AEB制動(dòng)下主動(dòng)安全帶對(duì)乘員胸部損傷的影響

商恩義，周大永，李月明，習(xí)波波

(浙江吉利汽車研究院有限公司，浙江省汽車安全技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州 311228)

0 引言

當(dāng)前，隨著車輛自動(dòng)緊急制動(dòng)系統(tǒng)(Autonomous Emergency Braking，AEB)為主的高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)(Advanced Driver Assistant Systems，ADAS)技術(shù)不斷發(fā)展，全球法規(guī)也在不斷更新[1]。中國(guó)汽車技術(shù)研究中心于2018年7月1日起正式實(shí)施的《C-NCAP管理規(guī)則(2018年版)》[2]中，便增加了AEB試驗(yàn)及評(píng)價(jià)。AEB制動(dòng)是指系統(tǒng)判斷車輛即將與前方目標(biāo)發(fā)生碰撞時(shí)，主動(dòng)制動(dòng)來避免或減輕碰撞。AEB的引入對(duì)于提高道路交通安全具有重要意義，每年減少27%的事故[3]。但是，AEB作用在降低車速同時(shí)，也將導(dǎo)致乘員前移、姿態(tài)改變。

主動(dòng)預(yù)緊式安全帶(Integrated Active Pre-tensioning Seatbelt，IAPS)是現(xiàn)階段公認(rèn)在 Pre-crash 階段最直接有效約束假人前向離位的手段[4]。IAPS是通過控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)安全帶卷收和釋放的預(yù)緊執(zhí)行系統(tǒng)，由IAPS結(jié)構(gòu)體和電子控制單元(Electronic Control Unit，ECU)兩部分組成。當(dāng)ECU 接收到 ADAS 發(fā)出的主動(dòng)預(yù)緊信號(hào)后，立即啟動(dòng)電機(jī)正轉(zhuǎn)卷收安全帶織帶，當(dāng)電機(jī)工作電流達(dá)到程序中設(shè)定的控制電流值時(shí)停止電機(jī)正轉(zhuǎn)，安全帶鎖止，主動(dòng)預(yù)緊完成。當(dāng)檢測(cè)到危險(xiǎn)信號(hào)解除后，啟動(dòng)電機(jī)反轉(zhuǎn)，安全帶鎖止?fàn)顟B(tài)解除[5]。因此，IAPS可顯著改善 AEB 制動(dòng)下的乘員離位狀態(tài)。

相關(guān)研究[6-7]表明，碰撞中乘員所受傷害與乘員運(yùn)動(dòng)姿態(tài)密切相關(guān)，被動(dòng)安全約束系統(tǒng)優(yōu)化過程就是調(diào)整碰撞中乘員運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的過程?；诋?dāng)前法規(guī)指定乘員坐姿條件下開發(fā)的約束系統(tǒng)，當(dāng)AEB制動(dòng)乘員姿態(tài)發(fā)生改變時(shí)，事故中其保護(hù)作用也必將發(fā)生改變。為避免或減小AEB作用帶來的影響，IAPS開始得到汽車安全工程師的關(guān)注。但碰撞前安全帶主動(dòng)預(yù)緊限制乘員離位也是對(duì)乘員運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的改變，該改變是否對(duì)乘員胸部等部位的保護(hù)帶來積極作用需要確認(rèn)。鑒于AEB、IAPS作用過程均較弱，通過仿真研究，當(dāng)仿真誤差介入后很難做出正確結(jié)論，故決定通過滑臺(tái)試驗(yàn)進(jìn)行研究。

1 滑臺(tái)試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)方案的制定

AEB制動(dòng)減速度為7 m/s2左右，制動(dòng)行程長(zhǎng)，加速滑臺(tái)難以模擬，故決定研究工作通過減速滑臺(tái)試驗(yàn)進(jìn)行。研究試驗(yàn)針對(duì)駕駛員側(cè)進(jìn)行2次，一次使用普通預(yù)緊限力式安全帶，用P表示；另一次使用IAPS，在P所用安全帶原有功能基礎(chǔ)上增加碰撞前主動(dòng)預(yù)緊功能，用PP表示。

