李月明 王鵬翔 張毅 習波波 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研究重點實驗室，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，但研究認為，AEB系統(tǒng)作用造成乘員偏離被動安全設計中的正常坐姿位置，與沒有配置AEB 系統(tǒng)的同等強度碰撞事故相比，將使原約束系統(tǒng)匹配方案無法發(fā)揮最佳保護效果，導致車內乘員傷害程度增加。因此，在《CNCAP 路線圖（2022～2028）》中，規(guī)劃新增虛擬測評項目：在AEB系統(tǒng)介入導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，主動預緊式安全帶被認為是現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。事實上，乘員離位程度與AEB系統(tǒng)制動強度密切相關，假人姿態(tài)改變也會造成約束系統(tǒng)作用方式、作用強度發(fā)生變化，而該變化未必完全產生負面影響。另外，現有乘用車已普遍采用潰縮吸能式轉向管柱，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。當前研究普遍基于仿真進行，且缺少對前述內容的考慮，在此種情況下，如認為配置AEB系統(tǒng)均需額外增加其他配置，將導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)進行加速滑臺試驗研究，考察安全氣囊、安全帶肩帶和腰帶、座椅等約束強度的重新分配對乘員保護產生的影響。

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中駕駛員側假人采用第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行探討。

研究試驗中，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系：向為前后方向，向為左右方向，向為上下方向。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，受壓為負。對于臺車，向為前后方向，向前為正。

2.1 AEB系統(tǒng)制動減速度選擇

當前，法規(guī)對AEB 系統(tǒng)制動產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準波形（AEB 系統(tǒng)制動曲線）。根據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為0.70～0.85。該規(guī)定表明，車輛在實際道路上制動產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個標準的規(guī)定，AEB系統(tǒng)制動減速度應在4.0～8.3 m/s范圍內。

當前，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，可以不同減速度進行制動。另外，蘭鳳崇等通過抽取100起輕微碰撞事故進行統(tǒng)計研究，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[9]指出，制動加速度越大，離位程度越大。

基于上述分析，結合當前加速滑臺的加速行程有限，確定AEB 系統(tǒng)模擬滑臺試驗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，考慮試驗沖擊強度較低，確定試驗通過座椅和安全帶進行。試驗中，采集假人骨盆加速度信號，對假人頭部質心和肩部粘貼標記進行動態(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假人進行2次AEB系統(tǒng)模擬試驗，分別表示為H和H，對應制動減速度分別為6.0 m/s和8.0 m/s。試驗錄像截屏如圖1所示，2次試驗中，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內假人離位運動已經完成，試驗持續(xù)時間滿足要求。2次試驗相比，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假人試驗錄像截屏

2.2.2 AEB系統(tǒng)制動對骨盆的影響

設a、a分別為假人骨盆和臺車的向加速度，2次試驗中a與a的結果如圖2所示，忽略坐標系間的差異，2次試驗中，a和a均在臺車起步初期經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)生在試驗的前200 ms內。設s、s分別為假人骨盆和臺車的向位移，分別對2 次試驗的a和a進行積分獲得s和s，200 ms 內的位移如圖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試驗假人骨盆與臺車x向加速度

圖3 H1、H2試驗假人骨盆與臺車x向位移

2.2.3 頭部和肩部追蹤數據分析

2 次試驗假人頭部和肩部動態(tài)追蹤結果如圖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 次試驗中，假人頭部和肩部位移達到最大值后，均持續(xù)保持基本不變。

圖4 H1、H2試驗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制動加速度進行加速滑臺試驗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次滑臺試驗后，錄像截屏如圖5所示，假人離位表現與第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位現象。

圖5 不同制動加速度下第50百分位THOR男性假人試驗錄像截屏

2.3.2 AEB系統(tǒng)制動對骨盆的影響

T和T試驗中，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的相對關系與H和H中的表現基本相同。圖7中，忽略坐標系之間存在的偏差影響，T、T試驗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試驗假人骨盆與臺車x向加速度

圖7 T1、T2試驗假人骨盆與臺車x向位移

2.3.3 頭部和肩部追蹤數據分析

2次試驗中，第50 百分位THOR 男性假人頭部和肩部動態(tài)追蹤結果如圖8 所示。圖8a 中：在約第300 ms 時刻，頭部和肩部位移達到最大，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到最大位移量后均有復位過程；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到最大位移量后也均有復位過程；頸部瞬時伸長量為15 mm。

圖8 T1、T2試驗第50百分位THOR男性假人頭部和肩部追蹤位移

2.4 結果討論

匯總AEB 系統(tǒng)模擬試驗結果如表1 所示，2 個假人試驗結果間的明顯差異是，頭部和肩部達到最大位移后，第50 百分位Hybrid Ⅲ假人基本保持不變，但第50百分位THOR 男性假人有復位過程。在相同制動強度下，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%，復位后基本相近，頭部和肩部向最大位移量大約30 mm，復位后接近。因此，綜合各位移量的最大值，可以初步確認：AEB系統(tǒng)以6.0 m/s進行制動，在配置潰縮吸能式轉向管柱的情況下，第50百分位Hybrid Ⅲ假人頭部和胸部保護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進行制動，而后進行C-NCAP 正面碰撞試驗，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險，難以滿足乘員保護要求。

