郝毅，韓菲菲，楊帥, 李根

(中國汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300)

0 引言

近年來，隨著國內(nèi)汽車產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，汽車已成為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢扇鄙俚囊徊糠帧Ｈ欢囋诮o人們帶來便利的同時，其交通事故也給人們帶來了身體和精神上的痛苦以及財產(chǎn)上的損失，道路交通事故已成為當(dāng)今世界主要的公共交通問題。

隨著主動安全技術(shù)不斷創(chuàng)新和提升，證明了怎樣避免車輛碰撞失控等才是解決事故發(fā)生的關(guān)鍵[1-2]。因此，為了進(jìn)一步提高道路交通安全，幫助駕駛員減少錯誤操作，以緊急制動系統(tǒng)( Autonomous Emergency Brake，AEB)為代表的主動安全技術(shù)逐漸得到重視和發(fā)展。AEB系統(tǒng)是汽車行駛在危險工況下發(fā)出的預(yù)碰撞警告并且關(guān)鍵時刻采取緊急制動措施的主動安全系統(tǒng)，主要適用于追尾工況，以彌補(bǔ)駕駛員制動過慢或制動力不足[3]。AEB被認(rèn)為是現(xiàn)階段可以防止因駕駛員疏忽或者前車緊急制動造成碰撞傷害最有效的功能系統(tǒng)之一[4]。目前我國實施的2018版的C-NCAP，已將AEB納入新車主動安全的評價規(guī)程。Euro NCAP研究表明，AEB可以避免27%的碰撞事故，保護(hù)駕乘人員安全[5-6]。

主動安全技術(shù)的興起，在為駕駛員和乘員提供更多安全保障的同時卻在某些方面表現(xiàn)出了很強(qiáng)的設(shè)計矛盾，比如 AEB 系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計與傳統(tǒng)被動安全設(shè)計的兼容性[7-8]。傳統(tǒng)的被動安全設(shè)計并不會考慮碰撞前的避撞行為造成的車輛和乘員響應(yīng)。有研究機(jī)構(gòu)的試驗結(jié)果表明，在相同碰撞強(qiáng)度的前提條件下，帶有 AEB 制動過程的正面碰撞比未經(jīng)緊急制動的情況，乘員將受到更為嚴(yán)重的傷害。駕駛員由于在 AEB的作用下，受到縱向慣性力作用，將產(chǎn)生明顯的縱向位移量，造成乘員偏離了被動安全設(shè)計中的正常坐姿位置，致使原本的約束匹配方案不能發(fā)揮最佳的約束效果，從而導(dǎo)致車內(nèi)乘員傷害值的相對增加[9-10]。

本文作者首先對Hybrid III與THUMS兩種假人模型的頸部、胸椎及腰椎進(jìn)行三點(diǎn)弧簡化，在此基礎(chǔ)上，通過搭建駕駛員有限元約束系統(tǒng)模型，分析了正面碰撞中，兩種假人模型頸部、胸椎及腰椎旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的區(qū)別，并進(jìn)一步研究了AEB作用對于兩種假人模型運(yùn)動姿態(tài)的影響。

1 假人三點(diǎn)弧模型簡化

正面碰撞中，假人主要運(yùn)動方式為XOZ面內(nèi)運(yùn)動。分別將Hybrid III 50th假人與THUMS模型的頸部、胸椎與腰椎在XOZ平面內(nèi)進(jìn)行三點(diǎn)弧簡化。如圖 1所示，以Hybrid III 50th假人頸部為例進(jìn)行說明。沿頸部軸向，分別取頂面中心點(diǎn)PUpNeckH、中面中心點(diǎn)PMidNeckH以及底面中心點(diǎn)PLowNeckH，頸部頂面中心點(diǎn)繞中面中心點(diǎn)旋轉(zhuǎn)角度X向分量為θ2NeckH, 頸部中面中心點(diǎn)繞底面中心點(diǎn)旋轉(zhuǎn)角度為X向分量為θ1NeckH，頸部上端與下端分別為L2NeckH和L2NeckH，頸部夾角為βNeckH。按照同樣的方法，可以將THUMS模型的頸部、胸椎及腰椎進(jìn)行三點(diǎn)弧簡化。

