李月明，商恩義，王鵬翔，習(xí)波波

吉利汽車研究院(寧波)有限公司，浙江寧波 315336

0 引言

自動(dòng)緊急制動(dòng)(autonomous emergency braking，AEB)是指車輛在探測到極有可能發(fā)生碰撞時(shí)自動(dòng)施加制動(dòng)，用以降低車輛速度并盡可能地避免碰撞發(fā)生[1]。自動(dòng)緊急制動(dòng)系統(tǒng)(advanced emergency braking system，AEBS)是指實(shí)時(shí)監(jiān)測車輛前方行駛環(huán)境，并在可能發(fā)生碰撞危險(xiǎn)時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)車輛制動(dòng)系統(tǒng)使車輛減速，以避免碰撞或減輕碰撞的系統(tǒng)。AEB動(dòng)作通過AEBS實(shí)施。AEB技術(shù)能在現(xiàn)實(shí)中減少38%的追尾碰撞，且在城市道路(限速60 km/h)和郊區(qū)道路行駛的作用效果無顯著差異[2]。2021年版中國新車評(píng)價(jià)規(guī)程(China new car assessment program，C-NCAP)和歐洲新車評(píng)價(jià)規(guī)程(European new car assessment program，Euro NCAP，E-NCAP)[3]等評(píng)價(jià)體系中都將AEB納入了審核項(xiàng)，但并未在乘員保護(hù)評(píng)價(jià)方面將主動(dòng)安全測試與被動(dòng)安全測試有機(jī)結(jié)合。中國汽車技術(shù)中心通過對(duì)汽車被動(dòng)安全測試技術(shù)現(xiàn)狀及未來測試評(píng)價(jià)技術(shù)的發(fā)展趨勢進(jìn)行分析后指出，未來測試評(píng)價(jià)技術(shù)的布局重點(diǎn)主要包括主被動(dòng)安全一體化、汽車自適應(yīng)約束系統(tǒng)、碰撞相容性、新能源汽車及虛擬測評(píng)技術(shù)等。因此，在正面碰撞試驗(yàn)中加入AEB制動(dòng)過程的方法有必要提前進(jìn)行研究。

目前，模擬AEB制動(dòng)過程，通常是設(shè)計(jì)一套獨(dú)立于汽車自身的剎車系統(tǒng)，在牽引系統(tǒng)導(dǎo)向運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上，在試驗(yàn)車輛尾部集成可編程的制動(dòng)控制系統(tǒng)，控制車輛減加速度和速度的實(shí)現(xiàn)，并與牽引系統(tǒng)形成閉環(huán)控制。對(duì)于減速型臺(tái)車，是在臺(tái)車的尾部集成安裝制動(dòng)力可編程調(diào)整的預(yù)制動(dòng)小車，與牽引導(dǎo)向系統(tǒng)閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)從高速到低速制動(dòng)后進(jìn)行模擬碰撞。

陳曉東等[4]研究開發(fā)的鋼筋阻尼式減速臺(tái)車試驗(yàn)系統(tǒng)，其臺(tái)車吸能器是通過將鋼筋纏繞在銷柱間增加拉出時(shí)的摩擦力對(duì)臺(tái)車進(jìn)行阻尼減速。本文依據(jù)臺(tái)車吸能器工作原理設(shè)計(jì)了能安裝在實(shí)車牽引軌道兩側(cè)的小型吸能器，在對(duì)試驗(yàn)車進(jìn)行適當(dāng)改造后使試驗(yàn)車運(yùn)行至指定地點(diǎn)時(shí)能夠受到鋼筋的約束，并通過調(diào)整鋼筋阻尼力模擬出試驗(yàn)車的AEB制動(dòng)過程，同時(shí)也對(duì)其應(yīng)用范圍進(jìn)行了擴(kuò)展，使其能實(shí)現(xiàn)利用牽引方式加速后再進(jìn)行減速的其他類似試驗(yàn)。

1 AEB制動(dòng)減速度的確定

在《道路交通事故車輛速度鑒定》中指出了汽車滑動(dòng)附著系數(shù)參考值，其中，以干燥的混凝土路面和瀝青路面，車速處于48 km/h以下時(shí)相對(duì)較高，最高值為0.8～1.0，即車輛在實(shí)際道路下制動(dòng)的減速度最大值均不會(huì)超過10 m/s2。在《乘用車自動(dòng)緊急制動(dòng)系統(tǒng)(AEBS)性能要求及試驗(yàn)方法》中定義緊急制動(dòng)階段時(shí)指出，在AEBS控制下，被試驗(yàn)車輛以至少4 m/s2減速度開始減速的階段。因此，AEB制動(dòng)下車輛減速度應(yīng)為4～10 m/s2。

