自動(dòng)緊急制動(dòng)與可逆預(yù)緊安全帶共同作用下乘員損傷分析

曹立波　歐陽(yáng)志高　賈寓詞　徐　哲　張冠軍

湖南大學(xué)汽車(chē)車(chē)身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙，410082

?

自動(dòng)緊急制動(dòng)與可逆預(yù)緊安全帶共同作用下乘員損傷分析

曹立波歐陽(yáng)志高賈寓詞徐哲張冠軍

湖南大學(xué)汽車(chē)車(chē)身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙，410082

針對(duì)自動(dòng)緊急制動(dòng)(AEB)加重碰撞前的乘員離位現(xiàn)象，探討了使用可逆預(yù)緊安全帶改善該現(xiàn)象的有效性。建立了結(jié)合自動(dòng)緊急制動(dòng)、可逆預(yù)緊、主動(dòng)人體模型的駕駛員側(cè)乘員約束系統(tǒng)模型，通過(guò)志愿者實(shí)車(chē)實(shí)驗(yàn)獲取碰撞前乘員多種坐姿的安全帶約束參數(shù)，設(shè)定可逆預(yù)緊的關(guān)鍵參數(shù)范圍。分析了AEB與可逆預(yù)緊關(guān)鍵參數(shù)對(duì)碰撞前乘員運(yùn)動(dòng)響應(yīng)及碰撞中乘員損傷風(fēng)險(xiǎn)的影響。結(jié)果表明：相同碰撞強(qiáng)度下，AEB增加了乘員的損傷風(fēng)險(xiǎn)，尤其是胸部損傷?？赡骖A(yù)緊安全帶通過(guò)改善乘員離位狀態(tài)，可明顯降低乘員在正面碰撞中的損傷風(fēng)險(xiǎn)。

自動(dòng)緊急制動(dòng)；離位；可逆預(yù)緊安全帶；預(yù)緊力；預(yù)緊時(shí)刻；損傷風(fēng)險(xiǎn)

0　引言

汽車(chē)自動(dòng)緊急制動(dòng)(AEB)技術(shù)能避免碰撞發(fā)生或降低碰強(qiáng)撞度，但同時(shí)也導(dǎo)致乘員出現(xiàn)前傾離位現(xiàn)象，減少了頭、胸部與安全氣囊的距離。尤其當(dāng)乘員的初始坐姿便處于離位狀態(tài)時(shí)，AEB將進(jìn)一步加重乘員的離位程度。當(dāng)前針對(duì)離位乘員損傷防護(hù)的研究，都被動(dòng)地接受乘員離位這一現(xiàn)象，通過(guò)對(duì)乘員約束系統(tǒng)采取改進(jìn)措施，比如利用可斷裂式拉帶等方式，降低安全氣囊展開(kāi)過(guò)程對(duì)離位乘員的沖擊傷害，達(dá)到降低損傷風(fēng)險(xiǎn)的目的[1-2]。

近些年出現(xiàn)的安全帶可逆預(yù)緊技術(shù)，是一種全新的預(yù)緊方式。這種技術(shù)在普通安全帶的基礎(chǔ)上增加了可逆預(yù)緊裝置，與AEB共同受控于汽車(chē)碰撞預(yù)判系統(tǒng)，在潛在碰撞事故發(fā)生前控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)卷收器預(yù)緊織帶，消除安全帶佩戴松弛量。安全帶原有的火藥預(yù)緊裝置仍然得以保留[3]，兩種預(yù)緊裝置分別在碰撞前與碰撞中被激活。國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)假人碰撞實(shí)驗(yàn)、志愿者實(shí)驗(yàn)與仿真虛擬實(shí)驗(yàn)等方法，對(duì)可逆預(yù)緊在乘員損傷防護(hù)方面的作用進(jìn)行了大量研究。Schoeneburg等[4]、Infantes等[5]、姚遠(yuǎn)等[6]指出可逆預(yù)緊有利于降低碰撞中乘員的損傷程度；?sth等[7]、Ito等[8]說(shuō)明可逆預(yù)緊在碰撞前消除織帶的佩戴松弛量，能顯著減小正常坐姿乘員因緊急制動(dòng)導(dǎo)致的身體前移距離；而Good等[9]與Sander等[10]研究利用可逆預(yù)緊卷收肩帶，將乘員前傾的上肢軀干向后拉回至貼近座椅靠背，改善乘員離位坐姿的效果，結(jié)果表明在緊急制動(dòng)的影響下，可逆預(yù)緊的預(yù)緊力越大，其改善乘員離位坐姿的效果就越好。

