制动工况中乘员动态响应分析及主动预紧安全带效能评价_胥林立(1).pdf

振动与冲击 第 卷第 期 基金项目 汽车噪声振动和安全技术国家重点实验室 年度开放基 金课 题 重 庆 理 工 大 学 研 究 生 创 新 项 目 收稿日期 修改稿收到日期 第一作者 胥林立 男 硕士生 年生 通信作者 胡远志 男博士教授硕士生导师 年生 制动工况中乘员动态响应分析及主动预紧安全带效能评价 胥林立 王振飞 胡远志 徐紫红 曾宪菁 重庆理工大学车辆工程学院重庆 天合汽车科技上海有限公司上海 泛亚汽车技术中心有限公司上海 摘要主动控制卷收器 可减少乘员在制动时的位移和碰撞中的损伤风险但国内相关试验较为匮乏因 此为探究紧急制动时 对乘员离位现象的影响针对名男性志愿者开展了初始速度为 的紧急制动试验 定量测定并分析了 与普通卷收器下的志愿者运动响应和安全带物理参数为 的进一步研发提供数据参考结 果表明在 的作用下志愿者头部和 位移分别减小 和 制动阶段的织带拉出量减少 制动结 束时织带回拉量增加 运动速度峰值和安全带力则无明显变化此外试验分析结果还显示志愿者位移头部肩 部和 位移与肩带力高度正相关 关键词主动安全带紧急制动乘员动态响应志愿者实车试验 中图分类号 文献标志码 在正面碰撞和追尾碰撞事故中近一半的驾驶员 曾采取过紧急制动行为制动引起的乘员前向离位 将削弱传统约束系统的防护效果甚至会加大乘员的 损伤风险 主动安全带可以改善乘员在制动阶段 的离位响应它主要由传统安全带结构直流电机以及 传动机构组成具有可逆预紧和紧急锁止的功能 传统安全带一直是约束系统中的主要研究对象 通过对其相关参数的优化匹配可以提高车辆的安全 性能给乘员提供更好的安全保护 但随着近年主 被动安全集成技术的发展主动安全带也成为了研究 热点之一学者们通过计算机仿真假人试验以及志愿 者试验对其开展了大量研究相关研究表明主动预 紧的介入有利于减少制动阶段的织带松弛量进而大 幅降低人体上身尤其是头颈胸等部位的纵向离 位 同时主动预紧还能提高碰撞阶段的 效率并降低人体损伤 其中预紧力和预 紧时间是影响乘员损伤的关键参数通过仿真技术可 以对其进行优化匹配而在志愿者试验中根据志愿者 的主观感受又可从预紧力预紧频次和预紧噪声等方 面提高主动安全带的使用接受度 在制动阶段安全带与乘员的相互作用较为复杂 对乘员动态响应准确定量的测试有助于评估主动安全 带的防护效果志愿者实车试验综合考虑了真实行车 环境车体动力学响应和乘员动态位移等诸多因素能 最大限度地还原或模拟碰撞前的紧急制动事件是较 为理想的研究手段 目前国外的汽车制造商和零部件供应商如日 产奥托立夫等的主动安全带已投入使用但部分志 愿者实车试验 还是基于自动制动装置来进行的 与驾驶员的制动模式有所区别国内的相关产品尚处 于试制阶段相关试验又较为匮乏 且相关数据 未被系统罗列出针对上述问题本文通过志愿者实 车测试选用某款主动控制卷收器 考虑驾驶员的制动行为实时测定紧急 制动中副驾乘员的动态位移并评估 在改善乘员 离位方面的效果本文展示了系统全面的实车试验数 据可作为其他相关试验和后续仿真研究的参考分析 结果也可为 的后续研发提供数据支撑 试验设计 为研究驾驶员采取紧急制动行为时乘员的真实动 态响应以及 对乘员离位程度的改善效果本试验 主要对乘员位移安全带力和织带位移量进行测量其 中乘员位移包括头部位移肩部位移第一胸椎以下 简称 位移和肘部位移安全带力包括肩带力和腰带 力试验按 组和普通卷收器组进行每组对不同 志愿者进行多次重复试验 测试设备及安装 试验选取某款 作为试验对象如图所示该 产品在奔驰现代等部分高端车型上有搭载具有触觉 反馈可逆预紧和紧急锁止的功能该 系统可由 制动辅助系统 和电子稳定 控制系统 或者雷达 等传感器所采集的数据激活在主动预紧时电机通 