基于加速滑臺的主被動融合試驗方法研究*

周大永 李月明 王鵬翔 張偉 祝賀

（吉利汽車研究院（寧波）有限公司，寧波 315336）

主題詞：主被動融合 自動緊急制動 第50百分位THOR假人 加速滑臺

1 前言

當(dāng)前，自動緊急制動（Autonomous Emergency Braking，AEB）系統(tǒng)已逐漸成為乘用車輛的標(biāo)配，但AEB系統(tǒng)執(zhí)行制動時，會導(dǎo)致乘員離位，基于正常坐姿開發(fā)的約束系統(tǒng)的保護功能會受到影響[1]。因此，在《CNCAP路線圖（2022～2028）》中，規(guī)劃新增主被動安全一體化的虛擬測評：在AEB 系統(tǒng)介入導(dǎo)致的乘員離位碰撞（主被動融合）工況中，考核乘員離位狀態(tài)下發(fā)生正面碰撞的損傷情況，并考慮將該考核作為加分項于2025年實施。另外，采用主動預(yù)緊式安全帶被認為是現(xiàn)階段碰撞前約束乘員向前離位的最直接有效的手段[2-5]，因此，路線圖中將其作為加分項，并擬在測評中采用第50百分位THOR 男性（THOR 50th）假人。在此情況下，孫振東[6]、郝毅[7]等人研究了AEB 系統(tǒng)制動對第50 百分位THOR 假人乘坐姿態(tài)的影響。文獻[6]對提取得到的參數(shù)進行正態(tài)分布統(tǒng)計分析，得出在最大制動減速度的分布圖中，制動平均減速度為7.6 m/s2，并指出制動加速度越大，離位程度越大。商恩義等[8]研究了在AEB系統(tǒng)制動下主動預(yù)緊式安全帶限制乘員離位對乘員胸部傷害的影響?；_試驗在約束系統(tǒng)開發(fā)過程中必不可少，針對主被動融合條件下的滑臺試驗，劉東春等[9]提出了提取實車AEB 系統(tǒng)制動下假人姿態(tài)作為加速滑臺試驗中假人初始擺放姿態(tài)的方法，但并未論證其可行性。第50 百分位THOR 假人是第50 百分位Hybrid Ⅲ假人的升級版[10]，本文結(jié)合當(dāng)前AEB 系統(tǒng)制動控制策略的研究成果[11-14]，在一級制動減速度條件下，制動減速度選取8.0 m/s2，通過仿真及加速滑臺試驗研究第50 百分位THOR 假人離位姿態(tài)與時間的關(guān)系及其影響因素，探討基于加速滑臺進行主被動融合試驗的可行性。

2 AEB 系統(tǒng)制動下第50 百分位THOR 假人離位研究

本文仿真研究8.0 m/s2制動減速度下，不同安全帶上導(dǎo)向環(huán)摩擦因數(shù)及不同骨盆角度對第50 百分位THOR 假人離位的影響?！禖-NCAP 管理規(guī)則（2021 年版）》附錄A 中，在第50 百分位THOR 假人安放部分指出假人骨盆角度應(yīng)在33°±2.5°范圍內(nèi)。因此，搭建簡化的仿真模型如圖1 所示，進行3 次仿真研究，分別用C1、C2 和C3 表示。C1～C3 中，安全帶上導(dǎo)向環(huán)摩擦因數(shù)分別為0.1、0.2、0.1，骨盆角度分別為30.6°、30.6°、34.6°。

圖1 AEB系統(tǒng)制動假人離位研究仿真模型

針對仿真結(jié)果進行加速滑臺驗證，加速滑臺假人初始狀態(tài)如圖2所示，假人骨盆角度為32.3°，安全帶佩帶位置與仿真設(shè)置相同。

圖2 加速滑臺假人初始狀態(tài)

仿真及試驗中，建立假人坐標(biāo)系：x向為前后方向，y向為左右方向，z向為上下方向。對于加速度，x向前為正、y向右為正、z向下為正。對于上頸部載荷，頭向后、胸向前，F(xiàn)x為正；頭向左、胸向右，F(xiàn)y為正；受拉時Fz為正。對于假人胸部變形量，受壓為正。對于臺車，x向為前后方向，向前為正。對于假人運動位移，x向前為正、y向左為正、z向上為正。

