AEB对前碰假人运动姿态影响研究

郝毅，韩菲菲，杨帅, 李根

(中国汽车技术研究中心有限公司，天津 300300)

0 引言

近年来，随着国内汽车产业的蓬勃发展，汽车已成为人们日常生活中不可缺少的一部分。然而汽车在给人们带来便利的同时，其交通事故也给人们带来了身体和精神上的痛苦以及财产上的损失，道路交通事故已成为当今世界主要的公共交通问题。

随着主动安全技术不断创新和提升，证明了怎样避免车辆碰撞失控等才是解决事故发生的关键[1-2]。因此，为了进一步提高道路交通安全，帮助驾驶员减少错误操作，以紧急制动系统( Autonomous Emergency Brake，AEB)为代表的主动安全技术逐渐得到重视和发展。AEB系统是汽车行驶在危险工况下发出的预碰撞警告并且关键时刻采取紧急制动措施的主动安全系统，主要适用于追尾工况，以弥补驾驶员制动过慢或制动力不足[3]。AEB被认为是现阶段可以防止因驾驶员疏忽或者前车紧急制动造成碰撞伤害最有效的功能系统之一[4]。目前我国实施的2018版的C-NCAP，已将AEB纳入新车主动安全的评价规程。Euro NCAP研究表明，AEB可以避免27%的碰撞事故，保护驾乘人员安全[5-6]。

主动安全技术的兴起，在为驾驶员和乘员提供更多安全保障的同时却在某些方面表现出了很强的设计矛盾，比如 AEB 系统开发设计与传统被动安全设计的兼容性[7-8]。传统的被动安全设计并不会考虑碰撞前的避撞行为造成的车辆和乘员响应。有研究机构的试验结果表明，在相同碰撞强度的前提条件下，带有 AEB 制动过程的正面碰撞比未经紧急制动的情况，乘员将受到更为严重的伤害。驾驶员由于在 AEB的作用下，受到纵向惯性力作用，将产生明显的纵向位移量，造成乘员偏离了被动安全设计中的正常坐姿位置，致使原本的约束匹配方案不能发挥最佳的约束效果，从而导致车内乘员伤害值的相对增加[9-10]。

本文作者首先对Hybrid III与THUMS两种假人模型的颈部、胸椎及腰椎进行三点弧简化，在此基础上，通过搭建驾驶员有限元约束系统模型，分析了正面碰撞中，两种假人模型颈部、胸椎及腰椎旋转运动的区别，并进一步研究了AEB作用对于两种假人模型运动姿态的影响。

1 假人三点弧模型简化

正面碰撞中，假人主要运动方式为XOZ面内运动。分别将Hybrid III 50th假人与THUMS模型的颈部、胸椎与腰椎在XOZ平面内进行三点弧简化。如图 1所示，以Hybrid III 50th假人颈部为例进行说明。沿颈部轴向，分别取顶面中心点PUpNeckH、中面中心点PMidNeckH以及底面中心点PLowNeckH，颈部顶面中心点绕中面中心点旋转角度X向分量为θ2NeckH, 颈部中面中心点绕底面中心点旋转角度为X向分量为θ1NeckH，颈部上端与下端分别为L2NeckH和L2NeckH，颈部夹角为βNeckH。按照同样的方法，可以将THUMS模型的颈部、胸椎及腰椎进行三点弧简化。

图1 Hybrid假人颈部、胸椎与腰椎三点弧简化图

2 正面碰撞约束系统模型建立

约束系统模型是在整车模型的基础上建立的，正面碰撞约束系统模型主要包括地板、地毯、搁脚板、踏板、仪表板、A柱、B柱、气囊、座椅、安全带、方向盘、转向管柱等主要部件。在碰撞过程中，通过各零部件之间的协同工作，约束乘员运动，从而减小二次碰撞对人体的伤害。利用Hybrid III假人搭建驾驶员有限元约束系统模型，在此基础上，用THUMS模型替换Hybrid III假人，并对THUMS假人各部位进行姿态调整，确保两假人模型坐姿一致。重新调整座椅压痕并更新座垫和靠背泡沫的预应力，重新调整安全带初始姿态，更新THUMS假人与车体和约束系统零部件之间的接触，完成约束系统模型搭建，并设置输出假人简化模型中定义的颈部、胸椎与腰椎顶面中心点、中面中心点及底面中心点的运动信息。Hybrid III假人与THUMS假人驾驶员约束系统模型对比如图3所示，假人乘员空间部分数据对比如表2所示。

图2 Hybrid III假人与THUMS假人驾驶员约束系统模型对比

表1两假人关键部位乘员空间数据对比

鼻尖到方向盘中心/mm胸部到方向盘中心/mm腹部到方向盘下缘/mm左脚跟到前座椅横梁/mm右脚跟到前座椅横梁/mm下巴到肩带上沿垂直距离/mmHybrid III451.5354.2247.8335.6350.2100.3THUMS456.2359.0250.3340.6354.9102.5偏差/%1.01.31.01.51.32.1