过单向离合器带动卷轴卷收织带在危险信号解除时 离合器脱离卷轴安全带则可自由拉动通过三次 静态触发试验得到安全带力与时间的关系曲线 如图所示从安全带力上升到安全带力稳定时所需 时间约为 其稳定阶段的预紧力约为 试 验中 的安装位置与普通卷收器相同不同试验组 的环处于其可调节范围的中间位置 图试验用 产品图 图 模块试验曲线 整个试验过程通过个 相机 英寸 万像素记录其一安装在正对副驾乘员的风挡玻璃上 另一枚安装在右侧车窗玻璃与乘员头部相对的位置乘 员位移可通过视频追踪贴在乘员各部位的标志得到 位移由于难以在视频中测得因而通过安装在头枕与 乘员颈部间的 拉绳位移传感器记录安全带力分别 通过安装于志愿者右肩上方肩带和右侧腰带的力传感器 采集织带位移则通过安置于卷收器上方 的织带位移传感器 记录在整个试验过程中 车身速度和加速度信号通过总线分析工具 读取 信号获得 志愿者信息 本试验共招募名男性志愿者作为被试人员试验 中乘坐于副驾驶位置记录其在实车试验中的动态位移 名志愿者身体健康年龄体型相仿且身材近似于 百分位假人便于后期的仿真验证志愿者体格参数如表 所示整个试验中车辆的操纵加速和制动等均由同 一位驾驶员来完成保证制动模式的一致性从而减小不 同试验组因制动减速度差异造成的误差 表志愿者体格数据 志愿者 编号 年 龄 身高 体重 体质指数 志愿者 志愿者 第期胥林立等制动工况中乘员动态响应分析及主动预紧安全带效能评价 实车试验流程 在试验前对志愿者进行培训要求试验中驾驶员 每次制动的力度和速度保持一致副驾乘员应处于普 通乘坐状态即不得刻意绷紧或放松身体肌肉试验 选在晴朗的天气于宽阔平整的柏油路面上进行试 验中乘员以普通坐姿乘坐手自然放置在大腿上头 部轻靠头枕平视前方如图所示由驾驶员将车辆 提速至 并保持一段时间然后以最大制动力 制动直至车辆静止期间与副驾乘员无任何交流对 号志愿者号志愿者分别进行次次 试验和 次次普通安全带试验对于同一志愿者的重复试 验每次试验时间间隔为 以便于乘员身体恢复 到上次试验的初始状态 图志愿者坐姿 车体纵向加速度以均值加减个标准差 的形式展示如图所示其中粗线代表均值阴 影区域代表标准差范围由于不同志愿者对应加速度 的差异极小则仅将加速度分为 组和普通卷收器 组尽管两组试验的加速度略有区别但总体趋势一 致且二者在稳定阶段的加速度均值都约为持续时 间约为 图两种卷收器配置下的车体加速度 测试结果及分析 志愿者运动响应 如图所示以相机采集画面的左下角为原点每 一散点表示该部位头部或肩部在当前帧画面的所处 坐标散点密集处表示该部位当前速度较小反之则 反可知志愿者头部主要经历了向前加速向前减速 滞留向后加速和向后减速等运动阶段在向前加速 和向前减速阶段志愿者位置与时间的关系如图所 示可知从开始前移到其达到第一位移峰值所需时间 为 左右当头部处于向前减速阶段安全带力 和自身肌肉张力共同作用以至于放缓并最终阻止志愿 者躯干的前向运动并与乘员上身惯性力保持平衡 在最大减速度持续阶段头部在相对 发生小幅转动 后其惯性力和颈部肌肉张力保持动态平衡导致头部 在最大位移前约 的范围内晃动即滞留阶段 并持续 左右 图志愿者头部与肩部运动的运动轨迹图 图志愿者头部和肩部的前向运动 由于乘员在方向上的位移量远大于方向因 此选取水平位移作为乘员离位程度的度量值乘员的 动态位移如图所示将试验数据分为 组和普通 卷收器组并将不同志愿者的位移绘制在同一张图中 从图中可知除普通卷收器组的头部位移和肩 部位移不同志愿者的其他位移处于相似水平而 的提前预紧对三类位移的分布位置有明显的影响但 不改变其标准差对于 位移在达到第一个峰值 后躯干肌肉主动力和志愿者胸部处的肩带反力共同 作用使得 位移有所下降制动减速度后期的小幅上 升引起躯干惯性力的增大导致与肩带接触的部分人 