當(dāng)前，正面偏置碰撞試驗(yàn)速度通常為64 km/h，正面全寬碰撞試驗(yàn)速度為50 km/h，因此，決定研究試驗(yàn)基于此速度進(jìn)行，即滑臺(tái)初始速度定為64 km/h，碰撞速度為50 km/h，結(jié)合AEB制動(dòng)模擬減速度為7 m/s2，則通過計(jì)算可確定AEB制動(dòng)模擬所需行程為8.8 m，所需時(shí)間為556 ms。為了保證PP中IAPS主動(dòng)預(yù)緊在AEB制動(dòng)前已完成，確定IAPS預(yù)緊電機(jī)啟動(dòng)時(shí)刻為碰撞前800 ms，預(yù)緊力為250 N。另外，為確保后續(xù)方案實(shí)施有足夠操作空間，滑臺(tái)在達(dá)到64 km/h時(shí)，距離碰撞開始有30 m以上行程。為了保證研究結(jié)果的可靠性，滑臺(tái)試驗(yàn)以約束系統(tǒng)剛剛開發(fā)完成的某款車型為基礎(chǔ)，安全配置均為其正式產(chǎn)品配置，減速度曲線為該車型50 km/h滑臺(tái)試驗(yàn)減速度曲線前端加上模擬AEB制動(dòng)減速度曲線。

1.2 試驗(yàn)實(shí)施

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)尚無能夠模擬AEB制動(dòng)過程的滑臺(tái)試驗(yàn)?zāi)芰?，寧波某?shí)驗(yàn)室對(duì)其鋼筋阻尼式減速滑臺(tái)試驗(yàn)系統(tǒng)[8]進(jìn)行了功能升級(jí)，即在其原有波形復(fù)現(xiàn)器前方額外增加小型阻尼器使其具備復(fù)現(xiàn)AEB制動(dòng)功能，進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)確認(rèn)無問題后接下該項(xiàng)試驗(yàn)任務(wù)。將50 km/h碰撞開始時(shí)刻定義為0，截取-100～100 ms時(shí)間段滑臺(tái)標(biāo)定試驗(yàn)曲線如圖1所示，7 m/s2的制動(dòng)減速過程較平穩(wěn)，滿足復(fù)現(xiàn)AEB制動(dòng)過程要求。

圖1 滑臺(tái)試驗(yàn)減速度曲線

如圖2所示，按照C-NACP 50 km/h正面碰撞試驗(yàn)要求，在駕駛員側(cè)擺放好50th假人[9]，并在安全帶B3(肩帶上端，靠近肩部)、B4(肩帶下方，靠近帶扣導(dǎo)向環(huán))和B6(腰帶左側(cè)，靠近安全帶下固定點(diǎn))位置分別安裝安全帶力傳感器[10]。試驗(yàn)準(zhǔn)備就緒后，分別進(jìn)行了P試驗(yàn)和PP試驗(yàn)。

圖2 滑臺(tái)試驗(yàn)前狀態(tài)

2 IAPS主動(dòng)預(yù)緊對(duì)乘員運(yùn)動(dòng)姿態(tài)影響的研究

2.1 基于錄像截屏分析

試驗(yàn)中假人錄像截屏如圖3、4所示，以頭部質(zhì)心為基準(zhǔn)畫出垂直參考線，通過頸部、上軀干與參考線、安全帶肩間相對(duì)關(guān)系。

圖3 P試驗(yàn)中假人運(yùn)動(dòng)姿態(tài)(錄像截屏)

圖4 PP試驗(yàn)中假人運(yùn)動(dòng)姿態(tài)(錄像截屏)

