汽车预碰撞制动下乘员离位影响及参数优化分析*

孙振东，朱海涛，彭伟强，杨佳璘

（中国汽车技术研究中心有限公司，天津 300300）

前言

随着汽车安全技术的不断发展，预防和避免碰撞发生的理念越来越重要，自动紧急制动系统（AEB）是预碰撞阶段提高安全性的重要技术，在检测到车辆前方出现潜在危险时，会通过声音或图像等方式向驾驶员发出警告，提醒驾驶员采取相应的措施规避碰撞［1］。如果驾驶员没有及时对警告信号做出反应，碰撞风险较大时，系统会通过自动制动来避免碰撞或减轻碰撞强度。AEB 虽然可以避免碰撞事故或降低碰撞有效速度，但同时也导致乘员出现身体前倾离位的现象，这种离位减小了约束系统的保护空间，尤其当乘员的初始坐姿处于离位状态的情况下，AEB 制动将进一步加重离位程度。因此，本文中对制动工况下的乘员离位位移及损伤情况进行研究，分析不同波形状态下乘员离位的特征，结合主动式安全带，探究预紧时刻和预紧力对离位位移的影响，利用响应面方法对乘员离位位移情况进行优化。

1 制动下乘员离位研究

1.1 离位姿态确定

为探究制动工况下的乘员离位情况，运用实车制动试验采集志愿者离位数据。实车试验通过制动机器人对车辆制动进行精确控制，志愿者按照 50 百分位体征进行筛选，入选的男性志愿者身高和体质量分别为 177.5 cm、76.8 kg。在主驾位置进行制动工况下志愿者离位数据采集，座椅和安全带调整到志愿者舒适的位置［2］。试验前分别在志愿者的头部、颈部、胸部和手肘位置粘贴标记点，并通过高速摄像机拍摄志愿者的离位视频（图1）。

图1 试验前后驾驶员乘坐姿态

在测试过程中，志愿者要求在放松的状态下握住转向盘，手臂以正常的弯曲状态驾驶。通过辅助机器人控制车辆油门和制动踏板，使车辆平稳加速至规定的速度，然后进行减速制动，测试以15 min作为测试间隔。

第1 组测试旨在验证制动机器人对车辆制动控制的精度。在 30 km/h 初始速度下，以 0.7g减速度进行制动。6 次减速度制动曲线如图2 所示。可以看出车辆减速度具有较好的一致性。

图2 30 km/h初速度下的制动减速度曲线

第2 组测试旨在研究制动减速度对驾驶员离位的影响。在 C-NCAP 紧急制动系统 CCRs 工况测试中，规定了3 种测试初速度［2］。本次研究以初始速度中值 30 km/h 进行测试。图3 为试验中采集获得的车辆制动减速度曲线，分为 0.6g、0.7g和 0.8g3个水平。可以看出，随着峰值制动减速度的增加，制动时间变小。图4 为两名志愿者在不同制动减速度下颈部前向位移。可以看到在安全带被锁止前，随着制动减速度的增加志愿者颈部前向位移量也会有一定的增加。

图3 3种不同制动减速度曲线

图4 不同制动减速度下的颈部前向位移

第3 组测试旨在研究初始速度对驾驶员离位的影响。车辆初始速度分别为 20、30、40、50 和60 km/h，以 0.7g的相同减速度制动。图5 为制动减速度曲线。图5 表明，制动时间随初始速度的增加而增大。

图5 不同初始速度下的制动减速度

图6 为两名志愿者在不同初始速度下颈部前向的最大位移量，表明随着初速度的增加，安全带约束时间持续增加，但志愿者颈部前向位移峰值并未出现明显增加。试验中乘客前倾时安全带拉力约300 N，远低于安全带 3.5 kN 的限力值，安全带在锁定后无法拉出，导致乘员上躯干被安全带牢牢束缚。

图6 不同初始速度下的颈部前向位移

上述试验结果表明：在实车制动过程中，驾驶员出现不同程度的离位情况；相同试验设置下，不同志愿者之间颈部前向位移存在一定差异，可能与志愿者肌肉反应相关；在不同的初速度和不同的制动减速度水平下，志愿者颈部最大前向位移量在100～160 mm 范围内。

1.2 乘员离位损伤

为进一步研究乘员离位姿态下的伤害特征，运用滑台试验进行乘员离位前后伤害数值对比分析。在滑台试验中放置 Hybrid III50th 假人，选用50 km/h 的正面碰撞减速度典型波形。座椅位置按照 C-NCAP 2018 版正面碰撞试验的要求进行调整，如表 1 所示［3-4］。按照实车约束系统参数设置，安全气囊、安全带点爆时刻分别设置为 25和19 ms，安全带限力等级设置为3 kN。由于实车制动试验中颈部位移最大约为160 mm，为评估最大离位风险，选择正常姿态和颈部前移 160 mm 姿态进行试验。