体组织和衣物进一步压缩从而出现 位移上升甚至 超出第一峰值的情况这也是头部位移和肩部位移出 现类似趋势的原因之一 振 动 与 冲 击年第卷 图两种卷收器作用下两位志愿者的位移曲线 图为志愿者头部 肩部和肘部的最大位移箱 型图 组的肩部位移存在个异常值但并不影 响数据总体所有组别的离散系数如表所示可知 头部 和肩部位移量分布比肘部更集中且均值与中 位数的偏移量不大具有较好的代表性肘部由于运 动复杂最大位移分散因而在后续分析中不加考虑 图两种卷收器的最大位移对比 表两种卷收器的志愿者最大位移离散系数 部位 离散系数 组普通卷收器组 头部 肩部 肘部 值得注意的是在普通安全带的约束下头部位置 变化量可以达到 而 组和普通卷收器组 中头部位移均值分别比 约大 和 如前 文所述在胸部达到最大位移后头部由于惯性而存在 轻微的挥鞭运动导致其水平位移进一步增大而超 过其余部位的运动量此外不同组别中胸部达到最 大位移时肩部还有继续前移的趋势导致其位移最终 比 平均增加了 左右 除肘部以外其余三类位移在预紧力的作用下上 四分位数均比普通卷收器组的下四分位数小即超过 的位移小于普通组的位移且四类位移的均 值和中位数均要小于普通卷收器组其中头部位移均 值和中位数均减小约 约减少 均减小 约减少如表所示对其进行秩和检 验发现在 介入时头部 和肩部最大位移均存 在显著下降 而肘部位移却无显著差异 说明 能够在制动前期消除织带间隙从而 明显改善乘员的躯干及头部离位程度但对肘部影响 还不够明显 制动过程中对于不同志愿者在同一约束系统配 置下年龄差异对肌肉活性的影响较大但对人体位移较 小后期可扩大志愿者人数来分析年龄与运动响应 的关系在志愿者体格方面两者 几乎相同但同 一安全带配置下相同部位最大位移也会因人而异图 为不同志愿者在 作用下的最大位移箱形图如表 所示两位志愿者的头部位移和 位移均无显著差异 头部 而肩部位移量分布存在显 著差异 说明两位志愿者腰部肌肉和颈部肌 肉对惯性力的反抗作用较为相似而肩部肌肉则有所差 异整体看来号志愿者的前移量极差更小分布更集 中说明其肌肉张紧程度在重复试验中更为一致 图 作用下两位志愿者的最大位移 表最大位移的显著性检验 部位 值 不同卷收器不同志愿者 头部 肩部 肘部 第期胥林立等制动工况中乘员动态响应分析及主动预紧安全带效能评价 为更加全面地探究乘员的运动过程将速度也纳 为研究量图为志愿者的运动速度示意图头部 和肩部速度变化均存在如图的双峰趋势中间速度 较为平缓的时间段即为志愿者躯干惯性力与肌肉主动 力安全带约束力动态平衡的阶段其中第一个波动 约从 产生于加速度上升期志愿者的前 倾运动第二个波动约从 产生于车体加速 度结束期志愿者的后仰运动其速度峰值如图和图 所示对速度峰值进行显著性检验结果如表所 示可知在不同卷收器配置下两种运动过程中 的速 度分布处于头部肩部之下均具有非常显著的差异 在不同卷收器配置下同一运动过程中相 同部位的速度峰值的分布差异则不明显 说 明不同卷收器对乘员的速度峰值没有明显影响而 个部位在前倾运动中与回弹运动中的速度峰值差异极 其显著 即志愿者的后仰运动要快于前倾运 动这是因为前倾过程中乘员的肌肉主动力起约束作 用而在后仰过程中起促进作用 图 作用下志愿者 的运动速度 图志愿者向前运动速度峰值 图志愿者回弹运动速度峰值 表速度峰值的显著性检验 部位 值 不同卷收器配置不同运动过程 与头部肩部 相同部位 安全带力 统计所有的肩带力和腰带力最终展示如图所 示由图可知不同志愿者的安全带力有较为一致的 趋势在 组中不同志愿者的肩带力由于从加载 到卸载完全至零点所需时间不尽相同因此在图中 表现为均值未完全卸载的情况 等的研究中 也有类似的情况但统计趋势与样本个体趋势总体上 是一致的其中 组肩带力和腰带力在卸载阶段 即 