AEB制動對碰撞事故中假人運動姿態及損傷程度的影響研究

鄭艷婷　李夢琦　郭慶祥

摘 要：隨著汽車安全性能要求越來越高，自動緊急制動系統（Autonomous Emergency Braking，AEB）等主動安全配置在汽車上應用越來越廣泛。本文針對碰撞前車輛AEB功能的啟用對汽車被動安全階段（100%正面碰撞，FRB）假人離位及損傷可能產生的影響進行探索研究。研究結果表明：AEB啟動自動緊急制動功能，乘員假人的頭部、頸部、胸部、骨盆部位會相對車輛有一定的前傾運動。并且車輛AEB自動緊急制動功能啟動的情況下發生100%正面碰撞，駕駛員損傷值的增高均早于碰撞前車輛未配備AEB功能車輛駕駛員的損傷值，且最高損傷值小于碰撞前車輛未配備AEB功能車輛駕駛員的損傷值，對于骨盆部位則影響不大。碰撞前AEB自動緊急制動系統功能的啟用會導致假人有一定的前傾離位，但不一定導致碰撞后假人損傷最高值的增大。

關鍵詞：自動緊急制動系統 乘員離位 乘員損傷

1 前言

隨著汽車安全性能的要求越來越高，自動緊急制動系統（Autonomous Emergency Braking，AEB）以及主動式安全帶等主動安全配置在汽車上的應用越來越廣泛。AEB是汽車在碰撞前避免或減輕碰撞事故的技術，系統能在汽車發生碰撞前檢測到前方障礙物并以圖像或者聲音的形式提醒駕駛員，當車輛與障礙物的距離超過臨界值之后，系統便會啟動自動緊急剎車系統規避或者減輕碰撞事故的嚴重程度[1，2]。因為AEB會造成碰撞事故前假人的離位，而目前的車輛的約束系統設計一般不會考慮假人提前離位的因素，本文主要研究目的是研究無AEB和有AEB下假人未離位與離位的姿態對最終假人損傷的影響。

2 模型搭建

本文基于Madymo軟件以及主動人體模型（Active Human Model AHM）假人搭建駕駛員側約束系統仿真模型。

如圖1（a）所示，約束系統模型由AHM假人、安全帶、白車身、方向盤、轉向管柱、儀表板，座椅、風擋玻璃、地板、歇腳板、加速踏板各子模型集合而成。在Madymo中，各子模型之間通過轉動鉸、移動鉸建立互相之間的運動關系。

相對于madymo中其它多剛體假人，AHM假人為有限元假人且建有類似人體的精細皮膚、骨骼及肌肉，其頸部、腰部、手臂帶有肌肉性能，能夠在車輛制動以及碰撞時，通過力學性能曲線的控制對車輛給與的被動載荷產生跟真實人體更加相似的運動響應。

如圖1（b）所示，模型計算時間一共1020ms。模型初速度設置為64km/h，0至344ms以64km/h的速度勻速行駛;344ms開始，AEB開始起作用以0.7g的減速度使車輛減速，至900ms減速至50km/h;900ms開始至1020ms模型加載真實的100%正面碰撞（FRB）工況下的實車波形，以模擬100%正面碰撞工況。該模型的整個計算過程復現了車輛以64km/h初速度行駛，AEB自動緊急制動系統啟動后，車輛速度從64km/h降低至50km/h發生100%正面碰撞的事故場景。

3 結果分析

3.1 碰撞前車輛AEB功能對假人運動姿態及損傷值的影響研究

0至344ms為車輛勻速運動階段，AEB未起作用，駕駛員與車輛一起勻速運動。如圖2（a）和（b）所示，駕駛員肩帶力、腹帶力及各部位損傷值均為零。

344ms至900ms，如果車輛配有AEB功能，車輛識別到前方障礙物且AEB功能開始啟動后，車輛進入緊急制動階段，以0.7g的減速度從64km/h減速至50km/h。由于慣性作用，駕駛員在車輛減速度的作用下會相對車輛向前運動。從圖2（c）至（f）可以看到，假人的頭部X向加速度、頭部X向位移、頸部剪切力Fx、胸部X向加速度、骨盆X向加速度急劇上升，也證明了假人的頭部、頸部、胸部、骨盆均有相對車輛的前傾運動。假人相對車輛向前運動時，安全帶會對駕駛員起到被動的約束作用阻止假人前傾。因為AEB的減速度相對較小，安全帶作用到假人胸部及腹部的肩帶力及腹帶力值相對輕微，至900ms時肩帶力達到100N，腰帶力達到50N。

