基于層次分析法的重卡變速操縱性能主觀評價①

吳南洋, 王 猛, 車志平

(1.同濟大學(xué)汽車學(xué)院,上海 201804；2.中國第一汽車股份有限公司研發(fā)總院，吉林 長春 130011；3.一汽解放汽車有限公司商用車開發(fā)院，吉林 長春 130011)

0 引 言

變速操縱性能是車輛操縱性能的重要組成部分。國內(nèi)絕大多數(shù)重型卡車依然匹配手動變速箱，對應(yīng)變速操縱性能的好壞直接影響車輛的駕駛感受和舒適程度。在變速操縱性能開發(fā)和驗證過程中，主觀評價是最常用，也是最有效的驗證手段之一。論文建立了重卡變速操縱性能評價指標(biāo)體系，并通過運用層次分析法，構(gòu)建了評價體系結(jié)構(gòu)模型，計算了評價體系中各個層次的權(quán)重系數(shù)。最后對某品牌配有3種不同變速操縱機構(gòu)的3輛重型卡車進行變速操縱性能綜合評價。

1 變速操縱評價指標(biāo)體系構(gòu)建

變速操縱性能隸屬于汽車操縱性評價體系范疇。變速操縱性能反應(yīng)了駕駛員在操作車輛換擋行駛過程中人車交互作用下的綜合感知，描述了駕駛員在進行換擋操作時的整體感覺，并以駕駛員的期望滿意度為最終評價依據(jù)[1]。

在借鑒國內(nèi)外變速操縱性能主觀評價基礎(chǔ)上，結(jié)合實際情況，在實踐中分析總結(jié)出具有企業(yè)特色的變速操縱性能評價指標(biāo)體系。該評價指標(biāo)體系主要包含以下內(nèi)容：

(1)外觀與形狀；主要包含以下方面：換擋手柄的外觀標(biāo)識應(yīng)該清晰可見，方便駕駛員識別和辨認(rèn)，同時還應(yīng)具有不易褪色的特點；換擋手柄應(yīng)對手掌具有良好的支撐，避免駕駛員手部不適；換擋手柄應(yīng)有良好的觸感，方便駕駛員把握；換擋手柄的顏色與形狀要與整車內(nèi)飾協(xié)調(diào)一致。

(2)人機工程；換擋機構(gòu)是駕駛員與車輛之間交互最多、最重要的功能模塊之一，其人機工程主要包括以下方面：駕駛員手從轉(zhuǎn)向盤到換擋手柄的動作是否自然；駕駛員手臂與換擋手柄之間的距離是否合適；換擋手柄的高度和初始角度是否合理；手掌放在換擋手柄上時，手臂關(guān)節(jié)是否舒適，是否容易疲勞；選換擋動作過程中，行程是否合適；選換擋過程中，手臂和換擋手柄是否與其他物體相互干涉，駕駛員姿勢是否失調(diào)等。

(3)操縱性能；操縱性能主要包括以下方面：選換擋過程中，選擋力與換擋力應(yīng)適中，且選換擋力分布均勻，不應(yīng)出現(xiàn)某個擋位選擋力或者換擋力明顯增大現(xiàn)象；選換擋動作應(yīng)當(dāng)平滑、連貫和舒適，無棘輪感；擋位定位合理，選擋回饋明確，不應(yīng)有竄擋、誤掛擋等現(xiàn)象；各個擋位分布均勻合理，擋口不應(yīng)有重疊部分，換擋過程，進入擋口后，有吸合感；摘擋后，具有良好的回位特性。

(4)NVH特性；在行車過程中，車身振動不應(yīng)明顯傳遞到換擋手柄處，要具有良好的減振特性。

2 汽車變速操縱性能綜合評價方法

2.1 層次分析法與應(yīng)用步驟

層次分析法是一種將復(fù)雜的多目標(biāo)問題進行定性和定量分析的決策方法。其主要是將多目標(biāo)決策問題作為一個系統(tǒng)，通過目標(biāo)逐層分解的方式，形成不同目標(biāo)層。通過構(gòu)建判斷矩陣，以及相應(yīng)的數(shù)學(xué)方法計算，確定評價指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)[2]。

應(yīng)用層次分析法的步驟如下：

(1)建立層次結(jié)構(gòu)模型：通過對系統(tǒng)中各因素之間的關(guān)系進行分析，構(gòu)造層次結(jié)構(gòu)模型。

(2)構(gòu)造判斷矩陣：對各個指標(biāo)進行相互比較，并按照表1進行判斷打分，構(gòu)造評價指標(biāo)的判斷矩陣。

表1 判斷矩陣標(biāo)度

(3) 計算權(quán)重向量及一致性檢驗

① 矩陣元素按列歸一化：

(1)