2 吸能器初始方案設(shè)計(jì)

當(dāng)前，模擬實(shí)車碰撞的減速滑臺(tái)的阻尼器可復(fù)現(xiàn)500 m/s2的減速度，與之相比，AEB的制動(dòng)過程只需要復(fù)現(xiàn)4～10 m/s2的減速度。另外，減速臺(tái)車吸能器布置在臺(tái)車試驗(yàn)軌道上，碰撞行程最長約1 m，而模擬AEB的吸能器需要分布在牽引軌道兩側(cè)，以試驗(yàn)車在AEB制動(dòng)下車速由64 km/h降至50 km/h后進(jìn)行碰撞為例，制動(dòng)距離需要10 m左右。因此，AEB模擬機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)只能遵循減速臺(tái)車鋼筋吸能器的設(shè)計(jì)原理，在結(jié)構(gòu)上需要進(jìn)行改造。

2.1 減速臺(tái)車試驗(yàn)用鋼筋阻尼式吸能器工作原理

減速臺(tái)車試驗(yàn)用鋼筋吸能器工作原理如圖1所示。試驗(yàn)前，將吸能用鋼筋兩端通過銷柱進(jìn)行纏繞變形。試驗(yàn)時(shí)，臺(tái)車前端的“C”形探頭鉆入吸能器中間撞在鋼筋中部并帶動(dòng)鋼筋前行，最終在鋼筋拉出過程中產(chǎn)生的阻尼作用下停下來。臺(tái)車減速度曲線可以通過鋼筋的擺放方式進(jìn)行調(diào)節(jié)：加速度幅值高，所擺放的鋼筋就多；加速度上升斜率緩，鋼筋擺放就比較分散；加速度曲線下降緩慢，鋼筋出現(xiàn)長短不一使其被拉出的過程中陸續(xù)脫離[5-7]。

圖1 減速臺(tái)車試驗(yàn)用鋼筋吸能器工作原理

2.2 AEB模擬機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

臺(tái)車吸能器在50 km/h的碰撞下，對(duì)于2 t重的臺(tái)車，單根鋼筋產(chǎn)生的加速度幅值約為10 m/s2，且幅值近似恒定，即單根鋼筋產(chǎn)生的阻尼力近似恒定，臺(tái)車質(zhì)量m與加速度a之間成反比關(guān)系[7]。AEB制動(dòng)下乘用車減速度通常處于4～7 m/s2，在試驗(yàn)車為2 t的情況下，制動(dòng)減速度約為臺(tái)車吸能器單根鋼筋作用產(chǎn)生減速度的1/2。因此，新設(shè)計(jì)的吸能器如果簡單地將臺(tái)車吸能器中間距離加寬至分布在軌道兩側(cè)，單根鋼筋的阻尼作用也將超過復(fù)現(xiàn)目標(biāo)要求。根據(jù)試驗(yàn)工況及臺(tái)車吸能器工作原理，制定AEB模擬機(jī)構(gòu)初始設(shè)計(jì)方案為：將臺(tái)車吸能器兩側(cè)變形區(qū)拆分成兩個(gè)小吸能器，分置在軌道兩側(cè)，同時(shí)，為了便于試驗(yàn)中鋼筋拉出及拉出過程中鋼筋與銷柱間的相對(duì)關(guān)系不變，將銷的布置方式由橫置轉(zhuǎn)為縱向布置。另外，為了試驗(yàn)中可以擺放更多鋼筋來應(yīng)對(duì)不同質(zhì)量的車進(jìn)行試驗(yàn)，以及后期便于對(duì)AEB模擬機(jī)構(gòu)使用能力進(jìn)行擴(kuò)展，將兩個(gè)小吸能器設(shè)計(jì)成4列銷。在鋼筋選材上，普通碳素結(jié)構(gòu)鋼材質(zhì)的鋼筋易于采購，調(diào)試階段可以選作耗材。在鋼筋布置方面，為了確保試驗(yàn)車輛直線行使，兩側(cè)吸能器鋼筋布置始終對(duì)稱，后期計(jì)數(shù)以單側(cè)根數(shù)計(jì)。初始方案制定后，AEB模擬用小吸能器設(shè)計(jì)如圖2所示。利用普通棒料和鋼板加工了樣機(jī)，其樣機(jī)及鋼筋纏繞方式如圖3所示。

