汽車預(yù)碰撞制動下乘員離位影響及參數(shù)優(yōu)化分析*

孫振東，朱海濤，彭偉強(qiáng)，楊佳璘

（中國汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300）

前言

隨著汽車安全技術(shù)的不斷發(fā)展，預(yù)防和避免碰撞發(fā)生的理念越來越重要，自動緊急制動系統(tǒng)（AEB）是預(yù)碰撞階段提高安全性的重要技術(shù)，在檢測到車輛前方出現(xiàn)潛在危險時，會通過聲音或圖像等方式向駕駛員發(fā)出警告，提醒駕駛員采取相應(yīng)的措施規(guī)避碰撞［1］。如果駕駛員沒有及時對警告信號做出反應(yīng)，碰撞風(fēng)險較大時，系統(tǒng)會通過自動制動來避免碰撞或減輕碰撞強(qiáng)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(dǎo)致乘員出現(xiàn)身體前傾離位的現(xiàn)象，這種離位減小了約束系統(tǒng)的保護(hù)空間，尤其當(dāng)乘員的初始坐姿處于離位狀態(tài)的情況下，AEB 制動將進(jìn)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(jìn)行研究，分析不同波形狀態(tài)下乘員離位的特征，結(jié)合主動式安全帶，探究預(yù)緊時刻和預(yù)緊力對離位位移的影響，利用響應(yīng)面方法對乘員離位位移情況進(jìn)行優(yōu)化。

1 制動下乘員離位研究

1.1 離位姿態(tài)確定

為探究制動工況下的乘員離位情況，運(yùn)用實車制動試驗采集志愿者離位數(shù)據(jù)。實車試驗通過制動機(jī)器人對車輛制動進(jìn)行精確控制，志愿者按照 50 百分位體征進(jìn)行篩選，入選的男性志愿者身高和體質(zhì)量分別為 177.5 cm、76.8 kg。在主駕位置進(jìn)行制動工況下志愿者離位數(shù)據(jù)采集，座椅和安全帶調(diào)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(biāo)記點，并通過高速攝像機(jī)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(tài)

在測試過程中，志愿者要求在放松的狀態(tài)下握住轉(zhuǎn)向盤，手臂以正常的彎曲狀態(tài)駕駛。通過輔助機(jī)器人控制車輛油門和制動踏板，使車輛平穩(wěn)加速至規(guī)定的速度，然后進(jìn)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(jī)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(jìn)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(tǒng) CCRs 工況測試中，規(guī)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(jìn)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(xù)增加，但志愿者頸部前向位移峰值并未出現(xiàn)明顯增加。試驗中乘客前傾時安全帶拉力約300 N，遠(yuǎn)低于安全帶 3.5 kN 的限力值，安全帶在鎖定后無法拉出，導(dǎo)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(jié)果表明：在實車制動過程中，駕駛員出現(xiàn)不同程度的離位情況；相同試驗設(shè)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(yīng)相關(guān)；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(nèi)。

1.2 乘員離位損傷

為進(jìn)一步研究乘員離位姿態(tài)下的傷害特征，運(yùn)用滑臺試驗進(jìn)行乘員離位前后傷害數(shù)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(jìn)行調(diào)整，如表 1 所示［3-4］。按照實車約束系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置，安全氣囊、安全帶點爆時刻分別設(shè)置為 25和19 ms，安全帶限力等級設(shè)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(fēng)險，選擇正常姿態(tài)和頸部前移 160 mm 姿態(tài)進(jìn)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(tài)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(fā)生接觸。以 C-NCAP 高性能限值為基礎(chǔ)對假人傷害值進(jìn)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(biāo)均呈現(xiàn)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(yán)重的損傷。因此得出制動狀態(tài)下乘員前傾離位現(xiàn)象約束了約束系統(tǒng)作用空間，使其保護(hù)效能下降，導(dǎo)致頭部、頸部和胸部均有損傷增大的風(fēng)險，其中頸部損傷增加更為嚴(yán)重。

圖7 滑臺試驗側(cè)視圖

圖8 假人損傷特征對比

為對比假人離位和約束系統(tǒng)參數(shù)對乘員傷害程度的影響，設(shè)計三因素、兩水平正交試驗表 L4（23）進(jìn)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(tài)。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(tài)分別為正常姿態(tài)和頸部向前 160 mm 姿態(tài)，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(biāo)的影響程度，公式為

因此，以C-NCAP 高性能限值為基礎(chǔ)，依據(jù)Hybrid III 50th 假人傷害值歸一化數(shù)據(jù)，利用極差分析法對不同影響因素下的假人傷害指標(biāo)進(jìn)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(tài)，碰撞過程中由于軀干的前向運(yùn)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(dǎo)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(tài)更為敏感，應(yīng)在乘員離位保護(hù)時予以重點考慮。

