華猛，文兵，楊楓，王景興，梅興泰

(廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣東廣州 511434)

0 引言

手動(dòng)擋車型發(fā)動(dòng)機(jī)與變速器動(dòng)力的中斷和連接主要通過(guò)離合器實(shí)現(xiàn)，駕駛員的操作通過(guò)離合踏板來(lái)完成，因此離合踏板的行程和力直接關(guān)乎駕駛員的操作舒適性。目前離合踏板的行程多基于前期的布置幾何定義，踏板力多由供應(yīng)商控制[1-6]，并未直接與駕駛員的舒適性關(guān)聯(lián)起來(lái)。

文中以不同車系的離合踏板為研究對(duì)象，通過(guò)主觀評(píng)價(jià)以及客觀測(cè)量，分析駕駛員主觀評(píng)分與踏板客觀參數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，給出踏板參數(shù)的建議范圍。

1 主觀評(píng)價(jià)

此次采用基于權(quán)重因子的主觀評(píng)價(jià)方法，選取符合一定正態(tài)分布規(guī)律的人體對(duì)離合踏板操作進(jìn)行主觀分析，評(píng)分結(jié)果作為踏板力與行程目標(biāo)設(shè)定的依據(jù)。

1.1 基于權(quán)重因子的人機(jī)主觀評(píng)價(jià)方法

人機(jī)主觀評(píng)價(jià)中，評(píng)價(jià)者的身高、體重、性別對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果具有顯著性影響[7]。因此，根據(jù)現(xiàn)有身高、體重、性別這3個(gè)因素在中國(guó)人群的實(shí)際分布比例，通過(guò)對(duì)評(píng)價(jià)小組的評(píng)分進(jìn)行加權(quán)，可得到考慮了身高、體重、性別等因素的綜合評(píng)分。

該方法所得的評(píng)分值用公式表達(dá)為

式中：F為綜合評(píng)分值，是一個(gè)1×n的列向量；A為性別權(quán)重因子矩陣，是一級(jí)權(quán)重；B為身高權(quán)重因子矩陣，是二級(jí)權(quán)重；C為體重權(quán)重因子矩陣，為三級(jí)權(quán)重；fi為實(shí)際評(píng)分值。

1.2 評(píng)價(jià)人員選取

為保證評(píng)價(jià)結(jié)果的有效性，此次評(píng)價(jià)人員的選取綜合考慮性別、駕齡和身高(涵蓋5%，50%，95%百分位)3個(gè)因素，最終篩選人員共17人，其中男性13人，女性4人(人員信息分布見(jiàn)圖1和圖2)。

圖1 離合踏板主觀評(píng)價(jià)人員分布

圖2 評(píng)價(jià)人員駕齡分布

1.3 評(píng)價(jià)車型

此次共選擇9款車(如圖3所示)，涵蓋自主及合資產(chǎn)品，具體為自主：CS35(2016款)、帝豪 EC7(2016款)；韓系：起亞K3(2015款)；日系：卡羅拉(2016款)、軒逸(2016款)；美系：福克斯(2017款)、科魯茲(2017款)、昂科拉(2017款)；德系：途安(2016款)。

圖3 評(píng)價(jià)車型比例說(shuō)明

如無(wú)特殊說(shuō)明，文中所描述車型均為上述車型。

1.4 評(píng)價(jià)流程

評(píng)分采用10分制，分值說(shuō)明見(jiàn)表1。

表1 主觀評(píng)價(jià)得分說(shuō)明

此次評(píng)價(jià)分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)。評(píng)價(jià)前先熱車10 min，評(píng)價(jià)人員熟悉評(píng)價(jià)流程后上車，開(kāi)車駕駛20 min后，原地踩踏離合，并按照要求填寫(xiě)問(wèn)卷，對(duì)測(cè)試車型打分。

2 客觀測(cè)量

踏板測(cè)試采用目前各主機(jī)廠通用的測(cè)試系統(tǒng)，具體結(jié)構(gòu)及測(cè)試原理如下。

(1)測(cè)試系統(tǒng)組成

踏板力-行程測(cè)試系統(tǒng)由踏板力測(cè)量模塊、踏板行程測(cè)量模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)后處理模塊組成(如圖4所示)。

圖4 踏板測(cè)試系統(tǒng)

(2)測(cè)試原理

踏板力傳感器采用電阻應(yīng)變式傳感器，踏板行程軌跡測(cè)量原理為參數(shù)解算位移法，即系統(tǒng)采用相對(duì)量計(jì)算方法(測(cè)量前，系統(tǒng)自動(dòng)清零)，故測(cè)試結(jié)果與傳感器安裝位置無(wú)關(guān)，僅需保證傳感器布置平面與踏板軌跡平面一致即可。該方法測(cè)得的踏板軌跡比拉線測(cè)量準(zhǔn)確，能夠真實(shí)反映踏板軌跡。

如圖5所示，踏板行程測(cè)量模塊由一個(gè)角度傳感器與一個(gè)直線位移傳感器組成，可實(shí)時(shí)測(cè)量空間向量曲線數(shù)據(jù)。試驗(yàn)時(shí)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲得角度與位移變化量，并發(fā)送至數(shù)據(jù)后處理模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)解算。

圖5 踏板軌跡測(cè)量模塊示意圖

(3)測(cè)試方法

動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)束后，安裝好測(cè)試設(shè)備，采集離合踏板的行程與力曲線(如圖6所示)。每個(gè)踏板連續(xù)測(cè)試5次，選擇特性穩(wěn)定的曲線作為該次測(cè)量的最終測(cè)試結(jié)果并保存。

圖6 離合踏板行程與力曲線(整個(gè)踏板的踩踏過(guò)程)

