AEB制动下主动安全带对乘员胸部损伤的影响

商恩义，周大永，李月明，习波波

(浙江吉利汽车研究院有限公司，浙江省汽车安全技术研究重点实验室，浙江杭州 311228)

0 引言

当前，随着车辆自动紧急制动系统(Autonomous Emergency Braking，AEB)为主的高级驾驶辅助系统(Advanced Driver Assistant Systems，ADAS)技术不断发展，全球法规也在不断更新[1]。中国汽车技术研究中心于2018年7月1日起正式实施的《C-NCAP管理规则(2018年版)》[2]中，便增加了AEB试验及评价。AEB制动是指系统判断车辆即将与前方目标发生碰撞时，主动制动来避免或减轻碰撞。AEB的引入对于提高道路交通安全具有重要意义，每年减少27%的事故[3]。但是，AEB作用在降低车速同时，也将导致乘员前移、姿态改变。

主动预紧式安全带(Integrated Active Pre-tensioning Seatbelt，IAPS)是现阶段公认在 Pre-crash 阶段最直接有效约束假人前向离位的手段[4]。IAPS是通过控制直流电机转动而实现安全带卷收和释放的预紧执行系统，由IAPS结构体和电子控制单元(Electronic Control Unit，ECU)两部分组成。当ECU 接收到 ADAS 发出的主动预紧信号后，立即启动电机正转卷收安全带织带，当电机工作电流达到程序中设定的控制电流值时停止电机正转，安全带锁止，主动预紧完成。当检测到危险信号解除后，启动电机反转，安全带锁止状态解除[5]。因此，IAPS可显著改善 AEB 制动下的乘员离位状态。

相关研究[6-7]表明，碰撞中乘员所受伤害与乘员运动姿态密切相关，被动安全约束系统优化过程就是调整碰撞中乘员运动姿态的过程。基于当前法规指定乘员坐姿条件下开发的约束系统，当AEB制动乘员姿态发生改变时，事故中其保护作用也必将发生改变。为避免或减小AEB作用带来的影响，IAPS开始得到汽车安全工程师的关注。但碰撞前安全带主动预紧限制乘员离位也是对乘员运动姿态的改变，该改变是否对乘员胸部等部位的保护带来积极作用需要确认。鉴于AEB、IAPS作用过程均较弱，通过仿真研究，当仿真误差介入后很难做出正确结论，故决定通过滑台试验进行研究。

1 滑台试验

1.1 试验方案的制定

AEB制动减速度为7 m/s2左右，制动行程长，加速滑台难以模拟，故决定研究工作通过减速滑台试验进行。研究试验针对驾驶员侧进行2次，一次使用普通预紧限力式安全带，用P表示；另一次使用IAPS，在P所用安全带原有功能基础上增加碰撞前主动预紧功能，用PP表示。

当前，正面偏置碰撞试验速度通常为64 km/h，正面全宽碰撞试验速度为50 km/h，因此，决定研究试验基于此速度进行，即滑台初始速度定为64 km/h，碰撞速度为50 km/h，结合AEB制动模拟减速度为7 m/s2，则通过计算可确定AEB制动模拟所需行程为8.8 m，所需时间为556 ms。为了保证PP中IAPS主动预紧在AEB制动前已完成，确定IAPS预紧电机启动时刻为碰撞前800 ms，预紧力为250 N。另外，为确保后续方案实施有足够操作空间，滑台在达到64 km/h时，距离碰撞开始有30 m以上行程。为了保证研究结果的可靠性，滑台试验以约束系统刚刚开发完成的某款车型为基础，安全配置均为其正式产品配置，减速度曲线为该车型50 km/h滑台试验减速度曲线前端加上模拟AEB制动减速度曲线。

1.2 试验实施

当前，国内尚无能够模拟AEB制动过程的滑台试验能力，宁波某实验室对其钢筋阻尼式减速滑台试验系统[8]进行了功能升级，即在其原有波形复现器前方额外增加小型阻尼器使其具备复现AEB制动功能，进行标定试验确认无问题后接下该项试验任务。将50 km/h碰撞开始时刻定义为0，截取-100～100 ms时间段滑台标定试验曲线如图1所示，7 m/s2的制动减速过程较平稳，满足复现AEB制动过程要求。

图1 滑台试验减速度曲线

如图2所示，按照C-NACP 50 km/h正面碰撞试验要求，在驾驶员侧摆放好50th假人[9]，并在安全带B3(肩带上端，靠近肩部)、B4(肩带下方，靠近带扣导向环)和B6(腰带左侧，靠近安全带下固定点)位置分别安装安全带力传感器[10]。试验准备就绪后，分别进行了P试验和PP试验。

图2 滑台试验前状态

2 IAPS主动预紧对乘员运动姿态影响的研究

2.1 基于录像截屏分析

试验中假人录像截屏如图3、4所示，以头部质心为基准画出垂直参考线，通过颈部、上躯干与参考线、安全带肩间相对关系。

图3 P试验中假人运动姿态(录像截屏)