3 无AEB作用下假人运动姿态对比

3.1 假人与车体相对位置对比

碰撞过程中，两假人胸部距离方向盘的距离(CWC)、腹部距离方向盘下轮缘中心的距离(AWL)及骨盆相对车体向前滑移量(HV)对比如图3所示。可以看出碰撞过程中两假人胸部、腹部及骨盆相对车体的位置基本相同。

图3 不同碰撞速度下，CWC、AWL及HV对比

3.2 颈部、胸椎及腰椎夹角变化对比

两假人在碰撞中颈、胸椎及腰椎夹角变化如图4所示，可以看出两假人颈部及腰椎初始夹角有一定区别，随着碰撞过程的进行，差异逐渐降低。Hybrid假人胸椎为刚体，在碰撞过程中夹角不发生变化，THUMS假人胸椎夹角整体呈现先减小后增大的趋势，与Hybrid假人相比，变化幅度为9%。总体来看，正常碰撞工况并且无AEB作用下，两种假人颈部、腰椎及胸椎夹角变化基本一致。

图4 不同碰撞速度下，颈、胸椎及腰椎旋转运动对比

4 AEB作用对于假人旋转运动的影响

正面碰撞过程中，在AEB作用下，乘员受到纵向惯性力的作用，将产生明显的纵向位移量，从而使乘员偏离了被动安全设计中的正常坐姿位置，乘员的颈部、胸椎及腰椎也不再保持原始状态，而是产生相应的旋转运动。

4.1 AEB设计工况矩阵及加载速度曲线对比

在碰撞速度为50 km/h的正碰工况中，添加AEB作用，其初始速度、AEB介入时刻及AEB减速度如表2所示，两种工况速度曲线如图5所示。

表2 工况参数

图5 两种工况速度曲线对比

4.2 AEB对于Hybrid假人运动姿态的影响

AEB对于Hybrid假人颈部、胸椎及腰椎夹角的影响如图6所示。在AEB作用过程中，假人颈部夹角在AEB作用初期逐渐减小，并在达到最小值后基本保持不变，颈部夹角变化幅度为3.6%。假人胸椎为刚体，在AEB作用过程中夹角保持不变。假人腰椎夹角随着AEB作用时间越长而逐渐增大，增大斜率逐渐减小，AEB作用结束时，腰椎夹角增大26.4%。整体来看，AEB对于Hybrid假人颈部与胸椎夹角影响较小，对于腰椎夹角有较大影响。

图6 AEB作用下，Hybrid假人颈部、胸椎及腰椎夹角变化对比

AEB作用前后，Hybrid假人躯干整体运动姿态对比如图7所示。可以看出，AEB作用前后，Hybrid假人骨盆未发生明显前移现象，假人躯干绕骨盆向前旋转，头颈部相比初始位置有较大前移量，胸部区域相比初始位置变化幅度较小。

图7 AEB作用前后，Hybrid假人躯干前倾情况对比

4.3 AEB对于THUMS假人运动姿态的影响

AEB对于THUMS假人颈部、胸椎及腰椎夹角的影响如图8所示。假人颈部夹角在AEB作用过程中呈现先增大后减小的趋势，变化幅度为20.6%；假人胸椎夹角与腰椎夹角在AEB作用过程中均呈现先减小后增大的趋势，胸椎夹角变化幅度为3.0%，腰椎夹角变化幅度为4.4%。整体来看，AEB对于Hybrid假人胸椎与腰椎夹角影响较小，对于颈部夹角有较大影响。

AEB作用前后，THUMS假人躯干整体运动姿态对比如图9所示。可以看出：AEB作用下，Hybrid假人骨盆有一定向前滑移现象，相比Hybrid假人，THUMS假人存在更明显的前倾现象。

图8 AEB作用下，THUMS假人颈部、胸椎及腰椎夹角变化对比

图9 AEB作用前后，THUMS假人躯干前倾情况对比

5 结论与展望

主动安全的介入虽可以在碰撞事故中避免碰撞或者降低碰撞相对速度，但同时也会引起车内乘员出现一定的纵向离位现象，进而降低了原有约束系统的保护效能。如何改善或者消除 AEB 带来的乘员离位现象，最大程度地发挥主动安全 AEB 与被动安全约束系统的保护效能，成为汽车一体化安全系统的一个重要课题。

本文作者首先对Hybrid III与THUMS两种假人模型的颈部、胸椎及腰椎进行三点弧简化，在此基础上，通过搭建驾驶员有限元约束系统模型，分析了正面碰撞中，两种假人模型运动姿态的区别，并进一步研究了AEB作用对于两种假人模型转动姿态的影响。从中可得出以下结论：

(1)无AEB作用，Hybrid与THUMS假人在碰撞过程中的整体运动姿态基本相同。

(2)AEB作用结束后，假人初始姿态发生变化，相比Hybrid假人，THUMS假人躯干前倾现象更明显，骨盆有更大的向前滑移量。

(3)AEB作用下，相比Hybrid假人，THUMS假人颈部夹角变化更明显，腰椎夹角变化较小。

此外，文中只分析正碰工况AEB作用对于假人颈部、胸椎与腰椎运动的影响，还可以进一步研究AEB作用对于假人其他部位运动姿态的影响，从而可以更好地指导车辆在主被动集成安全性能方面的设计，提升车辆的安全性能。