朱玉田 郭儒樂(lè) 劉釗 王磊

（同濟(jì)大學(xué)，上海 201800）

基于人體響應(yīng)的行走機(jī)械換擋品質(zhì)評(píng)價(jià)＊

朱玉田 郭儒樂(lè) 劉釗 王磊

（同濟(jì)大學(xué)，上海 201800）

從人的運(yùn)動(dòng)感知物理基礎(chǔ)出發(fā)研究了人對(duì)換擋沖擊的感知特性，得出人主要通過(guò)對(duì)人體絕對(duì)加速度和相對(duì)車(chē)體位移的感知來(lái)感受換擋沖擊的結(jié)論。建立了在已知車(chē)體運(yùn)動(dòng)下求解人體響應(yīng)的動(dòng)力學(xué)模型。對(duì)具有典型特征的車(chē)體運(yùn)動(dòng)和實(shí)測(cè)車(chē)體運(yùn)動(dòng)激勵(lì)下的人體響應(yīng)進(jìn)行仿真，結(jié)果表明，人體運(yùn)動(dòng)與車(chē)體運(yùn)動(dòng)不同，兩者時(shí)間歷程及加速度最大值等評(píng)價(jià)指標(biāo)有顯著差別。使用車(chē)體運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行換擋品質(zhì)評(píng)價(jià)不能準(zhǔn)確反映人的感受，基于人體響應(yīng)才能準(zhǔn)確評(píng)價(jià)人對(duì)換擋沖擊的感受。

1 前言

采用有級(jí)傳動(dòng)的行走機(jī)械換擋時(shí)由于扭矩和轉(zhuǎn)速的突變會(huì)產(chǎn)生換擋沖擊。換擋品質(zhì)可分為人感受的換擋品質(zhì)和沖擊車(chē)體的換擋品質(zhì)，前者是人對(duì)換擋沖擊的感受，后者是車(chē)體受換擋沖擊的影響大小，其中人對(duì)換擋品質(zhì)感受的評(píng)價(jià)是反映車(chē)輛舒適性的常用指標(biāo)。

汽車(chē)企業(yè)廣泛采用換擋品質(zhì)主觀評(píng)價(jià)，通過(guò)駕駛員打分并綜合層次分析等方法進(jìn)行[1]。主觀評(píng)價(jià)結(jié)果因人而異且隨機(jī)性很大，因此無(wú)法用于預(yù)測(cè)換擋品質(zhì)并指導(dǎo)變速器設(shè)計(jì)。目前換擋品質(zhì)的研究主要集中于可預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)結(jié)果的客觀評(píng)價(jià)，文獻(xiàn)[2]對(duì)影響換擋過(guò)程乘員舒適性的關(guān)鍵指標(biāo)如加速度、沖擊度及其造成的人體反應(yīng)進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)和分析。文獻(xiàn)[3]使用離合器接合時(shí)加速度最大振動(dòng)量Δa、分離時(shí)最大沖擊度jp-n、接合時(shí)最大沖擊度jp-p、換擋延遲時(shí)間tdelay等10個(gè)客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)，經(jīng)深度灰色關(guān)聯(lián)分析評(píng)價(jià)乘員的換擋舒適性。文獻(xiàn)[4]從動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)型、傳動(dòng)系統(tǒng)耐久性、舒適性方面選取客觀指標(biāo)，經(jīng)RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將舒適性問(wèn)題由主觀評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)為客觀評(píng)價(jià)。文獻(xiàn)[5]提出與縱向加速度、沖擊度、響應(yīng)時(shí)間相關(guān)的駕駛性客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立瞬態(tài)工況的駕駛性客觀評(píng)價(jià)方法，并將相關(guān)試驗(yàn)的客觀評(píng)價(jià)結(jié)果與主觀駕駛評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。以上文獻(xiàn)中的客觀評(píng)價(jià)方法基于車(chē)體運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，但由于車(chē)體運(yùn)動(dòng)與人感受到的運(yùn)動(dòng)不直接關(guān)聯(lián)，兩者存在復(fù)雜關(guān)系，基于車(chē)體運(yùn)動(dòng)參數(shù)的客觀評(píng)價(jià)結(jié)果可能與人的感受相差巨大、甚至相反，現(xiàn)有的換擋品質(zhì)客觀評(píng)價(jià)不能準(zhǔn)確反映人對(duì)換擋沖擊的感受。

