基于人機(jī)工程的駕駛性開發(fā)研究

張鵬飛，楊雪峰，林萬國，王 凱，劉甲一

（一汽轎車股份有限公司產(chǎn)品部，吉林 長春 130012）

駕駛性是包含平順性在內(nèi)的加速性，是衡量汽車動力總成系統(tǒng)標(biāo)定開發(fā)好壞的一類重要指標(biāo)，與汽車的動力性、經(jīng)濟(jì)性、舒適性都有密切的關(guān)系，是汽車內(nèi)在品質(zhì)的重要體現(xiàn)［1］。

隨著人民生活水平的不斷提高，用戶對汽車安全性、舒適性的要求也越來越高。駕駛性作為能夠被用戶直觀體驗(yàn)的一項(xiàng)性能，對用戶體驗(yàn)的貢獻(xiàn)也越來越大。駕駛性體現(xiàn)著汽車產(chǎn)品市場定位與品牌基因，影響著消費(fèi)者購買意愿，是提升產(chǎn)品競爭力的關(guān)鍵［2］。

另一方面第4階段燃油消耗量法規(guī)規(guī)定2020年生產(chǎn)的乘用車平均燃料消耗量降至5.0L／100km［3］。面對油耗法規(guī)要求，節(jié)能也是當(dāng)代汽車開發(fā)的主旋律，所以開發(fā)出既能滿足用戶駕駛性需求又能滿足油耗、排放法規(guī)要求的車輛是各大主機(jī)廠必須攻克的難題。

1 駕駛性開發(fā)概述

駕駛性開發(fā)主要是研究車輛在X方向 （車輛前進(jìn)／后退方向）上的運(yùn)動情況。對于不同類型的車，用戶所需求的動力表現(xiàn)并不一致，例如商務(wù)車的主要需求是舒適性，SUV的主要需求是動力性。另外同一種類型的車為了表現(xiàn)不同的加速特性也可能需求不同的動力表現(xiàn)，我們稱這種不同的動力表現(xiàn)為整車加速風(fēng)格。

根據(jù)汽車行駛方程式 （1）

在駕駛性開發(fā)過程中一般不考慮坡度因素，所以方程式（1）可以轉(zhuǎn)化為方程式 （2）。

式中：Ttq——發(fā)動機(jī)扭矩；ig——變速器傳動比；i0——主減速器傳動比；r——車輪半徑；G——作用于車輛的重力；f——滾動阻力系數(shù)；CD——空氣阻力系數(shù)；A——迎風(fēng)面積；ua——車輛行駛速度；m——車輛質(zhì)量；δ——旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)［4］。一般工程應(yīng)用中可以使用滑行阻力替代風(fēng)阻和摩擦阻力。不難看出車輛作為一個很復(fù)雜的彈性系統(tǒng)，當(dāng)內(nèi)部或者外部參數(shù)發(fā)生變化時，在短時間內(nèi)可能導(dǎo)致整個系統(tǒng)產(chǎn)生不規(guī)則運(yùn)動或振蕩等反應(yīng)，直至達(dá)到某種新的平衡。我們將這種從一個穩(wěn)態(tài)工況到另一個穩(wěn)態(tài)工況的過程稱之為過渡工況。

根據(jù)過渡工況的力學(xué)性能，在工程實(shí)踐中車輛可能表現(xiàn)出加速沖擊、加速遲滯、加速喘振、加速倒拌／加速應(yīng)答差、爆震、減速沖擊、減速喘振、后燃、減速作用過強(qiáng)或過弱、進(jìn)入或退出減速斷油過程有沖擊等現(xiàn)象中的一種或者多種，我們將這些現(xiàn)象統(tǒng)稱為過渡工況駕駛性問題。

簡言之，駕駛性開發(fā)的主要內(nèi)容有兩點(diǎn)：一是確定整車加速風(fēng)格；二是優(yōu)化動態(tài)扭矩管理，避免出現(xiàn)過渡工況駕駛性問題。兩者之間有著相輔相成的關(guān)系，整車加速風(fēng)格是動態(tài)扭矩管理控制的基礎(chǔ)；動態(tài)扭矩管理控制是加速風(fēng)格實(shí)現(xiàn)的必要保障。在整車標(biāo)定過程中，加速風(fēng)格標(biāo)定就是駕駛員需求扭矩標(biāo)定，動態(tài)扭矩管理標(biāo)定解決了過渡工況各種扭矩濾波的問題。