圖2 AEB模擬用小吸能器設(shè)計(jì)

圖3 小吸能器樣機(jī)及鋼筋纏繞方式

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 臺(tái)車試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證初始方案的阻尼能力，需要在實(shí)車牽引軌道上先進(jìn)行臺(tái)車試驗(yàn)驗(yàn)證。建立與實(shí)車碰撞相同加速度坐標(biāo)系，前后方向?yàn)閤向，車輛行進(jìn)方向?yàn)檎?/p>

3.1.1 臺(tái)車改造

在臺(tái)車平臺(tái)上安裝了一根橫梁，橫梁兩端分別焊有鋼鉤，在臺(tái)車行至小吸能器時(shí)，能夠確保臺(tái)車兩側(cè)鋼鉤正好掛上小吸能器上鋼筋前端的環(huán)形結(jié)構(gòu)上，并能夠帶動(dòng)鋼筋前行。另外，在臺(tái)車上進(jìn)行配重，使其總質(zhì)量為1 000 kg。改造后的臺(tái)車如圖4所示。

圖4 改造后的臺(tái)車

3.1.2 臺(tái)車試驗(yàn)

臺(tái)車改造完成后，在臺(tái)車上布置了x向加速度傳感器并安裝了采集系統(tǒng)，將小吸能器對(duì)稱布置于牽引軌道兩側(cè)，并在每側(cè)的小吸能器上擺放好一根鋼筋，而后進(jìn)行了速度為20 km/h的臺(tái)車試驗(yàn)。臺(tái)車試驗(yàn)加速度變化曲線如圖5所示。

圖5 臺(tái)車試驗(yàn)加速度變化曲線

由圖5可以看到，平均加速度為-19 m/s2，震蕩范圍為±7 m/s2，可計(jì)算出單根鋼筋阻尼力約為19 kN。無論阻尼力的大小，還是加速度的震蕩范圍，臺(tái)車試驗(yàn)結(jié)果表明該方案存在適當(dāng)優(yōu)化后可滿足使用要求的可能性。

3.2 實(shí)車AEB模擬

3.2.1 阻尼加速度分析

在1 000 kg臺(tái)車撞擊下，臺(tái)車產(chǎn)生的加速度為-19 m/s2?，F(xiàn)有試驗(yàn)車約為2 700 kg，則依據(jù)試驗(yàn)車質(zhì)量m與加速度a之間成反比關(guān)系，產(chǎn)生的加速度約為-7 m/s2。如果以25 km/h進(jìn)行AEB模擬試驗(yàn)，則通過v2=2as估算鋼筋長度為3.44 m，留出安全長度，選取試驗(yàn)鋼筋長度為4 m。

3.2.2 實(shí)車改造

為了在實(shí)車底部安裝鋼筋掛鉤，在實(shí)車底部加裝了框架結(jié)構(gòu)，將掛鉤焊接在框架前端兩側(cè)。改造后的實(shí)車掛鉤結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 改造后的實(shí)車掛鉤結(jié)構(gòu)

由圖6可知，當(dāng)試驗(yàn)車行進(jìn)至吸能器處時(shí)，車下掛鉤正好掛上鋼筋環(huán)，進(jìn)而將鋼筋從吸能器前端拉出，同時(shí)，受阻尼力作用開始減速行進(jìn)。

3.2.3 實(shí)車試驗(yàn)

實(shí)車改造完成后，將兩個(gè)吸能器分別固定在軌道的兩側(cè)，并在銷柱間分別纏繞一根長度為4 m的鋼筋，隨后進(jìn)行25 km/h的AEB模擬試驗(yàn)。實(shí)車試驗(yàn)加速度變化曲線如圖7所示。鋼筋從小吸能器的拉出過程如圖8所示。