本文從人的運(yùn)動(dòng)感知物理基礎(chǔ)出發(fā)研究人對(duì)換擋沖擊的感知特性，確定換擋過(guò)程中決定人的感受的物理量。建立在已知車(chē)體運(yùn)動(dòng)下求解人體響應(yīng)的動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)具有典型特征的車(chē)體運(yùn)動(dòng)和實(shí)測(cè)車(chē)體運(yùn)動(dòng)激勵(lì)下的人體響應(yīng)進(jìn)行仿真，對(duì)比分析了車(chē)體運(yùn)動(dòng)與人體運(yùn)動(dòng)，探索基于人體響應(yīng)的換擋品質(zhì)客觀評(píng)價(jià)方法，改進(jìn)傳統(tǒng)換擋品質(zhì)客觀評(píng)價(jià)不能準(zhǔn)確反映人體感受的不足。

2 人對(duì)換擋沖擊的感知

人對(duì)換擋沖擊的感受由人的運(yùn)動(dòng)感知決定。換擋沖擊下，人通過(guò)前庭器官、軀體、四肢、眼、耳等感知器官接受外界信息的刺激，進(jìn)而產(chǎn)生如動(dòng)覺(jué)、觸覺(jué)、視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)等感覺(jué)。人的運(yùn)動(dòng)感知是人對(duì)自身運(yùn)動(dòng)與位置狀態(tài)的感知與判斷，也是駕駛員感知車(chē)輛行駛狀態(tài)的主要信息之一，它常與人的全身感受相聯(lián)系，故又稱(chēng)“體感”[6]，如圖1所示。人對(duì)換擋沖擊的感知都有相應(yīng)的物理基礎(chǔ)。

圖1 人的運(yùn)動(dòng)感知

2.1 人對(duì)人體絕對(duì)加速度的感知

人內(nèi)臟器官的振動(dòng)大多會(huì)引起人的感覺(jué)，并有專(zhuān)門(mén)感知加速度變化的感覺(jué)器官。內(nèi)耳迷路中除耳蝸外，還有橢圓囊、球囊和3個(gè)半規(guī)管，后三者合稱(chēng)為前庭器官。前庭器官是人體最重要的運(yùn)動(dòng)感受器之一，頭部運(yùn)動(dòng)時(shí)的旋轉(zhuǎn)及直線加速使前庭器官直接受到刺激，通過(guò)半規(guī)管中淋巴液的液面變化來(lái)感知人體自身的絕對(duì)加速度[7]。因此，人可以感知人體絕對(duì)加速度及其變化，如圖1a所示。

2.2 人對(duì)外界施加的作用力的感知

人能通過(guò)皮膚的觸覺(jué)和肢體肌肉的拉伸情況來(lái)感受到外界施加的作用力。當(dāng)車(chē)體處于加速或減速狀態(tài)時(shí)，座墊、靠背、安全帶和轉(zhuǎn)向盤(pán)等車(chē)體部件均會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生力的作用，從而改變?nèi)梭w運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。人身體各部分感受到的作用力以神經(jīng)信號(hào)的方式傳輸至大腦，大腦經(jīng)過(guò)綜合處理，便能夠判斷出人體各部位受力方向與大小。因此，人可以感知外界施加的作用力及其變化，如圖1b所示。

2.3 人對(duì)相對(duì)車(chē)體位移的感知

人不僅能利用雙眼的視差、視覺(jué)點(diǎn)的轉(zhuǎn)移以及視覺(jué)范圍的變化來(lái)感知到空間位置的變化，更能通過(guò)肢體位置的移動(dòng)和關(guān)節(jié)姿態(tài)的變化來(lái)感知人在車(chē)體空間內(nèi)的相對(duì)位置。人與車(chē)體相對(duì)位置變化造成人體局部姿態(tài)變化，人的感知器官將其轉(zhuǎn)化為生物信息，中樞神經(jīng)系統(tǒng)向機(jī)體提供人體運(yùn)動(dòng)和人體相對(duì)周?chē)h(huán)境、空間位置的主觀感覺(jué)。因此，人可以感知相對(duì)車(chē)體位移及其變化，如圖1c所示。

綜上所述，在換擋沖擊下，人感知到的物理量有人體絕對(duì)加速度、外界施加的作用力、相對(duì)車(chē)體位移等。其中，人對(duì)人體絕對(duì)加速度和外界施加作用力的感知相互重疊并相互加強(qiáng)，從感知角度看是同一物理量，人對(duì)換擋沖擊的感知如圖2所示。