1.1 駕駛員需求扭矩

現(xiàn)代發(fā)動機(jī)控制均采用基于扭矩的控制策略，其核心算法之間全部使用扭矩進(jìn)行計(jì)算和傳遞，如圖1所示［5］。電控系統(tǒng)通過加速踏板位置傳感器反饋的電壓值感知駕駛員對加速踏板的操作情況，實(shí)時計(jì)算駕駛員需求扭矩。系統(tǒng)綜合考慮駕駛員需求扭矩、發(fā)動機(jī)燃燒模型計(jì)算的實(shí)時扭矩以及其它扭矩需求，計(jì)算出下一時刻的燃燒扭矩需求，再通過內(nèi)部算法計(jì)算出發(fā)動機(jī)噴油、點(diǎn)火、進(jìn)氣等執(zhí)行器的控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)扭矩輸出。同時系統(tǒng)通過回采執(zhí)行器執(zhí)行情況和傳感器信息精確計(jì)算發(fā)動機(jī)各位置的實(shí)際輸出扭矩，用于內(nèi)部修正并通過總線發(fā)送給其他控制器。

圖1 基于扭矩的發(fā)動機(jī)控制策略

1.2 動態(tài)扭矩管理

根據(jù)駕駛員需求扭矩的更新策略，當(dāng)加速踏板位置發(fā)生變化時，系統(tǒng)會實(shí)時計(jì)算當(dāng)前工況下的目標(biāo)扭矩。如何按照既定目標(biāo)從當(dāng)前實(shí)際扭矩達(dá)到目標(biāo)扭矩的控制就是動態(tài)扭矩控制。動態(tài)扭矩控制的核心標(biāo)定量是單位時間內(nèi)扭矩增量和控制時間周期。如圖2所示，車輛行駛過程可以被抽象為怠速、加速、勻速、減速4個過程，每個過程又可細(xì)分為很多工況，這里不做詳細(xì)介紹。在實(shí)際工程應(yīng)用中，每一個時刻的當(dāng)前實(shí)際扭矩與目標(biāo)扭矩的相對關(guān)系基本都不一致，一般系統(tǒng)采用變參數(shù)PID控制方式達(dá)成最終目標(biāo)，因此該部分是駕駛性標(biāo)定的難點(diǎn)也是重點(diǎn)。

圖2 目標(biāo)扭矩與實(shí)際扭矩之間的關(guān)系

2 駕駛性與人機(jī)工程

在駕駛員－汽車－環(huán)境閉環(huán)控制系統(tǒng)中，駕駛員同時承擔(dān)著操縱車輛以及根據(jù)車輛動態(tài)響應(yīng)來控制車輛的任務(wù)。如圖3所示［6］，駕駛性反映了駕駛員在汽車縱向行駛過程中人車交互作用下的綜合感知，描述了在整個汽車縱向行駛閉環(huán)控制系統(tǒng)中駕駛員動態(tài)感覺 （縱向加速度、沖擊、俯仰等）、決策行為 （根據(jù)感覺做出判斷）、操作行為 （換擋、踏板操作等）、車輛動態(tài)響應(yīng)過程之間的交互關(guān)系，并以駕駛員的期望滿意度為最終評價依據(jù)［2］。

圖3 駕駛員-汽車-環(huán)境閉環(huán)控制系統(tǒng)

將整個過程拆解分析，駕駛員在操作加速踏板之前，已經(jīng)對踏板行程和加速效果產(chǎn)生了一定的心理預(yù)期，并按照心理預(yù)期對踏板進(jìn)行操作。同時駕駛員通過感覺 （聽覺、視覺、觸覺等）接收外界關(guān)于加速效果的反饋信息，并通過心理預(yù)期和實(shí)際反饋的對比，進(jìn)行綜合判斷并給出當(dāng)前車輛的加速效果判定，如圖4所示。解析這一過程，可得出基于人機(jī)工程的駕駛性開發(fā)核心是達(dá)到并超越駕駛員的心理預(yù)期，所以如何正確解析駕駛員對加速踏板的操作與心理預(yù)期的對應(yīng)關(guān)系，就是駕駛性開發(fā)的關(guān)鍵。

