AEB制動下主動安全帶對乘員胸部損傷的影響

商恩義，周大永，李月明，習波波

(浙江吉利汽車研究院有限公司，浙江省汽車安全技術(shù)研究重點實驗室，浙江杭州 311228)

0 引言

當前，隨著車輛自動緊急制動系統(tǒng)(Autonomous Emergency Braking，AEB)為主的高級駕駛輔助系統(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]。中國汽車技術(shù)研究中心于2018年7月1日起正式實施的《C-NCAP管理規(guī)則(2018年版)》[2]中，便增加了AEB試驗及評價。AEB制動是指系統(tǒng)判斷車輛即將與前方目標發(fā)生碰撞時，主動制動來避免或減輕碰撞。AEB的引入對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，也將導致乘員前移、姿態(tài)改變。

主動預緊式安全帶(Integrated Active Pre-tensioning Seatbelt，IAPS)是現(xiàn)階段公認在 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轉(zhuǎn)動而實現(xiàn)安全帶卷收和釋放的預緊執(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ECU 接收到 ADAS 發(fā)出的主動預緊信號后，立即啟動電機正轉(zhuǎn)卷收安全帶織帶，當電機工作電流達到程序中設定的控制電流值時停止電機正轉(zhuǎn)，安全帶鎖止，主動預緊完成。當檢測到危險信號解除后，啟動電機反轉(zhuǎn)，安全帶鎖止狀態(tài)解除[5]。因此，IAPS可顯著改善 AEB 制動下的乘員離位狀態(tài)。

相關研究[6-7]表明，碰撞中乘員所受傷害與乘員運動姿態(tài)密切相關，被動安全約束系統(tǒng)優(yōu)化過程就是調(diào)整碰撞中乘員運動姿態(tài)的過程。基于當前法規(guī)指定乘員坐姿條件下開發(fā)的約束系統(tǒng)，當AEB制動乘員姿態(tài)發(fā)生改變時，事故中其保護作用也必將發(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注。但碰撞前安全帶主動預緊限制乘員離位也是對乘員運動姿態(tài)的改變，該改變是否對乘員胸部等部位的保護帶來積極作用需要確認。鑒于AEB、IAPS作用過程均較弱，通過仿真研究，當仿真誤差介入后很難做出正確結(jié)論，故決定通過滑臺試驗進行研究。

1 滑臺試驗

1.1 試驗方案的制定

AEB制動減速度為7 m/s2左右，制動行程長，加速滑臺難以模擬，故決定研究工作通過減速滑臺試驗進行。研究試驗針對駕駛員側(cè)進行2次，一次使用普通預緊限力式安全帶，用P表示；另一次使用IAPS，在P所用安全帶原有功能基礎上增加碰撞前主動預緊功能，用PP表示。

當前，正面偏置碰撞試驗速度通常為64 km/h，正面全寬碰撞試驗速度為50 km/h，因此，決定研究試驗基于此速度進行，即滑臺初始速度定為64 km/h，碰撞速度為50 km/h，結(jié)合AEB制動模擬減速度為7 m/s2，則通過計算可確定AEB制動模擬所需行程為8.8 m，所需時間為556 ms。為了保證PP中IAPS主動預緊在AEB制動前已完成，確定IAPS預緊電機啟動時刻為碰撞前800 ms，預緊力為250 N。另外，為確保后續(xù)方案實施有足夠操作空間，滑臺在達到64 km/h時，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，滑臺試驗以約束系統(tǒng)剛剛開發(fā)完成的某款車型為基礎，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滑臺試驗減速度曲線前端加上模擬AEB制動減速度曲線。

1.2 試驗實施

當前，國內(nèi)尚無能夠模擬AEB制動過程的滑臺試驗能力，寧波某實驗室對其鋼筋阻尼式減速滑臺試驗系統(tǒng)[8]進行了功能升級，即在其原有波形復現(xiàn)器前方額外增加小型阻尼器使其具備復現(xiàn)AEB制動功能，進行標定試驗確認無問題后接下該項試驗任務。將50 km/h碰撞開始時刻定義為0，截取-100～100 ms時間段滑臺標定試驗曲線如圖1所示，7 m/s2的制動減速過程較平穩(wěn)，滿足復現(xiàn)AEB制動過程要求。

圖1 滑臺試驗減速度曲線

如圖2所示，按照C-NACP 50 km/h正面碰撞試驗要求，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，靠近帶扣導向環(huán))和B6(腰帶左側(cè)，靠近安全帶下固定點)位置分別安裝安全帶力傳感器[10]。試驗準備就緒后，分別進行了P試驗和PP試驗。

圖2 滑臺試驗前狀態(tài)

2 IAPS主動預緊對乘員運動姿態(tài)影響的研究

2.1 基于錄像截屏分析

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

圖3 P試驗中假人運動姿態(tài)(錄像截屏)

圖4 PP試驗中假人運動姿態(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，對比結(jié)果表明AEB制動作用下假人整體發(fā)生前移，上軀干前傾。但當有IAPS主動預緊作用后，假人離位受到限制，相對圖2姿態(tài)基本沒動。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的對比結(jié)果反映出在IAPS作用下假人上軀干前撲動作起動晚，但前撲速度快、幅度大。