表1 座椅位置

滑台试验过程对比如图7 所示。处于离位状态的假人位置相对靠前，在试验过程中较早与尚未完全展开的气囊发生接触。以 C-NCAP 高性能限值为基础对假人伤害值进行归一化处理，正常坐姿和离位坐姿的假人伤害对比如图8 所示。除颈部拉伸力Fz和胸部 VC 外，假人离位坐姿下头部、颈部和胸部评价指标均呈现增加的趋势。其中颈部剪切力Fx和颈部伸张弯矩My增加幅度较大，给假人颈部带来更为严重的损伤。因此得出制动状态下乘员前倾离位现象约束了约束系统作用空间，使其保护效能下降，导致头部、颈部和胸部均有损伤增大的风险，其中颈部损伤增加更为严重。

图7 滑台试验侧视图

图8 假人损伤特征对比

为对比假人离位和约束系统参数对乘员伤害程度的影响，设计三因素、两水平正交试验表 L4（23）进行试验分析。3 个因素分别为气囊点火时间、安全带点火时间和乘员初始状态。其中，气囊点火时间两个水平分别为 25 和 20 ms，安全带点火时间两个水平分别为19 和 14 ms，乘员初始姿态分别为正常姿态和颈部向前 160 mm 姿态，如表 2 所示。

表2 正交试验表

正交试验极差分析法能反映因素对试验指标的影响程度，公式为

因此，以C-NCAP 高性能限值为基础，依据Hybrid III 50th 假人伤害值归一化数据，利用极差分析法对不同影响因素下的假人伤害指标进行灵敏度分析，如图9和图10所示。相对于气囊、安全带点火时间，乘员离位因素对头部 3 ms 加速度、颈部剪切力Fx和颈部拉伸力Fz影响较大，对头部HIC36、胸部压缩量和胸部 VC 的影响较小。其中，乘员离位对颈部剪切力Fx影响最为明显。对于乘员初始离位姿态，碰撞过程中由于躯干的前向运动和气囊充气展开过程影响叠加，使颈部受到较大后向载荷，导致颈部损伤的增加。综上得出相对于头部、胸部的损伤，颈部损伤对初始离位状态更为敏感，应在乘员离位保护时予以重点考虑。

图9 假人伤害正交试验结果

图10 影响因素相关性分析

2 乘员离位影响因素分析

针对制动工况下乘员离位会增大碰撞试验中损伤风险，建立仿真模型对乘员离位影响情况进行系统化分析。由于主动人体模型 HBM 通过调节肌肉的紧张程度可以很好模拟乘员在真实制动下的运动响应［5-8］，因此在 MADYMO 软件中建立制动工况下的主动假人仿真模型，通过调整颈部、脊柱和臀部肌肉张紧程度，使主动人体模型模拟真实人体的运动响应。其乘坐环境包括座椅、安全带、转向管柱、地板和仪表板等，并采用图2 所示的实车减速度制动波形进行输入。经过仿真分析，制动工况下的乘员位移情况如图11和图12 所示。乘员颈部最大位移为133 mm，与实车制动试验中颈部位移126 mm 接近，运动趋势相符，验证了仿真模型的有效性。

图11 离位试验仿真分析

图12 仿真与实车试验中颈部位移对比

实车制动波形参数主要有制动减速度峰值、制动减速度波形梯度和峰值持续时间。为探究这3 个参数对乘员离位的影响，分别设置单因素影响变量进行仿真分析。对于制动减速度峰值分别取 0.4g、0.7g和 1.0g3个水平（图13）；对于制动减速度达到同一峰值梯度时间分别为0.2、0.3 和0.4 s（图14）；对于同一制动减速度峰值持续时间分别取 0.6、0.8和1.0 s（图15）。得到对应制动减速度与乘员颈部位移关系，如图16～图18 所示。由图可知：当制动减速度峰值单一变量改变时，乘员颈部最大位移随制动减速度峰值的增大而增大；当制动减速度峰值一定，乘员前倾位移随梯度的增大而增大，但最大位移基本相同；制动减速度峰值一定时，持续时间达到一定数值后，乘员前倾最大位移不变。通过上述分析表明，乘员前倾最大位移与制动减速度峰值相关，当制动初始速度超过一定数值后，乘员前倾的最大位移是一定的，与到达制动减速度峰值的快慢无关。