目前Euro NCAP與美國(guó)IIHS已經(jīng)發(fā)布測(cè)評(píng)AEB性能的實(shí)驗(yàn)規(guī)程，其他汽車(chē)安全測(cè)評(píng)機(jī)構(gòu)也已將此事提上日程。在法規(guī)與公眾期望的雙重推動(dòng)下，可預(yù)見(jiàn)未來(lái)短期內(nèi)將普及應(yīng)用AEB技術(shù)，由AEB導(dǎo)致乘員前傾離位現(xiàn)象也將更頻繁地出現(xiàn)。鑒于乘員離位是降低約束系統(tǒng)對(duì)乘員損傷防護(hù)效果的首要因素[11]，如何在AEB應(yīng)用的基礎(chǔ)上，充分利用可逆預(yù)緊主動(dòng)改善乘員離位坐姿，并進(jìn)一步理解可逆預(yù)緊對(duì)減輕乘員損傷的作用，對(duì)乘員約束系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)具有非常重要的意義。因此，本文圍繞碰撞前AEB與多種乘員離位坐姿，首先通過(guò)志愿者實(shí)車(chē)實(shí)驗(yàn)，從改善乘員離位坐姿的實(shí)際需求角度確定了可逆預(yù)緊關(guān)鍵參數(shù)的范圍，然后利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)深入研究了這些參數(shù)對(duì)改善乘員離位效果，以及由此在碰撞中對(duì)乘員損傷風(fēng)險(xiǎn)的影響。

1　志愿者實(shí)車(chē)實(shí)驗(yàn)

考慮到乘員前傾離位會(huì)增加肩帶的佩戴長(zhǎng)度，以及AEB激活后乘員受慣性作用前傾時(shí)安全帶約束乘員前傾的張力，可利用可逆預(yù)緊通過(guò)卷收肩帶實(shí)現(xiàn)改善乘員離位坐姿的目的，其預(yù)緊性能應(yīng)滿足在一定時(shí)間范圍內(nèi)將增長(zhǎng)的肩帶卷收完成，即具備一定的預(yù)緊速度；而且預(yù)緊力必須大于安全帶約束乘員的張力。本文通過(guò)志愿者實(shí)車(chē)實(shí)驗(yàn)，獲得乘員多種前傾離位坐姿中安全帶肩帶的增長(zhǎng)量，以及AEB激活后安全帶約束乘員前傾的張力，為設(shè)定可逆預(yù)緊性能參數(shù)提供直接依據(jù)。

1.1安全帶佩戴長(zhǎng)度測(cè)量實(shí)驗(yàn)

為了獲得因乘員前傾離位導(dǎo)致的肩帶增長(zhǎng)量數(shù)據(jù)，本次實(shí)驗(yàn)組織了31名志愿者在兩種車(chē)型上輪流充當(dāng)駕駛員，以四種坐姿(含正常坐姿與離位坐姿)佩戴安全帶。志愿者首先調(diào)整座椅前后位置、靠背角度，再佩戴安全帶，雙手握在方向盤(pán)3點(diǎn)、9點(diǎn)位置，使自身處于操縱便利、體感舒適的正常坐姿(IP)。隨后參考Zhang等[12]對(duì)乘員離位坐姿開(kāi)展的問(wèn)卷調(diào)查與實(shí)車(chē)拍攝調(diào)查的結(jié)果，讓志愿者前傾上肢軀干，模擬三種離位坐姿(OOP1、OOP2、OOP3)，如圖1所示。

(a)乘員正常坐姿(IP)(b)乘員離位坐姿一(OOP1)

(c)　　　乘員離位坐姿二(d)　　　乘員離位坐姿三　　　　 (OOP2)　　　　 (OOP3)圖1　志愿者的正常坐姿與離位坐姿

相對(duì)于正常坐姿，乘員各種離位坐姿中頭部與頭枕之間距離的增量如表1所示。在后續(xù)的實(shí)車(chē)緊急制動(dòng)實(shí)驗(yàn)與仿真分析中，都重現(xiàn)了這四種坐姿。

表1　乘員各種離位坐姿

從IP到OOP3，安全帶的肩帶長(zhǎng)度逐步增加，具體測(cè)量結(jié)果數(shù)據(jù)經(jīng)統(tǒng)計(jì)后如表2所示。

表2　安全帶的肩帶增長(zhǎng)量數(shù)據(jù)

由于兩車(chē)型上座椅與安全帶固定點(diǎn)布置尺寸不同，導(dǎo)致車(chē)型一的測(cè)量數(shù)據(jù)略大于車(chē)型二的測(cè)量數(shù)據(jù)。

1.2實(shí)車(chē)緊急制動(dòng)實(shí)驗(yàn)

實(shí)車(chē)緊急制動(dòng)實(shí)驗(yàn)?zāi)M了汽車(chē)在碰撞事故發(fā)生前實(shí)施的自動(dòng)緊急制動(dòng)行為，當(dāng)乘員受慣性作用前傾時(shí)，傳感器分別采集了車(chē)身縱向制動(dòng)加速度，以及安全帶約束乘員前移的肩帶張力，這些數(shù)據(jù)為設(shè)置可逆預(yù)緊的最大預(yù)緊力提供了參考。實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地選擇了平直雙向六車(chē)道瀝青道路。考慮不同車(chē)型、乘員質(zhì)量、身體尺寸等因素，一共組織了5種車(chē)型、6名志愿者。依照全因子實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，共計(jì)完成30次實(shí)驗(yàn)。緊急制動(dòng)時(shí)，乘員除保持正常坐姿外，還需刻意重現(xiàn)前述的三種離位坐姿。