式中，aij為判斷矩陣元素值；n為矩陣的行數(shù)(或列數(shù))；N為正整數(shù)集。

② 按列歸一化后的元素按行相加：

(2)

③ 將第2步中得到的元素歸一化計算：

(3)

式中，W為W中第i行向量的值。

W=(W1,W2,…,Wn)T即為所求的特征向量的近似解

④ 計算矩陣最大特征根：

(4)

式中，λmax為矩陣A的最大特征根;n∈N，N為正整數(shù)集。

⑤ 計算一致性指標(biāo)：

CI=(λmax-n)/(n-1)

(5)

⑥ 從表2中查找平均隨機一致性指標(biāo)RI。

⑦ 計算相對一致性指標(biāo)

CR=CI/RI (6)

(4) 計算組合權(quán)向量

由各準(zhǔn)則對每一準(zhǔn)則的權(quán)向量計算各方案對目標(biāo)的權(quán)向量，該向量稱為組合權(quán)向量。

2.2 建立層次結(jié)構(gòu)模型

變速操縱性能評價體系的結(jié)構(gòu)模型分為三個層次：

(1)第一層表示待解決問題的目標(biāo)，稱為目標(biāo)層。對于汽車變速操縱性能評價而言，目標(biāo)就是獲得汽車變速操縱主觀評價綜合評分。

(2)第二層表示為實現(xiàn)預(yù)定目標(biāo)所涉及的中間環(huán)節(jié)，稱為準(zhǔn)則層。根據(jù)變速操縱性能評價指標(biāo)體系，將變速操縱性能劃分為外觀和形狀、人機工程、操縱性能、NVH性能等四個方面。

(3)第三層表示針對每個評價準(zhǔn)則層所設(shè)立的多項評價指標(biāo)，稱為方案層。根據(jù)變速操縱性能評價指標(biāo)體系，方案層為準(zhǔn)則層所設(shè)立的多項具體評價指標(biāo)。

變速操縱性能評價層次結(jié)構(gòu)模型見表3。

表3 層次結(jié)構(gòu)模型-變速操縱性能評價

2.3 主觀評價指標(biāo)權(quán)重系數(shù)確定

選取3位經(jīng)驗豐富的主觀評價工程師，分別按照表1構(gòu)造出判斷矩陣，并進行各指標(biāo)的相對權(quán)重計算和一致性檢驗。以其中1位工程師為例，其目標(biāo)層所構(gòu)造的判斷矩陣見表4，同理構(gòu)造準(zhǔn)則層判斷矩陣并計算各指標(biāo)權(quán)重，具體見表5。

表4 目標(biāo)層-變速操縱性能判斷矩陣及權(quán)重

對變速操縱結(jié)構(gòu)模型各個層次的判斷矩陣求最大特征根及一致性檢驗。其中，目標(biāo)層判斷矩陣，λ= 4.0735，CR=0.0275<0.1；準(zhǔn)則層-外觀與形狀判斷矩陣，λ=4.0042，CR=0.0016<0.1；準(zhǔn)則層-人機工程判斷矩陣，λ=5.0556，CR=0.0124<0.1；準(zhǔn)則層-操縱性能判斷矩陣，λ=7.6123，CR=0.075<0.1；準(zhǔn)則層-NVH性能判斷矩陣，λ=3.0385，CR=0.0275<0.1；通過一致性檢驗，均符合要求。

表5 準(zhǔn)則層各指標(biāo)權(quán)重

同理其他兩位主觀評價工程師分別構(gòu)造判斷矩陣，并按照相同步驟進行各指標(biāo)的相對權(quán)重計算和一致性檢驗。通過對三位工程師的權(quán)重結(jié)果取算數(shù)平均值，作為各個指標(biāo)的權(quán)重。如方案層B13換擋回饋，三位工程師的權(quán)重分別為0.0689、0.0694和0.0728，取均值為0.0704。同理對其他層次要素進行計算，最終得到變速操縱主觀評價權(quán)重，見表6。

