汽車預碰撞制動下乘員離位影響及參數優化分析*

孫振東，朱海濤，彭偉強，楊佳璘

（中國汽車技術研究中心有限公司，天津 300300）

前言

隨著汽車安全技術的不斷發展，預防和避免碰撞發生的理念越來越重要，自動緊急制動系統（AEB）是預碰撞階段提高安全性的重要技術，在檢測到車輛前方出現潛在危險時，會通過聲音或圖像等方式向駕駛員發出警告，提醒駕駛員采取相應的措施規避碰撞［1］。如果駕駛員沒有及時對警告信號做出反應，碰撞風險較大時，系統會通過自動制動來避免碰撞或減輕碰撞強度。AEB 雖然可以避免碰撞事故或降低碰撞有效速度，但同時也導致乘員出現身體前傾離位的現象，這種離位減小了約束系統的保護空間，尤其當乘員的初始坐姿處于離位狀態的情況下，AEB 制動將進一步加重離位程度。因此，本文中對制動工況下的乘員離位位移及損傷情況進行研究，分析不同波形狀態下乘員離位的特征，結合主動式安全帶，探究預緊時刻和預緊力對離位位移的影響，利用響應面方法對乘員離位位移情況進行優化。

1 制動下乘員離位研究

1.1 離位姿態確定

為探究制動工況下的乘員離位情況，運用實車制動試驗采集志愿者離位數據。實車試驗通過制動機器人對車輛制動進行精確控制，志愿者按照 50 百分位體征進行篩選，入選的男性志愿者身高和體質量分別為 177.5 cm、76.8 kg。在主駕位置進行制動工況下志愿者離位數據采集，座椅和安全帶調整到志愿者舒適的位置［2］。試驗前分別在志愿者的頭部、頸部、胸部和手肘位置粘貼標記點，并通過高速攝像機拍攝志愿者的離位視頻（圖1）。

圖1 試驗前后駕駛員乘坐姿態

在測試過程中，志愿者要求在放松的狀態下握住轉向盤，手臂以正常的彎曲狀態駕駛。通過輔助機器人控制車輛油門和制動踏板，使車輛平穩加速至規定的速度，然后進行減速制動，測試以15 min作為測試間隔。

第1 組測試旨在驗證制動機器人對車輛制動控制的精度。在 30 km/h 初始速度下，以 0.7g減速度進行制動。6 次減速度制動曲線如圖2 所示。可以看出車輛減速度具有較好的一致性。

圖2 30 km/h初速度下的制動減速度曲線

第2 組測試旨在研究制動減速度對駕駛員離位的影響。在 C-NCAP 緊急制動系統 CCRs 工況測試中，規定了3 種測試初速度［2］。本次研究以初始速度中值 30 km/h 進行測試。圖3 為試驗中采集獲得的車輛制動減速度曲線，分為 0.6g、0.7g和 0.8g3個水平。可以看出，隨著峰值制動減速度的增加，制動時間變小。圖4 為兩名志愿者在不同制動減速度下頸部前向位移。可以看到在安全帶被鎖止前，隨著制動減速度的增加志愿者頸部前向位移量也會有一定的增加。

圖3 3種不同制動減速度曲線

圖4 不同制動減速度下的頸部前向位移

第3 組測試旨在研究初始速度對駕駛員離位的影響。車輛初始速度分別為 20、30、40、50 和60 km/h，以 0.7g的相同減速度制動。圖5 為制動減速度曲線。圖5 表明，制動時間隨初始速度的增加而增大。

圖5 不同初始速度下的制動減速度

圖6 為兩名志愿者在不同初始速度下頸部前向的最大位移量，表明隨著初速度的增加，安全帶約束時間持續增加，但志愿者頸部前向位移峰值并未出現明顯增加。試驗中乘客前傾時安全帶拉力約300 N，遠低于安全帶 3.5 kN 的限力值，安全帶在鎖定后無法拉出，導致乘員上軀干被安全帶牢牢束縛。

圖6 不同初始速度下的頸部前向位移

上述試驗結果表明：在實車制動過程中，駕駛員出現不同程度的離位情況；相同試驗設置下，不同志愿者之間頸部前向位移存在一定差異，可能與志愿者肌肉反應相關；在不同的初速度和不同的制動減速度水平下，志愿者頸部最大前向位移量在100～160 mm 范圍內。

1.2 乘員離位損傷

為進一步研究乘員離位姿態下的傷害特征，運用滑臺試驗進行乘員離位前后傷害數值對比分析。在滑臺試驗中放置 Hybrid III50th 假人，選用50 km/h 的正面碰撞減速度典型波形。座椅位置按照 C-NCAP 2018 版正面碰撞試驗的要求進行調整，如表 1 所示［3-4］。按照實車約束系統參數設置，安全氣囊、安全帶點爆時刻分別設置為 25和19 ms，安全帶限力等級設置為3 kN。由于實車制動試驗中頸部位移最大約為160 mm，為評估最大離位風險，選擇正常姿態和頸部前移 160 mm 姿態進行試驗。