图4 PP试验中假人运动姿态(录像截屏)

由图3(a)和图4(a)相比可知，参考线在图3(a)中位于颈部前，在图4(a)中穿过颈部；肩带与水平所成角度，图3(a)中明显大于图4(a)中，对比结果表明AEB制动作用下假人整体发生前移，上躯干前倾。但当有IAPS主动预紧作用后，假人离位受到限制，相对图2姿态基本没动。由图3(b)、3(c)和图4(b)、4(c)相比可知，在假人上躯干前扑接近垂直过程中，假人上躯干与参考线夹角，图3(b)、3(c)中小于图4(b)、4(c)中。由图3(d)与图4(d)可知，假人胸部越过垂线，上躯干与参考线夹角，图3(d)中也小于图4(d)中。图3和图4的对比结果反映出在IAPS作用下假人上躯干前扑动作起动晚，但前扑速度快、幅度大。

2.2 基于B4与B6作用关系分析

借助安全带力曲线，研究2次试验中假人运动姿态差异。建立2次试验中B4和B6安全带力曲线比较关系及B4减B6差值比较关系如图5所示。

图5 2次试验中B4和B6比较分析

由图5(a)可知，70 ms之前，两次试验中B6曲线基本一致，PP试验中B4偏小，结果表明PP试验前期假人上躯干前扑动作强度偏弱。70 ms后，与P相比，PP中B4曲线出现快速上升过程，而B6曲线下降缓慢，表明此后PP中假人上躯干前扑强度较大，腰带受到上拉作用归零变缓。

B4传感器位于肩带靠近带扣导向环位置，B6传感器位于腰带左侧靠近安全带下固定点位置，B4与B6的差值反映出带扣导向环两侧安全带的受拉过程，即反映了假人上躯干和下半身的运动强度关系：差值为正，表明假人上躯干前扑作用较强，沿带扣导向环向上拉安全带；差值由正向转向负向，表明安全带限力后，腰带对假人骨盆向前运动约束作用较强，安全带沿带扣导向环被下拉；差值负向产生谷底，表明假人臀部将开始回弹，腰带力B6开始减小，但此时假人上躯干依然在向前扑，B4依然在受拉状态；差值由负向转向正向达到峰值，表明整个假人整体开始回弹，正向峰值与谷底值差值反映了假人胸部前扑强度。由图5(b)可知，安全带碰撞中预紧至约第40 ms限力开始，两曲线均为正值，PP中差值约为0.56 kN，P中差值约为1 kN，PP中差值明显偏低。约40 ms后，两差值曲线由正向转向负向并下降迅速，约55 ms时降至谷底。PP谷底值为5.17 kN，P谷底值为4.56 kN，PP谷底值远远大于P谷底值。在约90 ms前后，两曲线分别达到正向峰值，峰值基本相等。

综合分析图5，与P相比， PP中假人上躯干碰撞前期前扑动作弱，碰撞后期前扑动作强。

2.3 基于骨盆加速度分析

建立假人加速度坐标系，x向为前后方向，向前为正；y向为左右方向，向右为正；z向为上下方向，向下为正[11]。为了便于分析，假人胸部变形量取受压为正；假人加速度单位用重力加速度g表示。

试验中采集假人骨盆加速度。骨盆加速度传感器位于假人臀部后方，腰椎下方。骨盆x向加速度反映安全带腰带在x向的约束作用。骨盆z向加速度，是安全带腰带下拉大腿和胸部前扑通过腰椎上拉臀部作用的结果，其幅值越大，表明假人胸部前扑强度越强。

假人骨盆加速度间比较关系如图6所示。由图6(a)可知，PP最低值为-52.7g，P最低值为-62.1g，PP的幅值减小15.1%，且在40 ms之后至臀部回弹(谷底时刻)，PP曲线下降变缓更加明显，结果表明安全带主动预紧缓解了AEB作用下假人水平方向产生的前冲的惯性。由图6(b)可知，PP的最低值为-48.3g，P的最低值为-36g，结果表明PP中假人水平方向运动受限后，造成假人胸部前扑，臀部上提强度增大了34.2%；两次试验中安全带腰带B6虽然基本一致，但P中x方向约束偏强，PP中z向约束偏强。

图6 骨盆加速度比较

2.4 基于胸部加速度分析

在假人胸椎内安装有3轴向加速度传感器，其测量结果反映了假人在碰撞过程中的运动姿态。对于z向加速度，当前期为正时，表明肩带在肩部有下压作用；当其由正转为负时，表明安全带限力后，假人前扑幅度增大，肩带对假人胸部合力作用点由胸部上端下移，此过程在假人胸部表现为胸部变形量会缓缓变大；当曲线由负向转向正向形成谷底时，谷值为骨盆回弹时刻；当由谷底转向正向达到峰值时，此峰值为假人整体回弹时刻。在由谷底转向正向峰值过程中，伴随骨盆回弹，假人胸部前扑动作加快，安全带腰带经带扣导向环被上拉，胸部下扑、安全带上拉交互作用于肋骨架下沿，此过程中胸部变形量会明显上升，曲线上甚至会形成一个尖峰。谷底转向正向峰值的速率越快，尖峰越大，对胸部伤害越大。