由圖3(a)和圖4(a)相比可知，參考線在圖3(a)中位于頸部前，在圖4(a)中穿過頸部；肩帶與水平所成角度，圖3(a)中明顯大于圖4(a)中，對(duì)比結(jié)果表明AEB制動(dòng)作用下假人整體發(fā)生前移，上軀干前傾。但當(dāng)有IAPS主動(dòng)預(yù)緊作用后，假人離位受到限制，相對(duì)圖2姿態(tài)基本沒動(dòng)。由圖3(b)、3(c)和圖4(b)、4(c)相比可知，在假人上軀干前撲接近垂直過程中，假人上軀干與參考線夾角，圖3(b)、3(c)中小于圖4(b)、4(c)中。由圖3(d)與圖4(d)可知，假人胸部越過垂線，上軀干與參考線夾角，圖3(d)中也小于圖4(d)中。圖3和圖4的對(duì)比結(jié)果反映出在IAPS作用下假人上軀干前撲動(dòng)作起動(dòng)晚，但前撲速度快、幅度大。

2.2 基于B4與B6作用關(guān)系分析

借助安全帶力曲線，研究2次試驗(yàn)中假人運(yùn)動(dòng)姿態(tài)差異。建立2次試驗(yàn)中B4和B6安全帶力曲線比較關(guān)系及B4減B6差值比較關(guān)系如圖5所示。

圖5 2次試驗(yàn)中B4和B6比較分析

由圖5(a)可知，70 ms之前，兩次試驗(yàn)中B6曲線基本一致，PP試驗(yàn)中B4偏小，結(jié)果表明PP試驗(yàn)前期假人上軀干前撲動(dòng)作強(qiáng)度偏弱。70 ms后，與P相比，PP中B4曲線出現(xiàn)快速上升過程，而B6曲線下降緩慢，表明此后PP中假人上軀干前撲強(qiáng)度較大，腰帶受到上拉作用歸零變緩。

B4傳感器位于肩帶靠近帶扣導(dǎo)向環(huán)位置，B6傳感器位于腰帶左側(cè)靠近安全帶下固定點(diǎn)位置，B4與B6的差值反映出帶扣導(dǎo)向環(huán)兩側(cè)安全帶的受拉過程，即反映了假人上軀干和下半身的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度關(guān)系：差值為正，表明假人上軀干前撲作用較強(qiáng)，沿帶扣導(dǎo)向環(huán)向上拉安全帶；差值由正向轉(zhuǎn)向負(fù)向，表明安全帶限力后，腰帶對(duì)假人骨盆向前運(yùn)動(dòng)約束作用較強(qiáng)，安全帶沿帶扣導(dǎo)向環(huán)被下拉；差值負(fù)向產(chǎn)生谷底，表明假人臀部將開始回彈，腰帶力B6開始減小，但此時(shí)假人上軀干依然在向前撲，B4依然在受拉狀態(tài)；差值由負(fù)向轉(zhuǎn)向正向達(dá)到峰值，表明整個(gè)假人整體開始回彈，正向峰值與谷底值差值反映了假人胸部前撲強(qiáng)度。由圖5(b)可知，安全帶碰撞中預(yù)緊至約第40 ms限力開始，兩曲線均為正值，PP中差值約為0.56 kN，P中差值約為1 kN，PP中差值明顯偏低。約40 ms后，兩差值曲線由正向轉(zhuǎn)向負(fù)向并下降迅速，約55 ms時(shí)降至谷底。PP谷底值為5.17 kN，P谷底值為4.56 kN，PP谷底值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于P谷底值。在約90 ms前后，兩曲線分別達(dá)到正向峰值，峰值基本相等。

綜合分析圖5，與P相比， PP中假人上軀干碰撞前期前撲動(dòng)作弱，碰撞后期前撲動(dòng)作強(qiáng)。

2.3 基于骨盆加速度分析

建立假人加速度坐標(biāo)系，x向?yàn)榍昂蠓较?，向前為正；y向?yàn)樽笥曳较?，向右為正；z向?yàn)樯舷路较?，向下為正[11]。為了便于分析，假人胸部變形量取受壓為正；假人加速度單位用重力加速度g表示。

試驗(yàn)中采集假人骨盆加速度。骨盆加速度傳感器位于假人臀部后方，腰椎下方。骨盆x向加速度反映安全帶腰帶在x向的約束作用。骨盆z向加速度，是安全帶腰帶下拉大腿和胸部前撲通過腰椎上拉臀部作用的結(jié)果，其幅值越大，表明假人胸部前撲強(qiáng)度越強(qiáng)。

