現(xiàn)相比較，Hybrid Ⅲ假人相對穩(wěn)定，THOR 假人因腰部更加柔韌，頭部和肩部離位表現(xiàn)相當(dāng)不穩(wěn)定，存在前后晃動過程，在以8.0 m/s進(jìn)行600 ms 的平穩(wěn)制動條件下，頭部向前的離位量可達(dá)169 mm，復(fù)位量可達(dá)42 mm。在實(shí)際的AEB 系統(tǒng)制動過程中，駕駛員存在應(yīng)急反應(yīng)，通常會握緊轉(zhuǎn)向盤，THOR 假人在AEB 系統(tǒng)制動下的表現(xiàn)是否適用于主被動安全融合試驗(yàn)有待商榷。鑒于6.0 m/s制動加速度下，Hybrid Ⅲ假人的約束系統(tǒng)有繼續(xù)發(fā)揮較好保護(hù)功能的可能性，因此，本文在此基礎(chǔ)上進(jìn)行進(jìn)一步研究。

3 AEB 系統(tǒng)制動對乘員傷害影響的滑臺試驗(yàn)研究

通過減速滑臺試驗(yàn)，以6.0 m/s模擬AEB 系統(tǒng)制動過程，研究AEB 系統(tǒng)以6.0 m/s制動后對當(dāng)前約束系統(tǒng)保護(hù)功能的影響。某款車約束系統(tǒng)配置已開發(fā)完成，針對該款車進(jìn)行2次減速滑臺試驗(yàn)，分別為普通滑臺試驗(yàn)（Base試驗(yàn)）和由較高速度模擬AEB系統(tǒng)降速為普通滑臺試驗(yàn)（A-Base試驗(yàn)）。試驗(yàn)中，定義碰撞開始時刻為0時刻，確定模擬AEB 系統(tǒng)制動開始時刻為-600 ms 時刻。Base 試驗(yàn)速度為52 km/h，A-Base 試驗(yàn)速度則模擬AEB系統(tǒng)制動由63 km/h降速至52 km/h。另外，為保證試驗(yàn)結(jié)果的可對比性，2次試驗(yàn)中安全氣囊、安全帶、轉(zhuǎn)向管柱配置相同。最終，確定2次滑臺試驗(yàn)的詳細(xì)參數(shù)如表2所示。

表2 滑臺試驗(yàn)參數(shù)

2 次滑臺試驗(yàn)后，碰撞0 時刻假人姿態(tài)對比如圖9所示。圖9a中，假人標(biāo)準(zhǔn)坐姿下軀干后仰25°，圖9b中，假人胸部略有前傾，軀干后仰約16°。

圖9 滑臺試驗(yàn)碰撞0時刻假人姿態(tài)

3.1 AEB系統(tǒng)制動對頭部保護(hù)的影響

在《C-NCAP管理規(guī)則（2021年版）》中，針對前排假人頭部，參照E-NCAP 增加了“氣囊不穩(wěn)定接觸”修正項(xiàng)，評價中引入了文獻(xiàn)[10]、文獻(xiàn)[11]的研究結(jié)果，指出對正面碰撞中第50 百分位Hybrid Ⅲ假人頭部是否發(fā)生觸底或掃臉的判斷采用頭部外力加速度，并指出、和3 個方向的外力加速度可依據(jù)達(dá)朗貝爾（d’Alembert）原理分別計(jì)算出的3 個方向外力和頭部質(zhì)量求得。計(jì)算過程中，頭部慣性力通過頭部質(zhì)量和頭部加速度計(jì)算，內(nèi)力為所采集的上頸部力，假人頭部質(zhì)量為4.54 kg。3 個方向外力加速度求解后分別進(jìn)行分析或合成，再分析氣囊展開過程中頭部是否受力以及受力是否構(gòu)成“氣囊不穩(wěn)定接觸”。

Base 和A-Base 試驗(yàn)為正面碰撞試驗(yàn)，試驗(yàn)中假人頭部向基本不受到外力作用，故以分析向和向的外力加速度為主。設(shè)a、a分別為假人頭部向和向的頭部外力加速度，2次試驗(yàn)中a、a結(jié)果如圖10所示。

圖10 滑臺試驗(yàn)中假人頭部外力加速度

圖10 中，A-Base 試驗(yàn)中假人頭部外力加速度比Base 整體提前約4 ms，且在第33 ms 時，受氣囊展開過程中的沖擊作用，A-Base-a出現(xiàn)了80 m/s峰值。2 次試驗(yàn)第33 ms 時刻錄像截屏如圖11 所示。與圖11a 中假人頭部相比，圖11b 中假人頭部前傾明顯，且面部已陷入氣囊中。

圖11 滑臺試驗(yàn)碰撞第33 ms時刻假人頭部與氣囊相對關(guān)系

對圖10 和圖11 的分析表明，AEB 系統(tǒng)制動導(dǎo)致假人頭部與安全氣囊接觸提前，氣囊展開過程中頭部受到?jīng)_擊，但產(chǎn)生的加速度峰值小于100 m/s，不構(gòu)成“氣囊不穩(wěn)定接觸”。

3.2 AEB系統(tǒng)制動對胸部保護(hù)的影響

設(shè)a、a分別為假人胸部向和向加速度，為假人胸部變形量。駕駛員側(cè)安全帶肩帶與假人胸部位置關(guān)系如圖12所示，胸骨框架上端有肩部保護(hù)，但腹部構(gòu)件對其下端沒有支撐作用。當(dāng)安全帶肩帶對胸部的約束合力處于第2 根肋骨上方時，將對胸部產(chǎn)生向下、向后的約束作用，胸部加速度a為正；當(dāng)肩帶合力處于第2根肋骨下方時，將對胸部產(chǎn)生向上、向后的約束作用，此時a為負(fù)，胸骨框架更易受壓縮變形。

