基于生物力學與感性工學分析的汽車換擋性能主觀評價體系研究*

馮杰 李江天 嚴巋

（1.武漢理工大學，現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點實驗室 汽車零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，武漢 430070；2.武漢理工大學，武漢 430070）

1 前言

隨著汽車行業(yè)的快速發(fā)展，主觀評價不僅在整車性能上得到廣泛應用，在零部件評價方面也有著舉足輕重的地位。換擋性能的優(yōu)劣對用戶的使用體驗頗有影響，并通過主觀感受得以反映[1]，因此，針對駕駛員的主觀感受構(gòu)建一套變速器換擋性能的主觀評價體系是非常必要的。

國外汽車企業(yè)早已意識到換擋性能主觀評價的重要價值。沃爾沃建立了由5名資深評車師組成的評審團來進行駕駛體驗的主觀評分，取算術(shù)平均值，得到主觀評價結(jié)果[2]；福特與通用公司培訓大量專家組成評判團，嚴格把控主觀試驗的運作程序開展主觀評價[3]。國內(nèi)自主開發(fā)起步晚，整車企業(yè)無系統(tǒng)的主觀評價體系，也無資深評車師，同時國內(nèi)各項環(huán)境異于國外，若直接引進國外的評價體系，將難以準確給出性能總體評分，評價結(jié)果不能如實反映換擋性能水平[4]。

在國內(nèi)，陳剛[5]等應用MATLAB建立了基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡的汽車換擋品質(zhì)評價系統(tǒng)（ANFIS），結(jié)合主觀評價數(shù)據(jù)和客觀試驗數(shù)據(jù)進行分析比較；楊士欽、王應[6]等結(jié)合變速器換擋性能的主觀評價需求目標，確定了動態(tài)換擋性能評價的3個客觀量化指標，即二次沖擊、換擋沖量和倒擋掛入率；劉修珂[7]針對變速器試驗，在實測數(shù)據(jù)和主觀權(quán)重的基礎上構(gòu)建換擋品質(zhì)評價體系。國內(nèi)研究多建立在國外指標體系基礎之上，未對換擋操作進行細致的過程分析和人因工程分析，也未考慮國內(nèi)外文化和操作環(huán)境所造成的差異，其體系有效性有待檢驗，一定程度上影響了其應用價值。

針對以上研究現(xiàn)狀，本文結(jié)合描述性研究與實證性研究，依據(jù)生物力學和感性工學來分析換擋操作過程，以此為參考提出影響換擋品質(zhì)的因素，并結(jié)合深度訪談初步確定評價指標，再進行實證性的問卷調(diào)查，運用統(tǒng)計學方法分析調(diào)研數(shù)據(jù)完成評價指標選取，并為不同指標賦權(quán)，分析指標差異。最后，通過效度實證檢驗對主觀評價體系的科學有效性進行了驗證。

2 換擋過程的理論分析與研究設計

2.1 理論分析

當?shù)缆飞蟻硗囕v、交通標志、路面狀況發(fā)生變化時，駕駛員的感覺神經(jīng)元以及視覺神經(jīng)群落、聽覺神經(jīng)群落、皮膚中與各類感受器連接的神經(jīng)群落產(chǎn)生反射刺激，并形成輸入信息，將刺激信息以電信號的形式通過神經(jīng)鏈路快速傳遞給中樞神經(jīng)系統(tǒng)，經(jīng)過選擇和思考做出相關(guān)的決策，最后將決策信息通過傳出神經(jīng)元傳遞給運動神經(jīng)系統(tǒng)，發(fā)出神經(jīng)信號驅(qū)動手和腳的肌肉、骨骼完成換擋操作[8]。換擋操作的神經(jīng)反應過程如圖1所示。

圖1 換擋操作的神經(jīng)反應過程

在進行不同行程的換擋操作時，駕駛員需使用不同力度，肌肉根據(jù)實際情況調(diào)整收縮力度獲取不同的肌力以完成動作。楊楓[9]認為人體的運動受到肌肉力量的約束，肌力能量利用率最高的狀態(tài)是在最大肌力的1/2和最大收縮速度的1/4的情況下進行操作，該狀態(tài)下人可以工作很長時間而不感覺到疲憊。在人機工程學中，換擋過程被描述為“須由駕駛者的感覺器官、中樞神經(jīng)系統(tǒng)及運動器官（作業(yè)三要素）三者共同努力才能完成”的復雜操作[10]，由此帶來舒適與否的感受，是一種主觀的情緒反應。