圖2所示是某車(chē)型實(shí)驗(yàn)中乘員正常坐姿的緊急制動(dòng)數(shù)據(jù)，由于安全帶松弛量的影響，肩帶張力的上升沿比車(chē)身制動(dòng)加速度的上升沿滯后約0.3 s。

圖2　某車(chē)型實(shí)驗(yàn)中乘員正常坐姿的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，其中5種車(chē)型的緊急制動(dòng)加速度峰值波動(dòng)范圍為7.49～9.75 m/s2；而不同坐姿對(duì)6位乘員的肩帶拉力均值影響并不明顯，但乘員身高、體重對(duì)肩帶拉力均值影響較大，各乘員肩帶張力峰值波動(dòng)范圍如表3所示。

1.3可逆預(yù)緊的關(guān)鍵參數(shù)

具備可逆預(yù)緊功能的安全帶主要由直流電機(jī)、傳動(dòng)齒輪、卷收器本體、電子控制單元(electronic control unit，ECU)等組成[13]，如圖3所示。其預(yù)緊力大小與預(yù)緊速度共同直接影響著可

表3　6名乘員肩帶張力峰值波動(dòng)范圍

逆預(yù)緊改善乘員離位的效果，進(jìn)而牽涉到對(duì)乘員損傷風(fēng)險(xiǎn)防護(hù)的效果[3]。志愿者實(shí)車(chē)實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明：針對(duì)不同身材的乘員，最大預(yù)緊力不能小于400 N；面對(duì)類(lèi)似OOP3嚴(yán)重離位坐姿的情況，可逆預(yù)緊需要卷收的肩帶長(zhǎng)度約為400 mm。為了快速改善乘員離位坐姿，其預(yù)緊速度越快越好。依據(jù)課題組前期設(shè)計(jì)試制的可逆預(yù)緊式安全帶樣件預(yù)緊性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果，本文設(shè)定最大預(yù)緊速度為0.6 m/s。

圖3　可逆預(yù)緊式安全帶的工作原理

在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)可逆預(yù)緊力的調(diào)節(jié)通過(guò)ECU調(diào)節(jié)直流電機(jī)的電樞電壓實(shí)現(xiàn)。根據(jù)直流電機(jī)的調(diào)壓特性曲線，電機(jī)的最大輸出扭矩與最高轉(zhuǎn)速同向變化，即最大預(yù)緊力與最大預(yù)緊速度同向變化。此外，鑒于可逆預(yù)緊與AEB共同受控于汽車(chē)碰撞預(yù)警系統(tǒng)[14]，在AEB被激活之前實(shí)施可逆預(yù)緊，既能提供充足的時(shí)間裕度，又有利于減少AEB對(duì)改善乘員離位坐姿的干擾。因此，本文后續(xù)研究可逆預(yù)緊改善乘員離位坐姿效果只涉及預(yù)緊力大小與激活時(shí)刻兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。

2　仿真模型的建立與驗(yàn)證

2.1仿真模型的建立

仿真模型選用美國(guó)國(guó)家碰撞分析中心(NCAC)利用多剛體動(dòng)力學(xué)分析軟件Madymo建立的豐田2006年款Yaris駕駛員側(cè)約束系統(tǒng)仿真模型，包括車(chē)身、吸能轉(zhuǎn)向柱、座椅、安全帶、安全氣囊以及假人模型。該仿真模型對(duì)Hybrid Ⅲ假人損傷的預(yù)測(cè)值通過(guò)了三次US-NCAP實(shí)驗(yàn)的對(duì)比驗(yàn)證。

為了模擬碰撞前AEB對(duì)多種乘員坐姿的影響，以及可逆預(yù)緊改善乘員離位坐姿的過(guò)程，對(duì)此仿真模型采取以下修改措施。

(1)整個(gè)仿真時(shí)長(zhǎng)設(shè)定為1020 ms，其中碰撞前的仿真時(shí)間范圍設(shè)定為0～900 ms，模擬AEB與可逆預(yù)緊對(duì)各種坐姿乘員的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)；碰撞中為901～1020 ms，模擬乘員碰撞損傷結(jié)果。設(shè)定可逆預(yù)緊在仿真時(shí)間0～200 ms范圍內(nèi)任一時(shí)刻被激活，而AEB在201 ms時(shí)被激活，并持續(xù)至碰撞發(fā)生。參考文獻(xiàn)[7]中實(shí)車(chē)AEB數(shù)據(jù)，車(chē)身速度從71.6 km/h降至碰撞時(shí)刻的56.3 km/h，如圖4a所示。將Yaris車(chē)型的US-NCAP正碰實(shí)驗(yàn)獲得的車(chē)身左側(cè)B柱下端部位加速度作為碰撞中仿真分析的加載條件，如圖4b所示。

