基于加速滑台的主被动融合试验方法研究*

周大永 李月明 王鹏翔 张伟 祝贺

（吉利汽车研究院（宁波）有限公司，宁波 315336）

主题词：主被动融合 自动紧急制动 第50百分位THOR假人 加速滑台

1 前言

当前，自动紧急制动（Autonomous Emergency Braking，AEB）系统已逐渐成为乘用车辆的标配，但AEB系统执行制动时，会导致乘员离位，基于正常坐姿开发的约束系统的保护功能会受到影响[1]。因此，在《CNCAP路线图（2022～2028）》中，规划新增主被动安全一体化的虚拟测评：在AEB 系统介入导致的乘员离位碰撞（主被动融合）工况中，考核乘员离位状态下发生正面碰撞的损伤情况，并考虑将该考核作为加分项于2025年实施。另外，采用主动预紧式安全带被认为是现阶段碰撞前约束乘员向前离位的最直接有效的手段[2-5]，因此，路线图中将其作为加分项，并拟在测评中采用第50百分位THOR 男性（THOR 50th）假人。在此情况下，孙振东[6]、郝毅[7]等人研究了AEB 系统制动对第50 百分位THOR 假人乘坐姿态的影响。文献[6]对提取得到的参数进行正态分布统计分析，得出在最大制动减速度的分布图中，制动平均减速度为7.6 m/s2，并指出制动加速度越大，离位程度越大。商恩义等[8]研究了在AEB系统制动下主动预紧式安全带限制乘员离位对乘员胸部伤害的影响。滑台试验在约束系统开发过程中必不可少，针对主被动融合条件下的滑台试验，刘东春等[9]提出了提取实车AEB 系统制动下假人姿态作为加速滑台试验中假人初始摆放姿态的方法，但并未论证其可行性。第50 百分位THOR 假人是第50 百分位Hybrid Ⅲ假人的升级版[10]，本文结合当前AEB 系统制动控制策略的研究成果[11-14]，在一级制动减速度条件下，制动减速度选取8.0 m/s2，通过仿真及加速滑台试验研究第50 百分位THOR 假人离位姿态与时间的关系及其影响因素，探讨基于加速滑台进行主被动融合试验的可行性。

2 AEB 系统制动下第50 百分位THOR 假人离位研究

本文仿真研究8.0 m/s2制动减速度下，不同安全带上导向环摩擦因数及不同骨盆角度对第50 百分位THOR 假人离位的影响。《C-NCAP 管理规则（2021 年版）》附录A 中，在第50 百分位THOR 假人安放部分指出假人骨盆角度应在33°±2.5°范围内。因此，搭建简化的仿真模型如图1 所示，进行3 次仿真研究，分别用C1、C2 和C3 表示。C1～C3 中，安全带上导向环摩擦因数分别为0.1、0.2、0.1，骨盆角度分别为30.6°、30.6°、34.6°。

图1 AEB系统制动假人离位研究仿真模型

针对仿真结果进行加速滑台验证，加速滑台假人初始状态如图2所示，假人骨盆角度为32.3°，安全带佩带位置与仿真设置相同。

图2 加速滑台假人初始状态

仿真及试验中，建立假人坐标系：x向为前后方向，y向为左右方向，z向为上下方向。对于加速度，x向前为正、y向右为正、z向下为正。对于上颈部载荷，头向后、胸向前，Fx为正；头向左、胸向右，Fy为正；受拉时Fz为正。对于假人胸部变形量，受压为正。对于台车，x向为前后方向，向前为正。对于假人运动位移，x向前为正、y向左为正、z向上为正。

2.1 安全带肩带作用力的影响

设xh、zh分别为假人头部x向和z向位移，xs、zs分别为肩部x向和z向位移，xp、zp分别为骨盆x向和z向位移。C1和C2仿真完成后，头部质心、肩部、骨盆位置位移及肩带力如图3 所示，2 次仿真中安全带肩带力及对应的各位置位移均基本重合。该结果表明：安全带肩带力作用较弱，上导向环摩擦因数变化对安全带肩带作用没有影响，对假人离位也不会产生影响；假人在离位过程中上半身有晃动，骨盆位移量较小：骨盆x向位移在第55 ms时刻达到8 mm，后期稳定在8～9 mm范围内。

图3 C1和C2仿真结果对比

2.2 骨盆角度的影响

C1 和C3 仿真完成后，安全带肩带力及头部质心、肩部、骨盆位移如图4所示，C3肩带力在第260 ms时达到最大值62 N，与C1 相比，推迟了30 ms，最大值小了84 N。假人各对应位置的x向最大位移基本相同，出现时刻相差30 ms。C3中复位后的最小位移更小，出现时间更晚。对于z向位移，C1中初始重力作用产生的下沉冲击偏大，但随后的稳定性相对C3 更好。图4 表明，AEB 系统作用下，骨盆角度对乘员离位程度没有影响，只是相对z轴，躯干后倾角度越大，达到幅值时间越晚，并进一步表明乘员离位受安全带作用力差异影响较小。