表1 座椅位置

滑臺試驗過程對比如圖7 所示。處于離位狀態的假人位置相對靠前，在試驗過程中較早與尚未完全展開的氣囊發生接觸。以 C-NCAP 高性能限值為基礎對假人傷害值進行歸一化處理，正常坐姿和離位坐姿的假人傷害對比如圖8 所示。除頸部拉伸力Fz和胸部 VC 外，假人離位坐姿下頭部、頸部和胸部評價指標均呈現增加的趨勢。其中頸部剪切力Fx和頸部伸張彎矩My增加幅度較大，給假人頸部帶來更為嚴重的損傷。因此得出制動狀態下乘員前傾離位現象約束了約束系統作用空間，使其保護效能下降，導致頭部、頸部和胸部均有損傷增大的風險，其中頸部損傷增加更為嚴重。

圖7 滑臺試驗側視圖

圖8 假人損傷特征對比

為對比假人離位和約束系統參數對乘員傷害程度的影響，設計三因素、兩水平正交試驗表 L4（23）進行試驗分析。3 個因素分別為氣囊點火時間、安全帶點火時間和乘員初始狀態。其中，氣囊點火時間兩個水平分別為 25 和 20 ms，安全帶點火時間兩個水平分別為19 和 14 ms，乘員初始姿態分別為正常姿態和頸部向前 160 mm 姿態，如表 2 所示。

表2 正交試驗表

正交試驗極差分析法能反映因素對試驗指標的影響程度，公式為

因此，以C-NCAP 高性能限值為基礎，依據Hybrid III 50th 假人傷害值歸一化數據，利用極差分析法對不同影響因素下的假人傷害指標進行靈敏度分析，如圖9和圖10所示。相對于氣囊、安全帶點火時間，乘員離位因素對頭部 3 ms 加速度、頸部剪切力Fx和頸部拉伸力Fz影響較大，對頭部HIC36、胸部壓縮量和胸部 VC 的影響較小。其中，乘員離位對頸部剪切力Fx影響最為明顯。對于乘員初始離位姿態，碰撞過程中由于軀干的前向運動和氣囊充氣展開過程影響疊加，使頸部受到較大后向載荷，導致頸部損傷的增加。綜上得出相對于頭部、胸部的損傷，頸部損傷對初始離位狀態更為敏感，應在乘員離位保護時予以重點考慮。

圖9 假人傷害正交試驗結果

圖10 影響因素相關性分析

2 乘員離位影響因素分析

針對制動工況下乘員離位會增大碰撞試驗中損傷風險，建立仿真模型對乘員離位影響情況進行系統化分析。由于主動人體模型 HBM 通過調節肌肉的緊張程度可以很好模擬乘員在真實制動下的運動響應［5-8］，因此在 MADYMO 軟件中建立制動工況下的主動假人仿真模型，通過調整頸部、脊柱和臀部肌肉張緊程度，使主動人體模型模擬真實人體的運動響應。其乘坐環境包括座椅、安全帶、轉向管柱、地板和儀表板等，并采用圖2 所示的實車減速度制動波形進行輸入。經過仿真分析，制動工況下的乘員位移情況如圖11和圖12 所示。乘員頸部最大位移為133 mm，與實車制動試驗中頸部位移126 mm 接近，運動趨勢相符，驗證了仿真模型的有效性。

圖11 離位試驗仿真分析

圖12 仿真與實車試驗中頸部位移對比

實車制動波形參數主要有制動減速度峰值、制動減速度波形梯度和峰值持續時間。為探究這3 個參數對乘員離位的影響，分別設置單因素影響變量進行仿真分析。對于制動減速度峰值分別取 0.4g、0.7g和 1.0g3個水平（圖13）；對于制動減速度達到同一峰值梯度時間分別為0.2、0.3 和0.4 s（圖14）；對于同一制動減速度峰值持續時間分別取 0.6、0.8和1.0 s（圖15）。得到對應制動減速度與乘員頸部位移關系，如圖16～圖18 所示。由圖可知：當制動減速度峰值單一變量改變時，乘員頸部最大位移隨制動減速度峰值的增大而增大；當制動減速度峰值一定，乘員前傾位移隨梯度的增大而增大，但最大位移基本相同；制動減速度峰值一定時，持續時間達到一定數值后，乘員前傾最大位移不變。通過上述分析表明，乘員前傾最大位移與制動減速度峰值相關，當制動初始速度超過一定數值后，乘員前傾的最大位移是一定的，與到達制動減速度峰值的快慢無關。

