AEB与可逆预紧安全带联合作用下乘员保护效果研究

摘要

针对自动紧急制动系统（AEB）导致乘员在碰撞前出现身体前倾和离位的现象，提出了使用可逆预紧安全带可以改善该现象，并且研究了在AEB 和可逆预紧的联合作用下对不同坐姿乘员的保护效果。建立了某车型驾驶员侧包括正常坐姿和四种离位坐姿的约束系统仿真模型，并进行了验证。以五种坐姿乘员为研究对象，分别对比无AEB 无可逆预紧，有AEB 无可逆预紧，以及有AEB 有可逆预紧三种情况下乘员的位移和损伤。结果表明：在只有AEB 的作用下，碰撞发生后会增加乘员的离位，当初始坐姿为离位状态时更加严重，导致局部损伤增加，尤其是胸部损伤。在AEB 和可逆预紧的联合作用下，各种坐姿下由AEB导致的离位得到改善，对于前移直立坐姿OOP02 和左倾坐姿OOP03 还能起到纠正初始离位的作用，各部位损伤指标和损伤风险也明显降低。

关键词：自动紧急制动　离位　可逆预紧式安全带　损伤风险

随着汽车安全性要求的日益提高，预防和避免碰撞发生的理念越来越重要，自动紧急制动系统（AEB）是重要的主动安全技术之一，也是预碰撞阶段提高安全性的重要技术。该系统在检测到车辆前方出现潜在危险时，会通过声音或图像等方式向驾驶员发出警告，提醒驾驶员采取相应的措施规避碰撞。如果驾驶员没有及时对警告信号做出正确反应，碰撞危险变得十分紧急时，系统会通过自动制动来规避碰撞或减轻碰撞程度[1]。欧盟委员会EC 已要求从2013 年开始，商用车必须安装AEB 系统。Euro-NCAP要求从2014 年开始，在他们的评价体系中引入AEB 系统的评分。美国IIHS 也已经颁布了测评AEB 性能的实验规程。2018 版C-NCAP 也增加了对AEB 的评价规程。在法规，标准以及公众期待的多重推动下，AEB 成为汽车主动安全领域的发展方向和研究热点。很多汽车制造商已经推出了AEB 系统，但是由AEB 导致乘员前倾离位现象也更频繁出现。虽然AEB 可以避免碰撞或者降低碰撞强度，但同时也会导致乘员身体前倾离位，碰撞一旦发生，这种离位降低了约束系统的保护效能，可能会增加乘员损伤风险[2]，尤其是当乘员的初始坐姿便处于离位状态。如何改善或者消除AEB 带来的乘员离位现象，最大程度的发挥AEB 的效益，就需要在Pre-crash 阶段提供一个反方向的力控制并约束住乘员，减小或消除乘员的离位。

安全带可逆预紧技术，是一种全新的预紧方式。这种技术通过在普通安全带的基础上增加了可逆预紧装置，在潜在碰撞事故发生前控制电机驱动卷收器预紧织带，消除安全带佩带松弛量[3]。其两者都在Pre-crash阶段起作用，共同受控于汽车碰撞预判系统。但是目前国内对于应用AEB 和可逆预紧安全带装置对不同坐姿乘员保护效果的研究还比较缺乏。

基于此，本文利用仿真的方法研究了在AEB 和可逆预紧联合作用下对正常和离位坐姿乘员的保护效果，不仅能够最大程度的发挥AEB 与可逆预紧的保护效能，也符合汽车主被动安全一体化的发展趋势。

1   约束系统模型建立及验证

1.1　仿真模型的建立

依据Yaris 车型驾驶员侧布置尺寸及物理属性，利用MADYMO 软件建立约束系统仿真模型。模型的输入包括Pre-crash和In-crash 两个阶段。整个仿真时间设定为1020ms，Pre-crash 阶段仿真时间为0-900ms， 用来模拟AEB 与可逆预紧的作用下乘员的运动响应，In-crash 阶段为900-1020ms，模拟乘员碰撞开始到完成的运动响应以及损伤结果。AEB 在201ms 时被激活，并持续至碰撞发生。AEB 的数据参考Jonas 等人[4] 所做的实车试验数据，使车身速度从71.6km/h 降至碰撞时刻的56.3km/h，如图1 所示。



将Yaris 车型的US-NCAP 正碰试验获得的车身左侧B 柱下端部位加速度作为仿真碰撞中的加载条件，如图2 所示。



在汽车正面碰撞试验工况下，我们使用的是Hybrid III 假人模型， 它能在大加速度场加载条件下体现较好的生物拟合性。但在碰撞前紧急制动的小加速度场中，因为Hybrid III 假人的颈椎、腰椎、胸部等部位的刚度比真实人体大，而且不能模拟人体肌肉的张紧状态[5]，并不能较好地拟合乘员的动态响应。所以，本文选用了MADYMO 模型库自带的主动人体假人模型AHM，利用AHM 的主动控制器控制颈部、手臂、脊柱、以及臀部的肌肉张紧程度[6]，能较好地模拟乘员在碰撞前AEB 作用下的动态响应。