圖9 假人傷害正交試驗結(jié)果

圖10 影響因素相關(guān)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(fēng)險，建立仿真模型對乘員離位影響情況進(jìn)行系統(tǒng)化分析。由于主動人體模型 HBM 通過調(diào)節(jié)肌肉的緊張程度可以很好模擬乘員在真實制動下的運(yùn)動響應(yīng)［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(diào)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(yùn)動響應(yīng)。其乘坐環(huán)境包括座椅、安全帶、轉(zhuǎn)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(jìn)行輸入。經(jīng)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(yùn)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(shù)主要有制動減速度峰值、制動減速度波形梯度和峰值持續(xù)時間。為探究這3 個參數(shù)對乘員離位的影響，分別設(shè)置單因素影響變量進(jìn)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(dá)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(xù)時間分別取 0.6、0.8和1.0 s（圖15）。得到對應(yīng)制動減速度與乘員頸部位移關(guān)系，如圖16～圖18 所示。由圖可知：當(dāng)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(dāng)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(xù)時間達(dá)到一定數(shù)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(guān)，當(dāng)制動初始速度超過一定數(shù)值后，乘員前傾的最大位移是一定的，與到達(dá)制動減速度峰值的快慢無關(guān)。

圖13 不同制動減速度峰值取值

圖14 制動減速度達(dá)到同一峰值梯度時間取值

圖15 同一制動減速度峰值持續(xù)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(xù)時間下的乘員頸部位移

3 乘員離位參數(shù)優(yōu)化改進(jìn)

目前，應(yīng)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(tài)。為研究不同主動式安全帶參數(shù)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(jìn)行了實車制動下的人體位移采集［9-12］。主動安全帶預(yù)緊力設(shè)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(yīng)的測試上限、下限和平均值。在仿真模型中設(shè)置實車試驗參數(shù)和實車制動波形，并調(diào)整安全帶的性能參數(shù)。經(jīng)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(shù)據(jù)和實車試驗數(shù)據(jù)的對比如圖19 所示。仿真數(shù)據(jù)在試驗數(shù)據(jù)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(shè)計參數(shù)為預(yù)緊力和預(yù)緊時刻，為減小乘員離位位移，需對這兩個參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。為有效約束乘員前傾，預(yù)緊力一般設(shè)計范 圍為 100～400 N；考慮到乘員的接受度，預(yù)緊時間一般為制動前、后的瞬間，設(shè)置為制動前 200 ms 至制動后 100 ms 的范圍內(nèi)。待優(yōu)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(biāo)，預(yù)緊力和預(yù)緊時間參數(shù)為變量，開展優(yōu)化設(shè)計。

對于多參數(shù)變量，運(yùn)用CCD 響應(yīng)面設(shè)計法，通過對過程的回歸擬合和響應(yīng)面繪制，在各因素水平基礎(chǔ)上，找出預(yù)測最優(yōu)值與對應(yīng)條件。CCD 設(shè)計表是在兩水平析因設(shè)計的基礎(chǔ)上加極值點和中心點構(gòu)成，具備有序連貫的特點。因此，在確定好參數(shù)范圍后，采用中心復(fù)合試驗設(shè)計（central composite design，CCD）的方法進(jìn)行抽樣，共須提供 13 組仿真試驗數(shù)據(jù)，將頸部位移輸入到對應(yīng)位置，結(jié)果如表 3 所示。在這些數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，建立CCD 響應(yīng)面模型（圖20）。從響應(yīng)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(yù)緊力、預(yù)緊時間的關(guān)系，如圖21和圖22 所示。

圖20 頸部位移量響應(yīng)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(dāng)預(yù)緊時刻一定時，預(yù)緊力越大，乘員向前的頸部位移越小，呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；隨著預(yù)緊時刻的延遲，頸部位移和預(yù)緊力關(guān)系曲線的變化梯度逐漸增大；當(dāng)預(yù)緊力一定時，在預(yù)緊時刻處于前 100 ms 的范圍內(nèi)，頸部位移變化較小，超過100 ms 后預(yù)緊時刻越是延遲，乘員頸部前向位移越大，兩種呈現(xiàn)正相關(guān)性。預(yù)緊力較小時，預(yù)緊時刻對頸部位移影響較大；預(yù)緊力較大時，預(yù)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(yīng)面模型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，得出在預(yù)緊時刻57.43 ms，預(yù)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(yù)緊力的關(guān)系

圖22 頸部位移-預(yù)緊時刻的關(guān)系

4 結(jié)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(tài)優(yōu)化研究，得出以下結(jié)論。

（1）結(jié)合乘員制動狀態(tài)下的離位數(shù)據(jù)，利用滑臺試驗對比得出，制動狀態(tài)下的乘員前傾離位減小了約束系統(tǒng)的作用空間，導(dǎo)致約束系統(tǒng)的保護(hù)效能下降，頭部、頸部和胸部均有損傷增大的風(fēng)險，其中離位狀態(tài)導(dǎo)致頸部損傷增加更為嚴(yán)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(tài)較為敏感，應(yīng)在乘員離位保護(hù)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(xù)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(guān)，當(dāng)制動初始速度超過一定數(shù)值后，乘員前傾的最大位移是一定的，與到達(dá)制動減速度峰值的快慢無關(guān)。

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