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自主駕駛車輛中乘員后傾坐姿可能帶來的碰撞傷害風(fēng)險(xiǎn)

2020-04-22 23:27:59·  來源：汽車安全與輕量化  
　
導(dǎo)讀如果未來把人從駕駛?cè)蝿?wù)中解放出來，乘員可能會(huì)選擇更為舒適但卻未必安全的乘坐姿態(tài)，如后傾等。后傾姿態(tài)下發(fā)生碰撞時(shí)，乘員更容易發(fā)生下潛運(yùn)動(dòng)，乘員下潛使
導(dǎo)讀
 
如果未來把人從駕駛?cè)蝿?wù)中解放出來，乘員可能會(huì)選擇更為舒適但卻未必安全的乘坐姿態(tài)，如后傾等。后傾姿態(tài)下發(fā)生碰撞時(shí)，乘員更容易發(fā)生下潛運(yùn)動(dòng)，乘員下潛使安全帶腹帶上移并侵入腹部，導(dǎo)致承載能力較低的腹部受傷嚴(yán)重。
我們首先來介紹一下若干下潛和下潛趨勢(shì)的判斷準(zhǔn)則。在后傾姿態(tài)下，乘員的髖部與垂向夾角更大，在前碰撞作用下，腹帶更加容易脫離髖部侵入腹部。
乘員下潛是汽車碰撞事故中的一種非常危險(xiǎn)的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，下潛發(fā)生時(shí)安全帶作用于乘員的頸部和腹部，從而導(dǎo)致乘員受到致命傷害。目前對(duì)下潛發(fā)生的判斷比較清楚，但不同工況下發(fā)生下潛的可能性或者趨勢(shì)并不相同。為建立一個(gè)合理有效的下潛趨勢(shì)判斷準(zhǔn)則，深入研究下潛發(fā)生的機(jī)理和設(shè)計(jì)防止下潛的保護(hù)措施，本文提出了兩個(gè)下潛趨勢(shì)判斷準(zhǔn)則，即BOP（belt position on pelvis）準(zhǔn)則和MFR（iliac wing moment-to-force ratio）準(zhǔn)則，并利用混III 5百分位女性假人的有限元模型對(duì)所提出的準(zhǔn)則進(jìn)行了驗(yàn)證。然后應(yīng)用該準(zhǔn)則評(píng)估了安全帶腹帶水平角度對(duì)乘員下潛趨勢(shì)的影響。
 
下潛發(fā)生過程，腹帶侵入乘員腹部
安全帶的使用大大降低了乘員在碰撞事故中的傷亡，然而當(dāng)乘員在正面碰撞事故中發(fā)生下潛時(shí)，安全帶侵入腹部，可能造成嚴(yán)重的傷害。安全帶正確的作用位置為乘員的肩部、胸部和髖部，乘員下潛是指在碰撞過程中安全帶腹帶滑離乘員的髖骨，直接作用于腹部及內(nèi)臟器官，安全帶肩帶滑離并直接作用于乘員的頸部等現(xiàn)象。下潛是碰撞事故中非常危險(xiǎn)的一種運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。
目前的研究對(duì)下潛發(fā)生的判斷比較清楚，但實(shí)際上，不同工況下發(fā)生下潛的可能性或者趨勢(shì)并不相同，我們希望在下潛沒有發(fā)生的時(shí)候能有效判斷下潛發(fā)生的趨勢(shì)，并確定相應(yīng)的準(zhǔn)則來定量比較乘員下潛趨勢(shì)的大小。
本文基于安全帶腹帶與骨盆間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)理論提出了兩個(gè)能有效判斷正面碰撞中下潛趨勢(shì)的準(zhǔn)則，BOP（beltposition on pelvis）準(zhǔn)則和MFR（iliacwing moment-to-force ratio）準(zhǔn)則；圖1是FTSS開發(fā)的混III5百分位女性假人髖部有限元模型的側(cè)視圖，其中p表示髂骨支撐的髖部皮膚的高度，也可近似作為大腿到腹部的距離，q表示髂骨傳感器的高度。由于小身材的假人更容易發(fā)生下潛，本文選擇5百分位女性假人為研究對(duì)象。定義ΔL為安全帶織帶的下端到大腿的距離，如圖2所示。在碰撞過程中，當(dāng)ΔL大于p時(shí)，表明安全帶腹帶已經(jīng)完全滑離骨盆，直接作用在腹部軟組織上，即發(fā)生了下潛。當(dāng)腹帶尚未完全滑離骨盆，ΔL的數(shù)值也可以作為衡量下潛趨勢(shì)的參數(shù)，即ΔL值越大，下潛的趨勢(shì)也越大。
為了方便不同尺寸假人之間的比較，我們定義一個(gè)無量綱參數(shù)來判斷下潛的趨勢(shì)以及下潛的發(fā)生，稱為BOP （beltposition on pelvis）指標(biāo)，公式如下：
 
