碰撞試驗中自動緊急制動過程模擬方法的探討

李月明，商恩義，王鵬翔，習波波

吉利汽車研究院(寧波)有限公司，浙江寧波 315336

0 引言

自動緊急制動(autonomous emergency braking，AEB)是指車輛在探測到極有可能發生碰撞時自動施加制動，用以降低車輛速度并盡可能地避免碰撞發生[1]。自動緊急制動系統(advanced emergency braking system，AEBS)是指實時監測車輛前方行駛環境，并在可能發生碰撞危險時自動啟動車輛制動系統使車輛減速，以避免碰撞或減輕碰撞的系統。AEB動作通過AEBS實施。AEB技術能在現實中減少38%的追尾碰撞，且在城市道路(限速60 km/h)和郊區道路行駛的作用效果無顯著差異[2]。2021年版中國新車評價規程(China new car assessment program，C-NCAP)和歐洲新車評價規程(European new car assessment program，Euro NCAP，E-NCAP)[3]等評價體系中都將AEB納入了審核項，但并未在乘員保護評價方面將主動安全測試與被動安全測試有機結合。中國汽車技術中心通過對汽車被動安全測試技術現狀及未來測試評價技術的發展趨勢進行分析后指出，未來測試評價技術的布局重點主要包括主被動安全一體化、汽車自適應約束系統、碰撞相容性、新能源汽車及虛擬測評技術等。因此，在正面碰撞試驗中加入AEB制動過程的方法有必要提前進行研究。

目前，模擬AEB制動過程，通常是設計一套獨立于汽車自身的剎車系統，在牽引系統導向運動的基礎上，在試驗車輛尾部集成可編程的制動控制系統，控制車輛減加速度和速度的實現，并與牽引系統形成閉環控制。對于減速型臺車，是在臺車的尾部集成安裝制動力可編程調整的預制動小車，與牽引導向系統閉環控制，實現從高速到低速制動后進行模擬碰撞。

陳曉東等[4]研究開發的鋼筋阻尼式減速臺車試驗系統，其臺車吸能器是通過將鋼筋纏繞在銷柱間增加拉出時的摩擦力對臺車進行阻尼減速。本文依據臺車吸能器工作原理設計了能安裝在實車牽引軌道兩側的小型吸能器，在對試驗車進行適當改造后使試驗車運行至指定地點時能夠受到鋼筋的約束，并通過調整鋼筋阻尼力模擬出試驗車的AEB制動過程，同時也對其應用范圍進行了擴展，使其能實現利用牽引方式加速后再進行減速的其他類似試驗。

1 AEB制動減速度的確定

在《道路交通事故車輛速度鑒定》中指出了汽車滑動附著系數參考值，其中，以干燥的混凝土路面和瀝青路面，車速處于48 km/h以下時相對較高，最高值為0.8～1.0，即車輛在實際道路下制動的減速度最大值均不會超過10 m/s2。在《乘用車自動緊急制動系統(AEBS)性能要求及試驗方法》中定義緊急制動階段時指出，在AEBS控制下，被試驗車輛以至少4 m/s2減速度開始減速的階段。因此，AEB制動下車輛減速度應為4～10 m/s2。

2 吸能器初始方案設計

當前，模擬實車碰撞的減速滑臺的阻尼器可復現500 m/s2的減速度，與之相比，AEB的制動過程只需要復現4～10 m/s2的減速度。另外，減速臺車吸能器布置在臺車試驗軌道上，碰撞行程最長約1 m，而模擬AEB的吸能器需要分布在牽引軌道兩側，以試驗車在AEB制動下車速由64 km/h降至50 km/h后進行碰撞為例，制動距離需要10 m左右。因此，AEB模擬機構的設計只能遵循減速臺車鋼筋吸能器的設計原理，在結構上需要進行改造。