Lueder[11]認為，不舒適是一種主觀經(jīng)驗，它是生理與心理兩種過程結(jié)合后而產(chǎn)生的結(jié)果，受人、機具和環(huán)境三者的狀態(tài)及其互動關(guān)系的影響[12]，機具是否符合人體測量學的基本要求，設計布置能否滿足人的心理及生理特性，由此所帶來的操作體驗和環(huán)境中的各項物理因素（振動、噪聲、環(huán)境溫度等）共同作用于人的感知器官，進而傳遞到人的中樞神經(jīng)系統(tǒng)；Levy[13]認為人們由此產(chǎn)生的情緒反應是對所接收信息產(chǎn)生的一連串信息傳遞與處理的結(jié)果，即“外物刺激—感官的感受—內(nèi)在心理感覺—感性情感”。由此，基于感性工學的階層類別分析法，定義換擋性能滿意度為0階概念，將駕駛員的各種感觀體驗（視覺、觸覺、聽覺）定義為下一階概念。

視覺體驗上，操縱桿及換擋手柄外觀符合人性化要求且擁有良好的視覺效果，各擋位操縱桿位置附合人機工程學要求，操作完成時，操作者在視覺上能判斷操縱桿是否回到指定的位置。觸覺體驗上，換擋手柄大小、形狀適當，握持舒適，操縱桿沒有不舒適的振動和晃動，換入相應擋位時，過程順暢、行程清晰，操作者通過觸覺準確地感知擋位和操作進程。聽覺體驗上，換擋過程中，變速器和操縱桿無異響，換入擋位后無明顯響聲，整體操作環(huán)境適宜，良好的聽覺體驗能改善駕駛員的情緒，進而影響換擋舒適性[14]。駕駛員的不同操作表現(xiàn)出不同的感性訴求，綜合所有感性訴求進行產(chǎn)品設計，可以提高駕駛員的換擋體驗。

2.2 研究設計

為了科學地建立系統(tǒng)、有效的評價體系，在前文的分析的基礎上，建立評價分析的初步框架，設計消費者駕駛體驗流程，甄選駕駛者進行靜態(tài)和動態(tài)換擋操作，并隨之對其進行深度訪談，以收集消費者對影響換擋感受的因素的看法，在語義分析的基礎上，將消費者的看法分解抽象為內(nèi)容獨立、意涵清晰的字段以作為評價體系的指標，并結(jié)合理論分析對指標的邏輯合理性與完整性進行定性判斷，以這些指標為基礎初步形成結(jié)構(gòu)化的評價體系量表，進行相對大樣本靜態(tài)和動態(tài)換擋操作試驗和相應的問卷調(diào)查（每個試驗者在操作體驗后即完成問卷調(diào)查），隨即對問卷數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，通過總體相關(guān)系數(shù)（Corrected Item-Total Correlation，CITC）分析和因子分析對指標進行項目純化和化簡降維，確定最終的評價指標。另外，運用變異系數(shù)法對評價指標進行賦權(quán)，確定各評價指標的權(quán)重因子，分析消費者主觀評價各指標的差異、各指標對總體滿意的貢獻；最后，對主觀評價體系進行結(jié)構(gòu)效度和效標效度分析，驗證體系的有效性。

3 主觀評價指標的遴選

3.1 操作試驗與深度訪談

選擇6位目標市場富有經(jīng)驗的車主進行深度訪談。首先，使發(fā)動機處于熄火、離合器處于分離狀態(tài)，訪談對象依次進入駕駛室反復模擬車輛駕駛過程的換擋操作，主要感受操縱桿的位置布置、操縱設備的尺寸設計及行程安排。體驗結(jié)束后，完成對指定項目各分項的打分，并對體驗過程的感受進行主觀描述。