BOPL和BOPR分別代表乘員左側(cè)和右側(cè)的下潛趨勢(shì)判斷指標(biāo)。作為下潛趨勢(shì)的衡量指標(biāo)，BOP值的變化范圍在-1到0之間，BOP值越大，下潛趨勢(shì)越大。BOP值大于或等于0表明下潛已經(jīng)發(fā)生。
 
圖1 FTSS混III 5百分位女性假人的髖部模型（側(cè)視）
 
圖2 安全帶織帶下端到大腿間的距離ΔL的定義
在碰撞試驗(yàn)中，安全帶相對(duì)于骨盆的瞬時(shí)位置可能難以測(cè)得，而髂骨力傳感器可以輸出安全帶作用下的瞬時(shí)力與力矩，通過此力和力矩可以間接估算得到安全帶相對(duì)于骨盆的位置。
安全帶相對(duì)于髂骨兩翼的位置可用MFR（iliac wing moment-to-force ratio）表示，即髂骨兩翼傳感器輸出的力矩與力的比值，計(jì)算公式如下： 
 
其中，MFRL和MFRR分別代表髂骨左翼和右翼傳感器的力矩與力的比值。為了使MFR指標(biāo)與BOP指標(biāo)對(duì)下潛趨勢(shì)的判斷一致，在公式（2）的定義中添加了一個(gè)負(fù)號(hào)，可以使MFR值越大，下潛趨勢(shì)越大。若MFR為正值，則表示安全帶在相對(duì)應(yīng)的髂骨傳感器中軸線的上方；若MFR為負(fù)值，則表示在該中軸線的下方。MFR判斷指標(biāo)與BOP判斷指標(biāo)的關(guān)系如下：
 
其中p和q的定義見圖1。
接下來對(duì)下潛趨勢(shì)判斷準(zhǔn)則進(jìn)行驗(yàn)證，用混III 5百分位女性假人進(jìn)行了48km/h臺(tái)車正面碰撞試驗(yàn)的有限元模擬。定義此模型為基準(zhǔn)模型，在基準(zhǔn)模型中，將座椅靠背角度δ設(shè)置為25?，座椅椅墊角度α設(shè)置為10?，安全帶與碰撞假人間的滑動(dòng)摩擦系數(shù)設(shè)置為0.3（記之為：Back_25?模型），在基準(zhǔn)模型Back_25?模型的基礎(chǔ)上設(shè)置并運(yùn)算另外兩個(gè)模型，一個(gè)模型在安全帶鎖扣端加裝預(yù)緊器（記之為：BucklePre_25?），另一個(gè)模型在安全帶錨點(diǎn)端加裝預(yù)緊器以及安全帶單向鎖止器（記之為：AnchorPre_25?）。
根據(jù)BOP準(zhǔn)則：計(jì)算仿真可以輸出安全帶腹帶在骨盆上的滑動(dòng)距離ΔL，由公式（1）計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的BOP值，表1列出了BOP峰值。三個(gè)模型的BOP峰值均為負(fù)，根據(jù)BOP下潛判斷準(zhǔn)則可以得出下潛均未發(fā)生；進(jìn)而根據(jù)BOP值越大，下潛趨勢(shì)越大，可以排列出三個(gè)模型的下潛趨勢(shì)的大小。
 