圖7 實(shí)車試驗(yàn)加速度變化曲線

圖8 鋼筋從小吸能器的拉出過程

由圖7可知，平均加速度為-7 m/s2，在持續(xù)1 s的減速過程中，震蕩范圍為±3 m/s2，震蕩情況優(yōu)于臺(tái)車試驗(yàn)。在當(dāng)前主動(dòng)安全的評(píng)價(jià)中，關(guān)于AEB的評(píng)價(jià)只關(guān)注速度減少量，對(duì)減速過程穩(wěn)定性并無具體要求，通過實(shí)車與臺(tái)車驗(yàn)證，鋼筋阻尼作用下產(chǎn)生的平均減速度穩(wěn)定，即能夠保證試驗(yàn)具有重復(fù)性。

由圖8可知，在鋼筋被拉出過程中，鋼筋與銷柱之間因摩擦?xí)掷m(xù)產(chǎn)生火花。

4 結(jié)果與討論

在吸能器的AEB模擬能力驗(yàn)證試驗(yàn)中，初始設(shè)計(jì)方案下制作的吸能器存在以下問題：單根鋼筋的阻尼力就可達(dá)到最大減速度要求，沒有可調(diào)節(jié)性；現(xiàn)有4列銷柱的組合結(jié)構(gòu)在AEB模擬中沒有調(diào)節(jié)作用；每列銷在現(xiàn)有布置方式下，鋼筋纏繞變形幅度過大，快速拉出過程中會(huì)產(chǎn)生高溫，如果后期試驗(yàn)速度要求較高，存在鋼筋在拉出過程中因溫度過高阻尼性能發(fā)生改變甚至鋼筋被拉斷的可能性；銷柱磨損嚴(yán)重。

針對(duì)上述問題，制定后續(xù)優(yōu)化方案為：

(1)如圖9所示，在初始設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上，將每列銷的中間銷柱左右位置及寬度適當(dāng)調(diào)整，同時(shí)，在入口處增加擋銷，將鋼筋纏繞方式調(diào)整為4種小變形纏繞方式和4種大跨度變形纏繞方式。小變形纏繞方式下產(chǎn)生的阻尼力均小于初始方案下的阻尼力，對(duì)于2 000 kg的試驗(yàn)車，最低阻尼力可降至2 kN左右，即可以調(diào)出1 m/s2的減速度，以此來減小鋼筋被快速拉出過程中產(chǎn)生的摩擦力，避免產(chǎn)生過高溫度導(dǎo)致鋼筋性能改變。同時(shí)，在需要模擬較高減速度或試驗(yàn)車質(zhì)量變化較大時(shí)，可以通過調(diào)節(jié)鋼筋纏繞組合方式實(shí)現(xiàn)。對(duì)于4種大跨度鋼筋纏繞方式，可用于后期擴(kuò)展吸能器試驗(yàn)?zāi)芰?。?duì)于8種纏繞方式下單根鋼筋的阻尼力，可以通過試驗(yàn)求得。后期試驗(yàn)中所需的具體的鋼筋組合方式，由于組合過程簡單，技術(shù)人員可現(xiàn)場確定。

圖9 小吸能器優(yōu)化方案

(2)當(dāng)前所用鋼筋材質(zhì)為芯部強(qiáng)度不高的普通碳素結(jié)構(gòu)鋼，將其更換為優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼材質(zhì)并經(jīng)正火處理的軟狀態(tài)鋼筋，提高鋼筋抗拉韌性，降低試驗(yàn)車在減速過程中產(chǎn)生的震蕩。

(3)將銷柱由普通材質(zhì)更換為模具鋼，并進(jìn)行淬火處理，提高表面硬度及耐磨性。

優(yōu)化后的設(shè)計(jì)方案可以適應(yīng)不同質(zhì)量的試驗(yàn)車及不同減速度的試驗(yàn)需求，一旦主被動(dòng)安全一體化測試方案出臺(tái)，根據(jù)方案中的實(shí)際要求可在圖9的設(shè)計(jì)方案基礎(chǔ)上進(jìn)行適當(dāng)完善便可立即實(shí)施。

5 結(jié)束語

在鋼筋阻尼式臺(tái)車吸能器工作原理及設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了可置于牽引軌道兩側(cè)的吸能器，通過臺(tái)車試驗(yàn)和實(shí)車試驗(yàn)驗(yàn)證，證明該設(shè)計(jì)方案可行，并在初始方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化，確定了最終可實(shí)施方案：通過4種阻尼力較小的纏繞方式組合可以模擬實(shí)車AEB的制動(dòng)過程，通過4種大跨度鋼筋纏繞方式可以進(jìn)行阻尼偏大試驗(yàn)。