基于實(shí)車(chē)測(cè)試的乘用車(chē)油門(mén)踏板人機(jī)匹配設(shè)計(jì)

魏昌坤，苗偉，譚雨點(diǎn)，江慶，楊洋

（安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，安徽 合肥230036）

隨著生活水平的提高，人們對(duì)于乘用車(chē)的需求，除了安全性和動(dòng)力性之外，還有駕駛舒適性［1］。踏板作為駕駛過(guò)程中使用頻繁的操縱機(jī)構(gòu)之一，其人機(jī)工程設(shè)計(jì)水平直接影響駕駛舒適性，良好的人機(jī)工程設(shè)計(jì)特性能夠降低駕駛員下肢疲勞程度，增加駕車(chē)安全性。國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者對(duì)踏板設(shè)計(jì)進(jìn)行了大量研究。Apostolico A 等［2］測(cè)量駕駛員駕駛姿態(tài)，建立踏板和座椅的最佳布局范圍；Shuilong He等［3］從振動(dòng)傳遞路徑的相關(guān)研究出發(fā)，研究了降低振動(dòng)響應(yīng)的可能性；文獻(xiàn)［4-6］構(gòu)建了汽車(chē)踏板人機(jī)設(shè)計(jì)主觀試驗(yàn)臺(tái)架，通過(guò)臺(tái)架模擬試驗(yàn)開(kāi)展踏板布局設(shè)計(jì)，但對(duì)于研究駕駛員實(shí)際駕駛過(guò)程中的踏板操作舒適性具有一定缺陷；趙金璐等［7］針對(duì)膜片彈簧的分離與接合特性，進(jìn)行剎車(chē)踏板操作舒適性研究，并借助Ansys/Workbench 軟件進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真與計(jì)算。張淼等［8］基于駕駛員膝關(guān)節(jié)應(yīng)力分布的操縱舒適性測(cè)評(píng)方法，優(yōu)化了汽車(chē)踏板操縱舒適性。文獻(xiàn)［9-11］基于AnyBody 生物力學(xué)軟件構(gòu)建下肢踏板操作的人機(jī)交互模型，研究了踏板設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)人體肌肉激活程度的影響，建立了駕駛員踏板操縱舒適性與工程設(shè)計(jì)的關(guān)系。目前關(guān)于汽車(chē)踏板的研究主要集中于踏板布局、離合器踏板設(shè)計(jì)、踏板操縱評(píng)價(jià)，并取得矚目的研究成果。油門(mén)踏板操縱涉及駕駛員操縱舒適性，同時(shí)也與車(chē)輛行駛速度有緊密聯(lián)系，文中搭建乘用車(chē)油門(mén)踏板操縱特性實(shí)時(shí)測(cè)試系統(tǒng)，選擇踏板人機(jī)匹配較好的車(chē)型開(kāi)展車(chē)輛行駛過(guò)程中的踏板操縱特性研究，總結(jié)油門(mén)踏板行程-踏板反饋力、踏板行程-穩(wěn)定車(chē)速關(guān)系模型，為新車(chē)型油門(mén)踏板的人機(jī)匹配設(shè)計(jì)提供參考。

1 踏板操縱動(dòng)態(tài)特性測(cè)試系統(tǒng)

1.1 踏板測(cè)試指標(biāo)

駕駛員-踏板人機(jī)匹配設(shè)計(jì)參數(shù)主要涉及不同穩(wěn)定車(chē)速對(duì)應(yīng)的踏板行程和踏板反饋力，如圖1所示。搭建的踏板測(cè)試系統(tǒng)主要測(cè)試指標(biāo)有車(chē)輛穩(wěn)定行駛速度、不同穩(wěn)定車(chē)速工況踏板位置（踏板行程）及踏板反饋力。

圖1 測(cè)試指標(biāo)示意圖

1.2 踏板測(cè)試方案

圖2 測(cè)試系統(tǒng)架構(gòu)

表1 主要傳感器設(shè)備性能指標(biāo)