圖2 人對(duì)換擋沖擊的感知

由此可知，人主要通過(guò)人體絕對(duì)加速度和相對(duì)車(chē)體位移來(lái)感知換擋沖擊，其大小和變化速度決定了人對(duì)換擋沖擊的感受。

3 換擋沖擊下人體響應(yīng)分析建模

換擋沖擊下，人不直接感知車(chē)體運(yùn)動(dòng)，用車(chē)體運(yùn)動(dòng)參數(shù)評(píng)價(jià)換擋品質(zhì)可能得到不準(zhǔn)確的結(jié)果。車(chē)體運(yùn)動(dòng)和人感知到的人體運(yùn)動(dòng)存在復(fù)雜關(guān)系，可由人體響應(yīng)模型計(jì)算人體運(yùn)動(dòng)與車(chē)體運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)系。

3.1 人體響應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型

建立人體響應(yīng)模型的關(guān)鍵問(wèn)題之一是對(duì)人體結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化，常用的人體簡(jiǎn)化模型有多自由度模型、單自由度模型和等效附加質(zhì)量模型3類(lèi)[8]。單自由度模型因其能夠反映人體的頻率和阻尼特性，且在分析計(jì)算時(shí)相對(duì)便利，在各類(lèi)研究中被廣泛采用[9～11]。人體是復(fù)雜的多自由度系統(tǒng)，可通過(guò)模態(tài)分析解耦為多個(gè)單自由度系統(tǒng)，因此，單自由度系統(tǒng)也是研究復(fù)雜人體響應(yīng)的基礎(chǔ)。

假定人體安置在一個(gè)已知水平加速度ac(t)的車(chē)體上，建立如圖3所示的人體響應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型，其中，質(zhì)量m、剛度k、阻尼c3個(gè)元件可以代表人體整體、人體某個(gè)器官或人體復(fù)雜振動(dòng)系統(tǒng)的某個(gè)模態(tài)參數(shù)。

圖3 人體響應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型

以圖3中質(zhì)量m相對(duì)于車(chē)體的位移xr(t)作為廣義坐標(biāo)，建立系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)微分方程：

3.2 基于杜哈美積分的人體響應(yīng)求解

對(duì)于式（1），當(dāng)車(chē)體加速度ac(t)已知時(shí)，可以使用杜哈美積分[12]計(jì)算相對(duì)車(chē)體位移：

當(dāng)ac(t)以數(shù)值形式給出，式（2）必須用數(shù)值積分方法計(jì)算xr(t)。由于式（2）中被積函數(shù)包含t，所以不方便使用普通遞推形式的數(shù)值積分計(jì)算方法。為此，分離被積函數(shù)中的t，將式（2）變化為：

式（3）中2個(gè)積分的被積函數(shù)都不再包含t，可以方便地使用普通數(shù)值積分方法計(jì)算xr(t)。

當(dāng)相對(duì)車(chē)體位移xr(t)由數(shù)值積分求得時(shí)，如果再對(duì)xr(t)進(jìn)行數(shù)值差分計(jì)算會(huì)產(chǎn)生較大誤差，因此，由式（3）微分得到直接積分求解vr(t)的公式：

求得xr(t)和vr(t)后，其它物理量均可由它們的組合表達(dá)。例如，由式（1）得到人體絕對(duì)加速度ap(t)用xr(t)和vr(t)的組合表達(dá)的公式：

以式（2）為基礎(chǔ)，根據(jù)杜哈美積分原理推導(dǎo)出適合用于普通遞推形式數(shù)值積分計(jì)算的相對(duì)車(chē)體位移xr(t)的計(jì)算公式、直接積分計(jì)算相對(duì)車(chē)體速度的計(jì)算公式，并進(jìn)一步推導(dǎo)出人體絕對(duì)加速度、人體絕對(duì)加加速度等用和組合表達(dá)的計(jì)算公式。

4 典型車(chē)體運(yùn)動(dòng)激勵(lì)下的人體響應(yīng)仿真

為了了解人體運(yùn)動(dòng)與車(chē)體運(yùn)動(dòng)的關(guān)系，通過(guò)典型車(chē)體運(yùn)動(dòng)下的人體響應(yīng)仿真來(lái)分析人體運(yùn)動(dòng)與車(chē)體運(yùn)動(dòng)的差異程度。