完成靜態(tài)評價后，在指定的試驗路況，被試者在駕駛過程中進行不同的換擋操作，按動態(tài)加減擋（空擋→1→2→3→4→5→4→3→2→1→空擋）依次進行加擋、減擋操作，以及少量跨擋位操作和倒擋操作，要求每次駕駛時間不少于3分鐘，規(guī)定換擋操作需進行3次以上，此過程主要感受不同擋位的操作力、換擋時的流暢度以及換擋過程的振動和異響。動態(tài)行駛完畢之后，同樣進行問卷的分項打分，并完成主觀描述。

通過6名客戶的試駕和深度訪談，整理訪談過程得到的數(shù)據(jù)信息和文本信息，重點對他們的主觀描述進行語義分析，尋找對換擋過程的不同看法與感受，初步得到消費者對變速器換擋的主觀體系，如表1所示?？梢钥闯觯瑩Q擋清晰度與換擋力度主要反映換擋操作的結(jié)果表現(xiàn)，應符合生物力學的基本規(guī)律及感性心理，保證換擋準確性和舒適性；操作系統(tǒng)的設計與布置從人體測量學的基本要求出發(fā)，滿足人機工程學中人-機系統(tǒng)的整體設計和人的生理、心理需求；換擋的振動和噪聲則體現(xiàn)換擋環(huán)境的影響，符合感性工學感覺體驗理念。整體而言，訪談所得維度與指標符合前文的理論分析，驗證了此主觀評價體系的有效性。

3.2 評價指標的選定

3.2.1 問卷描述性分析

由于本研究的對象是手動變速器，故被調(diào)查人員甄選的條件是具有一定駕齡的手動變速器的主要使用者。問卷調(diào)查分別在武漢和成都進行，每個區(qū)域的調(diào)查人數(shù)均為50人，研究采取面對面駕駛體驗，完成后直接進行調(diào)查問卷填寫，最終得到100份有效調(diào)查數(shù)據(jù)，樣本特征如表2所示。

表1 初步建立的主觀評價體系

表2 100名調(diào)查樣本的特征

絕大部分被調(diào)查者的年齡在21～50歲之間，且具有2年以上駕齡，擁有較為豐富的手動駕駛經(jīng)驗，對換擋過程比較熟悉，滿足此次調(diào)查的條件；同時根據(jù)GB 10000—88《中國成年人人體尺寸》，被訪者也符合我國既往有關(guān)人機工程學調(diào)查所得數(shù)據(jù)的分布規(guī)律，與前面的理論基礎相互印證。

3.2.2 量表的信度檢驗

通過問卷調(diào)查對100名被試者換擋過程的主觀感受按前述的4個維度進行測量，主8觀評價量表整體的Cronbach′sα（克隆巴赫系數(shù)）值為0.951，每個維度的Cronbach′sα值全部大于0.7，表明本研究中使用的主觀評價量表的內(nèi)部一致性較高，具有良好的信度。主觀評價量表的信度檢驗結(jié)果如表3所示。

表3 主觀評價量表的信度檢驗結(jié)果

3.2.3 初選指標的項目純化

通過問卷調(diào)查獲取主觀評價數(shù)據(jù)后，先計算各項目的總相關(guān) （Corrected-Item Total Correlation，CITC）系數(shù)和Cronbach′sα值以純化問卷項目。如果CITC系數(shù)低于0.5，且刪除該指標后能提高Cronbach′sα，一般應該刪除這個項目[15]。在此研究中，Q1、Q4、Q18、Q22的CITC系數(shù)都低于0.5，刪除上述4個項目后，總體的Cronbach′sα值由0.951上升到0.957，因此，將這4個項目刪除，以保證項目的純化，計算結(jié)果見表4。

表4 項目純化的CITC分析

3.2.4 初選指標的化簡與降維

為了進一步分析各項間的因子結(jié)構(gòu)，需對有關(guān)數(shù)據(jù)進行探索性因子分析。在分析之前，首先對數(shù)據(jù)是否適合進行因子分析進行了檢驗，結(jié)果見表5，由表5可知，原假設變量之間具有無關(guān)性，說明原始數(shù)據(jù)適合做因子分析。

表5 KMO和Bartlett的檢驗

根據(jù)特征根大于1的標準，選擇符合要求的主成分進行分析研究。表6顯示，各成分的公共因子的最高方差貢獻率達到了55.627%，累計方差貢獻率最高已達到78.695%，說明進行因子轉(zhuǎn)換后得到的主成分因子結(jié)構(gòu)仍然保留了之前各成分因子絕大多數(shù)的最初信息。