圖12 肩帶與假人胸部位置關(guān)系

Base和A-Base試驗(yàn)后，假人胸部a、a結(jié)果如圖13所示，胸部變形量如圖14所示。

圖13 假人胸部加速度

圖14 假人胸部變形量

通常，假人胸部a包括4 個變化過程，是安全帶肩帶對假人上半身約束過程的反映：

a. a近似水平且為正：安全帶預(yù)緊，假人向前近似平動，肩帶約束合力點(diǎn)靠近肩部，對肩部下壓，對胸部向后約束。過程中，假人上軀干后仰角度越小或前傾，下壓力越大，a正值相對越大；

b. a由正轉(zhuǎn)負(fù)：假人胸部前傾，肩帶約束合力點(diǎn)下移，轉(zhuǎn)為對胸部上提及向后約束；

c. a由負(fù)轉(zhuǎn)正：骨盆開始向后回位，胸部繼續(xù)向前移動，肩帶約束合力點(diǎn)再次上移，并由對胸部上提轉(zhuǎn)換為對肩部下壓；

d. a由正轉(zhuǎn)向歸零：肩部持續(xù)受到肩帶產(chǎn)生的下壓力至胸部向后回位。

圖13 中：A-Base 試驗(yàn)的a與Base 試驗(yàn)相比，上升階段提前約3 ms，回升階段提前約6 ms；A-Base試驗(yàn)的a與Base試驗(yàn)相比，碰撞前期正值大，碰撞中期負(fù)向峰值小，碰撞后期正向峰值結(jié)束早。

圖14 中：在第84 ms 時，Base 試驗(yàn)產(chǎn)生最大壓縮變形為25.7 mm；在第79 ms時，A-Base試驗(yàn)產(chǎn)生最大壓縮變形為25.5 mm。在約第58 ms 時，在A-Base 試驗(yàn)的a達(dá)到最小值階段，A-Base 試驗(yàn)的產(chǎn)生了峰值，但小于最大壓縮變形量。圖14表明，假人離位狀態(tài)下，安全帶預(yù)緊后，肩部受到的下壓作用增強(qiáng)，碰撞過程中胸部受到的水平約束作用減弱。

總體而言，A-Base試驗(yàn)與Base試驗(yàn)相比，假人胸部傷害并沒有加重。

3.3 AEB系統(tǒng)制動對安全帶作用的影響

Base 和A-Base 試驗(yàn)后，假人骨盆a、a結(jié)果如圖15所示，安全帶肩帶力B3和腰帶力B6如圖16所示。

圖15 2次滑臺試驗(yàn)假人骨盆加速度

圖16 2次滑臺試驗(yàn)安全帶作用力

圖15中：A-Base 試驗(yàn)的a幅值為615 m/s，Base 試驗(yàn)的a幅值為523 m/s，A-Base 試驗(yàn)中，骨盆向約束強(qiáng)度提升了17%；骨盆向加速度，A-Base 試驗(yàn)弱于Base 試驗(yàn)。圖16 中，A-Base 試驗(yàn)中B3 和B6 作用持續(xù)時間均短于Base 試驗(yàn)。結(jié)合圖13 分析結(jié)果可以確認(rèn)，在安全帶預(yù)緊肩帶對胸部下壓作用增強(qiáng)的情況下，座椅對骨盆的約束作用提升，進(jìn)而緩解了肩帶和腰帶在向的作用強(qiáng)度。

4 結(jié)束語

本文通過加速滑臺模擬AEB系統(tǒng)制動過程探討了AEB系統(tǒng)制動導(dǎo)致的第50百分位Hybrid Ⅲ假人和第50百分位THOR 男性假人的離位情況；通過進(jìn)行52 km/h滑臺基礎(chǔ)試驗(yàn)和以6.0 m/s減速度制動至52 km/h 的減速滑臺試驗(yàn)，研究了離位對約束系統(tǒng)保護(hù)功能的影響，得到以下結(jié)論：

a.AEB系統(tǒng)制動將導(dǎo)致假人產(chǎn)生前傾，在安全帶預(yù)緊過程中提升了肩帶對乘員肩部向下按壓作用，增加了座椅對假人臀部的約束作用，降低了肩帶對胸部的作用強(qiáng)度。對于第50 百分位Hybrid Ⅲ假人，當(dāng)制動加速度在6.0 m/s以下時，在潰縮式吸能管柱配合下，假人胸部傷害并未增加，但當(dāng)制動加速度高于6.0 m/s時，駕駛員側(cè)假人胸部有因“觸底”而加重傷害的可能，在碰撞前有必要采取措施對乘員進(jìn)行約束限位。

b.相對第50 百分位Hybrid Ⅲ假人，第50 百分位THOR男性假人腰部的柔韌性較大，在AEB系統(tǒng)制動下頭部和肩部在達(dá)到最大離位量后存在復(fù)位情況，其在主被動融合試驗(yàn)中的適用性有待商榷。一旦采用第50百分位THOR男性假人進(jìn)行主被動融合開發(fā)試驗(yàn)，則不建議算法開發(fā)過程中制動力設(shè)置過大，或者，配置AEB系統(tǒng)功能的同時配置主動預(yù)緊安全帶，在AEB 系統(tǒng)制動前通過主動卷收安全帶限制乘員向前離位。