假人骨盆加速度間比較關(guān)系如圖6所示。由圖6(a)可知，PP最低值為-52.7g，P最低值為-62.1g，PP的幅值減小15.1%，且在40 ms之后至臀部回彈(谷底時(shí)刻)，PP曲線下降變緩更加明顯，結(jié)果表明安全帶主動(dòng)預(yù)緊緩解了AEB作用下假人水平方向產(chǎn)生的前沖的慣性。由圖6(b)可知，PP的最低值為-48.3g，P的最低值為-36g，結(jié)果表明PP中假人水平方向運(yùn)動(dòng)受限后，造成假人胸部前撲，臀部上提強(qiáng)度增大了34.2%；兩次試驗(yàn)中安全帶腰帶B6雖然基本一致，但P中x方向約束偏強(qiáng)，PP中z向約束偏強(qiáng)。

圖6 骨盆加速度比較

2.4 基于胸部加速度分析

在假人胸椎內(nèi)安裝有3軸向加速度傳感器，其測(cè)量結(jié)果反映了假人在碰撞過程中的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。對(duì)于z向加速度，當(dāng)前期為正時(shí)，表明肩帶在肩部有下壓作用；當(dāng)其由正轉(zhuǎn)為負(fù)時(shí)，表明安全帶限力后，假人前撲幅度增大，肩帶對(duì)假人胸部合力作用點(diǎn)由胸部上端下移，此過程在假人胸部表現(xiàn)為胸部變形量會(huì)緩緩變大；當(dāng)曲線由負(fù)向轉(zhuǎn)向正向形成谷底時(shí)，谷值為骨盆回彈時(shí)刻；當(dāng)由谷底轉(zhuǎn)向正向達(dá)到峰值時(shí)，此峰值為假人整體回彈時(shí)刻。在由谷底轉(zhuǎn)向正向峰值過程中，伴隨骨盆回彈，假人胸部前撲動(dòng)作加快，安全帶腰帶經(jīng)帶扣導(dǎo)向環(huán)被上拉，胸部下?lián)洹踩珟侠换プ饔糜诶吖羌芟卵?，此過程中胸部變形量會(huì)明顯上升，曲線上甚至?xí)纬梢粋€(gè)尖峰。谷底轉(zhuǎn)向正向峰值的速率越快，尖峰越大，對(duì)胸部傷害越大。

2次試驗(yàn)中假人胸部加速度曲線比較關(guān)系如圖7所示。由圖7(a)可知，PP試驗(yàn)中曲線整體要晚約3 ms，反映了安全帶主動(dòng)預(yù)緊較好地限制了假人胸部x向提前移動(dòng)。由圖7(b)可知，碰撞前期，P中胸部z向加速度正向幅值達(dá)到5g，約為PP中3倍。2次試驗(yàn)z向加速度曲線谷值比較，PP中谷值為19.9g，而P試中谷值為11.5g；由谷底轉(zhuǎn)向后峰值比較，PP中為22.9g，P中為15g。峰值與谷值的差值相比，PP的值為42.8g，P的值為26.5g，PP的值是P值的1.6倍。

圖7 胸部加速度比較

綜上可知，在AEB作用下，正式碰撞前假人上軀干將發(fā)生明顯前傾，碰撞中安全帶預(yù)緊時(shí)主要作用在肩上，將對(duì)假人胸部產(chǎn)生向后約束和向下按壓作用。碰撞前安全帶主動(dòng)預(yù)緊，則AEB制動(dòng)產(chǎn)生的影響將被限制，假人保持為碰撞前后仰狀態(tài)，碰撞中安全帶預(yù)緊主要對(duì)假人胸部產(chǎn)生向后約束，缺少將假人上軀干按壓在座位上的作用力，當(dāng)其達(dá)到前傾姿態(tài)時(shí)，其已具有一定量的動(dòng)能，安全帶的約束作用削弱，該結(jié)果導(dǎo)致假人胸部后續(xù)前撲動(dòng)作強(qiáng)度更大，相對(duì)AEB而言，PP的假人胸部變形傷害將更加嚴(yán)重。