表6 解釋的總方差

為獲得具有理論意義的因子，采用主成分分析法進行因子提取，用正交旋轉(zhuǎn)法進行因子旋轉(zhuǎn)，保留特征值大于1的因子，要求最終保留的項目在某一個因子上的負載大于0.5，并具有較低的交叉負載，刪除旋轉(zhuǎn)后同時在2個以上因子上的負載值大于0.5的項目[16]。處理后，最終得到4個主因子，因子分析結(jié)果見表7。

根據(jù)因子載荷矩陣顯示：因子1包括Q2、Q3、Q5、Q6、Q7、Q8、Q9，主要體現(xiàn)換擋操作的清晰程度，將其命名為換擋清晰度；因子2包括Q10、Q11、Q12、Q13、Q14、Q15，主要涉及換擋過程的使用力度，命名為換擋力度；因子3包括Q16、Q17、Q19、Q20，主要涉及換擋裝置的設計與安排，命名為操作系統(tǒng)的設計與布置；因子4包括Q21、Q23、Q24，主要涉及換擋時產(chǎn)生的聲音與響動，將其命名為換擋的振動和噪聲。這一結(jié)果與前文通過理論分析及深入訪談所得到的評價體系基本一致。

表7 探索性因子分析生成的因子載荷矩陣

4 評價指標的賦權(quán)

本研究運用變異系數(shù)法進行賦權(quán)，該方法從原始數(shù)據(jù)中提取信息，根據(jù)各指標在所有評價對象上觀測值的變異程度對其賦權(quán)，更能真實地反映眾多評價指標的重要程度。被試者主觀評價得分構(gòu)成的原始數(shù)據(jù)矩陣為：

式中，Xij為第i個對象的第j個指標的數(shù)值；m為評價指標項數(shù)；n為評價對象數(shù)量。

將研究數(shù)據(jù)帶入該X矩陣，其中，m=4，n=100。

a.計算各指標的標準差，反映各指標的絕對變異程度：

式中，Sj為第j個指標的標準差為第j個指標的平均值，其中j=1,2,3,4。

b.計算各指標的變異系數(shù)，反映各指標的相對變異程度：

c.對各指標的變異系數(shù)進行歸一化處理，得到各指標的權(quán)數(shù)：

表8 權(quán)重分布

換擋清晰度有助于駕駛員判斷是否已掛入指定擋位，使換擋操作準確有效地達到預期效果，最直觀地體現(xiàn)了換擋滿意度，其權(quán)重高達50.4%也證明此維度的重要性和有效性；換擋力度和操作裝置的設計和布置體現(xiàn)駕駛員操作時的舒適性，不同方式會讓駕駛員獲取不同的主觀感受，其權(quán)重分別為32.8%和16.1%；換擋的振動和噪聲則從聽覺角度間接體現(xiàn)換擋舒適性，對操作過程造成不同程度的影響。

5 評價體系的有效性檢驗

5.1 結(jié)構(gòu)效度的檢驗

采用Lisrel 8.7軟件對探索性因子分析保留的變量及其結(jié)構(gòu)進行檢驗，將保留的20個項目作為觀測變量，探索性因子分析后得到的4個因子作為潛變量，并由此構(gòu)造相應的驗證性因子分析模型，擬合優(yōu)度檢驗的評價指標主要有：卡方自由度比值χ2/df、近似均方根殘差（Root Mean Square Error of Approximation，RMSEA）、比較擬合指數(shù)（Comparative Fit Index，CFI）、基準化擬合指數(shù)（Normed Fit Index，NFI）。模型整體的適配性結(jié)果表明其對數(shù)據(jù)的擬合情況良好，如表9所示。

表9 模型數(shù)據(jù)擬合結(jié)果

隨后，對數(shù)據(jù)進行驗證性因子分析，采用主成分分析法提取各指標的因子負荷，實際上4個維度的標準化因子負荷均不低于0.620，符合最低臨界水平0.40的標準，說明量表具有較好的結(jié)構(gòu)效度，因此認為其效度可靠，標準化因子負荷如表10所示。