根據(jù)MFR準(zhǔn)則：
（1）三個(gè)模型的MFR值均小于25mm，可以判斷這三個(gè)工況都沒有發(fā)生下潛；
（2）對(duì)于AnchorPre_25?模型，由于MFR值為負(fù)，可以判斷安全帶腹帶處于髂骨傳感器中軸線的下方，即下潛趨勢(shì)較??；
（3）對(duì)于Back_25?和 BucklePre_25?模型，由于MFR值為正，可以判斷安全帶腹帶處于髖骨兩翼傳感器中軸的上方，即下潛趨勢(shì)較大；
（4）根據(jù)MFR值越大，下潛趨勢(shì)越大，表2最右邊一列排序了三個(gè)工況的下潛趨勢(shì)。
 
由上可見， MFR準(zhǔn)則與BOP準(zhǔn)則預(yù)測(cè)的下潛趨勢(shì)一致。
結(jié)論 ：在乘員約束系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要考慮如何避免乘員下潛的發(fā)生。下潛發(fā)生的判斷通常是監(jiān)測(cè)安全帶腹帶是否完全滑離髖部并侵入腹部，但是，在下潛不發(fā)生的情況下，不同的約束系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及在不同碰撞工況下的下潛發(fā)生的可能性是不同的。判斷下潛趨勢(shì)需要一個(gè)量化的指標(biāo)和準(zhǔn)則。本研究提出了兩個(gè)判斷下潛趨勢(shì)的準(zhǔn)則，即BOP準(zhǔn)則和MFR準(zhǔn)則，并用臺(tái)車正面碰撞的有限元模型驗(yàn)證了這兩個(gè)準(zhǔn)則的有效性。
*更詳細(xì)內(nèi)容，請(qǐng)參考文獻(xiàn)[5]和[6]。
 
圖1：未來乘坐環(huán)境下乘員可能處于更加舒適但更加危險(xiǎn)的后傾姿態(tài)
后期研究中，為了研究后傾姿態(tài)下的乘員碰撞下潛風(fēng)險(xiǎn)及防護(hù)措施，作者首先改進(jìn)了代表乘員的混III 5百分位女性假人的有限元模型及物理假人，將一體式髖部結(jié)構(gòu)替換為轉(zhuǎn)動(dòng)幅度較大的行人髖部結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)不同角度的后傾坐姿，并通過臺(tái)車碰撞試驗(yàn)驗(yàn)證了模型的有效性?；谀芎髢A的混III假人，系統(tǒng)研究了影響乘員下潛的因素。發(fā)現(xiàn)座椅后傾角度、坐墊角度的增大都會(huì)增加乘員碰撞下潛的風(fēng)險(xiǎn)；而增加坐墊剛度、減小肩帶對(duì)上體的約束等可減小乘員發(fā)生下潛的風(fēng)險(xiǎn)。
 
圖2：改進(jìn)假人有限元模型使之能后傾
 
圖3：改變碰撞假人髖部結(jié)構(gòu)使之能后傾
基于乘員下潛影響因素的研究，作者在其博士論文中提出了若干降低乘員在后傾姿態(tài)下的發(fā)生下潛的措施。例如，優(yōu)化安全帶限力值和安全帶滑動(dòng)環(huán)的位置可減小安全帶肩帶約束力，使用髖部氣囊、防下潛檔桿與安全帶單向鎖止器的組合可減小髖部的前向運(yùn)動(dòng)，使用安全帶卷收器及鎖扣預(yù)緊器等以消除安全帶與髖部間隙。
在未來智能行車環(huán)境下，車輛主動(dòng)安全系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到無法避免的碰撞事故后，對(duì)后傾姿態(tài)的乘員可采取類似的干預(yù)措施，以消除乘員下潛風(fēng)險(xiǎn)，減小乘員的傷害風(fēng)險(xiǎn)。
參考文獻(xiàn)
[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. 汽車座椅靠背后傾工況下的碰撞安全性分析[博士學(xué)位論文]. 北京: 清華大學(xué)汽車工程系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 清華大學(xué)博士，美國(guó)密歇根大學(xué)訪問學(xué)者，北京林業(yè)大學(xué)副教授 
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