3 安全帶主動(dòng)預(yù)緊對(duì)假人胸部變形量的影響

3.1 試驗(yàn)結(jié)果分析

2次試驗(yàn)中假人胸部變形量曲線比較如圖8所示。由圖8可知，P曲線在約60 ms之前呈弧形上行，并在60 ms 和80 ms分別形成一個(gè)凸起，最大值為23.6 mm；PP曲線在約40 ms之前呈線性上升，之后上升變緩，在約85 ms時(shí)產(chǎn)生峰值，最大值為24.4 mm。兩曲線相比，有主動(dòng)預(yù)緊功能后，前期變形幅度變緩，但后期胸部變形傷害更加嚴(yán)重，胸壓變形量增大3.4%。

圖8 2次滑臺(tái)試驗(yàn)中胸部變形量d比較

3.2 胸部剛度分析

相關(guān)研究[12]表明，在碰撞前期假人向前移動(dòng)過程中，假人胸部只受到安全帶肩帶作用，且上軀干由后仰到前傾過程近似直立向前，此時(shí)，胸部存在剛度k，k值通常為200 kN/m。即將胸部變形量d乘以200 kN/m后與肩帶力B3曲線比較，在安全帶肩帶力上升至限力開始階段，上升過程兩曲線近似平行，限力拐點(diǎn)出現(xiàn)初期兩曲線值接近。在碰撞后期，隨著假人骨盆回彈、胸部前撲幅度加大，安全帶合力作用點(diǎn)下移，向后的約束作用減弱，上提胸部的約束作用增強(qiáng)，即此時(shí)胸部剛度將減小，表現(xiàn)為當(dāng)整個(gè)過程剛度用200 kN/m評(píng)價(jià)時(shí)，碰撞后期kd曲線將產(chǎn)生一個(gè)高于B3曲線的尖峰。

2次試驗(yàn)中均取剛度k值為200 kN/m，建立B3與kd曲線比較關(guān)系如圖9所示。由圖9(a)可知，兩曲線上升階段，在約30 ms前近似平行，而后至安全帶限力前，kd曲線上升過程變緩。結(jié)果表明，在30 ms后k值取200 kN/m偏小，隨著假人胸部前撲幅度增大，胸部剛度增大。由圖9(b)可見，兩曲線上升階段近似平行，安全帶限力拐點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)兩曲線值接近，符合規(guī)律。比較結(jié)果表明，AEB制動(dòng)后，假人有前撲動(dòng)作，碰撞中運(yùn)動(dòng)姿態(tài)被改變，導(dǎo)致安全帶對(duì)假人胸部作用合力點(diǎn)發(fā)生變化，在胸部前撲過程中存在剛度增大過程。但在AEB作用前安全帶主動(dòng)預(yù)緊后，假人能夠保持制動(dòng)前狀態(tài)。即安全帶主動(dòng)預(yù)緊很好地消除了AEB動(dòng)作對(duì)假人碰撞初始狀態(tài)的影響。但碰撞后期，kd曲線產(chǎn)生了一個(gè)明顯高于B3曲線的尖峰，表明IAPS作用下，隨著假人骨盆回彈，胸部前撲幅度加大，假人胸部剛度降低明顯。該剛度的降低最終造成了PP中假人胸部變形量增大。

圖9 肩帶力B3曲線與kd曲線的比較

4 結(jié)論

主動(dòng)預(yù)緊安全帶的配置，在AEB制動(dòng)時(shí)能夠很好地限制乘員上軀干前傾，但該強(qiáng)制作用將導(dǎo)致碰撞中安全帶預(yù)緊對(duì)乘員肩部產(chǎn)生的下壓作用喪失，乘員前撲幅度增大。伴隨骨盆回彈，安全帶被肩部從腰部上拉，胸部大幅度向上提臀翻轉(zhuǎn)與安全帶上拉交互作用于肋骨架下沿，造成胸部剛度急劇下降，胸部變形增大。研究案例中，佩戴IAPS假人胸部變形量比佩戴普通預(yù)緊限力式安全帶假人胸部變形量增大了3.4%。