圖4 整車加速示意圖

在駕駛員－汽車－環(huán)境閉環(huán)控制系統(tǒng)中，唯一的人機(jī)交互介質(zhì)就是加速踏板。電控系統(tǒng)通過采集加速踏板的位置信號，如圖5所示，并通過運(yùn)算轉(zhuǎn)化為踏板開度百分比。系統(tǒng)結(jié)合當(dāng)前轉(zhuǎn)速、車速、踏板開度等信息，轉(zhuǎn)化為駕駛員需求扭矩，駕駛員需求扭矩就是用來解析駕駛員對加速預(yù)期對應(yīng)的扭矩值。駕駛員需求扭矩通過系統(tǒng)內(nèi)部算法轉(zhuǎn)化為輸出扭矩，再通過進(jìn)氣、噴油、點(diǎn)火等轉(zhuǎn)化為最終的輸出扭矩和輪邊扭矩，最終達(dá)成整車加速目標(biāo)。

圖5 加速踏板電-位移特性

3 基于人機(jī)工程的駕駛性開發(fā)

3.1 駕駛性開發(fā)流程

駕駛性開發(fā)流程如圖6所示，動力總成選型一般在前期車型規(guī)劃時已經(jīng)確定。動力總成選型結(jié)束后整車最大加速特性已經(jīng)固化；人機(jī)工程解析是解析駕駛員心理預(yù)期的重要手段，為整車加速風(fēng)格設(shè)定提供必要的人機(jī)工程依據(jù)；加速風(fēng)格設(shè)定是駕駛性開發(fā)的核心目標(biāo)，是確定駕駛員需求扭矩標(biāo)定的方向，整車標(biāo)定工程師會根據(jù)車型定位、用戶需求以及車型特點(diǎn)選擇不同的加速風(fēng)格；動態(tài)扭矩標(biāo)定、換擋品質(zhì)標(biāo)定都是為了更好地實(shí)現(xiàn)駕駛員需求扭矩；最終的主／客觀評價的目的是為了驗(yàn)收開發(fā)結(jié)果，一般都穿插在開發(fā)過程中進(jìn)行。其中虛線部分的換擋規(guī)律標(biāo)定和換擋品質(zhì)標(biāo)定僅適用于自動擋車型。

圖6 駕駛性開發(fā)流程簡圖

3.2 人機(jī)工程解析

人機(jī)工程數(shù)據(jù)分析的目的是為了獲取駕駛員腳踝舒適區(qū)對應(yīng)的踏板區(qū)域和常用的踏板工作區(qū)。由于不同車型人機(jī)工程設(shè)計(jì)的駕駛員腳踝位置與加速踏板的相對位置不同，所以需要做具體車型具體分析。如圖7所示，通過人體腳踝位置角度變化可以計(jì)算出加速踏板角度變化，由此可以計(jì)算出整個車型的踏板變化位置和人體舒適區(qū)踏板位置。

由于多數(shù)車型設(shè)計(jì)時只考慮標(biāo)準(zhǔn)身高和標(biāo)準(zhǔn)比例，并不能完全覆蓋各類體型和身高差異問題，所以通過計(jì)算得到的人機(jī)數(shù)據(jù)并不符合實(shí)際工程應(yīng)用要求，因此需要一種方法能夠提高用戶覆蓋度。為了解決這一問題，經(jīng)過研究證實(shí)，可以使用實(shí)車或者利用人機(jī)工程實(shí)驗(yàn)室資源，測定駕駛員操作踏板的實(shí)際數(shù)據(jù)，并通過統(tǒng)計(jì)學(xué)方法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

為了保證測試數(shù)據(jù)的真實(shí)有效，需采用特殊方法讓被測人員在輕松的狀態(tài)下自然流露其操作車輛的習(xí)慣。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，按照如下簡單方法，在人機(jī)工程試驗(yàn)臺 （或試驗(yàn)車輛）上進(jìn)行試驗(yàn)，可以得到較為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