2.1 減速臺車試驗用鋼筋阻尼式吸能器工作原理

減速臺車試驗用鋼筋吸能器工作原理如圖1所示。試驗前，將吸能用鋼筋兩端通過銷柱進行纏繞變形。試驗時，臺車前端的“C”形探頭鉆入吸能器中間撞在鋼筋中部并帶動鋼筋前行，最終在鋼筋拉出過程中產生的阻尼作用下停下來。臺車減速度曲線可以通過鋼筋的擺放方式進行調節：加速度幅值高，所擺放的鋼筋就多；加速度上升斜率緩，鋼筋擺放就比較分散；加速度曲線下降緩慢，鋼筋出現長短不一使其被拉出的過程中陸續脫離[5-7]。

圖1 減速臺車試驗用鋼筋吸能器工作原理

2.2 AEB模擬機構的設計

臺車吸能器在50 km/h的碰撞下，對于2 t重的臺車，單根鋼筋產生的加速度幅值約為10 m/s2，且幅值近似恒定，即單根鋼筋產生的阻尼力近似恒定，臺車質量m與加速度a之間成反比關系[7]。AEB制動下乘用車減速度通常處于4～7 m/s2，在試驗車為2 t的情況下，制動減速度約為臺車吸能器單根鋼筋作用產生減速度的1/2。因此，新設計的吸能器如果簡單地將臺車吸能器中間距離加寬至分布在軌道兩側，單根鋼筋的阻尼作用也將超過復現目標要求。根據試驗工況及臺車吸能器工作原理，制定AEB模擬機構初始設計方案為：將臺車吸能器兩側變形區拆分成兩個小吸能器，分置在軌道兩側，同時，為了便于試驗中鋼筋拉出及拉出過程中鋼筋與銷柱間的相對關系不變，將銷的布置方式由橫置轉為縱向布置。另外，為了試驗中可以擺放更多鋼筋來應對不同質量的車進行試驗，以及后期便于對AEB模擬機構使用能力進行擴展，將兩個小吸能器設計成4列銷。在鋼筋選材上，普通碳素結構鋼材質的鋼筋易于采購，調試階段可以選作耗材。在鋼筋布置方面，為了確保試驗車輛直線行使，兩側吸能器鋼筋布置始終對稱，后期計數以單側根數計。初始方案制定后，AEB模擬用小吸能器設計如圖2所示。利用普通棒料和鋼板加工了樣機，其樣機及鋼筋纏繞方式如圖3所示。

圖2 AEB模擬用小吸能器設計

圖3 小吸能器樣機及鋼筋纏繞方式

3 試驗驗證

3.1 臺車試驗驗證

為了驗證初始方案的阻尼能力，需要在實車牽引軌道上先進行臺車試驗驗證。建立與實車碰撞相同加速度坐標系，前后方向為x向，車輛行進方向為正。

3.1.1 臺車改造

在臺車平臺上安裝了一根橫梁，橫梁兩端分別焊有鋼鉤，在臺車行至小吸能器時，能夠確保臺車兩側鋼鉤正好掛上小吸能器上鋼筋前端的環形結構上，并能夠帶動鋼筋前行。另外，在臺車上進行配重，使其總質量為1 000 kg。改造后的臺車如圖4所示。

圖4 改造后的臺車

3.1.2 臺車試驗

臺車改造完成后，在臺車上布置了x向加速度傳感器并安裝了采集系統，將小吸能器對稱布置于牽引軌道兩側，并在每側的小吸能器上擺放好一根鋼筋，而后進行了速度為20 km/h的臺車試驗。臺車試驗加速度變化曲線如圖5所示。

圖5 臺車試驗加速度變化曲線

由圖5可以看到，平均加速度為-19 m/s2，震蕩范圍為±7 m/s2，可計算出單根鋼筋阻尼力約為19 kN。無論阻尼力的大小，還是加速度的震蕩范圍，臺車試驗結果表明該方案存在適當優化后可滿足使用要求的可能性。

3.2 實車AEB模擬

3.2.1 阻尼加速度分析

在1 000 kg臺車撞擊下，臺車產生的加速度為-19 m/s2?，F有試驗車約為2 700 kg，則依據試驗車質量m與加速度a之間成反比關系，產生的加速度約為-7 m/s2。如果以25 km/h進行AEB模擬試驗，則通過v2=2as估算鋼筋長度為3.44 m，留出安全長度，選取試驗鋼筋長度為4 m。