2次试验中假人胸部加速度曲线比较关系如图7所示。由图7(a)可知，PP试验中曲线整体要晚约3 ms，反映了安全带主动预紧较好地限制了假人胸部x向提前移动。由图7(b)可知，碰撞前期，P中胸部z向加速度正向幅值达到5g，约为PP中3倍。2次试验z向加速度曲线谷值比较，PP中谷值为19.9g，而P试中谷值为11.5g；由谷底转向后峰值比较，PP中为22.9g，P中为15g。峰值与谷值的差值相比，PP的值为42.8g，P的值为26.5g，PP的值是P值的1.6倍。

图7 胸部加速度比较

综上可知，在AEB作用下，正式碰撞前假人上躯干将发生明显前倾，碰撞中安全带预紧时主要作用在肩上，将对假人胸部产生向后约束和向下按压作用。碰撞前安全带主动预紧，则AEB制动产生的影响将被限制，假人保持为碰撞前后仰状态，碰撞中安全带预紧主要对假人胸部产生向后约束，缺少将假人上躯干按压在座位上的作用力，当其达到前倾姿态时，其已具有一定量的动能，安全带的约束作用削弱，该结果导致假人胸部后续前扑动作强度更大，相对AEB而言，PP的假人胸部变形伤害将更加严重。

3 安全带主动预紧对假人胸部变形量的影响

3.1 试验结果分析

2次试验中假人胸部变形量曲线比较如图8所示。由图8可知，P曲线在约60 ms之前呈弧形上行，并在60 ms 和80 ms分别形成一个凸起，最大值为23.6 mm；PP曲线在约40 ms之前呈线性上升，之后上升变缓，在约85 ms时产生峰值，最大值为24.4 mm。两曲线相比，有主动预紧功能后，前期变形幅度变缓，但后期胸部变形伤害更加严重，胸压变形量增大3.4%。

图8 2次滑台试验中胸部变形量d比较

3.2 胸部刚度分析

相关研究[12]表明，在碰撞前期假人向前移动过程中，假人胸部只受到安全带肩带作用，且上躯干由后仰到前倾过程近似直立向前，此时，胸部存在刚度k，k值通常为200 kN/m。即将胸部变形量d乘以200 kN/m后与肩带力B3曲线比较，在安全带肩带力上升至限力开始阶段，上升过程两曲线近似平行，限力拐点出现初期两曲线值接近。在碰撞后期，随着假人骨盆回弹、胸部前扑幅度加大，安全带合力作用点下移，向后的约束作用减弱，上提胸部的约束作用增强，即此时胸部刚度将减小，表现为当整个过程刚度用200 kN/m评价时，碰撞后期kd曲线将产生一个高于B3曲线的尖峰。

2次试验中均取刚度k值为200 kN/m，建立B3与kd曲线比较关系如图9所示。由图9(a)可知，两曲线上升阶段，在约30 ms前近似平行，而后至安全带限力前，kd曲线上升过程变缓。结果表明，在30 ms后k值取200 kN/m偏小，随着假人胸部前扑幅度增大，胸部刚度增大。由图9(b)可见，两曲线上升阶段近似平行，安全带限力拐点出现时两曲线值接近，符合规律。比较结果表明，AEB制动后，假人有前扑动作，碰撞中运动姿态被改变，导致安全带对假人胸部作用合力点发生变化，在胸部前扑过程中存在刚度增大过程。但在AEB作用前安全带主动预紧后，假人能够保持制动前状态。即安全带主动预紧很好地消除了AEB动作对假人碰撞初始状态的影响。但碰撞后期，kd曲线产生了一个明显高于B3曲线的尖峰，表明IAPS作用下，随着假人骨盆回弹，胸部前扑幅度加大，假人胸部刚度降低明显。该刚度的降低最终造成了PP中假人胸部变形量增大。

图9 肩带力B3曲线与kd曲线的比较

4 结论

主动预紧安全带的配置，在AEB制动时能够很好地限制乘员上躯干前倾，但该强制作用将导致碰撞中安全带预紧对乘员肩部产生的下压作用丧失，乘员前扑幅度增大。伴随骨盆回弹，安全带被肩部从腰部上拉，胸部大幅度向上提臀翻转与安全带上拉交互作用于肋骨架下沿，造成胸部刚度急剧下降，胸部变形增大。研究案例中，佩戴IAPS假人胸部变形量比佩戴普通预紧限力式安全带假人胸部变形量增大了3.4%。