圖13 不同制動減速度峰值取值

圖14 制動減速度達到同一峰值梯度時間取值

圖15 同一制動減速度峰值持續時間取值

圖16 不同制動減速度峰值下的乘員頸部位移

圖17 不同制動減速度峰值梯度下的乘員頸部位移

圖18 不同減速度峰值持續時間下的乘員頸部位移

3 乘員離位參數優化改進

目前，應對制動工況造成的乘員離位前傾，主動式安全帶逐漸開始裝配在車輛中，它能有效消除安全帶松弛量，減少乘員離位位移，使乘員保持正常姿態。為研究不同主動式安全帶參數對乘員離位的影響，在 MADYMO 仿真模型中建立主動式安全帶模型。采用主動式安全帶進行了實車制動下的人體位移采集［9-12］。主動安全帶預緊力設置為170 N，作用時間為制動前 200 ms，試驗中采集了真實人體在制動和主動安全帶作用下的位移，并推出了對應的測試上限、下限和平均值。在仿真模型中設置實車試驗參數和實車制動波形，并調整安全帶的性能參數。經過仿真計算，得到主動安全帶作用下的乘員仿真位移。胸部碰撞方向位移仿真數據和實車試驗數據的對比如圖19 所示。仿真數據在試驗數據上限和下限之間，且接近試驗平均值，說明主動式安全帶仿真模型具備良好的有效性。

圖19 仿真與試驗胸部碰撞方向位移對比

主動式安全帶主要設計參數為預緊力和預緊時刻，為減小乘員離位位移，需對這兩個參數進行優化設計。為有效約束乘員前傾，預緊力一般設計范 圍為 100～400 N；考慮到乘員的接受度，預緊時間一般為制動前、后的瞬間，設置為制動前 200 ms 至制動后 100 ms 的范圍內。待優化的仿真模型中，制動波形采用圖13 中峰值為 1.0g的波形，制動在200 ms時開始作用，以頸部位移量最小為目標，預緊力和預緊時間參數為變量，開展優化設計。

對于多參數變量，運用CCD 響應面設計法，通過對過程的回歸擬合和響應面繪制，在各因素水平基礎上，找出預測最優值與對應條件。CCD 設計表是在兩水平析因設計的基礎上加極值點和中心點構成，具備有序連貫的特點。因此，在確定好參數范圍后，采用中心復合試驗設計（central composite design，CCD）的方法進行抽樣，共須提供 13 組仿真試驗數據，將頸部位移輸入到對應位置，結果如表 3 所示。在這些數據基礎上，建立CCD 響應面模型（圖20）。從響應面模型中提取單因素變量曲線，得出頸部位移與主動式安全帶預緊力、預緊時間的關系，如圖21和圖22 所示。

圖20 頸部位移量響應面模型

表3 CCD 方法抽樣的仿真試驗矩陣

由圖21 和圖22 可知，當預緊時刻一定時，預緊力越大，乘員向前的頸部位移越小，呈負相關關系；隨著預緊時刻的延遲，頸部位移和預緊力關系曲線的變化梯度逐漸增大；當預緊力一定時，在預緊時刻處于前 100 ms 的范圍內，頸部位移變化較小，超過100 ms 后預緊時刻越是延遲，乘員頸部前向位移越大，兩種呈現正相關性。預緊力較小時，預緊時刻對頸部位移影響較大；預緊力較大時，預緊時刻對頸部位移影響較小。綜合兩因素變化的影響，通過響應面模型進行優化設計，得出在預緊時刻57.43 ms，預緊力 400 N 時，乘員頸部前傾位移最小值為 75.82 mm。

圖21 頸部位移-預緊力的關系

圖22 頸部位移-預緊時刻的關系

4 結論

通過對制動工況下的乘員離位損傷、離位影響因素和離位狀態優化研究，得出以下結論。

（1）結合乘員制動狀態下的離位數據，利用滑臺試驗對比得出，制動狀態下的乘員前傾離位減小了約束系統的作用空間，導致約束系統的保護效能下降，頭部、頸部和胸部均有損傷增大的風險，其中離位狀態導致頸部損傷增加更為嚴重。通過滑臺正交試驗分析，得出相對于頭部和胸部的損傷，頸部的損傷對初始離位狀態較為敏感，應在乘員離位保護時予以重點考慮。

（2）建立了 MADYMO 主動人體仿真模型，采用單變量方法分析制動減速度峰值、制動波形梯度和峰值持續時間對乘員離位的影響，得出乘員前傾最大位移與制動減速度峰值相關，當制動初始速度超過一定數值后，乘員前傾的最大位移是一定的，與到達制動減速度峰值的快慢無關。

（3）通過建立主動式安全帶仿真模型，采用CCD 中心復合試驗設計方法，建立了乘員頸部離位位移相對主動安全帶預緊力和預緊時刻的響應面模型。當預緊時刻一定時，預緊力越大，乘員向前的頸部位移越小，呈負相關關系；當預緊力一定時，在預緊時刻處于前 100 ms 的范圍內，頸部位移變化較小，超過 100 ms 后預緊時刻越延遲，乘員向前的頸部位移越大，呈正相關關系，通過響應面分析得出了最優的調整方案。