3.2.2 實車改造

為了在實車底部安裝鋼筋掛鉤，在實車底部加裝了框架結構，將掛鉤焊接在框架前端兩側。改造后的實車掛鉤結構如圖6所示。

圖6 改造后的實車掛鉤結構

由圖6可知，當試驗車行進至吸能器處時，車下掛鉤正好掛上鋼筋環，進而將鋼筋從吸能器前端拉出，同時，受阻尼力作用開始減速行進。

3.2.3 實車試驗

實車改造完成后，將兩個吸能器分別固定在軌道的兩側，并在銷柱間分別纏繞一根長度為4 m的鋼筋，隨后進行25 km/h的AEB模擬試驗。實車試驗加速度變化曲線如圖7所示。鋼筋從小吸能器的拉出過程如圖8所示。

圖7 實車試驗加速度變化曲線

圖8 鋼筋從小吸能器的拉出過程

由圖7可知，平均加速度為-7 m/s2，在持續1 s的減速過程中，震蕩范圍為±3 m/s2，震蕩情況優于臺車試驗。在當前主動安全的評價中，關于AEB的評價只關注速度減少量，對減速過程穩定性并無具體要求，通過實車與臺車驗證，鋼筋阻尼作用下產生的平均減速度穩定，即能夠保證試驗具有重復性。

由圖8可知，在鋼筋被拉出過程中，鋼筋與銷柱之間因摩擦會持續產生火花。

4 結果與討論

在吸能器的AEB模擬能力驗證試驗中，初始設計方案下制作的吸能器存在以下問題：單根鋼筋的阻尼力就可達到最大減速度要求，沒有可調節性；現有4列銷柱的組合結構在AEB模擬中沒有調節作用；每列銷在現有布置方式下，鋼筋纏繞變形幅度過大，快速拉出過程中會產生高溫，如果后期試驗速度要求較高，存在鋼筋在拉出過程中因溫度過高阻尼性能發生改變甚至鋼筋被拉斷的可能性；銷柱磨損嚴重。

針對上述問題，制定后續優化方案為：

(1)如圖9所示，在初始設計方案的基礎上，將每列銷的中間銷柱左右位置及寬度適當調整，同時，在入口處增加擋銷，將鋼筋纏繞方式調整為4種小變形纏繞方式和4種大跨度變形纏繞方式。小變形纏繞方式下產生的阻尼力均小于初始方案下的阻尼力，對于2 000 kg的試驗車，最低阻尼力可降至2 kN左右，即可以調出1 m/s2的減速度，以此來減小鋼筋被快速拉出過程中產生的摩擦力，避免產生過高溫度導致鋼筋性能改變。同時，在需要模擬較高減速度或試驗車質量變化較大時，可以通過調節鋼筋纏繞組合方式實現。對于4種大跨度鋼筋纏繞方式，可用于后期擴展吸能器試驗能力。對于8種纏繞方式下單根鋼筋的阻尼力，可以通過試驗求得。后期試驗中所需的具體的鋼筋組合方式，由于組合過程簡單，技術人員可現場確定。

圖9 小吸能器優化方案

(2)當前所用鋼筋材質為芯部強度不高的普通碳素結構鋼，將其更換為優質碳素結構鋼材質并經正火處理的軟狀態鋼筋，提高鋼筋抗拉韌性，降低試驗車在減速過程中產生的震蕩。

(3)將銷柱由普通材質更換為模具鋼，并進行淬火處理，提高表面硬度及耐磨性。

優化后的設計方案可以適應不同質量的試驗車及不同減速度的試驗需求，一旦主被動安全一體化測試方案出臺，根據方案中的實際要求可在圖9的設計方案基礎上進行適當完善便可立即實施。

5 結束語

在鋼筋阻尼式臺車吸能器工作原理及設計結構的基礎上，設計了可置于牽引軌道兩側的吸能器，通過臺車試驗和實車試驗驗證，證明該設計方案可行，并在初始方案的基礎上進行了優化，確定了最終可實施方案：通過4種阻尼力較小的纏繞方式組合可以模擬實車AEB的制動過程，通過4種大跨度鋼筋纏繞方式可以進行阻尼偏大試驗。