表6 變速操縱主觀評價權(quán)重

3 重卡變速操縱性能綜合評價實車分析

選取3臺樣車進行變速操縱性能評價綜合評價實車驗證。3臺樣車為相同傳動系配置的某品牌重型卡車，分別配有不同類型的變速操縱機構(gòu)：樣車1配有軟軸式變速操縱機構(gòu)，樣車2配有單桿式變速操縱機構(gòu)，樣車3配有伸縮天線式操縱機構(gòu)。

由3位經(jīng)驗豐富的主觀評價工程師進行單獨評價，評價得分取算數(shù)平均值，得到變速操縱性能各個指標(biāo)得分情況，見表7。

表7 變速操縱性能評分

結(jié)合在實車試驗中得到的各個指標(biāo)得分，可以計算出二級以上指標(biāo)分?jǐn)?shù)。以NVH性能為例，樣車1的不平順度、機構(gòu)振動、機構(gòu)異響評分分別為7、6.75、7.25，則樣車1的NVH性能得分為：7×0.6675+6.75×0.1049+7.25×0.2276=7.0306。三種操縱機構(gòu)變速操縱性能二級以上評價指標(biāo)具體得分如下表8～9。

表8 準(zhǔn)則層各個評價指標(biāo)分值

表9 變速操縱性能評價分值

從表6可知，在準(zhǔn)則層4個評價指標(biāo)中，操縱性能所占比重最大(0.5233)，人機工程(0.2010)和NVH性能(0.2139)所占比重次之，操縱桿的外觀和形狀所占比重最小(0.0513)。

從表8可知，在外觀與形狀性能方面，三臺樣車的得分基本相當(dāng)。在人機工程方面，樣車1的評分最高(7.3674)，樣車3次之(7.0000)，樣車2稍差(6.6098)。在操縱性能方面，樣車2的評分最高(7.4914)，樣車3次之(6.6241)，樣車1稍差(6.1896)。在NVH性能方面，樣車1評分最高(7.0000)，樣車3次之(6.1663)，樣車2稍差(5.5000)。該結(jié)果與評價人員主觀感覺一致。

從結(jié)構(gòu)原理上分析：

(1)軟軸式換擋機構(gòu)其可以直接固定在駕駛室地板上，易于布置，所以在人機工程方面最好；該機構(gòu)安裝時地板開口小，密封性好，未與發(fā)動機等振動源、噪聲源直接相連，所以NVH性能較好；由于軟軸自身存在阻力，且在受力過程中，容易產(chǎn)生形變，所以在操縱性能方面稍差。

(2)單桿式換擋機構(gòu)不能直接固定在駕駛室地板上，而是通過支架固定在發(fā)動機機體上，所以在人機工程方面較差；與發(fā)動機等振動源、噪聲源直接相連，且在地板上有較大開口，密封性差，所以NVH性能較差；由于單桿式換擋機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，傳動效率高，所以在操縱性能方面最好。

(3)伸縮天線式換擋機構(gòu)其可以直接固定在駕駛室地板上，易于布置，所以在人機工程方面較好；該機構(gòu)安裝時地板開口小，密封性好，未與發(fā)動機等振動源、噪聲源直接相連，所以NVH性能較好；由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，鉸鏈點多，系統(tǒng)間隙和阻力較大，所以在操縱性能方面一般。

由此可見，對于重型貨車在換擋機構(gòu)方面的選型，三種操縱機構(gòu)均有自己的特點，無明顯優(yōu)劣之分。從表9可知，三種變速操縱機構(gòu)整體性能評分相當(dāng)，也證明了這一點。作為設(shè)計人員和整車制造商，要根據(jù)自身產(chǎn)品特點綜合考慮，選取最合適的換擋機構(gòu)，滿足用戶的使用需求。

4 結(jié) 語

(1)在借鑒國內(nèi)外主觀評價方法與實際變速操縱評價試驗的基礎(chǔ)上，建立了變速操縱評價指標(biāo)體系，重點分析了影響變速操縱性能的外觀和形狀、人機工程、操縱性能和NVH性能四個方面。

(2)采用層次分析法，構(gòu)建了變速操縱評價層次結(jié)構(gòu)模型和判斷矩陣，并計算了各個層次所占權(quán)重。解決了評價人員在進行變速操縱性能評價過程中綜合評分不易把握的問題，提高了評價的客觀性和合理性。

(3)結(jié)合實際試驗分析，對同款車型的三種變速操縱機構(gòu)進行主觀評價試驗，計算出了各種變速操縱機構(gòu)綜合評價結(jié)果，通過對比分析，驗證了層次分析法在變速操縱評價中的有效性，為進一步的參數(shù)調(diào)教和優(yōu)化提供了參考。