表1 AEB系統(tǒng)模擬試驗結果匯總

文獻[7]認為第50百分位Hybrid Ⅲ假人存在頸部和腰部剛度過大、運動響應擬合性差等缺點，第50百分位THOR 男性假人針對其進行了優(yōu)化設計，材質、內部結構更加逼真，生物力學性能更加接近人體。THOR相對Hybrid Ⅲ假人可能更適用于當前正面碰撞試驗，但2款假人在2種制動工況下的離位表現相比較，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相當不穩(wěn)定，存在前后晃動過程，在以8.0 m/s進行600 ms 的平穩(wěn)制動條件下，頭部向前的離位量可達169 mm，復位量可達42 mm。在實際的AEB 系統(tǒng)制動過程中，駕駛員存在應急反應，通常會握緊轉向盤，THOR 假人在AEB 系統(tǒng)制動下的表現是否適用于主被動安全融合試驗有待商榷。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)揮較好保護功能的可能性，因此，本文在此基礎上進行進一步研究。

3 AEB 系統(tǒng)制動對乘員傷害影響的滑臺試驗研究

通過減速滑臺試驗，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制動后對當前約束系統(tǒng)保護功能的影響。某款車約束系統(tǒng)配置已開發(fā)完成，針對該款車進行2次減速滑臺試驗，分別為普通滑臺試驗（Base試驗）和由較高速度模擬AEB系統(tǒng)降速為普通滑臺試驗（A-Base試驗）。試驗中，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 試驗速度為52 km/h，A-Base 試驗速度則模擬AEB系統(tǒng)制動由63 km/h降速至52 km/h。另外，為保證試驗結果的可對比性，2次試驗中安全氣囊、安全帶、轉向管柱配置相同。最終，確定2次滑臺試驗的詳細參數如表2所示。

表2 滑臺試驗參數

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

圖9 滑臺試驗碰撞0時刻假人姿態(tài)

3.1 AEB系統(tǒng)制動對頭部保護的影響

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，評價中引入了文獻[10]、文獻[11]的研究結果，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達朗貝爾（d’Alembert）原理分別計算出的3 個方向外力和頭部質量求得。計算過程中，頭部慣性力通過頭部質量和頭部加速度計算，內力為所采集的上頸部力，假人頭部質量為4.54 kg。3 個方向外力加速度求解后分別進行分析或合成，再分析氣囊展開過程中頭部是否受力以及受力是否構成“氣囊不穩(wěn)定接觸”。

Base 和A-Base 試驗為正面碰撞試驗，試驗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a、a分別為假人頭部向和向的頭部外力加速度，2次試驗中a、a結果如圖10所示。

圖10 滑臺試驗中假人頭部外力加速度

圖10 中，A-Base 試驗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出現了80 m/s峰值。2 次試驗第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 滑臺試驗碰撞第33 ms時刻假人頭部與氣囊相對關系

對圖10 和圖11 的分析表明，AEB 系統(tǒng)制動導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沖擊，但產生的加速度峰值小于100 m/s，不構成“氣囊不穩(wěn)定接觸”。

3.2 AEB系統(tǒng)制動對胸部保護的影響

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

圖12 肩帶與假人胸部位置關系

Base和A-Base試驗后，假人胸部a、a結果如圖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：安全帶預緊，假人向前近似平動，肩帶約束合力點靠近肩部，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由正轉負：假人胸部前傾，肩帶約束合力點下移，轉為對胸部上提及向后約束；

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

d. a由正轉向歸零：肩部持續(xù)受到肩帶產生的下壓力至胸部向后回位。

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

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

總體而言，A-Base試驗與Base試驗相比，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 試驗后，假人骨盆a、a結果如圖15所示，安全帶肩帶力B3和腰帶力B6如圖16所示。

圖15 2次滑臺試驗假人骨盆加速度

圖16 2次滑臺試驗安全帶作用力

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

4 結束語

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；通過進行52 km/h滑臺基礎試驗和以6.0 m/s減速度制動至52 km/h 的減速滑臺試驗，研究了離位對約束系統(tǒng)保護功能的影響，得到以下結論：

a.AEB系統(tǒng)制動將導致假人產生前傾，在安全帶預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度。對于第50 百分位Hybrid Ⅲ假人，當制動加速度在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，但當制動加速度高于6.0 m/s時，駕駛員側假人胸部有因“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到最大離位量后存在復位情況，其在主被動融合試驗中的適用性有待商榷。一旦采用第50百分位THOR男性假人進行主被動融合開發(fā)試驗，則不建議算法開發(fā)過程中制動力設置過大，或者，配置AEB系統(tǒng)功能的同時配置主動預緊安全帶，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。