(a)　　　碰撞前AEB　　　(b)碰撞中左側(cè)　　　制動(dòng)加速度　　　B柱下端加速度圖4　仿真模型全過(guò)程的車(chē)身加速度

(2)在安全帶模型的基礎(chǔ)上，增加了可逆預(yù)緊模型，其最大預(yù)緊設(shè)置力為400 N，最大預(yù)緊速度為0.6 m/s。

(3)將原Hybrid Ⅲ假人模型替換成主動(dòng)人體模型(AHM)。利用AHM的主動(dòng)控制器控制頸部、手臂、脊柱以及臀部的肌肉張緊程度，能較好地模擬乘員在碰撞前AEB影響下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

2.2仿真模型碰撞前階段的驗(yàn)證

文獻(xiàn)[7]中?sth等組織20名志愿者(11名男性，9名女性)充當(dāng)駕駛員，保持正常坐姿并佩戴可逆預(yù)緊安全帶，記錄了所有志愿者在AEB制動(dòng)加速度影響下身體軀干的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，獲得了這些響應(yīng)結(jié)果的波動(dòng)范圍。參考文獻(xiàn)[7]中的實(shí)驗(yàn)條件與志愿者運(yùn)動(dòng)響應(yīng)結(jié)果，對(duì)本文仿真模型中AHM在碰撞前AEB與可逆預(yù)緊雙重作用下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證內(nèi)容包括頭、胸部的X向位移曲線，頭部繞Y軸旋轉(zhuǎn)角度，以及左右腳踏板力，如圖5所示。從驗(yàn)證結(jié)果可以看出，AHM模擬乘員在碰撞前AEB影響下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)結(jié)果，符合文獻(xiàn)[7]中的相應(yīng)結(jié)果。

(a)頭部X向位移曲線(b)胸部X向位移曲線

(c)頭部Y向轉(zhuǎn)角(d)左右腳踏板力圖5　碰撞前AHM運(yùn)動(dòng)響應(yīng)驗(yàn)證曲線

2.3仿真模型碰撞中階段的驗(yàn)證

根據(jù)2006年款Yaris車(chē)型的US-NCAP實(shí)驗(yàn)結(jié)果與高速錄像，對(duì)本文仿真模型中AHM的損傷響應(yīng)進(jìn)行驗(yàn)證。圖6所示為AHM損傷響應(yīng)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比。

(a)安全帶肩帶力(b)安全帶腰帶力

(c)頭部合成加速度(d)胸部壓縮量

(e)左大腿力(f)右大腿力圖6　乘員損傷響應(yīng)曲線

可以看出，肩帶力曲線與實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線吻合較好，在第一個(gè)峰值時(shí)，預(yù)緊器被激活，瞬間的拉力達(dá)到2.5 kN左右；由于限力器作用，肩帶力基本穩(wěn)定在3.5 kN左右。腰帶力曲線與實(shí)驗(yàn)曲線在脈寬、形狀、變化趨勢(shì)方面比較吻合，但峰值大小偏差較大，達(dá)到12.2%。頭部合成加速度曲線與實(shí)驗(yàn)曲線都吻合較好，誤差均在6%以?xún)?nèi)。胸部壓縮量曲線與實(shí)驗(yàn)曲線的輪廓以及變化趨勢(shì)一致，峰值偏差達(dá)到11.1%，這是由于AHM胸部剛度更為接近真實(shí)人體狀態(tài)，小于實(shí)驗(yàn)中所用的Hybrid-Ⅲ假人，因此產(chǎn)生的胸部壓縮量偏大。此外，AHM的左右大腿力的仿真峰值、變化趨勢(shì)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線比較接近。AHM仿真結(jié)果中各項(xiàng)主要損傷指標(biāo)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合程度較高，其中腰帶力峰值誤差也控制在15%以?xún)?nèi)，因此該模型仿真精確度較高，可用于后續(xù)研究。

3　仿真模型設(shè)置

調(diào)節(jié)仿真模型中AHM各關(guān)節(jié)鉸鏈參數(shù)，重現(xiàn)實(shí)車(chē)實(shí)驗(yàn)中乘員的三種離位坐姿，如圖7所示。在相同碰撞強(qiáng)度基礎(chǔ)上，為了分析AEB與可逆預(yù)緊的關(guān)鍵參數(shù)對(duì)改善乘員離位與乘員損傷風(fēng)險(xiǎn)防護(hù)效果的影響，利用建立的仿真模型完成三組仿真模擬，具體設(shè)置如表4所示。

(a)IP坐姿(b)OOP1坐姿

(c)OOP2坐姿(d)OOP3坐姿圖7　AHM的四種坐姿仿真模型

第Ⅰ組第Ⅱ組第Ⅲ組AEB無(wú)有有可逆預(yù)緊無(wú)無(wú)有

第Ⅰ、Ⅱ組中均未激活可逆預(yù)緊，用于對(duì)比分析有AEB和無(wú)AEB對(duì)各種坐姿乘員損傷風(fēng)險(xiǎn)的影響。對(duì)比第Ⅱ、Ⅲ組的仿真結(jié)果，分析可逆預(yù)緊關(guān)鍵參數(shù)對(duì)改善乘員離位與乘員損傷風(fēng)險(xiǎn)防護(hù)效果的影響。其中第Ⅲ組仿真模擬中，將預(yù)緊時(shí)刻tPPT與預(yù)緊力大小FPPT兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)作為設(shè)計(jì)變量，其取值范圍分別為0～200 ms與50～400 N。應(yīng)用均勻?qū)嶒?yàn)設(shè)計(jì)方法在各自范圍內(nèi)設(shè)置60個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，相應(yīng)得到了60組乘員損傷風(fēng)險(xiǎn)的輸出響應(yīng)。兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)的均勻設(shè)計(jì)采樣點(diǎn)如圖8所示。