表10 標準化因子負荷

5.2 效標效度的檢驗

本研究采用相關(guān)法檢驗效標效度，分析量表中各維度評價值與消費者總體滿意度之間的相關(guān)性，得出的皮爾森相關(guān)系數(shù)（Person Correlation Coefficient）見表11。各維度評價值與總體滿意度顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)均在0.7以上，成強相關(guān)，同時各維度間也顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)也均在0.7以上，成強相關(guān)，說明評價維度能夠準確反映總體滿意度，即所使用的量表具有良好的效標效度。

表11 各維度的Person相關(guān)性系數(shù)雙側(cè)顯著性

綜上，可以說明此體系量表具有良好的效度，進而確保了評價體系的可靠性、真實性和穩(wěn)定性，也驗證了相關(guān)結(jié)論的有效性。

6 結(jié)束語

本文應用生物力學和感性工學理論探索駕駛員換擋滿意度的影響因素，結(jié)合深入訪談和實地調(diào)研，經(jīng)過探索性因子分析和驗證性因子分析的項目純化和因子提取，研究發(fā)現(xiàn)駕駛員換擋滿意度包含4個主要維度：換擋清晰度、換擋力度、操作系統(tǒng)的設計與布置以及換擋的振動和噪聲。運用變異系數(shù)法進行了賦權(quán)，研究表明體現(xiàn)換擋準確性的換擋清晰度具有50.4%的權(quán)重，說明換擋準確性在較大程度上影響了換擋滿意度。最后，對評價體系進行必要的效度檢驗，結(jié)果表明此評價體系合理有效。

本文的研究對象主要為手動變速器，研究結(jié)果具有一定的局限性，未來可以此為基礎，進一步研究不同類別變速器及其在不同時間、環(huán)境下駕駛員的主觀感受，得到更為全面的主觀評價體系。

[1]崔傳寶.機械式變速器換擋性能評價方法的初步研究[D].長春：吉林大學，2011.

[2]Nybacka M, He X. Links Between Subjective Assessments And Objective Metrics For Steering,and Evaluation of Driver Ratings[J].International Journal of Automotive Technology,2014,15(6)，893-907.

[3]Okamoto S, Konyo M, Tadokoro S.Discriminabili?ty-based Evaluation of Transmission Capability of Tac?tile Transmission Systems[J].Virtual Reality,2012(6):141-150.

[4]趙偉強，王長青，宗長富.乘用車操縱穩(wěn)定性評車師主觀評價能力檢驗方法[J].汽車技術(shù)，2011（11）：39-42.

[5]陳剛，張為公，龔宗洋.基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡的汽車換擋品質(zhì)評價系統(tǒng)[J]. 汽車技術(shù)，2008（7）：22-24.

[6]楊士欽，王應.乘用車手動變速器動態(tài)換擋性能評價方法及改進策略[J]. 汽車工程學報，2012（3）：348-353.

[7]劉修珂.汽車手動變速器換擋品質(zhì)評價及同步時間測試研究[D].武漢：武漢理工大學，2011.

[8]楊渝書.駕駛疲勞的人機工程分析和定量評價實驗研究[D].上海：上海交通大學，2002.

[9]楊楓.基于生物力學的汽車駕駛室人機工程設計研究[D].長沙：湖南大學，2015.

[10]劉建新，李軍．汽車駕駛工作特性分析[J].勞動保護科學技術(shù)，2000，20（3）：28-31.

[11]Lueder.R.K.Seat comfort:A Review of the Construct in the Office Environment[J].Human Factors,1983,25(6):701-711.

[12]Alvarez A,Pozueco L,Cabrero S.Subjective Evalua?tion of Critical Success Factors for a Qoe Aware Adap?tive System[J].Computer Communications,2013,36(15/16):1608-1620.

[13]Levy P,Kim D,Tsai T J,et al.Involving Psychophys?iological Knowledge in Kansei Design[J].International Journal of Design Engineering,2012,5(2):122-141.

[14]李紹義.手動變速器操縱機構(gòu)的精細化設計[J].武漢理工大學學報（交通科學與工程版），2015，39（4）：867-870.

[15]于志華.基于顧客關(guān)系視角的服務補救理論模型與實證[D].山東：山東大學，2007.

[16]Nunnally J C.Psychometric theory[J].New York,Mc?Graw Hill,1978.