图13 不同制动减速度峰值取值

图14 制动减速度达到同一峰值梯度时间取值

图15 同一制动减速度峰值持续时间取值

图16 不同制动减速度峰值下的乘员颈部位移

图17 不同制动减速度峰值梯度下的乘员颈部位移

图18 不同减速度峰值持续时间下的乘员颈部位移

3 乘员离位参数优化改进

目前，应对制动工况造成的乘员离位前倾，主动式安全带逐渐开始装配在车辆中，它能有效消除安全带松弛量，减少乘员离位位移，使乘员保持正常姿态。为研究不同主动式安全带参数对乘员离位的影响，在 MADYMO 仿真模型中建立主动式安全带模型。采用主动式安全带进行了实车制动下的人体位移采集［9-12］。主动安全带预紧力设置为170 N，作用时间为制动前 200 ms，试验中采集了真实人体在制动和主动安全带作用下的位移，并推出了对应的测试上限、下限和平均值。在仿真模型中设置实车试验参数和实车制动波形，并调整安全带的性能参数。经过仿真计算，得到主动安全带作用下的乘员仿真位移。胸部碰撞方向位移仿真数据和实车试验数据的对比如图19 所示。仿真数据在试验数据上限和下限之间，且接近试验平均值，说明主动式安全带仿真模型具备良好的有效性。

图19 仿真与试验胸部碰撞方向位移对比

主动式安全带主要设计参数为预紧力和预紧时刻，为减小乘员离位位移，需对这两个参数进行优化设计。为有效约束乘员前倾，预紧力一般设计范 围为 100～400 N；考虑到乘员的接受度，预紧时间一般为制动前、后的瞬间，设置为制动前 200 ms 至制动后 100 ms 的范围内。待优化的仿真模型中，制动波形采用图13 中峰值为 1.0g的波形，制动在200 ms时开始作用，以颈部位移量最小为目标，预紧力和预紧时间参数为变量，开展优化设计。

对于多参数变量，运用CCD 响应面设计法，通过对过程的回归拟合和响应面绘制，在各因素水平基础上，找出预测最优值与对应条件。CCD 设计表是在两水平析因设计的基础上加极值点和中心点构成，具备有序连贯的特点。因此，在确定好参数范围后，采用中心复合试验设计（central composite design，CCD）的方法进行抽样，共须提供 13 组仿真试验数据，将颈部位移输入到对应位置，结果如表 3 所示。在这些数据基础上，建立CCD 响应面模型（图20）。从响应面模型中提取单因素变量曲线，得出颈部位移与主动式安全带预紧力、预紧时间的关系，如图21和图22 所示。

图20 颈部位移量响应面模型

表3 CCD 方法抽样的仿真试验矩阵

由图21 和图22 可知，当预紧时刻一定时，预紧力越大，乘员向前的颈部位移越小，呈负相关关系；随着预紧时刻的延迟，颈部位移和预紧力关系曲线的变化梯度逐渐增大；当预紧力一定时，在预紧时刻处于前 100 ms 的范围内，颈部位移变化较小，超过100 ms 后预紧时刻越是延迟，乘员颈部前向位移越大，两种呈现正相关性。预紧力较小时，预紧时刻对颈部位移影响较大；预紧力较大时，预紧时刻对颈部位移影响较小。综合两因素变化的影响，通过响应面模型进行优化设计，得出在预紧时刻57.43 ms，预紧力 400 N 时，乘员颈部前倾位移最小值为 75.82 mm。

图21 颈部位移-预紧力的关系

图22 颈部位移-预紧时刻的关系

4 结论

通过对制动工况下的乘员离位损伤、离位影响因素和离位状态优化研究，得出以下结论。

（1）结合乘员制动状态下的离位数据，利用滑台试验对比得出，制动状态下的乘员前倾离位减小了约束系统的作用空间，导致约束系统的保护效能下降，头部、颈部和胸部均有损伤增大的风险，其中离位状态导致颈部损伤增加更为严重。通过滑台正交试验分析，得出相对于头部和胸部的损伤，颈部的损伤对初始离位状态较为敏感，应在乘员离位保护时予以重点考虑。

（2）建立了 MADYMO 主动人体仿真模型，采用单变量方法分析制动减速度峰值、制动波形梯度和峰值持续时间对乘员离位的影响，得出乘员前倾最大位移与制动减速度峰值相关，当制动初始速度超过一定数值后，乘员前倾的最大位移是一定的，与到达制动减速度峰值的快慢无关。

（3）通过建立主动式安全带仿真模型，采用CCD 中心复合试验设计方法，建立了乘员颈部离位位移相对主动安全带预紧力和预紧时刻的响应面模型。当预紧时刻一定时，预紧力越大，乘员向前的颈部位移越小，呈负相关关系；当预紧力一定时，在预紧时刻处于前 100 ms 的范围内，颈部位移变化较小，超过 100 ms 后预紧时刻越延迟，乘员向前的颈部位移越大，呈正相关关系，通过响应面分析得出了最优的调整方案。