圖8　可逆預(yù)緊關(guān)鍵參數(shù)的均勻?qū)嶒?yàn)設(shè)計(jì)

在三組仿真模擬結(jié)果中提取表示乘員離位坐姿變化的胸部X向位移DT1_X，以及乘員損傷預(yù)測(cè)值，包括頭部傷害指標(biāo)HIC15、胸部壓縮量Cdef、頸部損傷準(zhǔn)則Nij、頸部前彎曲力矩My、頸部拉伸力Fn_t、頸部壓縮力Fn_c、左大腿力Ffl與右大腿力Ffr。依據(jù)US-NCAP的損傷風(fēng)險(xiǎn)曲線，評(píng)估乘員頭部、頸部、胸部、腿部出現(xiàn)簡(jiǎn)明損傷準(zhǔn)則3級(jí)以上(含3級(jí))，其中腿部為2級(jí)以上(含2級(jí))等級(jí)的概率分別為Phead、Pneck、Pchest與Pfemur，進(jìn)一步由這四個(gè)損傷概率合成而得到乘員正碰損傷風(fēng)險(xiǎn)Pjoint；最后根據(jù)Pjoint的大小評(píng)定乘員約束系統(tǒng)的損傷防護(hù)性能級(jí)別，防護(hù)性能最差為一顆星，最優(yōu)為五顆星。

4　仿真結(jié)果分析

鑒于第Ⅰ組IP坐姿仿真模型的碰撞工況與US-NCAP正碰實(shí)驗(yàn)工況相同，選擇此模型仿真結(jié)果中的乘員損傷風(fēng)險(xiǎn)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，如表5所示。

表5　第Ⅰ組IP坐姿仿真模型乘員損傷風(fēng)險(xiǎn)

4.1AEB的影響

第Ⅱ組仿真模擬中AEB被激活后，導(dǎo)致AHM的頭、胸部更靠近安全氣囊模塊，尤其是OOP3坐姿中乘員頭部已與方向盤(pán)上邊緣接觸。碰撞發(fā)生后，盡管第Ⅰ組、第Ⅱ組中安全帶的火藥預(yù)緊裝置被激活，其中第Ⅰ組預(yù)緊長(zhǎng)度約110 mm，第Ⅱ組預(yù)緊長(zhǎng)度約40 mm，都未有效改善乘員的離位狀態(tài)。圖9對(duì)比了第Ⅰ組、第Ⅱ組OOP2坐姿仿真模型中碰撞發(fā)生時(shí)刻與碰撞中40 ms時(shí)刻乘員的坐姿。

(a)　　　第Ⅰ組OOP2(b)　　　第Ⅱ組OOP2　　　坐姿碰撞前　　　坐姿碰撞前

(c)第Ⅰ組OOP2　　　(d)第Ⅱ組OOP2　　　坐姿碰撞中40 ms　　　坐姿碰撞中40 ms圖9　AEB對(duì)乘員坐姿的影響

隨著乘員離位程度的加重，頭部、胸部與安全氣囊接觸時(shí)刻也越來(lái)越早。由于安全氣囊與轉(zhuǎn)向柱的潰縮吸能特性，在整個(gè)碰撞過(guò)程中，乘員頭部并未與方向盤(pán)等硬物發(fā)生接觸碰撞。雖然安全氣囊展開(kāi)過(guò)程對(duì)乘員頭部產(chǎn)生沖擊效應(yīng)，然而頭部傷害指標(biāo)HIC15值卻遠(yuǎn)小于耐受限度(HIC15=700)。但是，安全氣囊直接對(duì)乘員胸部造成沖擊，增大了胸部壓縮量Cdef。第Ⅰ組中，胸部損傷風(fēng)險(xiǎn)Pchest隨離位坐姿呈遞增趨勢(shì)；而第Ⅱ組中OOP2坐姿乘員的Pchest最大，約為對(duì)應(yīng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的4.5倍。同時(shí)，安全氣囊的高速展開(kāi)過(guò)程使得乘員頸部損傷也呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)，其中第Ⅱ組中OOP3坐姿乘員的頸部前彎曲力矩My峰值為76.15 N·m，導(dǎo)致Nij增大至0.38。然而，乘員臀部并未明顯向前移動(dòng)，所以腿部損傷風(fēng)險(xiǎn)變化范圍較小。