根据Zhang 等人[7] 和Bose 等人[8] 的研究提出的乘员离位坐姿，选取最符合实际情况也是使用概率最高的四种离位坐姿。最终建立的驾驶员侧正面碰撞正常和离位乘员约束系统仿真模型如图3 所示。




1.2　仿真模型的验证

分别对仿真模型Pre-crash 和In-crash两个阶段分别完成验证。

1.2.1　碰撞前乘员运动响应的验证

参考Jonas 等人[4] 完成的志愿者实车AEB 试验，将此次实验的制动加速度数据与可逆预紧参数输入待验证模型。利用MADYMO 软件改变碰撞前AHM 的不同肌肉张紧程度进行仿真分析，得到头、胸部的x、z 向位移曲线，并与实验中志愿者运动响应结果对比。虚线和点画线是试验结果的上限和下限，分别代表志愿者位移的最大值和最小值，实线是某肌肉张紧程度下的仿真曲线，如图4-7 所示。可见，在这种肌肉张紧程度下，头部和胸部x 向和z 向的位移都在试验范围之内，完成碰撞前的模型验证。




1.2.2　碰撞中乘员损伤响应验证

碰撞中阶段模型的验证依据为该车型US-NCAP 正面碰撞试验数据与高速录像，使AHM 的损伤响应和试验结果保持一致。图8-12 为AHM 损伤响应与实验结果的对比。可以看出。头部合成加速度曲线、盆骨x 向加速度和z 向加速度与试验曲线都吻合较好，误差均在6% 以内。胸部压缩量曲线与试验曲线的轮廓以及变化趋势一致，但是峰值偏差达到13.1%，这是由于AHM 胸部刚度更为接近真实人体状态，小于试验中所用的Hybrid-III 假人[5]， 因此产生的胸部压缩量偏大。左大腿力峰值时刻和峰值大小都吻合的比较好，误差在4% 以内。






2   仿真设置及结果分析

为了对比有无AEB 对乘员离位和损伤的影响以及有无可逆预紧对乘员的保护效果。针对正常坐姿和四种离位坐姿都设置3 组仿真模型，分别为第Ⅰ组——无AEB无可逆预紧，此为对照组，第Ⅱ组——有AEB 无可逆预紧，以及第Ⅲ组——有AEB有可逆预紧。

2.1　不同坐姿乘员离位纠正效果对比



表1 为每种坐姿三组情况下，在碰撞0 时刻乘员位移的对比情况。利用乘员头部和胸部的位置变化来表征乘员的位移和离位情况，Head_X 为头部x 方向位移和T1_X 为胸部x 向位移。可以看到，在只有AEB 的作用下， 每种坐姿乘员头部和胸部都出现了明显的向前的位移，从IP-OOP02 看出，初始坐姿离位越严重，AEB 导致的向前的位移越大。左右倾相比，右倾在Pre-crash 阶段向前的位移更大。而第Ⅲ组增加了可逆预紧之后，乘员头部和胸部向前的位移有了不同程度的降低，从IP-OOP02 看出，初始坐姿离位越严重，降低越多，可逆预紧对其离位纠正效果越好。而且OOP02 降幅超过100%，说明可逆预紧向后拉乘员上肢躯干，比初始离位坐姿更靠近座椅靠背，起到了纠正初始离位的作用。对于OOP03 和OOP04 坐姿来讲，可逆预紧对乘员x 向位移减小并不十分明显。



对于向左和右倾斜的坐姿，乘员y 方向位移的对比更加重要。如表2 所示，Head_Y 为乘员头部y 向位移，T1_Y 为胸部y 向位移。同样可以看到， 在只有AEB 的作用下，OOP04 坐姿导致了更大的离位，比OOP03 位移的2 倍还要多，第Ⅲ组增加了可逆预紧之后，位移降幅都很大，OOP03 坐姿降幅超过100%，对乘员起到了纠正y 方向初始离位的作用。可逆预紧对初始坐姿为左右倾的乘员y 向位移的纠正效果优于x 向，对于左倾坐姿的约束效果优于右倾。右倾的离位比左倾严重的多，原因在于安全带的佩戴方向，右倾时安全带已经不能很好的约束人体。

