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自主驾驶车辆中乘员后倾坐姿可能带来的碰撞伤害风险

2020-04-22 23:27:59·  来源：汽车安全与轻量化  
　
导读如果未来把人从驾驶任务中解放出来，乘员可能会选择更为舒适但却未必安全的乘坐姿态，如后倾等。后倾姿态下发生碰撞时，乘员更容易发生下潜运动，乘员下潜使
导读
 
如果未来把人从驾驶任务中解放出来，乘员可能会选择更为舒适但却未必安全的乘坐姿态，如后倾等。后倾姿态下发生碰撞时，乘员更容易发生下潜运动，乘员下潜使安全带腹带上移并侵入腹部，导致承载能力较低的腹部受伤严重。
我们首先来介绍一下若干下潜和下潜趋势的判断准则。在后倾姿态下，乘员的髋部与垂向夹角更大，在前碰撞作用下，腹带更加容易脱离髋部侵入腹部。
乘员下潜是汽车碰撞事故中的一种非常危险的运动姿态，下潜发生时安全带作用于乘员的颈部和腹部，从而导致乘员受到致命伤害。目前对下潜发生的判断比较清楚，但不同工况下发生下潜的可能性或者趋势并不相同。为建立一个合理有效的下潜趋势判断准则，深入研究下潜发生的机理和设计防止下潜的保护措施，本文提出了两个下潜趋势判断准则，即BOP（belt position on pelvis）准则和MFR（iliac wing moment-to-force ratio）准则，并利用混III 5百分位女性假人的有限元模型对所提出的准则进行了验证。然后应用该准则评估了安全带腹带水平角度对乘员下潜趋势的影响。
 
下潜发生过程，腹带侵入乘员腹部
安全带的使用大大降低了乘员在碰撞事故中的伤亡，然而当乘员在正面碰撞事故中发生下潜时，安全带侵入腹部，可能造成严重的伤害。安全带正确的作用位置为乘员的肩部、胸部和髋部，乘员下潜是指在碰撞过程中安全带腹带滑离乘员的髋骨，直接作用于腹部及内脏器官，安全带肩带滑离并直接作用于乘员的颈部等现象。下潜是碰撞事故中非常危险的一种运动姿态。
目前的研究对下潜发生的判断比较清楚，但实际上，不同工况下发生下潜的可能性或者趋势并不相同，我们希望在下潜没有发生的时候能有效判断下潜发生的趋势，并确定相应的准则来定量比较乘员下潜趋势的大小。
本文基于安全带腹带与骨盆间的相对运动理论提出了两个能有效判断正面碰撞中下潜趋势的准则，BOP（beltposition on pelvis）准则和MFR（iliacwing moment-to-force ratio）准则；图1是FTSS开发的混III5百分位女性假人髋部有限元模型的侧视图，其中p表示髂骨支撑的髋部皮肤的高度，也可近似作为大腿到腹部的距离，q表示髂骨传感器的高度。由于小身材的假人更容易发生下潜，本文选择5百分位女性假人为研究对象。定义ΔL为安全带织带的下端到大腿的距离，如图2所示。在碰撞过程中，当ΔL大于p时，表明安全带腹带已经完全滑离骨盆，直接作用在腹部软组织上，即发生了下潜。当腹带尚未完全滑离骨盆，ΔL的数值也可以作为衡量下潜趋势的参数，即ΔL值越大，下潜的趋势也越大。
为了方便不同尺寸假人之间的比较，我们定义一个无量纲参数来判断下潜的趋势以及下潜的发生，称为BOP （beltposition on pelvis）指标，公式如下：
 
BOPL和BOPR分别代表乘员左侧和右侧的下潜趋势判断指标。作为下潜趋势的衡量指标，BOP值的变化范围在-1到0之间，BOP值越大，下潜趋势越大。BOP值大于或等于0表明下潜已经发生。
 
图1 FTSS混III 5百分位女性假人的髋部模型（侧视）
 
图2 安全带织带下端到大腿间的距离ΔL的定义
在碰撞试验中，安全带相对于骨盆的瞬时位置可能难以测得，而髂骨力传感器可以输出安全带作用下的瞬时力与力矩，通过此力和力矩可以间接估算得到安全带相对于骨盆的位置。
安全带相对于髂骨两翼的位置可用MFR（iliac wing moment-to-force ratio）表示，即髂骨两翼传感器输出的力矩与力的比值，计算公式如下： 
 
其中，MFRL和MFRR分别代表髂骨左翼和右翼传感器的力矩与力的比值。为了使MFR指标与BOP指标对下潜趋势的判断一致，在公式（2）的定义中添加了一个负号，可以使MFR值越大，下潜趋势越大。若MFR为正值，则表示安全带在相对应的髂骨传感器中轴线的上方；若MFR为负值，则表示在该中轴线的下方。MFR判断指标与BOP判断指标的关系如下：
 