以后出现巨大的反弹且前者的振幅更大 由于乘员躯干相对车身向后运动织带的卷收运动并 未跟上该工况下车身减速度由下降为乘员的后 倾运动响应因而肩带力快速下降直到躯干与座椅靠 背贴合时织带才在电机卷收力的作用下重新消除织 带初始松弛量进而安全带力有所上升 图两种卷收器作用下两位志愿者的安全带力曲线 两位志愿者的肩带力和腰带力数据的最大值汇总 如图所示从均值上看对于组内数据 组肩 带力比腰带力均值约大 普通卷收器组则约大 对于组间数据 组的肩带力超出普通组均 值 腰带力则小了约 从整体分布来看 组肩带力与腰带力的极差均大于普通组且 组中 约的肩带力与普通卷收器组的数据分布范围一 致腰带力也有相似的分布规律尽管每次试验中志 振 动 与 冲 击年第卷 愿者安全带佩戴位置坐姿以及肌肉张紧度存在一定 区别但经检验 组与普通卷收器组的肩带力腰 带力分布均无显著差异 如表所示因此 认为本试验中 的介入对安全带力最大值的影响 不明显 图两种卷收器的最大肩带力与最大腰带力 表两种卷收器的安全带力显著性检验 安全带力肩带力腰带力 值 综合统计来看主动安全带组头部肩部和 位 移与肩带力的斯皮尔曼等级相关系数分别为 和 普通卷收器组分别为 和 说明以上三类位移与肩带力成正相关均为极 度显著 且相关性依次增加而不同志愿者 的位移与肩带力也服从以上规律 织带卷收量 综合两位志愿者的织带拉出量和回拉量如图 所示柱状图表示织带位移的平均值正负误差线分别 表示倍标准差正负仅表示织带移动方向定义正常 佩戴位置为零点拉出为负收回为正 组中织带 平均拉出量为 回拉量为 普通卷收器组织 带平均拉出量为 回拉量为 图两种卷收器的平均织带位移量 制动阶段在主动预紧力的作用下志愿者前倾引 起的织带拉出量显著下降 如表所示说 明 可明显减少织带的拉出量进而限制乘员前向 运动在制动结束后到电机预紧信号解除之前普通安 全带复位弹簧的拉力对制动前后织带的位移量几乎没 有影响相比之下 对织带的卷收作用则非常明 显可知在卷收器锁止的情况下主动安全带的动态 拉出量约为 静态卷收量约为 表两种卷收器的织带位移量显著性检验 织带位移量拉出量回拉量 值 结论 本文进行了驾驶员紧急制动时副驾乘员运动响应 的测试以及 在改善乘员前倾离位方面的分析 志愿者实车试验结果表明 可明显降低志愿者上 身各部位的最大位移头部 和肩部平均位移分别 减小了 和 并减少乘员前倾期间 的织带拉出量约 增加在制动结束后预紧信 号解除前的回拉量约 主动预紧对该制动工 况下乘员前倾或回弹速度峰值以及肩带力腰带力的 影响较小但会引起卸载阶段安全带力的振荡体格 相似的两位志愿者间的位移存在一定差异而同一志 愿者不同部位的位移也不尽相同其中头部的前移量 是最大的同时不同志愿者在同一安全带配置下头 部肩部和 位移与肩带力高度正相关且相关性依 次增加 本文的试验方法志愿者运动响应及安全带数据 可供其他相关测试参考试验结果也为后续的仿真验 证提供数据支持未来的工作可考虑测定表面肌电信 号分析乘员在制动过程中的肌肉反应并招募不同性 别身材年龄的志愿者来扩大样本容量将乘员的注 意力程度纳入试验分组同时后期将通过 仿真及 其他车型试验来分析不同环位置对乘员动态响应的 影响试验中采用的 系统还可在已有功能基础 上更精准化智能化提高传感器的灵敏度及优化控制 算法以应对复杂多变的避撞工况减少误触发漏触发 及不必要的碰撞预警从而提高驾驶舒适性和安全性 在无法避免碰撞的情况下结合自适应约束系统的 概念联合气囊等约束系统并提前作参数调整以应对 不同强度的碰撞工况 参 考 文 献 第期胥林立等制动工况中乘员动态响应分析及主动预紧安全带效能评价 赵志杰金先龙乘员约束系统耐撞性数据挖掘 振动 与冲击 刘鑫吴钢尹来荣基于近似模型管理的汽车安全带约 束系 统 优 化 设 计 振 动 与 冲 击