总之，可逆预紧的介入减小了每种坐姿乘员受AEB 影响的身体的位移量，而且还可以起到了纠正初始离位的效果。

2.2　不同坐姿乘员损伤情况分析

乘员在Pre-crash 阶段的位移情况会影响In-crash 阶段的损伤情况，对比乘员身体各部位的损伤指标，包括头部HIC 36，头部加速度A3ms，颈部损伤指标Nij，胸部加速度C3ms，胸部压缩量Ccomp，左右大腿力Ffl 和Ffr，探究在AEB 和可逆预紧联合作用下对乘员的保护作用。如图13-17 所示。





对于正常坐姿IP 来讲，第Ⅱ组与第Ⅰ组相比，头部HIC36 和A3ms 以及左右大腿力值得到降低，但AEB 的作用使颈部和胸部损伤有所增加。第Ⅲ组增加了可逆预紧之后，全部损伤指标都较第Ⅱ组都出现不同程度的降低。

对于OOP01 和OOP02 坐姿，第Ⅱ组与第Ⅰ组相比，头部和腿部损伤值降低，颈部和胸部损伤增加，与正常坐姿规律类似，只是OOP01 和OOP02 坐姿的胸部压缩量出现了比正常坐姿更明显的增大。第Ⅲ组增加了可逆预紧之后，各损伤指标都有所降低，胸部损伤概率降低最为明显。

对于OOP03 和OOP04 坐姿， 各部位损伤规律与前几种坐姿有了一些不同。对于OOP03 左倾坐姿，在只有AEB 的作用下，颈部和胸部压缩量出现增大，其他损伤值均有所降低。第Ⅲ组与第Ⅱ组相比，可逆预紧的作用没有降低全部损伤值，反而使头部和颈部等损伤增加，这是因为左倾坐姿约束效果较好，可逆预紧对其效果体现的最不明显。OOP04 右倾坐姿，AEB 的作用导致了极高的头部和颈部损伤，第Ⅲ组增加了可逆预紧之后，头颈部损伤得到明显的降低。右倾坐姿损伤最为严重，可逆预紧对其损伤防护效果也最明显。图18-20 为IP、OOP02 和OOP04 对应部位的曲线对比，可以更加直观的看出AEB 对乘员损伤的影响和增加可逆预紧之后的效果。




2.3　基于US-NCAP 评分对比

基于US-NCAP 评分标准，对每种坐姿三组仿真结果进行星级划分，如表3 所示。再结合以上对比，可知对于每种坐姿来讲，在只有AEB 的作用下，在碰撞前阶段会增加乘员的离位，碰撞后导致局部损伤风险增高，尤其是胸部损伤风险，降低约束系统保护效能，使整体的评分星级降低。可逆预紧技术的介入，弥补了AEB 对乘员坐姿的不利影响，对每种坐姿保护效果都有所改善和提升，尤其降低了胸部损伤风险，且改善效果最为明显的是OOP02和OOP04，使其从两星提高到四星。尽管如此，第Ⅲ组与第Ⅰ组相比并没有体现出优势，这是因为可逆预紧参数只是简单的与约束系统其他参数进行叠加，因此后续对约束系统参数进行匹配优化来实现最优的保护效果十分必要。



3   结论

本文利用MADYMO 软件建立了丰田2006 年款Yaris 驾驶员侧五种不同初始坐姿下约束系统仿真模型，模型中增加了AEB 和可逆预紧安全带装置，假人选用MADYMO模型库中自带的主动人体模型进行定位，更好的模拟AEB 作用下乘员的动态响应，并对仿真模型的Pre-crash 阶段和In-crash 阶段的有效性进行了验证。

针对正常坐姿和四种离位坐姿乘员，分别对无AEB 无可逆预紧，有AEB 无可逆预紧，以及有AEB 有可逆预紧三种情况进行仿真计算，对比了乘员在Pre-crash 阶段的位移情况和In-crash 阶段的损伤情况。结果表明，在只有AEB 的作用下，会增加乘员的离位，尤其是初始坐姿便为离位状态时更加严重，从而导致局部损伤增加，尤其是胸部损伤。在AEB 和可逆预紧的联合作用下，各种坐姿下由AEB 导致的离位得到改善，对于OOP02和OOP03 坐姿还能起到纠正初始离位的作用，各部位损伤指标和损伤风险也明显降低，初始离位坐姿越严重的，损伤风险降低越明显。

总体来讲，本文的研究充分说明了在应用AEB 的基础上增加可逆预紧技术的重要意义，对AEB 和可逆预紧安全带装置的应用和推广起到重要作用，对提高Pre-crash 阶段的安全性以及整体碰撞安全性具有一定的意义。当然，研究工作还存在许多不足之处，如在后续进行约束系统的参数优化匹配来进一步提升乘员防护效果。



参考文献

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