图4 C1和C3仿真结果对比

2.3 加速滑台验证

以8.0 m/s2制动加速度进行加速滑台试验S1，受设备能力所限，AEB系统制动模拟时间定为600 ms。试验中，动态跟踪采集假人头部质心和肩部标记点的x向和z向位移。试验后，S1和C1头部和肩部位移对比如图5所示。x向的位移具有同步性，幅值接近。对于z向位移：S1中，第305 ms时刻，头部最大z向位移zhmax=13 mm，肩部最大z向位移zsmax=-18 mm，颈部拉伸约31 mm。C1仿真中，颈部最大压缩量出现在第225 ms 时刻或第305 ms 时刻：第225 ms 时刻，zs=2 mm，zh=-14 mm，颈部压缩16 mm；第305 ms 时刻，zs=-4 mm，zh=-21 mm，颈部压缩17 mm。即，仿真中颈部表现为受压，最大压缩量为17 mm，滑台试验中颈部表现为受拉，最大拉伸量为31 mm。其原因在于，仿真模型中假人摆放时，座椅只是预压变形，并不能模拟出应有的内部应力，故在较小系统加速度下，假人模型受重力场影响将会产生明显下沉现象，当躯干下沉后复位时，头部对颈部产生轴向压力。

图5 C1和S1结果对比

2.4 结果讨论

在AEB系统制动下，乘员在x向离位达到最大值后会进入复位过程，随后会产生小幅波动。汇总AEB 系统仿真和滑台模拟结果如表1 所示，其中xhmin、xsmin分别为头部和肩部复位后的x向最小位移。

表1 中，S1 中假人离位程度均大于2 次仿真结果，且最大位移和最小位移出现的时间均晚于C1和C3，但仿真和滑台试验中假人的整体离位过程基本相同，仿真结果能够反映真实的AEB 系统制动导致的乘员离位情况。在仿真和滑台试验中，xh和xs在达到幅值复位后均处于波动过程，其中：xhmax、xsmax均出现在第300 ms前，第300 ms 时刻位移与离位最大位移接近，相差不超过5 mm；xhmin、xsmin均出现在第400 ms后，仿真中，乘员后倾角度越大，最小位移越小，最小位移出现时间越迟，第400 ms 时刻乘员头部和胸部位移分别接近xhmin和xsmin，且与离位稳定后的位移接近，仿真中第400 ms 时刻位移与第1 000 ms时刻位移相差均不超过10 mm。

3 基于加速滑台的主被动融合试验方法研究

在C-NCAP 路线图规划的主动预紧式安全带测评方案中，台车制动后至少以30 km/h 的速度发生碰撞。文献[8]中，减速滑台速度由64 km/h通过模拟AEB系统制动降至50 km/h 后再模拟实车50 km/h 正面碰撞过程。基于此，进行主被动融合试验方法研究，确定在模拟AEB系统制动后能进行50 km/h正面碰撞试验。

当前，加速滑台试验系统有气动和液压2种作动方式，受推杆行程及推杆伸出后压力衰减所限，模拟AEB行程不宜过长。加速度为8.0 m/s2的条件下：加速时间为300 ms时，行程为360 mm，当前加速滑台试验系统均可满足要求；加速时间为400 ms 时，行程为640 mm，推力低的气动加速滑台可复现通常的正面碰撞试验减速度曲线，而推力较大的滑台均可满足要求。因此，结合表1，以某款车驾驶员侧假人为研究对象，确定3次仿真方案。3次仿真分别用CV1、CV2和CV3表示。CV1中，以8.0 m/s2的加速度加速300 ms，而后模拟实车50 km/h正面碰撞。CV2中，以8.0 m/s2的加速度加速400 ms，而后模拟实车50 km/h 正面碰撞。CV3 中，车辆初始速度为64 km/h，以8.0 m/s2的减速度降至50 km/h，而后模拟实车50 km/h 正面碰撞，则CV3 中AEB 模拟时间为496 ms。3次仿真中均采用第50百分位THOR假人，模型设置完全相同。

表1 AEB仿真与试验结果

3.1 仿真动画对比分析

以50 km/h正面碰撞开始时刻为0时刻，3次仿真动画对比如图6所示，以假人H点为基点向上画出头部安装孔参考线。在0时刻，CV1～CV3的乘员均处于离位后的复位过程中，复位程度依次增加。在第40 ms时刻，气囊展开过程中有扫脸风险。在第50 ms时刻，CV1～CV3中假人头部与气囊接触时刻有递进过程。第90 ms时刻，假人胸部与气囊有明显的接触过程（左侧手臂已隐藏）。