3 主客觀一致性分析

3.1 主觀參數(shù)分析

根據(jù)主觀評(píng)價(jià)的評(píng)價(jià)人員的身高、體重二維正態(tài)分布，計(jì)算相應(yīng)身高段、體重段的分布概率，同時(shí)考慮性別權(quán)重因子男∶女為3∶1，綜合得出評(píng)價(jià)人員分別占中國(guó)人體分布的權(quán)重因子，經(jīng)過(guò)歸一化處理，計(jì)算此次評(píng)價(jià)人員的權(quán)重因子。表3、表4分別為此次評(píng)價(jià)的男、女權(quán)重因子表。

表3 男性權(quán)重因子表

表4 女性權(quán)重因子表

因此，每項(xiàng)的綜合評(píng)分=0.75(0.143B1+0.188 5C3+0.175 14+……+0.043 0E3)+0.25(0.375c+0.625d)?？梢缘玫诫x合踏板的主觀評(píng)分結(jié)果(如表5所示)。

表5 主觀評(píng)價(jià)得分表

3.2 客觀參數(shù)分析

離合踏板特性參數(shù)[8]有自由行程、最大踏板力、分離行程、踏板行程、結(jié)合行程、熄火行程、調(diào)節(jié)行程、去程極小力以及回程極小力(如圖7所示)。

圖7 離合踏板力-行程曲線圖

特性參數(shù)較多，因此需要結(jié)合主觀評(píng)價(jià)結(jié)果，篩選對(duì)舒適性影響較大的參數(shù)。由圖8可以看出，駕駛員主觀感受較明顯的幾個(gè)參數(shù)為：

(1)自由行程；

(2)踏板總行程；

(3)結(jié)合行程；

(4)最大踏板力。

圖8 離合踏板特性參數(shù)的主觀感受度統(tǒng)計(jì)結(jié)果

因此選擇上述4個(gè)參數(shù)作為離合踏板特性參數(shù)的設(shè)定對(duì)象，提取對(duì)應(yīng)參數(shù)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表6所示。

表6 特性參數(shù)數(shù)據(jù)匯總表

由表6可以看出：各車型的自由行程大致為0～15 mm；最大踏板力大部分在100 N以上，昂科拉力度較小，為66.5 N；踏板總行程為125～150 mm，結(jié)合行程在35～70 mm間均有分布。由于參數(shù)范圍較大，如何進(jìn)行舒適性匹配需結(jié)合主觀評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行分析。

3.3 主客觀一致性分析

圖9、圖10分別為離合踏板行程以及踏板力的主觀評(píng)價(jià)結(jié)果。從主觀評(píng)價(jià)結(jié)果來(lái)看，CS35綜合評(píng)分最高，因此選擇CS35作為標(biāo)桿車型，定義離合特性參數(shù)的主觀目標(biāo)值。即離合踏板行程主觀評(píng)分目標(biāo)設(shè)定為不小于7.8分，踏板力目標(biāo)評(píng)分設(shè)定為不小于8分。

圖9 離合踏板行程主觀評(píng)分

圖10 離合踏板力主觀評(píng)分

以CS35作為標(biāo)桿車，其自由行程為11.1 mm，最大踏板力為92.2 N，踏板總行程為136.1 mm，結(jié)合行程為50.8 mm。由圖11可以看出，自由行程對(duì)應(yīng)離合踏板的空行程，測(cè)試車型的行程范圍為0～15 mm，CS35為11.1 mm，因此建議自由行程的目標(biāo)設(shè)計(jì)范圍為10～15 mm。

圖11 離合踏板自由行程

離合踏板總行程不宜過(guò)長(zhǎng)，過(guò)長(zhǎng)使得駕駛員腳部需移動(dòng)較遠(yuǎn)的距離，經(jīng)常操作會(huì)產(chǎn)生疲勞。由圖9和圖12可以看出，科魯茲的踏板總行程為149.8 mm，其評(píng)分僅為6.6，因此行程上限不宜過(guò)大，建議離合踏板總行程設(shè)計(jì)范圍為125～136 mm。

圖12 離合踏板總行程

結(jié)合行程為從開(kāi)始松離合到動(dòng)力完全接通整個(gè)過(guò)程中踏板的移動(dòng)行程。行程過(guò)小，則很容易導(dǎo)致車輛熄火；行程過(guò)長(zhǎng)則會(huì)導(dǎo)致腳踝疲勞，結(jié)合圖13建議結(jié)合行程設(shè)計(jì)范圍為35～45 mm。

圖13 離合踏板結(jié)合行程

最大踏板力直接反應(yīng)踏板的軟硬程度，力度過(guò)大極易引起操作疲勞，由圖10和圖14可以看出，得分較高的幾款車其最大踏板力均較小，但是力度過(guò)小操作時(shí)腳感較差，因此建議最大踏板力的設(shè)計(jì)范圍為90～110 N。

圖14 離合踏板最大踏板力

4 結(jié)論

為提升離合踏板的舒適性，選取了韓系、美系、日系、德系以及自主品牌的共計(jì)9款車，通過(guò)主觀評(píng)價(jià)以及實(shí)車測(cè)試，提取了離合踏板的特性參數(shù)，對(duì)比主觀評(píng)分以及實(shí)測(cè)參數(shù)，定義了特性參數(shù)的合適范圍：

(1)自由行程：10～15 mm；

(2)踏板總行程：125～136 mm；

(3)結(jié)合行程：35～45 mm；

(4)最大踏板力：90～110 N。

此特性參數(shù)范圍可以指導(dǎo)離合踏板的舒適性設(shè)計(jì)。