2.1 安全帶肩帶作用力的影響

設(shè)xh、zh分別為假人頭部x向和z向位移，xs、zs分別為肩部x向和z向位移，xp、zp分別為骨盆x向和z向位移。C1和C2仿真完成后，頭部質(zhì)心、肩部、骨盆位置位移及肩帶力如圖3 所示，2 次仿真中安全帶肩帶力及對應(yīng)的各位置位移均基本重合。該結(jié)果表明：安全帶肩帶力作用較弱，上導(dǎo)向環(huán)摩擦因數(shù)變化對安全帶肩帶作用沒有影響，對假人離位也不會產(chǎn)生影響；假人在離位過程中上半身有晃動，骨盆位移量較?。汗桥鑨向位移在第55 ms時刻達到8 mm，后期穩(wěn)定在8～9 mm范圍內(nèi)。

圖3 C1和C2仿真結(jié)果對比

2.2 骨盆角度的影響

C1 和C3 仿真完成后，安全帶肩帶力及頭部質(zhì)心、肩部、骨盆位移如圖4所示，C3肩帶力在第260 ms時達到最大值62 N，與C1 相比，推遲了30 ms，最大值小了84 N。假人各對應(yīng)位置的x向最大位移基本相同，出現(xiàn)時刻相差30 ms。C3中復(fù)位后的最小位移更小，出現(xiàn)時間更晚。對于z向位移，C1中初始重力作用產(chǎn)生的下沉沖擊偏大，但隨后的穩(wěn)定性相對C3 更好。圖4 表明，AEB 系統(tǒng)作用下，骨盆角度對乘員離位程度沒有影響，只是相對z軸，軀干后傾角度越大，達到幅值時間越晚，并進一步表明乘員離位受安全帶作用力差異影響較小。

圖4 C1和C3仿真結(jié)果對比

2.3 加速滑臺驗證

以8.0 m/s2制動加速度進行加速滑臺試驗S1，受設(shè)備能力所限，AEB系統(tǒng)制動模擬時間定為600 ms。試驗中，動態(tài)跟蹤采集假人頭部質(zhì)心和肩部標(biāo)記點的x向和z向位移。試驗后，S1和C1頭部和肩部位移對比如圖5所示。x向的位移具有同步性，幅值接近。對于z向位移：S1中，第305 ms時刻，頭部最大z向位移zhmax=13 mm，肩部最大z向位移zsmax=-18 mm，頸部拉伸約31 mm。C1仿真中，頸部最大壓縮量出現(xiàn)在第225 ms 時刻或第305 ms 時刻：第225 ms 時刻，zs=2 mm，zh=-14 mm，頸部壓縮16 mm；第305 ms 時刻，zs=-4 mm，zh=-21 mm，頸部壓縮17 mm。即，仿真中頸部表現(xiàn)為受壓，最大壓縮量為17 mm，滑臺試驗中頸部表現(xiàn)為受拉，最大拉伸量為31 mm。其原因在于，仿真模型中假人擺放時，座椅只是預(yù)壓變形，并不能模擬出應(yīng)有的內(nèi)部應(yīng)力，故在較小系統(tǒng)加速度下，假人模型受重力場影響將會產(chǎn)生明顯下沉現(xiàn)象，當(dāng)軀干下沉后復(fù)位時，頭部對頸部產(chǎn)生軸向壓力。

圖5 C1和S1結(jié)果對比

2.4 結(jié)果討論

在AEB系統(tǒng)制動下，乘員在x向離位達到最大值后會進入復(fù)位過程，隨后會產(chǎn)生小幅波動。匯總AEB 系統(tǒng)仿真和滑臺模擬結(jié)果如表1 所示，其中xhmin、xsmin分別為頭部和肩部復(fù)位后的x向最小位移。

