自动紧急制动对约束系统保护功能影响的研究*

李月明 王鹏翔 张毅 习波波 杨海燕

（吉利汽车研究院（宁波）有限公司，浙江省汽车安全技术研究重点实验室，宁波 315336）

主题词：被动安全 自动紧急制动 Hybrid Ⅲ假人 离位

1 前言

自动紧急制动（Autonomous Emergency Braking，AEB）系统对于提高道路交通安全性具有重要意义，但研究认为，AEB系统作用造成乘员偏离被动安全设计中的正常坐姿位置，与没有配置AEB 系统的同等强度碰撞事故相比，将使原约束系统匹配方案无法发挥最佳保护效果，导致车内乘员伤害程度增加。因此，在《CNCAP 路线图（2022～2028）》中，规划新增虚拟测评项目：在AEB系统介入导致的乘员离位碰撞伤害（主被动融合）工况中，考虑乘员离位状态下发生正面碰撞的损伤情况（2025 年开始监测）。另外，主动预紧式安全带被认为是现阶段在碰撞前最直接有效的假人前向离位约束手段，因此，路线图规划将其作为加分项。事实上，乘员离位程度与AEB系统制动强度密切相关，假人姿态改变也会造成约束系统作用方式、作用强度发生变化，而该变化未必完全产生负面影响。另外，现有乘用车已普遍采用溃缩吸能式转向管柱，在碰撞过程中管柱通常会有70 mm左右的可溃缩行程，在一定程度上缓解AEB系统造成的影响。当前研究普遍基于仿真进行，且缺少对前述内容的考虑，在此种情况下，如认为配置AEB系统均需额外增加其他配置，将导致制造成本不断增加，不利于AEB系统的推广。鉴于此，本文对AEB系统介入后假人离位姿态进行加速滑台试验研究，考察安全气囊、安全带肩带和腰带、座椅等约束强度的重新分配对乘员保护产生的影响。

2 AEB系统制动作用下假人离位探讨

《C-NCAP管理规则（2021年版）》中，50 km/h正面碰撞试验中前排采用第50百分位Hybrid Ⅲ假人，正面50%重叠移动可变形壁障碰撞试验中驾驶员侧假人采用第50百分位THOR男性假人。另外，在正面约束系统开发试验中以采用第50百分位Hybrid Ⅲ假人为主，而在《C-NCAP路线图（2022～2028）》中规划的主动预紧式安全带的测评方案中，拟采用第50百分位THOR男性假人。由此可见，未来开展主被动融合试验时，第50百分位Hybrid Ⅲ假人和第50百分位THOR男性假人均有可能被采用，因此，本文通过加速滑台模拟AEB系统制动，对2种假人在AEB系统制动条件下的离位情况分别进行探讨。

研究试验中，通常采集假人头部、胸部和骨盆的3个方向加速度，以及上颈部3个方向载荷、胸部变形量、安全带肩带力（B3）和腰带力（B6）。建立假人加速度和载荷坐标系：向为前后方向，向为左右方向，向为上下方向。对于加速度，向前为正，向右为正，向下为正。对于假人胸部变形量，受压为负。对于台车，向为前后方向，向前为正。

2.1 AEB系统制动减速度选择

当前，法规对AEB 系统制动产生的减速度没有明确要求。在《C-NCAP 路线图（2022～2028）》中，也没有明确乘员离位标准波形（AEB 系统制动曲线）。根据GB/T 33195—2016 附录B.1，车速在48 km/h 以上时，干燥的新铺装混凝土路面汽车滑动附着系数为0.70～0.85。该规定表明，车辆在实际道路上制动产生的减速度最大值不会超过8.3 m/s。在GB/T 39901—2021 中，定义紧急制动阶段为在AEB 系统控制下，试验车辆以至少4.0 m/s的减速度开始减速的阶段。综合2个标准的规定，AEB系统制动减速度应在4.0～8.3 m/s范围内。

当前，AEB 系统制动减速度控制策略主要有2 类，即一级制动和多级制动：一级制动是指AEB 系统作用时立即以最大减速度进行制动；多级制动是指AEB 系统作用时，车辆在不同的状况下，可以不同减速度进行制动。另外，兰凤崇等通过抽取100起轻微碰撞事故进行统计研究，指出两级制动下的一级制动减速度均值为4.0 m/s，二级制动减速度均值为7.1 m/s。文献[9]指出，制动加速度越大，离位程度越大。

基于上述分析，结合当前加速滑台的加速行程有限，确定AEB 系统模拟滑台试验一级制动的减速度分别为6.0 m/s和8.0 m/s，模拟制动时间为600 ms。另外，考虑试验冲击强度较低，确定试验通过座椅和安全带进行。试验中，采集假人骨盆加速度信号，对假人头部质心和肩部粘贴标记进行动态追踪。