有研究表明，靜態(tài)坐姿人體水平自由振動(dòng)頻率約為1～3 Hz，阻尼比達(dá)0.2～0.5[11]。假定被仿真的人體響應(yīng)模型固有頻率ωn為1 Hz，阻尼比ζ為0.2；假設(shè)車(chē)體加速度ac(t)如圖4所示；仿真初始條件為x0=x˙0=0。車(chē)體加速度上升期間：當(dāng)Δt變小時(shí)，車(chē)體加速度變化加快；當(dāng)Δt接近零時(shí)，對(duì)應(yīng)的車(chē)體加速度迅速增加；當(dāng)Δt→0時(shí)，車(chē)體加加速度趨向于無(wú)窮大。

圖4 典型車(chē)體加速度

對(duì)于不同的Δt值，利用上面的仿真模型即可求解人體響應(yīng)。使用步長(zhǎng)0.002 s的梯形公式，不同Δt下車(chē)體加速度ac(t)、車(chē)體加加速度和求解的人體絕對(duì)加速度ap(t)、人體絕對(duì)加加速度如圖5所示。

圖5 典型車(chē)體運(yùn)動(dòng)激勵(lì)下的人體響應(yīng)

分析圖5中的人體運(yùn)動(dòng)與車(chē)體運(yùn)動(dòng)可知，人體運(yùn)動(dòng)與車(chē)體運(yùn)動(dòng)差別很大：

a. 當(dāng)Δt較大，即車(chē)體運(yùn)動(dòng)變化較慢時(shí)，人體運(yùn)動(dòng)跟隨車(chē)體運(yùn)動(dòng)變化的趨勢(shì)明顯。Δt接近人體固有周期1 s時(shí)，人體運(yùn)動(dòng)和車(chē)體運(yùn)動(dòng)時(shí)間歷程非常接近，人體運(yùn)動(dòng)的指標(biāo)，如人體絕對(duì)加速度最大值、人體絕對(duì)加加速度最大值接近于車(chē)體加速度最大值和車(chē)體加加速度最大值，人體響應(yīng)對(duì)低頻車(chē)體運(yùn)動(dòng)激勵(lì)具有跟隨性。

可見(jiàn)，典型車(chē)體運(yùn)動(dòng)激勵(lì)下求解的人體響應(yīng)與車(chē)體運(yùn)動(dòng)并不相同，兩者的時(shí)間歷程和評(píng)價(jià)指標(biāo)均有明顯差異，特別是高頻激勵(lì)的加加速度響應(yīng)差別很大。人體運(yùn)動(dòng)不能用車(chē)體運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)單描述。

5 實(shí)測(cè)車(chē)體運(yùn)動(dòng)激勵(lì)下的人體響應(yīng)仿真

以下基于實(shí)例分析人體運(yùn)動(dòng)與車(chē)體運(yùn)動(dòng)的關(guān)系。為此，選用3 t裝載機(jī)，實(shí)測(cè)其換擋過(guò)程車(chē)體加速度ac(t)如圖6所示，ac(t)采樣周期為0.002 s。仿真時(shí)取人體響應(yīng)模型固有頻率ωn=2 Hz，阻尼比ζ=0.3，其它仿真參數(shù)不變。

圖6 3 t裝載機(jī)換擋過(guò)程實(shí)測(cè)車(chē)體加速度

圖7 實(shí)測(cè)車(chē)體運(yùn)動(dòng)激勵(lì)下的人體響應(yīng)

對(duì)比分析圖7與試驗(yàn)過(guò)程中人的換擋過(guò)程感受：

a. 由圖7a所示仿真結(jié)果可知，換擋過(guò)程中，ap(t)與ac(t)時(shí)間歷程不同，但兩者加速度的趨勢(shì)（低頻成分）大致相同。ac(t)包含很多高頻成分，ap(t)較為平滑且較ac(t)少了許多高頻成分，這是因?yàn)槿梭w固有頻率的低頻濾波作用會(huì)將車(chē)體很多高頻激勵(lì)濾波。

b.試驗(yàn)過(guò)程中，人相對(duì)車(chē)體的位移很大程度上影響人的感受，因此，相對(duì)車(chē)體位移xr(t)是反映人的換擋過(guò)程感受的重要物理量。如圖7b所示的相對(duì)車(chē)體位移xr(t)不能通過(guò)車(chē)體運(yùn)動(dòng)直接得到，必須通過(guò)求解人體響應(yīng)模型獲得。

c.試驗(yàn)過(guò)程中，人感受到的加速度時(shí)間歷程與圖7a所示ap(t)基本一致，人沒(méi)有感受到ac(t)中的高頻成分，且人感受到的加速度峰值接近于；人感受到的相對(duì)車(chē)體位移與圖7b所示的基本一致，人感受到的波動(dòng)和峰值。人體響應(yīng)的仿真結(jié)果與人的真實(shí)感受基本吻合。