圖7 人機(jī)工程示意圖

1）測試人員調(diào)整座椅至舒適坐姿。

2）操作加速踏板調(diào)整腳踝至最舒適位置。

3）等待1min后，開始采集數(shù)據(jù)。

4）持續(xù)采集3min加速踏板位置信號。

5）將收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

在某測試車型上，經(jīng)過對400人次數(shù)據(jù)采集，收集到的數(shù)據(jù)如圖8所示。分析數(shù)據(jù)可知，被測用戶使用踏板的舒適區(qū)域基本落在10%～30%之間。另外大部分男性客戶首次操作加速踏板的開度在28%附近，大部分女性客戶首次操作加速踏板開度在15%附近。

圖8 加速踏板位置使用頻率數(shù)據(jù)

將得到的駕駛員舒適位置區(qū)間數(shù)據(jù)和踏板使用頻度數(shù)據(jù)［2］按照一定規(guī)律分配到整車踏板行程上。如圖9所示為某車型設(shè)定參數(shù)，橫坐標(biāo)為踏板開度，縱坐標(biāo)為輸出扭矩系數(shù)，不同的車型根據(jù)其阻力情況確定不同的輸出扭矩系數(shù)。

3.3 整車加速風(fēng)格設(shè)定

整車加速風(fēng)格設(shè)定就是如何將整車的加速度特性或功率特性分配到加速踏板的行程上。一方面不同排量車型的最大加速能力不同。另一方面不同用戶對加速變化的感知基本一致，不同車輛必須滿足駕駛員最小加速度感知要求，從而滿足駕駛員加速需求。由于受駕駛員對不同加速度值的感知程度不同，部分小排量車型為了追求車輛低速性能，特意提升小踏板開度下的扭矩輸出值，以保證和大排量車量車型達(dá)到基本一致的低速性能，如圖10所示，A-2-修為某小排量車型加速目標(biāo)，該車型在提升前段加速性能的同時也犧牲了中后段加速性能。

圖9 等速踏板開度分配

整車加速風(fēng)格設(shè)定過程中需要結(jié)合人機(jī)工程數(shù)據(jù)分析結(jié)果、該車型的定位情況、整車加速度工程目標(biāo)及其他區(qū)域踏板使用情況，最終完成全區(qū)域的整車加速風(fēng)格設(shè)定，如圖11所示為某小排量車型加速風(fēng)格總體目標(biāo)。

3.4 駕駛員需求扭矩標(biāo)定

駕駛員需求扭矩作為表征駕駛員加速意圖的主要指標(biāo)，對于車輛動力性表現(xiàn)的影響至關(guān)重要。駕駛員需求扭矩標(biāo)定時，需要在滿足整車加速風(fēng)格工程目標(biāo)的前提下，兼顧轉(zhuǎn)速穩(wěn)定特性、車速穩(wěn)定特性、加速線性特性、滑行特性、NVH特性等整車其他整車性能。根據(jù)具體需求對標(biāo)定數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整，經(jīng)過標(biāo)定數(shù)據(jù)修正、客觀數(shù)據(jù)測試、主觀評價等環(huán)節(jié)評價合格后，才能具備數(shù)據(jù)發(fā)放條件。

圖10 加速風(fēng)格設(shè)定數(shù)據(jù)

圖11 特征區(qū)域加速風(fēng)格定義實(shí)例

在實(shí)際工程應(yīng)用中，首先按照加速風(fēng)格定義和人機(jī)工程測算結(jié)果計(jì)算出駕駛員需求扭矩，并按照等功率原則完成整個駕駛員需求扭矩的桌面標(biāo)定工作。之后在實(shí)車上進(jìn)行標(biāo)定優(yōu)化工作，并完成駕駛員需求扭矩的標(biāo)定工作。如圖12所示為某車型駕駛員需求扭矩最終標(biāo)定結(jié)果。

3.5 動態(tài)扭矩管理標(biāo)定

車輛行駛過程可以抽象為怠速、加速、勻速及減速四個工況。怠速和勻速基本處于穩(wěn)態(tài)工況，相對難度較低，加速和減速工況是駕駛性標(biāo)定的難點(diǎn)也是重點(diǎn)。