2.2 基于B4與B6作用關系分析

借助安全帶力曲線，研究2次試驗中假人運動姿態(tài)差異。建立2次試驗中B4和B6安全帶力曲線比較關系及B4減B6差值比較關系如圖5所示。

圖5 2次試驗中B4和B6比較分析

由圖5(a)可知，70 ms之前，兩次試驗中B6曲線基本一致，PP試驗中B4偏小，結(jié)果表明PP試驗前期假人上軀干前撲動作強度偏弱。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位置，B4與B6的差值反映出帶扣導向環(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動強度關系：差值為正，表明假人上軀干前撲作用較強，沿帶扣導向環(huán)向上拉安全帶；差值由正向轉(zhuǎn)向負向，表明安全帶限力后，腰帶對假人骨盆向前運動約束作用較強，安全帶沿帶扣導向環(huán)被下拉；差值負向產(chǎn)生谷底，表明假人臀部將開始回彈，腰帶力B6開始減小，但此時假人上軀干依然在向前撲，B4依然在受拉狀態(tài)；差值由負向轉(zhuǎn)向正向達到峰值，表明整個假人整體開始回彈，正向峰值與谷底值差值反映了假人胸部前撲強度。由圖5(b)可知，安全帶碰撞中預緊至約第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)向負向并下降迅速，約55 ms時降至谷底。PP谷底值為5.17 kN，P谷底值為4.56 kN，PP谷底值遠遠大于P谷底值。在約90 ms前后，兩曲線分別達到正向峰值，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作弱，碰撞后期前撲動作強。

2.3 基于骨盆加速度分析

建立假人加速度坐標系，x向為前后方向，向前為正；y向為左右方向，向右為正；z向為上下方向，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度越強。

假人骨盆加速度間比較關系如圖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(谷底時刻)，PP曲線下降變緩更加明顯，結(jié)果表明安全帶主動預緊緩解了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中假人水平方向運動受限后，造成假人胸部前撲，臀部上提強度增大了34.2%；兩次試驗中安全帶腰帶B6雖然基本一致，但P中x方向約束偏強，PP中z向約束偏強。

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，其測量結(jié)果反映了假人在碰撞過程中的運動姿態(tài)。對于z向加速度，當前期為正時，表明肩帶在肩部有下壓作用；當其由正轉(zhuǎn)為負時，表明安全帶限力后，假人前撲幅度增大，肩帶對假人胸部合力作用點由胸部上端下移，此過程在假人胸部表現(xiàn)為胸部變形量會緩緩變大；當曲線由負向轉(zhuǎn)向正向形成谷底時，谷值為骨盆回彈時刻；當由谷底轉(zhuǎn)向正向達到峰值時，此峰值為假人整體回彈時刻。在由谷底轉(zhuǎn)向正向峰值過程中，伴隨骨盆回彈，假人胸部前撲動作加快，安全帶腰帶經(jīng)帶扣導向環(huán)被上拉，胸部下?lián)洹踩珟侠换プ饔糜诶吖羌芟卵兀诉^程中胸部變形量會明顯上升，曲線上甚至會形成一個尖峰。谷底轉(zhuǎn)向正向峰值的速率越快，尖峰越大，對胸部傷害越大。

2次試驗中假人胸部加速度曲線比較關系如圖7所示。由圖7(a)可知，PP試驗中曲線整體要晚約3 ms，反映了安全帶主動預緊較好地限制了假人胸部x向提前移動。由圖7(b)可知，碰撞前期，P中胸部z向加速度正向幅值達到5g，約為PP中3倍。2次試驗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，碰撞中安全帶預緊時主要作用在肩上，將對假人胸部產(chǎn)生向后約束和向下按壓作用。碰撞前安全帶主動預緊，則AEB制動產(chǎn)生的影響將被限制，假人保持為碰撞前后仰狀態(tài)，碰撞中安全帶預緊主要對假人胸部產(chǎn)生向后約束，缺少將假人上軀干按壓在座位上的作用力，當其達到前傾姿態(tài)時，其已具有一定量的動能，安全帶的約束作用削弱，該結(jié)果導致假人胸部后續(xù)前撲動作強度更大，相對AEB而言，PP的假人胸部變形傷害將更加嚴重。

3 安全帶主動預緊對假人胸部變形量的影響

3.1 試驗結(jié)果分析

2次試驗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時產(chǎn)生峰值，最大值為24.4 mm。兩曲線相比，有主動預緊功能后，前期變形幅度變緩，但后期胸部變形傷害更加嚴重，胸壓變形量增大3.4%。

圖8 2次滑臺試驗中胸部變形量d比較

3.2 胸部剛度分析

相關研究[12]表明，在碰撞前期假人向前移動過程中，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，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，安全帶合力作用點下移，向后的約束作用減弱，上提胸部的約束作用增強，即此時胸部剛度將減小，表現(xiàn)為當整個過程剛度用200 kN/m評價時，碰撞后期kd曲線將產(chǎn)生一個高于B3曲線的尖峰。

2次試驗中均取剛度k值為200 kN/m，建立B3與kd曲線比較關系如圖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，安全帶限力拐點出現(xiàn)時兩曲線值接近，符合規(guī)律。比較結(jié)果表明，AEB制動后，假人有前撲動作，碰撞中運動姿態(tài)被改變，導致安全帶對假人胸部作用合力點發(fā)生變化，在胸部前撲過程中存在剛度增大過程。但在AEB作用前安全帶主動預緊后，假人能夠保持制動前狀態(tài)。即安全帶主動預緊很好地消除了AEB動作對假人碰撞初始狀態(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

主動預緊安全帶的配置，在AEB制動時能夠很好地限制乘員上軀干前傾，但該強制作用將導致碰撞中安全帶預緊對乘員肩部產(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緊限力式安全帶假人胸部變形量增大了3.4%。