參照US-NCAP中正碰損傷風(fēng)險(xiǎn)Pjoint劃分約束系統(tǒng)的防護(hù)性能等級(jí)，在沒(méi)有AEB影響的情況下，第Ⅰ組中約束系統(tǒng)對(duì)處于IP、OOP1、OOP2三種坐姿的乘員損傷防護(hù)性能為四星等級(jí)，對(duì)應(yīng)的OOP3坐姿乘員為三星等級(jí)。而第Ⅱ組中，雖然IP與OOP3坐姿的乘員損傷防護(hù)等級(jí)仍與第Ⅰ組中保持相同，但對(duì)應(yīng)的OOP1坐姿降低至三星等級(jí)，OOP2坐姿降低至二星等級(jí)。根本原因在于AEB惡化了乘員的離位坐姿，對(duì)乘員胸部損傷風(fēng)險(xiǎn)產(chǎn)生顯著的影響，使得乘員正碰損傷風(fēng)險(xiǎn)Pjoint有所增大。圖10表示乘員損傷風(fēng)險(xiǎn)隨乘員坐姿的變化關(guān)系，縱坐標(biāo)的數(shù)值表示第Ⅰ組、第Ⅱ組的乘員損傷風(fēng)險(xiǎn)與選為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的第Ⅰ組IP坐姿仿真模型中乘員損傷風(fēng)險(xiǎn)的比值。

通過(guò)對(duì)比第Ⅰ組、第Ⅱ組的乘員損傷風(fēng)險(xiǎn)結(jié)果，說(shuō)明在乘員初始離位的基礎(chǔ)上，AEB進(jìn)一步加重乘員的離位程度，進(jìn)而惡化了約束系統(tǒng)對(duì)乘員損傷的防護(hù)效果。

(a)乘員胸部損傷風(fēng)險(xiǎn)比較(b)乘員正碰損傷風(fēng)險(xiǎn)比較圖10　AEB對(duì)乘員損傷風(fēng)險(xiǎn)的影響

4.2可逆預(yù)緊關(guān)鍵參數(shù)的影響

從第Ⅲ組各種坐姿的60組虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中，選擇可逆預(yù)緊對(duì)乘員離位坐姿改善作用最好的一組，與第Ⅱ組對(duì)應(yīng)坐姿中乘員頭、胸位移進(jìn)行對(duì)比，體現(xiàn)有可逆預(yù)緊或無(wú)可逆預(yù)緊對(duì)乘員離位坐姿的影響，如圖11所示。

(a　　　)第Ⅱ組IP(b　　　)第Ⅲ組IP　　　坐姿碰撞前　　　坐姿碰撞前

(c　　　)第Ⅱ組OOP1(d　　　)第Ⅲ組OOP1　　　坐姿碰撞前　　　坐姿碰撞前

(e　　　)第Ⅱ組OOP2(f　　　)第Ⅲ組OOP2　　　坐姿碰撞前　　　坐姿碰撞前

(g　　　)第Ⅱ組OOP3(h　　　)第Ⅲ組OOP3　　　坐姿碰撞前　　　坐姿碰撞前圖11　第Ⅱ組、第Ⅲ組乘員頭、胸位移對(duì)比

圖12　第Ⅱ組、第Ⅲ組的胸部X向位移

經(jīng)統(tǒng)計(jì)獲得第Ⅲ組中四種坐姿的碰撞發(fā)生時(shí)刻DT1_X(仿真時(shí)刻為900 ms)，以及乘員正碰損傷風(fēng)險(xiǎn)Pjoint的極值與四分位數(shù)，并與第Ⅱ組中對(duì)應(yīng)坐姿的DT1_X和Pjoint對(duì)比，分別如圖12、圖13箱形圖所示。圖12中乘員IP坐姿的DT1_X介于0與第Ⅱ組對(duì)比值之間，說(shuō)明可逆預(yù)緊減少了乘員在碰撞前受AEB影響的身體前移量；而超過(guò)75%的OOP2坐姿乘員的DT1_X小于0，說(shuō)明可逆預(yù)緊向后拉乘員的上肢軀干，比初始離位坐姿更靠近座椅靠背，起到了改善乘員離位的作用。然而，由于OOP3坐姿的離位程度過(guò)于嚴(yán)重，主動(dòng)預(yù)緊改善離位所需時(shí)間較長(zhǎng)，乘員受AEB影響前傾時(shí)對(duì)安全帶的張力抵消了可逆預(yù)緊的拉力，所以乘員離位改善效果并不如OOP2坐姿顯著。

圖13　第Ⅱ組、第Ⅲ組的乘員損傷風(fēng)險(xiǎn)

可逆預(yù)緊的介入，還降低了乘員的碰撞損傷風(fēng)險(xiǎn)，使乘員約束系統(tǒng)對(duì)OOP1與OOP2兩種坐姿乘員的損傷防護(hù)等級(jí)由原來(lái)的三星與二星等級(jí)均提升至四星等級(jí)。但是OOP3坐姿乘員的60次虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中，只有1次虛擬實(shí)驗(yàn)的損傷風(fēng)險(xiǎn)低于第Ⅱ組的對(duì)比值。主要原因是改善離位狀態(tài)后的OOP3乘員坐姿與第Ⅱ組中受AEB影響的OOP2乘員坐姿非常接近，其胸部損傷風(fēng)險(xiǎn)Pchest不降反升，導(dǎo)致乘員正碰損傷風(fēng)險(xiǎn)Pjoint增大。