圖12 駕駛員需求扭矩標(biāo)定結(jié)果

如圖13所示，整車是一個復(fù)雜的彈性系統(tǒng)，由于傳動鏈間隙和彈性元件的存在，使得整個系統(tǒng)的性態(tài)比較復(fù)雜。為了精確控制扭矩輸出，電控系統(tǒng)根據(jù)傳動鏈的狀態(tài)信息將加速和減速過程分割為很多不同的子工況，每一種工況下使用不同的策略和算法進(jìn)行控制。通常將加速過程分為2段，減速過程分為3段，如圖14所示為某車型駕駛性測試數(shù)據(jù)。宏觀上看，動態(tài)扭矩管理就是對目標(biāo)扭矩的實(shí)現(xiàn)過程進(jìn)行濾波控制，目的是使實(shí)際扭矩的輸出更加平穩(wěn)有序并且不發(fā)生過渡工況駕駛性問題。實(shí)際工程應(yīng)用中在每一個階段都會有車速、轉(zhuǎn)速、踏板開度、擋位等變量參與運(yùn)算，用于計(jì)算不同工況下目標(biāo)扭矩的修正系數(shù)。

另外，由于駕駛性標(biāo)定數(shù)據(jù)對車輛狀態(tài)的依賴性很高，同一車型在開發(fā)過程中不同階段的車輛，其數(shù)據(jù)繼承性相對較差，所以每個階段的車輛都需要進(jìn)行標(biāo)定驗(yàn)證。

圖13 扭矩傳遞簡圖

圖14 駕駛性測試數(shù)據(jù)

3.6 駕駛性客觀測試

駕駛性標(biāo)定結(jié)束后需要進(jìn)行駕駛性客觀測試并判斷是否滿足整車加速工程目標(biāo)。采用GPS設(shè)備對車輛加速性能進(jìn)行測試，如圖15所示為該車型M2擋加速性能測試結(jié)果，圖中自上而下分別為80%、50%、20%踏板開度下的加速特性曲線。線性處理后其加速度分別為2.41m／s2、1.94m／s2、1.03m／s2，客觀測試結(jié)果可以判斷該車型駕駛員需求扭矩標(biāo)定全部滿足整車加速風(fēng)格設(shè)定要求。

由于排放、油耗、駕駛性三者之間客觀測試除了要針對駕駛性進(jìn)行客觀測試以外，還需進(jìn)行油耗排放驗(yàn)證。如表1所示為某車型排放和油耗驗(yàn)證結(jié)果。分析數(shù)據(jù)可知，污染物排放水平均達(dá)成五階段排放［7］要求并滿足一次實(shí)驗(yàn)通過的要求，同時油耗實(shí)驗(yàn)結(jié)果滿足整車油耗工程目標(biāo)。

3.7 駕駛性主觀評價

圖15 M2擋加速性能測試結(jié)果

表1 排放油耗驗(yàn)證結(jié)果

駕駛性主觀評價是驗(yàn)證駕駛性開發(fā)是否滿足用戶需求的最終判定方式，目前世界各大汽車公司都構(gòu)建有企業(yè)內(nèi)部的、適合自身車型風(fēng)格的駕駛性主觀評價體系，并有一批擁有豐富評價經(jīng)驗(yàn)并對自身產(chǎn)品駕駛性特征充分了解的工程師隊(duì)伍來保證其汽車產(chǎn)品的駕駛性評價與開發(fā)［8］，表2為某車型部分指標(biāo)的評價結(jié)果和參考值，由表中可以看出，該車型采用基于人機(jī)工程的標(biāo)定方法，一次性達(dá)成主觀評價目標(biāo)，并超越預(yù)期。

表2 駕駛性主觀評價結(jié)果統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)語

傳統(tǒng)駕駛性開發(fā)全憑工程師經(jīng)驗(yàn)完成，并沒有可以繼承和傳承的方案，本文采用基于人機(jī)工程的標(biāo)定方法后讓經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)有章可循，采用大數(shù)據(jù)的分析方法，更加準(zhǔn)確地了解用戶的真實(shí)意圖，更有效地滿足駕駛員對車輛加速的預(yù)期。采用新的標(biāo)定方法由于目的性更強(qiáng)，方法更有效，節(jié)省了大量的開發(fā)周期。