2.2 AEB系统制动下第50百分位Hybrid Ⅲ假人离位探讨

2.2.1 制动过程分析

对第50百分位Hybrid Ⅲ假人进行2次AEB系统模拟试验，分别表示为H和H，对应制动减速度分别为6.0 m/s和8.0 m/s。试验录像截屏如图1所示，2次试验中，假人头部、肩部前倾，前臂、臀部和腿部无明显移动迹象，300 ms后假人整体姿态不再变化，即300 ms内假人离位运动已经完成，试验持续时间满足要求。2次试验相比，第300 ms时刻，8.0 m/s制动加速度下假人上半身离位幅度较大。

图1 不同制动加速度下第50百分位Hybrid Ⅲ假人试验录像截屏

2.2.2 AEB系统制动对骨盆的影响

设a、a分别为假人骨盆和台车的向加速度，2次试验中a与a的结果如图2所示，忽略坐标系间的差异，2次试验中，a和a均在台车起步初期经短暂延时后迅速提高。约200 ms后，骨盆与台车近似同步加速，即骨盆与台车可能的相对位移只发生在试验的前200 ms内。设s、s分别为假人骨盆和台车的向位移，分别对2 次试验的a和a进行积分获得s和s，200 ms 内的位移如图3 所示：6.0 m/s制动加速度下，假人骨盆未发生离位；8.0 m/s制动加速度下，假人骨盆相对台车前移了约30 mm。

图2 H1、H2试验假人骨盆与台车x向加速度

图3 H1、H2试验假人骨盆与台车x向位移

2.2.3 头部和肩部追踪数据分析

2 次试验假人头部和肩部动态追踪结果如图4 所示，、分别为假人头部向和向位移，、分别为肩部向和向位移。图4a 中，在约第240 ms 时刻，头部和肩部位移达到最大，在向，头部和肩部总体上具有同步性，在向，颈部有9 mm 的伸长。图4b 中，在约第275 ms时刻，头部和肩部位移达到最大，在向，头部和肩部总体上也具有同步性，在向，颈部有23 mm 的伸长。2 次试验中，假人头部和肩部位移达到最大值后，均持续保持基本不变。

图4 H1、H2试验假人头部和肩部追踪位移

2.3 AEB 系统制动下第50 百分位THOR 男性假人离位探讨

分别以6.0 m/s和8.0 m/s制动加速度进行加速滑台试验T和T，研究此制动条件下第50百分位THOR男性假人的离位情况。

2.3.1 制动过程分析

2次滑台试验后，录像截屏如图5所示，假人离位表现与第50 百分位Hybrid Ⅲ假人基本相同，只是头部和肩部的离位幅度在第600 ms时刻明显较第300 ms时刻小，表明假人上半身离位后存在复位现象。

图5 不同制动加速度下第50百分位THOR男性假人试验录像截屏

2.3.2 AEB系统制动对骨盆的影响

T和T试验中，第50百分位THOR男性假人骨盆与台车向加速度如图6所示，积分获得位移如图7所示。图6 中，a与a的相对关系与H和H中的表现基本相同。图7中，忽略坐标系之间存在的偏差影响，T、T试验中假人骨盆相对台车分别前移了约13 mm和约45 mm。

图6 T1、T2试验假人骨盆与台车x向加速度

图7 T1、T2试验假人骨盆与台车x向位移

2.3.3 头部和肩部追踪数据分析

2次试验中，第50 百分位THOR 男性假人头部和肩部动态追踪结果如图8 所示。图8a 中：在约第300 ms 时刻，头部和肩部位移达到最大，在向，头部和肩部总体上具有同步性，在向，颈部有伸长，最大伸长量为14 mm；头部和肩部位移在达到最大位移量后均有复位过程；颈部瞬时伸长量为9 mm。图8b中：在约第285 ms时刻，头部和肩部位移达到最大，在向，头部和肩部总体上也具有同步性，在向，颈部最大伸长量为31 mm；头部和肩部位移在达到最大位移量后也均有复位过程；颈部瞬时伸长量为15 mm。