為了探究可逆預(yù)緊關(guān)鍵參數(shù)與改善乘員離位效果的關(guān)系，以及由此對(duì)乘員正碰損傷風(fēng)險(xiǎn)的影響，對(duì)第Ⅲ組中預(yù)緊時(shí)刻tPPT，預(yù)緊力FPPT，胸部X向位移DT1_X，乘員正碰損傷風(fēng)險(xiǎn)Pjoint進(jìn)行相關(guān)性分析，相關(guān)系數(shù)r與顯著性水平p如表6所示。可知DT1_X與Pjoint除在OOP3乘員坐姿呈顯著負(fù)相關(guān)性外，在其余乘員坐姿中均呈現(xiàn)顯著正相關(guān)性，意味著應(yīng)用可逆預(yù)緊，有效地減小了乘員受AEB的影響而導(dǎo)致的身體前移量。改善乘員離位坐姿效果越好，乘員的正碰損傷風(fēng)險(xiǎn)就越低。而預(yù)緊時(shí)刻tPPT、預(yù)緊力FPPT與胸部X向位移DT1_X的顯著相關(guān)性說(shuō)明：可逆預(yù)緊激活時(shí)刻越提前，預(yù)緊力越大，越能獲得更好的改善乘員離位坐姿效果；而且預(yù)緊力的大小與改善乘員離位坐姿效果的關(guān)系更緊密。

表6　輸入變量與輸出響應(yīng)的相關(guān)性分析

5　討論

從安全帶約束力角度來(lái)看，可逆預(yù)緊降低乘員損傷的原因并不僅是改善了乘員的離位坐姿?？赡骖A(yù)緊消除了安全帶佩戴松弛量，安全帶被初步張緊后的殘余張力結(jié)合火藥預(yù)緊裝置，使安全帶張力快速上升，縮短了安全帶約束乘員的反應(yīng)時(shí)間，提高了Ride-down效率；同時(shí)限力器提前發(fā)揮作用，均勻吸收乘員的動(dòng)能?？赡骖A(yù)緊對(duì)約束力的影響，符合Kent等[15]提出的安全帶最優(yōu)約束力特征。

針對(duì)OOP3之類(lèi)的嚴(yán)重離位坐姿，利用可逆預(yù)緊改善此類(lèi)離位坐姿所需時(shí)間較長(zhǎng)。如果應(yīng)用基于圖像處理等手段的乘員離位識(shí)別技術(shù)，結(jié)合汽車(chē)碰撞預(yù)警系統(tǒng)，共同動(dòng)態(tài)決策可逆預(yù)緊相對(duì)于AEB的提前激活時(shí)刻，有利于顯著改善此類(lèi)乘員坐姿。

鑒于可逆預(yù)緊對(duì)乘員坐姿與安全帶約束力存在影響，在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)新的乘員約束系統(tǒng)時(shí)，可對(duì)可逆預(yù)緊關(guān)鍵參數(shù)與安全帶限力值、織帶延伸率、火藥預(yù)緊點(diǎn)火時(shí)刻與預(yù)緊力值、氣囊點(diǎn)火時(shí)刻與阻尼孔直徑等參數(shù)進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化處理，進(jìn)一步挖掘乘員約束系統(tǒng)對(duì)碰撞損傷的防護(hù)能力。

6　結(jié)束語(yǔ)

本文以實(shí)車(chē)實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，通過(guò)三組仿真模擬，對(duì)比分析了AEB與可逆預(yù)緊共同作用對(duì)乘員損傷風(fēng)險(xiǎn)的影響。結(jié)果表明：AEB加重了乘員的離位程度，乘員四種坐姿的碰撞損傷風(fēng)險(xiǎn)都明顯增大。而可逆預(yù)緊介入后，其改善乘員各種離位坐姿的效果，與降低乘員損傷風(fēng)險(xiǎn)的程度密切相關(guān)。將AEB搭配可逆預(yù)緊共同推廣應(yīng)用，有利于彌補(bǔ)AEB對(duì)乘員坐姿的不利影響，同時(shí)進(jìn)一步提升乘員約束系統(tǒng)對(duì)碰撞損傷的防護(hù)性能。

[1]連廣宇, 朱西產(chǎn), 馬志雄, 等. OOP下PAB對(duì)乘員造成損傷的改善的研究[C]//第十二屆中國(guó)汽車(chē)安全技術(shù)國(guó)際研討會(huì). 廈門(mén), 2009:408-413.

[2]陸善彬, 劉立勇, 張君媛, 等. 安全氣囊仿真技術(shù)在乘員離位模擬中的應(yīng)用研究[J]. 合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2009. 32(12): 1793-1800.

Lu Shanbin, Liu Liyong, Zhang Junyuan, et al. Simulation Investigation of Airbag Deployment for Occupant Out-of-position (OOP) in Frontal Impact[J]. Journal of Hefei University of Technology(Nature Science), 2009. 32(12): 1793-1800.