綜合考慮測(cè)試系統(tǒng)的功能和可靠性要求，構(gòu)建乘用車(chē)踏板測(cè)試系統(tǒng)，技術(shù)框架如圖2 所示，主要傳感器設(shè)備及技術(shù)指標(biāo)如表1 所示。測(cè)試系統(tǒng)由傳感器組、數(shù)據(jù)采集器和便攜式計(jì)算機(jī)等組成，其中踏板反饋力傳感器和位置傳感器提供油門(mén)踏板行程和反饋力信息，陀螺儀提供油門(mén)踏板操縱過(guò)程車(chē)輛加速度信息，GPS 提供車(chē)輛速度及其位置信息。數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)對(duì)上述信息的實(shí)時(shí)同步采集，并通過(guò)網(wǎng)線上傳至便攜式計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理、顯示和報(bào)告生成。

油門(mén)踏板力和位移傳感器的安裝位置如圖3所示，油門(mén)踏板反饋力傳感器安裝在油門(mén)踏板上表面。拉線式踏板位移傳感器測(cè)試油門(mén)踏板沿著拉線方向位移，對(duì)于不同類型的車(chē)型，其駕駛艙結(jié)構(gòu)及安裝位置不同，因此需要對(duì)其進(jìn)行數(shù)學(xué)處理，將拉線位移轉(zhuǎn)換成踏板行程，保證踏板運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)具有可比性。陀螺儀安裝在車(chē)輛中控臺(tái)的平整處，GPS安裝在車(chē)頂，便于接收位置信號(hào)。

采用Creaform 掃描儀掃描踏板操縱過(guò)程中3種旋轉(zhuǎn)角度狀態(tài)（初始行程、中間行程和最大行程）的點(diǎn)云模型，在Imageware 軟件中進(jìn)行點(diǎn)云模型的測(cè)量，獲取踏板位置信息和傳感器安裝位置信息如圖4所示，基于三點(diǎn)構(gòu)造圓的理論確定踏板的轉(zhuǎn)動(dòng)中心，建立拉線傳感器位移信號(hào)與踏板行程之間的關(guān)系，從而得到踏板行程。

圖3 油門(mén)踏板傳感器布置位置

圖4 基于點(diǎn)云模型抽象踏板幾何布局

1.3 測(cè)試車(chē)輛及試驗(yàn)道路選擇

從大眾、本田、現(xiàn)代、日產(chǎn)、福特、標(biāo)致、雪佛蘭、長(zhǎng)城、江淮、寶駿品牌的SUV車(chē)型中選擇油門(mén)踏板操縱主觀舒適性較好的車(chē)型作為踏板人機(jī)匹配特性測(cè)試車(chē)輛。10輛測(cè)試車(chē)型涉及合資品牌和國(guó)產(chǎn)品牌，車(chē)況良好，車(chē)齡均小于2 年，輪胎氣壓達(dá)到車(chē)輛規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)要求。

城市路況測(cè)試地點(diǎn)在某省會(huì)城市，測(cè)試道路按照以下原則進(jìn)行選取：1）試驗(yàn)道路包含快速路、主干道、次干道和支路，其中支路占總路程的較小部分，主干道與次干道占路程的大部分，快速路所占比例大于支路所占比例但小于主干道、次干道所占比例；2）能夠體現(xiàn)上下班的車(chē)輛行駛特點(diǎn)，測(cè)試時(shí)間選擇8～9 點(diǎn)、10～11 點(diǎn)、18～19 點(diǎn)，分別代表?yè)矶侣窙r和不擁堵路況；3）試驗(yàn)道路首尾連貫，以提高試驗(yàn)效率。

采用陀螺儀測(cè)試車(chē)輛的加速度信息，采用GPS確定車(chē)輛的位置和車(chē)速信息。

1.4 測(cè)試流程

根據(jù)《在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中應(yīng)用人體尺寸百分位數(shù)的通則》，選擇3 名身高為172～175 cm、體重為65～75 kg（滿足90%中國(guó)人體尺寸）且具有3 年以上工作經(jīng)驗(yàn)的試車(chē)員，試車(chē)員身體健康、休息充分，試驗(yàn)開(kāi)展前將座椅調(diào)整至最舒適狀態(tài)。