图8 T1、T2试验第50百分位THOR男性假人头部和肩部追踪位移

2.4 结果讨论

汇总AEB 系统模拟试验结果如表1 所示，2 个假人试验结果间的明显差异是，头部和肩部达到最大位移后，第50 百分位Hybrid Ⅲ假人基本保持不变，但第50百分位THOR 男性假人有复位过程。在相同制动强度下，THOR 男性假人与Hybrid Ⅲ假人相比，骨盆前移量大约15 mm，颈部最大伸长量大约50%，复位后基本相近，头部和肩部向最大位移量大约30 mm，复位后接近。因此，综合各位移量的最大值，可以初步确认：AEB系统以6.0 m/s进行制动，在配置溃缩吸能式转向管柱的情况下，第50百分位Hybrid Ⅲ假人头部和胸部保护空间存在满足约束系统需求的可能；AEB 系统以8.0 m/s进行制动，而后进行C-NCAP 正面碰撞试验，假人头部会发生“气囊不稳定接触”，胸部会发生“触底”。对于第50 百分位THOR 男性假人，2 种制动工况下，都存在气囊扫脸等风险，难以满足乘员保护要求。

表1 AEB系统模拟试验结果汇总

文献[7]认为第50百分位Hybrid Ⅲ假人存在颈部和腰部刚度过大、运动响应拟合性差等缺点，第50百分位THOR 男性假人针对其进行了优化设计，材质、内部结构更加逼真，生物力学性能更加接近人体。THOR相对Hybrid Ⅲ假人可能更适用于当前正面碰撞试验，但2款假人在2种制动工况下的离位表现相比较，Hybrid Ⅲ假人相对稳定，THOR 假人因腰部更加柔韧，头部和肩部离位表现相当不稳定，存在前后晃动过程，在以8.0 m/s进行600 ms 的平稳制动条件下，头部向前的离位量可达169 mm，复位量可达42 mm。在实际的AEB 系统制动过程中，驾驶员存在应急反应，通常会握紧转向盘，THOR 假人在AEB 系统制动下的表现是否适用于主被动安全融合试验有待商榷。鉴于6.0 m/s制动加速度下，Hybrid Ⅲ假人的约束系统有继续发挥较好保护功能的可能性，因此，本文在此基础上进行进一步研究。

3 AEB 系统制动对乘员伤害影响的滑台试验研究

通过减速滑台试验，以6.0 m/s模拟AEB 系统制动过程，研究AEB 系统以6.0 m/s制动后对当前约束系统保护功能的影响。某款车约束系统配置已开发完成，针对该款车进行2次减速滑台试验，分别为普通滑台试验（Base试验）和由较高速度模拟AEB系统降速为普通滑台试验（A-Base试验）。试验中，定义碰撞开始时刻为0时刻，确定模拟AEB 系统制动开始时刻为-600 ms 时刻。Base 试验速度为52 km/h，A-Base 试验速度则模拟AEB系统制动由63 km/h降速至52 km/h。另外，为保证试验结果的可对比性，2次试验中安全气囊、安全带、转向管柱配置相同。最终，确定2次滑台试验的详细参数如表2所示。

表2 滑台试验参数

2 次滑台试验后，碰撞0 时刻假人姿态对比如图9所示。图9a中，假人标准坐姿下躯干后仰25°，图9b中，假人胸部略有前倾，躯干后仰约16°。

图9 滑台试验碰撞0时刻假人姿态

3.1 AEB系统制动对头部保护的影响

在《C-NCAP管理规则（2021年版）》中，针对前排假人头部，参照E-NCAP 增加了“气囊不稳定接触”修正项，评价中引入了文献[10]、文献[11]的研究结果，指出对正面碰撞中第50 百分位Hybrid Ⅲ假人头部是否发生触底或扫脸的判断采用头部外力加速度，并指出、和3 个方向的外力加速度可依据达朗贝尔（d’Alembert）原理分别计算出的3 个方向外力和头部质量求得。计算过程中，头部惯性力通过头部质量和头部加速度计算，内力为所采集的上颈部力，假人头部质量为4.54 kg。3 个方向外力加速度求解后分别进行分析或合成，再分析气囊展开过程中头部是否受力以及受力是否构成“气囊不稳定接触”。

Base 和A-Base 试验为正面碰撞试验，试验中假人头部向基本不受到外力作用，故以分析向和向的外力加速度为主。设a、a分别为假人头部向和向的头部外力加速度，2次试验中a、a结果如图10所示。

图10 滑台试验中假人头部外力加速度

图10 中，A-Base 试验中假人头部外力加速度比Base 整体提前约4 ms，且在第33 ms 时，受气囊展开过程中的冲击作用，A-Base-a出现了80 m/s峰值。2 次试验第33 ms 时刻录像截屏如图11 所示。与图11a 中假人头部相比，图11b 中假人头部前倾明显，且面部已陷入气囊中。

图11 滑台试验碰撞第33 ms时刻假人头部与气囊相对关系

对图10 和图11 的分析表明，AEB 系统制动导致假人头部与安全气囊接触提前，气囊展开过程中头部受到冲击，但产生的加速度峰值小于100 m/s，不构成“气囊不稳定接触”。