[3]劉江, 張金換, 黃世霖. 汽車(chē)碰撞預(yù)判系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析[J]. 汽車(chē)工程, 2009, 31(12):1145-1148.

Liu Jiang, Zhang Jinhuan, Huang Shilin. An Analysis on the Key Technologies in Automotive Pre-crash Safety System[J]. Automotive Engineering, 2009,31(12): 1145-1148.

[4]Schoeneburg R, Baumann K H, Fehring M. The Efficiency of PRE-SAFE Systems in Pre-braked Frontal Collision Situations[C]//The 22nd International Technical Conference on the Enhanced Safety of Vehicles (ESV). Washington, D.C., 2011：11-0207.

[5]Infantes E, Schaub S, Kramer S, et al. Evaluation of Occupant Protection during the Crash Phase Considering Pre-crash Safety Systems-results from the Ec-funded Project Assess[C]//The 23rd International Technical Conference on the Enhanced Safety of Vehicles (ESV). Seoul , 2013:13-0419.

[6]姚遠(yuǎn), 羅逍, 張金換. 碰撞預(yù)判系統(tǒng)中可逆預(yù)緊安全帶控制參數(shù)探究[C]//第十四屆中國(guó)汽車(chē)安全技術(shù)國(guó)際研討會(huì). 重慶, 2011:281-285.

[8]Ito D, Ejima S, Kitajima S, et al. Occupant Kinematic Behavior and Effects of a Motorized Seatbelt on Occupant Restraint of Human Volunteers during Low Speed Frontal Impact: Mini-sled Tests with Mass Production Car Seat[C]//Proceedings of the International Research Council on the Biomechanics of Injury Conference. Gothenburg, 2013: IRC-13-100.

[9]Good C A, Viano D C, Ronsky J L. Biomechanics of Volunteers Subject to Loading by a Motorized Shoulder Belt Tensioner[J]. Spine, 2008,33(8): 225-235.

[10]Sander U, Mroz K, Bostr?m O, et al. The Effect of Pre-pretensioning in Multiple Impact Crashes[C]//The 21st International Technical Conference on the Enhanced Safety of Vehicles (ESV). Stuttgart, 2009: 98-03333.

[11]Adam T, Untaroiu C D. Identification of Occupant Posture Using a Bayesian Classification Methodology to Reduce the Risk of Injury in a Collision[J]. Transportation Research Part C, 2011,19(6):1078-1094.

[12]Zhang L, Chen L, Vertiz A. Survey of Front Passenger Posture Usage in Passenger Vehicles[J]. SAE Technical Paper, 2004-01-0845.

[13]Fujita K, Fujinami H, Moriizumi K, et al. Development of Pre-crash Safety System[C]//The 18th International Technical Conference on the Enhanced Safety of Vehicles Proceedings. Nagoya, 2003:544-W.

[14]趙福全, 吳成明, 潘之杰, 等. 中國(guó)汽車(chē)安全技術(shù)的現(xiàn)狀與展望[J]. 汽車(chē)安全與節(jié)能學(xué)報(bào), 2011, 2(2):111-121.

Zhao Fuquan, Wu Chengming, Pan Zhijie, et al. Status and Propect of Automotive Safety Technology in China[J]. Automotive Safety and Energy, 2011,2(2): 111-121.

[15]Kent R W, Purtsezov S V, Pilkey W D. Limiting Performance Analysis of a Seat Belt System with Slack[J]. International Journal of Impact Engineering, 2007,34(8):1382-1395.

(編輯王旻玥)

Analyses of Occupant Injury Affected by Combination of Autonomous Emergency Braking and Reversible Pretensioner Seatbelts

Cao LiboOuyang ZhigaoJia YuciXu ZheZhang Guanjun

State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacture for Vehicle Body,Hunan University,Changsha,410082

Aiming at the occupant seat posture aggravated by AEB, the effectiveness of RPS in improving occupant OOP seating posture was investigated. A numerical simulation approach was utilized to establish a driver-side restraint system model involving AEB, RPS and active human model(AHM). On the basis of volunteer tests which were conducted to obtain the key parameters induced by restrained occupants with different seat postures in the pre-crash phase, the tension force and increased length of seatbelts of RPS were set. The influences imposed by AEB and RPS on the occupants movement in the pre-crash phase were interpretted, as well as the injury risk during in-crash phase. The results indicate that AEB increases occupants injury risk in identical impact severity, especially thorax injury. Nevertheless, occupants injury risk decreases significantly with the utilization of RPS through improving occupants OOP seat posture.

autonomous emergency braking(AEB); out-of-position(OOP); reversible pretension seatbelt(RPS); pretension force; activation time; injury risk

2015-09-07

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51205118)

U461.91

10.3969/j.issn.1004-132X.2016.16.023

曹立波，男，1964年生。湖南大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。主要研究方向?yàn)槠?chē)車(chē)身設(shè)計(jì)及碰撞安全。歐陽(yáng)志高，男，1986年生。湖南大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院博士研究生。賈寓詞，男，1989年生。湖南大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院碩士研究生。徐哲，女，1990年生。湖南大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院碩士研究生。張冠軍，男，1980年生。湖南大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院講師。