按照規(guī)定路線開(kāi)展試驗(yàn)測(cè)試，車(chē)輛行駛過(guò)程中，對(duì)于非擁堵路段車(chē)輛最高速度不超過(guò)道路限速值，對(duì)于擁堵路段車(chē)輛行駛主要保持跟車(chē)狀態(tài)。基于已搭建的踏板測(cè)試系統(tǒng)，在加速行駛過(guò)程得到踏板行程與車(chē)輛加速度變化關(guān)系數(shù)據(jù)、踏板行程與踏板反饋力之間的關(guān)系數(shù)據(jù)，在平穩(wěn)行駛階段測(cè)試得到穩(wěn)定車(chē)速對(duì)應(yīng)的踏板行程和踏板反饋力數(shù)據(jù)。

2 踏板行程與車(chē)輛速度關(guān)系模型

駕駛員長(zhǎng)時(shí)間操縱踏板，合理的踏板行程與車(chē)輛速度匹配關(guān)系直接影響駕駛員的舒適性。車(chē)輛行駛過(guò)程中，駕駛員踝關(guān)節(jié)維持固定屈伸角度，踏板保持固定行程，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛穩(wěn)定行駛。踏板操作特性測(cè)試系統(tǒng)獲取穩(wěn)定車(chē)速狀態(tài)下踏板行程（均值）如圖5 所示，試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著穩(wěn)定車(chē)速v 增加，踏板行程x呈現(xiàn)指數(shù)增加的變化規(guī)律。

圖5 穩(wěn)定車(chē)速與踏板關(guān)系曲線

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果擬合車(chē)輛穩(wěn)定車(chē)速與踏板行程關(guān)系模型：

式中：x0為踏板的初始行程位置，用于踏板布局設(shè)計(jì)；A 為踏板行程與車(chē)輛速度的關(guān)系系數(shù)，根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)辨識(shí)確定x0為5.96，A為0.52。對(duì)式（1）進(jìn)行求導(dǎo)，得到油門(mén)踏板行程隨車(chē)輛穩(wěn)定速度增加的變化率函數(shù)：

式中：A 為車(chē)輛加速性能，與車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣量調(diào)校有關(guān)。

3 踏板行程與踏板反饋力關(guān)系模型

如圖6 所示，駕駛員足部長(zhǎng)時(shí)間操作踏板，踏板反饋力、足部重量、地板對(duì)足部支撐力以及踝關(guān)節(jié)力矩保持穩(wěn)定平衡狀態(tài)。踏板反饋力能夠降低駕駛員下肢肌肉受力，提高駕駛員操作舒適性。因此構(gòu)建踏板行程與踏板反饋力關(guān)系模型，為踏板反饋力設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

圖6 駕駛員操縱踏板示意圖

駕駛過(guò)程中，駕駛員操縱踏板反饋力測(cè)試結(jié)果如圖7所示，踏板反饋力變化規(guī)律主要為快速增加（階段1）和緩慢增加（階段2），其中階段1踏板反饋力隨行程增加幅度顯著大于階段2。階段1踏板行程小于10 mm，從踏板行程與車(chē)輛穩(wěn)定速度測(cè)試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，此階段車(chē)輛穩(wěn)定速度小于40 km·h-1，行駛場(chǎng)景主要為市區(qū)擁堵?tīng)顟B(tài)，駕駛員需要頻繁操縱踏板，較靈敏的反饋力變化能夠提高駕駛安全。階段2踏板反饋力隨著踏板行程緩慢增加，該階段近似線性變化規(guī)律，其穩(wěn)定車(chē)速大于40 km·h-1，車(chē)輛處于行駛順暢狀態(tài)，駕駛員需要維持穩(wěn)定的踏板行程，確保車(chē)輛穩(wěn)定行駛。

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析，所選擇車(chē)輛的踏板反饋力、踏板行程和穩(wěn)定車(chē)速滿足乘用車(chē)踏板操縱基本要求。根據(jù)階段1 踏板反饋力快速增加、階段2踏板反饋近似線性穩(wěn)定增加的試驗(yàn)結(jié)果，選擇對(duì)數(shù)函數(shù)擬合踏板行程與踏板反饋力關(guān)系模型。

考慮到踏板反饋力隨行程的變化特性，基于試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)構(gòu)建踏板反饋力和行程之間的關(guān)系：

式中：F0為踏板預(yù)緊力；λ 為踏板反饋力隨踏板行程變化率，在踏板人機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中表征踏板的“輕”“重”主觀感受；c為修正系數(shù)。根據(jù)車(chē)輛測(cè)試數(shù)據(jù)辨識(shí)出F0為13.45，λ為7.52，c為0.14。對(duì)式（3）求導(dǎo)，得到踏板反饋力變化率函數(shù)如式（4）所示，隨著踏板行程的增加，踏板反饋力增加的幅度減小。