340ms至900ms發生碰撞前，如果車輛未配備AEB自動緊急制動系統，車輛與假人之間沒有相對運動，一直保持勻速運動，安全帶與假人之間沒有約束作用。所以安全帶肩帶力及腰帶力以及各部位傷害值和位移均為零。

3.2 碰撞后AEB功能對假人運動姿態及損傷值的影響研究

344ms至1020ms，模型輸入AEB制動波形及100%正面碰撞的實車試驗碰撞波形，模擬車輛以0.7g的減速度從64km/h減速至50km/h初速度（344至900 ms）與剛性壁障發生100%正面碰撞（900至1020ms）的事故場景。

如果車輛未配備AEB沒有自動緊急制動功能，0至900 ms車輛一直以64km/h勻速運動，900ms至1020ms輸入實車碰撞波形，模擬車輛在前方有剛性障礙物但沒有自動緊急制動剎車以64km/h的原行駛速度與剛性壁障發生100%正面碰撞的事故場景。

如圖3（a）和（b）所示，發生碰撞后車輛是否有AEB功能對安全帶作用于假人胸部的肩帶力略有影響。配備AEB功能，在車輛發生碰撞后安全帶作用于假人胸部的肩帶力在碰撞前期大于未配備AEB功能的車輛。針對這兩種工況，對于安全帶作用在腹部的腰帶力卻影響不大。車輛前期是否配備AEB功能，對碰撞階段假人的損傷值與運動位移的影響差異顯著。如圖3（c）至（i）所示，如果在碰撞前車輛AEB自動緊急制動系統起作用，則駕駛員頭部X向加速度以及頸部剪切力Fx、頸部伸張力Fz、頸部彎矩My、胸部X向加速度、胸部壓縮量的增高均早于碰撞前車輛未配備AEB功能車輛駕駛員的損傷值，且對應最高損傷值小于碰撞前車輛未配備AEB功能車輛駕駛員的損傷值。

如圖3（i）所示，兩種場景下的骨盆x向加速度差異不大，所以在發生100%正面碰撞時，碰撞前車輛是否配備AEB功能對假人的骨盆運動影響不大。

4 結論與展望

本文采用仿真手段，基于madymo軟件、AHM主動式人體模型以及約束系統子模型構建駕駛員側約束系統模型，研究了碰撞前車輛是否配備AEB功能對碰撞前后假人的運動姿態以及損傷值的影響做探索研究。結果表明：

（1）如果車輛在碰撞前識別到前方障礙物，并且AEB啟動自動緊急制動功能，乘員假人的頭部、頸部、胸部、骨盆部位會相對車輛有一定的前傾運動，且此時安全帶會對假人起到一定的約束作用。

（2）車輛在配備AEB且在碰撞前AEB自動緊急制動功能啟動的情況下發生100%正面碰撞，駕駛員頭部、頸部、胸部的損傷值的增高均早于碰撞前車輛未配備AEB功能車輛駕駛員的損傷值，且最高損傷值小于碰撞前車輛未配備AEB功能車輛駕駛員的損傷值。對于骨盆部位則影響不大。

（3）本研究表明，由于碰撞前AEB啟用導致的假人離位不一定導致碰撞中假人損傷值的增加，也存在降低乘員損傷值的可能。

（4）由于AEB技術在車輛上的應用逐漸廣泛，而當前車輛的約束系統設計一般是依據法規設定位置進行，未考慮到碰撞前車輛假人的離位。為使乘員在碰撞時保持標準位置阻止假人在AEB階段離位，帶有預預緊功能的主動式安全帶被應用到車輛配置當中。主動式安全帶對碰撞后假人各部位損傷的影響值得進一步研究[1，3]。

參考文獻：

[1]商恩義，周大永，李月明，等.AEB制動下主動安全帶對乘員胸部損傷的影響[J].汽車零部件，2020（7）：23-27.

[2]劉偉東，楊佳璘，田威.基于AEB系統的假人離位損傷研究[C].2019中國汽車工程學會第四屆汽車測試技術年會論文集.

[3]Pipkorn B，Wass J.Pre-Crash Triggered Pretensioning of the Seat Belt for Improved Safety.2017.