图6 3次仿真动画对比

3.2 头部外力加速度对比分析

研究3 次仿真中假人头部所受外力作用产生的外力加速度。正面碰撞试验中，主要研究x向和z向力。依据头部质量4.5 kg和假人头部x向和z向加速度、颈部x向和z向载荷，计算假人头部x向和z向外力加速度如图7所示[15-16]，axo、azo分别为假人头部x向和z向受到的外力产生的加速度。

图7 3次仿真中假人头部x向和z向外力加速度

第50 百分位THOR 假人头部后方有2 根钢索与颈部下方相连，在AEB 系统制动下，当头部相对颈部产生离位运动时，钢索将约束头部，对头部产生外力加速度。图7 中，以AEB 系统制动开始时刻为0 时刻，3 次仿真在AEB 制动阶段由钢索作用产生的头部外力加速度具有同步性，在制动约220 ms 时刻钢索的作用最强，而后随着制动时间的延长而减弱。以50 km/h 碰撞开始时刻为0 时刻，3 次仿真中头部azo较小，且基本相同。头部axo总体趋势接近，第40 ms 前后没有尖峰产生，表明在气囊展开过程中未发生扫脸现象。3条axo曲线中，CV1-axo下降最快，但所围面积最小。CV2-axo与CV3-axo同步性较好，但峰值略低。对比结果表明，头部与气囊的接触越早，保护效果越好，AEB 系统制动时间越长，头部波动越小，离位程度越接近，正面碰撞中头部伤害程度越相近。

3.3 颈部弯矩对比分析

3 次仿真中假人上颈部y向弯矩My如图8 所示，以AEB系统制动开始时刻为0时刻，在AEB制动阶段颈部My变化过程基本相同，在制动后约第220 ms时刻正向My最大。以50 km/h 碰撞开始时刻为0 时刻，CV1～CV3 中气囊作用产生的伸张弯矩具有同步性，幅值接近、递减。

图8 3次仿真中假人上颈部My

3.4 胸部变形量对比分析

第50百分位THOR假人的胸部变形量共有4个测量点，分别为左上、左下、右上、右下。3次仿真中，最大的变形量均发生在左上位置。假人左上胸部变形量d的测量结果如图9所示，以AEB系统制动开始时刻为0时刻，在AEB制动阶段d的变化过程基本相同，在制动至约380 ms后胸部的变形量开始减弱。以50 km/h碰撞开始时刻为0时刻，CV1～CV3中d的变化过程具有同步性，且幅值接近、递增。

图9 3次仿真中假人胸部变形量d

3.5 胸部变形量差异原因分析

3次仿真中提取到的安全带肩带力B3如图10所示，AEB 系统制动过程和正面碰撞过程中安全带肩带作用过程均基本同步，且碰撞过程中的肩带力幅值基本相同，该结果表明CV1～CV3 中d幅值递增非安全带作用力产生变化所致。

图10 3次仿真中安全带肩带力B3

相关研究表明[17-19]，第50百分位THOR假人胸部刚度与安全带肩带力作用密切相关，即在假人近似向前平动过程中，胸部变形量与刚度的乘积与安全带肩带力变化存在同步性，且假人躯干直立或前倾，安全带肩带合力作用点越靠近肩部，胸部刚度越大。当假人后倾时，安全带肩带合力作用点越靠近胸部肋骨下沿，胸部刚度越小。设k为假人胸部刚度，建立3次仿真中B3与kd的比较关系如图11所示，d1、d2和d3分别为CV1～CV3中胸部变形量，当CV1～CV3 中k分别取120 kN/m、116 kN/m和110 kN/m时，B3与kd的变化过程均具有同步性，且幅值基本相等。以50 km/h碰撞开始时刻为0时刻，3次仿真中，碰撞中安全带肩带限力前胸部变形量的变化过程在第20～60 ms，而图7 中，通过参考线可确认在此过程中假人上躯干的向后倾斜角度以CV1 最小，CV3 最大。CV1～CV3 中d幅值递增是由假人上躯干后倾角度递增使得安全带肩带作用过程中胸部刚度递减所致。

图11 3次仿真中B3与kd比较

4 结束语

本文通过仿真研究了AEB制动过程通过加速滑台以加速方式复现的可行性及在8.0 m/s2制动下，不同制动时长和不同模拟方式下第50百分位THOR假人的离位情况，以及AEB 制动后发生正面高速碰撞的伤害情况。结果表明，当制动模拟时间超过300 ms 时，在对AEB实际减速时间进行缩减处理后，主被动融合试验可以通过加速滑台试验系统进行。试验中，若假人上半身的离位位移量偏大，则对头部和胸部造成的伤害略偏低，并使颈部My略偏高。因此，缩减时间越少，安全气囊对头部的保护作用、假人胸部刚度表现与减速滑台试验下的结果将越接近。