圖7 踏板反饋力與踏板行程關(guān)系

通過(guò)測(cè)試市場(chǎng)暢銷且踏板操縱舒適性較好的車(chē)型，確定踏板反饋力和踏板行程的數(shù)學(xué)關(guān)系，建立踏板人工工程設(shè)計(jì)知識(shí)庫(kù)，設(shè)計(jì)者可根據(jù)需要適當(dāng)調(diào)整F0、c和λ，開(kāi)展踏板人機(jī)匹配設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)。

4 新車(chē)型油門(mén)踏板開(kāi)發(fā)應(yīng)用案例

將文中提出的踏板人機(jī)匹配模型應(yīng)用到新車(chē)型油門(mén)踏板設(shè)計(jì)，根據(jù)踏板操作舒適性設(shè)計(jì)需求，設(shè)計(jì)踏板反饋力和踏板行程關(guān)系。模型參數(shù)F0為12，λ為7.0，c為0.15。在某整車(chē)試驗(yàn)場(chǎng)地對(duì)新車(chē)型進(jìn)行油門(mén)踏板測(cè)試，踏板行程與踏板反饋力測(cè)試結(jié)果如圖8所示，踏板反饋力隨著踏板行程呈現(xiàn)先快速增加后緩慢增加的變化規(guī)律。采用式（3）擬合測(cè)試數(shù)據(jù)，得到F0為10.7，λ為5.32，c為0.17，與設(shè)計(jì)目標(biāo)接近。不同穩(wěn)定車(chē)速狀態(tài)下油門(mén)行程測(cè)試結(jié)果如圖9 所示，隨著穩(wěn)定車(chē)速的增加，油門(mén)行程按照式（1）變化規(guī)律增加，x0為5.4，A為0.55，趨勢(shì)線擬合程度R為0.92。

對(duì)踏板人機(jī)設(shè)計(jì)進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)，4～5 人通常能發(fā)現(xiàn)80%～85%的人機(jī)工效評(píng)估問(wèn)題，當(dāng)群組人數(shù)為5～11 人時(shí)，最易得到相對(duì)正確的評(píng)估結(jié)果［12］。選擇8名駕齡超過(guò)3 年受試者，按照踏板操縱舒適性主觀感受“很好”“好”“一般”“較差”“差”進(jìn)行評(píng)價(jià)，最終6人評(píng)價(jià)“很好”，2人評(píng)價(jià)“好”。

圖8 應(yīng)用案例踏板反饋力測(cè)試結(jié)果

圖9 穩(wěn)定車(chē)速對(duì)應(yīng)油門(mén)行程測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)論

文中建立乘用車(chē)油門(mén)踏板行程、踏板反饋力、車(chē)輛行駛速度實(shí)車(chē)同步測(cè)試系統(tǒng)，通過(guò)駕駛員操縱油門(mén)踏板主觀評(píng)價(jià)，確定10 輛暢銷且踏板操縱主觀舒適性較好的乘用車(chē)，開(kāi)展踏板操縱特性實(shí)車(chē)測(cè)試，總結(jié)油門(mén)踏板設(shè)計(jì)規(guī)律：1）油門(mén)踏板操縱反饋力隨著踏板行程增加呈現(xiàn)先快速增加后緩慢近似線性增加的規(guī)律，可選擇對(duì)數(shù)函數(shù)擬合踏板行程與踏板反饋力關(guān)系；2）在設(shè)計(jì)油門(mén)踏板人機(jī)匹配過(guò)程中，關(guān)注穩(wěn)定車(chē)速狀態(tài)下油門(mén)踏板行程的映射關(guān)系，實(shí)車(chē)測(cè)試表明，隨著穩(wěn)定車(chē)速的增加，油門(mén)行程呈現(xiàn)指數(shù)增加，后期在開(kāi)展駕駛室座椅-踏板布局設(shè)計(jì)過(guò)程中，需考慮常用穩(wěn)定車(chē)速狀態(tài)下駕駛員最佳舒適踏板操縱姿態(tài)。