圖1 Hybrid假人頸部、胸椎與腰椎三點(diǎn)弧簡化圖

2 正面碰撞約束系統(tǒng)模型建立

約束系統(tǒng)模型是在整車模型的基礎(chǔ)上建立的，正面碰撞約束系統(tǒng)模型主要包括地板、地毯、擱腳板、踏板、儀表板、A柱、B柱、氣囊、座椅、安全帶、方向盤、轉(zhuǎn)向管柱等主要部件。在碰撞過程中，通過各零部件之間的協(xié)同工作，約束乘員運(yùn)動，從而減小二次碰撞對人體的傷害。利用Hybrid III假人搭建駕駛員有限元約束系統(tǒng)模型，在此基礎(chǔ)上，用THUMS模型替換Hybrid III假人，并對THUMS假人各部位進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整，確保兩假人模型坐姿一致。重新調(diào)整座椅壓痕并更新座墊和靠背泡沫的預(yù)應(yīng)力，重新調(diào)整安全帶初始姿態(tài)，更新THUMS假人與車體和約束系統(tǒng)零部件之間的接觸，完成約束系統(tǒng)模型搭建，并設(shè)置輸出假人簡化模型中定義的頸部、胸椎與腰椎頂面中心點(diǎn)、中面中心點(diǎn)及底面中心點(diǎn)的運(yùn)動信息。Hybrid III假人與THUMS假人駕駛員約束系統(tǒng)模型對比如圖3所示，假人乘員空間部分?jǐn)?shù)據(jù)對比如表2所示。

圖2 Hybrid III假人與THUMS假人駕駛員約束系統(tǒng)模型對比

表1兩假人關(guān)鍵部位乘員空間數(shù)據(jù)對比

鼻尖到方向盤中心/mm胸部到方向盤中心/mm腹部到方向盤下緣/mm左腳跟到前座椅橫梁/mm右腳跟到前座椅橫梁/mm下巴到肩帶上沿垂直距離/mmHybrid III451.5354.2247.8335.6350.2100.3THUMS456.2359.0250.3340.6354.9102.5偏差/%1.01.31.01.51.32.1

3 無AEB作用下假人運(yùn)動姿態(tài)對比

3.1 假人與車體相對位置對比

碰撞過程中，兩假人胸部距離方向盤的距離(CWC)、腹部距離方向盤下輪緣中心的距離(AWL)及骨盆相對車體向前滑移量(HV)對比如圖3所示。可以看出碰撞過程中兩假人胸部、腹部及骨盆相對車體的位置基本相同。

圖3 不同碰撞速度下，CWC、AWL及HV對比

3.2 頸部、胸椎及腰椎夾角變化對比

兩假人在碰撞中頸、胸椎及腰椎夾角變化如圖4所示，可以看出兩假人頸部及腰椎初始夾角有一定區(qū)別，隨著碰撞過程的進(jìn)行，差異逐漸降低。Hybrid假人胸椎為剛體，在碰撞過程中夾角不發(fā)生變化，THUMS假人胸椎夾角整體呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，與Hybrid假人相比，變化幅度為9%?？傮w來看，正常碰撞工況并且無AEB作用下，兩種假人頸部、腰椎及胸椎夾角變化基本一致。

圖4 不同碰撞速度下，頸、胸椎及腰椎旋轉(zhuǎn)運(yùn)動對比

4 AEB作用對于假人旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的影響

正面碰撞過程中，在AEB作用下，乘員受到縱向慣性力的作用，將產(chǎn)生明顯的縱向位移量，從而使乘員偏離了被動安全設(shè)計中的正常坐姿位置，乘員的頸部、胸椎及腰椎也不再保持原始狀態(tài)，而是產(chǎn)生相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。

4.1 AEB設(shè)計工況矩陣及加載速度曲線對比

在碰撞速度為50 km/h的正碰工況中，添加AEB作用，其初始速度、AEB介入時刻及AEB減速度如表2所示，兩種工況速度曲線如圖5所示。

表2 工況參數(shù)