3.2 AEB系统制动对胸部保护的影响

设a、a分别为假人胸部向和向加速度，为假人胸部变形量。驾驶员侧安全带肩带与假人胸部位置关系如图12所示，胸骨框架上端有肩部保护，但腹部构件对其下端没有支撑作用。当安全带肩带对胸部的约束合力处于第2 根肋骨上方时，将对胸部产生向下、向后的约束作用，胸部加速度a为正；当肩带合力处于第2根肋骨下方时，将对胸部产生向上、向后的约束作用，此时a为负，胸骨框架更易受压缩变形。

图12 肩带与假人胸部位置关系

Base和A-Base试验后，假人胸部a、a结果如图13所示，胸部变形量如图14所示。

图13 假人胸部加速度

图14 假人胸部变形量

通常，假人胸部a包括4 个变化过程，是安全带肩带对假人上半身约束过程的反映：

a. a近似水平且为正：安全带预紧，假人向前近似平动，肩带约束合力点靠近肩部，对肩部下压，对胸部向后约束。过程中，假人上躯干后仰角度越小或前倾，下压力越大，a正值相对越大；

b. a由正转负：假人胸部前倾，肩带约束合力点下移，转为对胸部上提及向后约束；

c. a由负转正：骨盆开始向后回位，胸部继续向前移动，肩带约束合力点再次上移，并由对胸部上提转换为对肩部下压；

d. a由正转向归零：肩部持续受到肩带产生的下压力至胸部向后回位。

图13 中：A-Base 试验的a与Base 试验相比，上升阶段提前约3 ms，回升阶段提前约6 ms；A-Base试验的a与Base试验相比，碰撞前期正值大，碰撞中期负向峰值小，碰撞后期正向峰值结束早。

图14 中：在第84 ms 时，Base 试验产生最大压缩变形为25.7 mm；在第79 ms时，A-Base试验产生最大压缩变形为25.5 mm。在约第58 ms 时，在A-Base 试验的a达到最小值阶段，A-Base 试验的产生了峰值，但小于最大压缩变形量。图14表明，假人离位状态下，安全带预紧后，肩部受到的下压作用增强，碰撞过程中胸部受到的水平约束作用减弱。

总体而言，A-Base试验与Base试验相比，假人胸部伤害并没有加重。

3.3 AEB系统制动对安全带作用的影响

Base 和A-Base 试验后，假人骨盆a、a结果如图15所示，安全带肩带力B3和腰带力B6如图16所示。

图15 2次滑台试验假人骨盆加速度

图16 2次滑台试验安全带作用力

图15中：A-Base 试验的a幅值为615 m/s，Base 试验的a幅值为523 m/s，A-Base 试验中，骨盆向约束强度提升了17%；骨盆向加速度，A-Base 试验弱于Base 试验。图16 中，A-Base 试验中B3 和B6 作用持续时间均短于Base 试验。结合图13 分析结果可以确认，在安全带预紧肩带对胸部下压作用增强的情况下，座椅对骨盆的约束作用提升，进而缓解了肩带和腰带在向的作用强度。

4 结束语

本文通过加速滑台模拟AEB系统制动过程探讨了AEB系统制动导致的第50百分位Hybrid Ⅲ假人和第50百分位THOR 男性假人的离位情况；通过进行52 km/h滑台基础试验和以6.0 m/s减速度制动至52 km/h 的减速滑台试验，研究了离位对约束系统保护功能的影响，得到以下结论：

a.AEB系统制动将导致假人产生前倾，在安全带预紧过程中提升了肩带对乘员肩部向下按压作用，增加了座椅对假人臀部的约束作用，降低了肩带对胸部的作用强度。对于第50 百分位Hybrid Ⅲ假人，当制动加速度在6.0 m/s以下时，在溃缩式吸能管柱配合下，假人胸部伤害并未增加，但当制动加速度高于6.0 m/s时，驾驶员侧假人胸部有因“触底”而加重伤害的可能，在碰撞前有必要采取措施对乘员进行约束限位。

b.相对第50 百分位Hybrid Ⅲ假人，第50 百分位THOR男性假人腰部的柔韧性较大，在AEB系统制动下头部和肩部在达到最大离位量后存在复位情况，其在主被动融合试验中的适用性有待商榷。一旦采用第50百分位THOR男性假人进行主被动融合开发试验，则不建议算法开发过程中制动力设置过大，或者，配置AEB系统功能的同时配置主动预紧安全带，在AEB 系统制动前通过主动卷收安全带限制乘员向前离位。