d. 進(jìn)一步分析圖7a仿真結(jié)果，表征人感覺(jué)的人體運(yùn)動(dòng)指標(biāo)，如與車(chē)體運(yùn)動(dòng)指標(biāo)相差很大。因此，基于車(chē)體運(yùn)動(dòng)參數(shù)的換擋品質(zhì)評(píng)價(jià)與基于人體響應(yīng)的換擋品質(zhì)評(píng)價(jià)有明顯不同，可能得到與人的感受截然不同、甚至可能較為荒謬的評(píng)價(jià)結(jié)果。

e.經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)與仿真驗(yàn)證，人的換擋過(guò)程感受均與仿真結(jié)果基本吻合，當(dāng)仿真結(jié)果較差時(shí)，人的換擋過(guò)程感受也相對(duì)較差。因此，基于人體響應(yīng)的換擋品質(zhì)評(píng)價(jià)能夠準(zhǔn)確反映人對(duì)換擋沖擊的感受。

綜上所述，為了準(zhǔn)確反映人對(duì)換擋沖擊的感受，應(yīng)從換擋沖擊下人的運(yùn)動(dòng)感知物理基礎(chǔ)出發(fā)建立人體響應(yīng)模型，基于求解的人體響應(yīng)進(jìn)行換擋品質(zhì)評(píng)價(jià)。

6 結(jié)束語(yǔ)

a.從人的運(yùn)動(dòng)感知物理基礎(chǔ)角度，人主要通過(guò)人體絕對(duì)加速度和相對(duì)車(chē)體位移來(lái)感知換擋沖擊，其大小和變化速度決定了人對(duì)換擋沖擊的感受。

b.建立的包含人體固有頻率與阻尼比的單自由度人體響應(yīng)模型，可表達(dá)人體運(yùn)動(dòng)與車(chē)體運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜關(guān)系。通過(guò)推導(dǎo)適合遞推形式數(shù)值積分求解的相對(duì)車(chē)體位移和相對(duì)車(chē)體速度的公式，就可以用它們的組合表達(dá)人體絕對(duì)加速度、人體絕對(duì)加加速度等人體其它響應(yīng)。

c.車(chē)體運(yùn)動(dòng)激勵(lì)仿真表明，人體運(yùn)動(dòng)與車(chē)體運(yùn)動(dòng)的時(shí)間歷程和加速度最大值等指標(biāo)差異明顯，以往客觀評(píng)價(jià)法不能準(zhǔn)確反映人對(duì)換擋沖擊感受的根本原因在于使用車(chē)體運(yùn)動(dòng)參數(shù)評(píng)價(jià)，只有從換擋沖擊下人的運(yùn)動(dòng)感知物理基礎(chǔ)出發(fā)建立人體響應(yīng)模型，基于求解的人體響應(yīng)進(jìn)行換擋品質(zhì)評(píng)價(jià)才能準(zhǔn)確反映人對(duì)換擋沖擊的感受。

研究工作可望為更合理的行走機(jī)械換擋品質(zhì)客觀評(píng)價(jià)體系的構(gòu)建提供依據(jù)。

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Shift Quality Evaluation of Mobile Machinery Based on Human Body Response

Zhu Yutian,Guo Rule,Liu Zhao,Wang Lei
（Tongji University,Shanghai 201800）

The perception characteristics of human to shift impact was studied from the physical basis of human’s motion perception.The conclusion revealed that human’s feeling under shift impact is determined by human’s perception to absolute acceleration of human body and relative displacement between human body and the vehicle.A dynamic model that can solve human body response under given vehicle motion was established.Vehicle motion with typical characteristic and human body response under vehicle motion were simulated,the results show that vehicle motion and human body motion have huge differences,the evaluation criteria,i.e.time history and maximum acceleration of human body and vehicle differ greatly.Human’s feeling under shift impact can be evaluated precisely based on human body response rather than vehicle motion parameters.

Mobile machinery,Shift quality evaluation,Human body response,Vehicle motion

行走機(jī)械 換擋品質(zhì)評(píng)價(jià) 人體響應(yīng) 車(chē)體運(yùn)動(dòng)

U463.212 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1000-3703（2017）12-0018-05

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）項(xiàng)目（2104AA041502）。

（責(zé)任編輯斛 畔）

修改稿收到日期為2017年6月9日。