表1 中，S1 中假人離位程度均大于2 次仿真結(jié)果，且最大位移和最小位移出現(xiàn)的時間均晚于C1和C3，但仿真和滑臺試驗中假人的整體離位過程基本相同，仿真結(jié)果能夠反映真實的AEB 系統(tǒng)制動導(dǎo)致的乘員離位情況。在仿真和滑臺試驗中，xh和xs在達到幅值復(fù)位后均處于波動過程，其中：xhmax、xsmax均出現(xiàn)在第300 ms前，第300 ms 時刻位移與離位最大位移接近，相差不超過5 mm；xhmin、xsmin均出現(xiàn)在第400 ms后，仿真中，乘員后傾角度越大，最小位移越小，最小位移出現(xiàn)時間越遲，第400 ms 時刻乘員頭部和胸部位移分別接近xhmin和xsmin，且與離位穩(wěn)定后的位移接近，仿真中第400 ms 時刻位移與第1 000 ms時刻位移相差均不超過10 mm。

3 基于加速滑臺的主被動融合試驗方法研究

在C-NCAP 路線圖規(guī)劃的主動預(yù)緊式安全帶測評方案中，臺車制動后至少以30 km/h 的速度發(fā)生碰撞。文獻[8]中，減速滑臺速度由64 km/h通過模擬AEB系統(tǒng)制動降至50 km/h 后再模擬實車50 km/h 正面碰撞過程。基于此，進行主被動融合試驗方法研究，確定在模擬AEB系統(tǒng)制動后能進行50 km/h正面碰撞試驗。

當(dāng)前，加速滑臺試驗系統(tǒng)有氣動和液壓2種作動方式，受推桿行程及推桿伸出后壓力衰減所限，模擬AEB行程不宜過長。加速度為8.0 m/s2的條件下：加速時間為300 ms時，行程為360 mm，當(dāng)前加速滑臺試驗系統(tǒng)均可滿足要求；加速時間為400 ms 時，行程為640 mm，推力低的氣動加速滑臺可復(fù)現(xiàn)通常的正面碰撞試驗減速度曲線，而推力較大的滑臺均可滿足要求。因此，結(jié)合表1，以某款車駕駛員側(cè)假人為研究對象，確定3次仿真方案。3次仿真分別用CV1、CV2和CV3表示。CV1中，以8.0 m/s2的加速度加速300 ms，而后模擬實車50 km/h正面碰撞。CV2中，以8.0 m/s2的加速度加速400 ms，而后模擬實車50 km/h 正面碰撞。CV3 中，車輛初始速度為64 km/h，以8.0 m/s2的減速度降至50 km/h，而后模擬實車50 km/h 正面碰撞，則CV3 中AEB 模擬時間為496 ms。3次仿真中均采用第50百分位THOR假人，模型設(shè)置完全相同。

表1 AEB仿真與試驗結(jié)果

3.1 仿真動畫對比分析

以50 km/h正面碰撞開始時刻為0時刻，3次仿真動畫對比如圖6所示，以假人H點為基點向上畫出頭部安裝孔參考線。在0時刻，CV1～CV3的乘員均處于離位后的復(fù)位過程中，復(fù)位程度依次增加。在第40 ms時刻，氣囊展開過程中有掃臉風(fēng)險。在第50 ms時刻，CV1～CV3中假人頭部與氣囊接觸時刻有遞進過程。第90 ms時刻，假人胸部與氣囊有明顯的接觸過程（左側(cè)手臂已隱藏）。

圖6 3次仿真動畫對比

3.2 頭部外力加速度對比分析

研究3 次仿真中假人頭部所受外力作用產(chǎn)生的外力加速度。正面碰撞試驗中，主要研究x向和z向力。依據(jù)頭部質(zhì)量4.5 kg和假人頭部x向和z向加速度、頸部x向和z向載荷，計算假人頭部x向和z向外力加速度如圖7所示[15-16]，axo、azo分別為假人頭部x向和z向受到的外力產(chǎn)生的加速度。

圖7 3次仿真中假人頭部x向和z向外力加速度

第50 百分位THOR 假人頭部后方有2 根鋼索與頸部下方相連，在AEB 系統(tǒng)制動下，當(dāng)頭部相對頸部產(chǎn)生離位運動時，鋼索將約束頭部，對頭部產(chǎn)生外力加速度。圖7 中，以AEB 系統(tǒng)制動開始時刻為0 時刻，3 次仿真在AEB 制動階段由鋼索作用產(chǎn)生的頭部外力加速度具有同步性，在制動約220 ms 時刻鋼索的作用最強，而后隨著制動時間的延長而減弱。以50 km/h 碰撞開始時刻為0 時刻，3 次仿真中頭部azo較小，且基本相同。頭部axo總體趨勢接近，第40 ms 前后沒有尖峰產(chǎn)生，表明在氣囊展開過程中未發(fā)生掃臉現(xiàn)象。3條axo曲線中，CV1-axo下降最快，但所圍面積最小。CV2-axo與CV3-axo同步性較好，但峰值略低。對比結(jié)果表明，頭部與氣囊的接觸越早，保護效果越好，AEB 系統(tǒng)制動時間越長，頭部波動越小，離位程度越接近，正面碰撞中頭部傷害程度越相近。