其中p和q的定义见图1。
接下来对下潜趋势判断准则进行验证，用混III 5百分位女性假人进行了48km/h台车正面碰撞试验的有限元模拟。定义此模型为基准模型，在基准模型中，将座椅靠背角度δ设置为25˚，座椅椅垫角度α设置为10˚，安全带与碰撞假人间的滑动摩擦系数设置为0.3（记之为：Back_25˚模型），在基准模型Back_25˚模型的基础上设置并运算另外两个模型，一个模型在安全带锁扣端加装预紧器（记之为：BucklePre_25˚），另一个模型在安全带锚点端加装预紧器以及安全带单向锁止器（记之为：AnchorPre_25˚）。
根据BOP准则：计算仿真可以输出安全带腹带在骨盆上的滑动距离ΔL，由公式（1）计算得到对应的BOP值，表1列出了BOP峰值。三个模型的BOP峰值均为负，根据BOP下潜判断准则可以得出下潜均未发生；进而根据BOP值越大，下潜趋势越大，可以排列出三个模型的下潜趋势的大小。
 
根据MFR准则：
（1）三个模型的MFR值均小于25mm，可以判断这三个工况都没有发生下潜；
（2）对于AnchorPre_25˚模型，由于MFR值为负，可以判断安全带腹带处于髂骨传感器中轴线的下方，即下潜趋势较小；
（3）对于Back_25˚和 BucklePre_25˚模型，由于MFR值为正，可以判断安全带腹带处于髋骨两翼传感器中轴的上方，即下潜趋势较大；
（4）根据MFR值越大，下潜趋势越大，表2最右边一列排序了三个工况的下潜趋势。
 
由上可见， MFR准则与BOP准则预测的下潜趋势一致。
结论 ：在乘员约束系统设计中需要考虑如何避免乘员下潜的发生。下潜发生的判断通常是监测安全带腹带是否完全滑离髋部并侵入腹部，但是，在下潜不发生的情况下，不同的约束系统设计以及在不同碰撞工况下的下潜发生的可能性是不同的。判断下潜趋势需要一个量化的指标和准则。本研究提出了两个判断下潜趋势的准则，即BOP准则和MFR准则，并用台车正面碰撞的有限元模型验证了这两个准则的有效性。
*更详细内容，请参考文献[5]和[6]。
 
图1：未来乘坐环境下乘员可能处于更加舒适但更加危险的后倾姿态
后期研究中，为了研究后倾姿态下的乘员碰撞下潜风险及防护措施，作者首先改进了代表乘员的混III 5百分位女性假人的有限元模型及物理假人，将一体式髋部结构替换为转动幅度较大的行人髋部结构，以实现不同角度的后倾坐姿，并通过台车碰撞试验验证了模型的有效性。基于能后倾的混III假人，系统研究了影响乘员下潜的因素。发现座椅后倾角度、坐垫角度的增大都会增加乘员碰撞下潜的风险；而增加坐垫刚度、减小肩带对上体的约束等可减小乘员发生下潜的风险。
 
图2：改进假人有限元模型使之能后倾
 
图3：改变碰撞假人髋部结构使之能后倾
基于乘员下潜影响因素的研究，作者在其博士论文中提出了若干降低乘员在后倾姿态下的发生下潜的措施。例如，优化安全带限力值和安全带滑动环的位置可减小安全带肩带约束力，使用髋部气囊、防下潜档杆与安全带单向锁止器的组合可减小髋部的前向运动，使用安全带卷收器及锁扣预紧器等以消除安全带与髋部间隙。
在未来智能行车环境下，车辆主动安全系统监测到无法避免的碰撞事故后，对后倾姿态的乘员可采取类似的干预措施，以消除乘员下潜风险，减小乘员的伤害风险。
参考文献
[1] Horsch J D, Hering W E. A Kinematic Analysis of Lap-Belt Submarining in Test Dummies. SAE Paper No. 892441, 1989.
[2] Rouhana S W, Horsch J D, and Kroell C K,“Assessment of Lap-Shoulder Belt Restraint Performance in Laboratory Testing,”Proceedings of the 33rd Stapp Car Crash Conference, SAE Paper No. 892439, 1989.
[3] Rouhana S W, Viano D C, Jedrzejczak E A, and McCleary J D, “Assessing Submarining and Abdominal Injury Risk in the Hybrid III Familyof Dummies,” Proceedings of the 33rd Stapp Car Crash Conference, SAE Paper No.892440, 1989.
[4] Couturier S, Faure J, Satué R, Huguet J and Hordonneau J, “Procedure to Assess Submarining in Frontal Impact”, International Conference on Experiential Safety Vehicle (ESV), Paper number: 07-0481, 2007. 
[5] 唐亮. 汽车座椅靠背后倾工况下的碰撞安全性分析[博士学位论文]. 北京: 清华大学汽车工程系2010.
[6] Tang L and Zhou Q, A Theoretical Study of Submarining Tendency of a Hybrid III 5th Percentile Female Dummy，Proceedings of the ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition 2009.IMECE2009-12567. Lake Buena Vista, Florida, USA. November 13-19, 2009.
 
文 | 唐亮 清华大学博士，美国密歇根大学访问学者，北京林业大学副教授 
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