圖5 兩種工況速度曲線對比

4.2 AEB對于Hybrid假人運(yùn)動姿態(tài)的影響

AEB對于Hybrid假人頸部、胸椎及腰椎夾角的影響如圖6所示。在AEB作用過程中，假人頸部夾角在AEB作用初期逐漸減小，并在達(dá)到最小值后基本保持不變，頸部夾角變化幅度為3.6%。假人胸椎為剛體，在AEB作用過程中夾角保持不變。假人腰椎夾角隨著AEB作用時間越長而逐漸增大，增大斜率逐漸減小，AEB作用結(jié)束時，腰椎夾角增大26.4%。整體來看，AEB對于Hybrid假人頸部與胸椎夾角影響較小，對于腰椎夾角有較大影響。

圖6 AEB作用下，Hybrid假人頸部、胸椎及腰椎夾角變化對比

AEB作用前后，Hybrid假人軀干整體運(yùn)動姿態(tài)對比如圖7所示?？梢钥闯?，AEB作用前后，Hybrid假人骨盆未發(fā)生明顯前移現(xiàn)象，假人軀干繞骨盆向前旋轉(zhuǎn)，頭頸部相比初始位置有較大前移量，胸部區(qū)域相比初始位置變化幅度較小。

圖7 AEB作用前后，Hybrid假人軀干前傾情況對比

4.3 AEB對于THUMS假人運(yùn)動姿態(tài)的影響

AEB對于THUMS假人頸部、胸椎及腰椎夾角的影響如圖8所示。假人頸部夾角在AEB作用過程中呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，變化幅度為20.6%；假人胸椎夾角與腰椎夾角在AEB作用過程中均呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，胸椎夾角變化幅度為3.0%，腰椎夾角變化幅度為4.4%。整體來看，AEB對于Hybrid假人胸椎與腰椎夾角影響較小，對于頸部夾角有較大影響。

AEB作用前后，THUMS假人軀干整體運(yùn)動姿態(tài)對比如圖9所示。可以看出：AEB作用下，Hybrid假人骨盆有一定向前滑移現(xiàn)象，相比Hybrid假人，THUMS假人存在更明顯的前傾現(xiàn)象。

圖8 AEB作用下，THUMS假人頸部、胸椎及腰椎夾角變化對比

圖9 AEB作用前后，THUMS假人軀干前傾情況對比

5 結(jié)論與展望

主動安全的介入雖可以在碰撞事故中避免碰撞或者降低碰撞相對速度，但同時也會引起車內(nèi)乘員出現(xiàn)一定的縱向離位現(xiàn)象，進(jìn)而降低了原有約束系統(tǒng)的保護(hù)效能。如何改善或者消除 AEB 帶來的乘員離位現(xiàn)象，最大程度地發(fā)揮主動安全 AEB 與被動安全約束系統(tǒng)的保護(hù)效能，成為汽車一體化安全系統(tǒng)的一個重要課題。

本文作者首先對Hybrid III與THUMS兩種假人模型的頸部、胸椎及腰椎進(jìn)行三點(diǎn)弧簡化，在此基礎(chǔ)上，通過搭建駕駛員有限元約束系統(tǒng)模型，分析了正面碰撞中，兩種假人模型運(yùn)動姿態(tài)的區(qū)別，并進(jìn)一步研究了AEB作用對于兩種假人模型轉(zhuǎn)動姿態(tài)的影響。從中可得出以下結(jié)論：

(1)無AEB作用，Hybrid與THUMS假人在碰撞過程中的整體運(yùn)動姿態(tài)基本相同。

(2)AEB作用結(jié)束后，假人初始姿態(tài)發(fā)生變化，相比Hybrid假人，THUMS假人軀干前傾現(xiàn)象更明顯，骨盆有更大的向前滑移量。

(3)AEB作用下，相比Hybrid假人，THUMS假人頸部夾角變化更明顯，腰椎夾角變化較小。

此外，文中只分析正碰工況AEB作用對于假人頸部、胸椎與腰椎運(yùn)動的影響，還可以進(jìn)一步研究AEB作用對于假人其他部位運(yùn)動姿態(tài)的影響，從而可以更好地指導(dǎo)車輛在主被動集成安全性能方面的設(shè)計，提升車輛的安全性能。