3.3 頸部彎矩對比分析

3 次仿真中假人上頸部y向彎矩My如圖8 所示，以AEB系統(tǒng)制動開始時刻為0時刻，在AEB制動階段頸部My變化過程基本相同，在制動后約第220 ms時刻正向My最大。以50 km/h 碰撞開始時刻為0 時刻，CV1～CV3 中氣囊作用產(chǎn)生的伸張彎矩具有同步性，幅值接近、遞減。

圖8 3次仿真中假人上頸部My

3.4 胸部變形量對比分析

第50百分位THOR假人的胸部變形量共有4個測量點，分別為左上、左下、右上、右下。3次仿真中，最大的變形量均發(fā)生在左上位置。假人左上胸部變形量d的測量結(jié)果如圖9所示，以AEB系統(tǒng)制動開始時刻為0時刻，在AEB制動階段d的變化過程基本相同，在制動至約380 ms后胸部的變形量開始減弱。以50 km/h碰撞開始時刻為0時刻，CV1～CV3中d的變化過程具有同步性，且幅值接近、遞增。

圖9 3次仿真中假人胸部變形量d

3.5 胸部變形量差異原因分析

3次仿真中提取到的安全帶肩帶力B3如圖10所示，AEB 系統(tǒng)制動過程和正面碰撞過程中安全帶肩帶作用過程均基本同步，且碰撞過程中的肩帶力幅值基本相同，該結(jié)果表明CV1～CV3 中d幅值遞增非安全帶作用力產(chǎn)生變化所致。

圖10 3次仿真中安全帶肩帶力B3

相關(guān)研究表明[17-19]，第50百分位THOR假人胸部剛度與安全帶肩帶力作用密切相關(guān)，即在假人近似向前平動過程中，胸部變形量與剛度的乘積與安全帶肩帶力變化存在同步性，且假人軀干直立或前傾，安全帶肩帶合力作用點越靠近肩部，胸部剛度越大。當(dāng)假人后傾時，安全帶肩帶合力作用點越靠近胸部肋骨下沿，胸部剛度越小。設(shè)k為假人胸部剛度，建立3次仿真中B3與kd的比較關(guān)系如圖11所示，d1、d2和d3分別為CV1～CV3中胸部變形量，當(dāng)CV1～CV3 中k分別取120 kN/m、116 kN/m和110 kN/m時，B3與kd的變化過程均具有同步性，且幅值基本相等。以50 km/h碰撞開始時刻為0時刻，3次仿真中，碰撞中安全帶肩帶限力前胸部變形量的變化過程在第20～60 ms，而圖7 中，通過參考線可確認在此過程中假人上軀干的向后傾斜角度以CV1 最小，CV3 最大。CV1～CV3 中d幅值遞增是由假人上軀干后傾角度遞增使得安全帶肩帶作用過程中胸部剛度遞減所致。

圖11 3次仿真中B3與kd比較

4 結(jié)束語

本文通過仿真研究了AEB制動過程通過加速滑臺以加速方式復(fù)現(xiàn)的可行性及在8.0 m/s2制動下，不同制動時長和不同模擬方式下第50百分位THOR假人的離位情況，以及AEB 制動后發(fā)生正面高速碰撞的傷害情況。結(jié)果表明，當(dāng)制動模擬時間超過300 ms 時，在對AEB實際減速時間進行縮減處理后，主被動融合試驗可以通過加速滑臺試驗系統(tǒng)進行。試驗中，若假人上半身的離位位移量偏大，則對頭部和胸部造成的傷害略偏低，并使頸部My略偏高。因此，縮減時間越少，安全氣囊對頭部的保護作用、假人胸部剛度表現(xiàn)與減速滑臺試驗下的結(jié)果將越接近。