乘用車加速踏板人機匹配設計與試驗研究

任平，吳光淮，姜宇，徐俊波，張士金

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

乘用車加速踏板人機匹配設計與試驗研究

任平，吳光淮，姜宇，徐俊波，張士金

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

為了提高加速踏板的操縱舒適性，提出了一種人機匹配設計方法。首先利用客觀賦權法處理加速踏板人機匹配的各個性能指標；在此基礎上，以某款乘用車加速踏板為研究對象，分別開展了掃描試驗、靜態試驗及動態試驗研究；基于主成分分析法對試驗數據進行處理，分析了加速踏板行程和加速踏板力，膝角及踝角的關系，合理地匹配踏板參數和人體參數，驗證了所提方法的正確性和有效性，該方法對于踏板操縱舒適性的研究具有指導意義。

加速踏板；人機匹配；試驗研究

CLC NO.: U463.2 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)10-50-03

引言

加速踏板是駕駛員重要的操縱裝置，用于改變發動機輸出功率[1]。將人及人所控制的機器視作一個整體或系統即為人機系統[2]。加速踏板操縱就是一個典型的人機系統：駕駛員操作加速踏板同時，右腳也受到了踏板的反作用力。國內車輛人機工程研究起步較晚，近年來研究重點才逐漸轉向人機工程在整車布置方面[3-4]。研究中對具體操縱裝置的人機工程應用主要是通過該操縱裝置的空間布局參數和人體生物力學結構參數來匹配設計的。也有以肌肉疲勞、應急反應等生理心理因素來研究人體的舒適性。還有以操縱裝置的動力學特性參數如操縱位移等的變化規律來評價。

本文以某款加速踏板為研究對象，提出加速踏板人機匹配設計方法，同時開展了加速踏板的試驗研究，分析了加速踏板的掃描試驗、靜態試驗和動態試驗下的人體參數、踏板參數及踏板性能對人機匹配設計的影響。

1、加速踏板人機匹配設計

加速踏板的人機匹配設計就是使人機系統總體設計達到最優。根據踏板布置規范[5]，加速踏板感覺的設計需要考慮如下幾個方面：a）應有合適的踏板力；b）應有合適的踏板行程；c）一定阻尼、力變化要求等。

同時人體參數是研究人機系統必不可少的因素，可以校核駕駛舒適性及檢查踏板、座椅等部件的布置合理性。采用客觀賦權法對加速踏板的人機匹配進行評價：

式中：F1，F2，F3，F4，L1，L2分別代表最大踏板力、踏板回彈力、踏板預載力、踏板遲滯力、踏板自由行程以及最大踏板行程。

對I進行歸一化處理，得到各個指標的權重：

式中：V為各個指標的均值與標準差的比值。

則加速踏板的操縱舒適性為各個指標的權重*各個指標標準下的性能得分。

2、加速踏板試驗設計

對某乘用車加速踏板人機匹配設計進行試驗研究，試驗選擇MSP-S-200mm拉線式傳感器測試踏板行程、HKM踏板力傳感器測試踏板力，Crossbow VG440陀螺儀測量車輛運動信息，傳感器及陀螺儀的安裝位置如圖1所示。

圖1 測量設備安裝位置

2.1 掃描試驗

利用Creaform掃描儀掃描汽車駕駛室，對駕駛室地毯、左右檔板、座椅的四個狀態、踏板狀態面、及汽車A座出處點云的結構參數進行掃描（圖2）。建立試驗車輛的點云模型（圖3）。通過點云處理得到人機參數及踏板結構參數（表1）。

圖 2 人機參數掃描

圖3 踏板點云圖

表1 人機參數及踏板結構參數

2.2 靜態試驗

關閉發動機進行加速踏板靜態試驗：加速踏板力均勻增加（使踏板力和踏板行程的關系接近線性）至油門踏板開度踩最大開度，記錄整個過程的踏板力及踏板行程曲線如圖4所示。通過測量踩踏過程中力和位移的關系，可定性地反應出人的操作感受，即“腳感”。通過踩踏過程中動態地測量踏板力和位移，并實時顯示出力和位移的關系曲線，通過曲線的形狀和數值關系就可反應出被測踏板的性能狀態。由圖3可知：加速踏板的最大行程為106.8mm，最大踏板力為66.4N，踏板回收力為24.6N。

2.3 動態試驗

踏板工況試驗在江淮試驗場地進行，從得到的數據中選取較好的一段作為本次的試驗結果數據。駕駛員從靜止分別加速至10km/h、20km/h、30km/h、40km/h、50km/h、60km/h、80km/h、和120km/h，并維持5—10s，直至油門開度穩定。每組試驗重復5次，加速過程中，控制好加速踏板使車速近似勻速增加[6]。

將試驗測得的原始數據進行濾波處理[7]，應用Matlab提供的firpm命令設計了低通FIR濾波器，并可在程序中修改濾波器的參數，實現對數據進行較好的濾波處理。對試驗測得的大數據進行截取，設定各個參數相鄰峰值之間的數據為一個周期輸入。通過應用軟件對篩選條件的判定，得出正常的分段截取的數據。由于截取得到的各段數據長度不等或采樣數可能較少，因此需對數據進行插值處理。對以上截取的有效數據，采用線性插值，插值目標點數量滿足計算精度要求即可。用Matlab編制試驗數據處理程序，使用Matlab中的FastICA模塊實現ICA（獨立成份分析）/PCA（主成分分析）處理功能，對試驗數據進行處理。

如圖5為整個實驗過程中加速踏板力隨加速踏板行程變化的曲線。圖6為車速和加速度隨加速踏板行程變化的曲線。分析圖5、6，根據常用車速(60km/h)，得出加速踏板的常用行程為27.8mm（5.6°），常用力為18N。

圖5 加速踏板力隨加速踏板行程的變化關系

圖6 車速和加速度隨加速踏板行程變化的關系

圖7 加速踏板行程和膝角及踝角的關系

根據加速踏板的常用行程，利用Adams軟件對人體下肢進行運動學仿真，得出如圖7所示的曲線。從圖7中可以看出在常用踏板行程范圍內，膝角和踝角均隨著加速踏板行程的增加而增加，且均基本呈線性關系。根據加速踏板的常用區間，得出行駛工況下跟人體有關的參數，如表2。

表2 加速踏板動態人機參數

3、結論

1）根據踏板布置規范，提取加速踏板的感覺設計要求，利用客觀賦權法建立了加速踏板的人機設計的評價指標。

2）分別開展了駕駛室的掃描試驗、加速踏板的靜態和動態試驗。通過濾波處理及主成分分析法處理試驗數據，研究分析了人體參數、加速踏板結構參數以及加速踏板性能之間的關系，驗證了該設計方法的有效性，對踏板人機工程設計提供了數據參考。

[1] 汪東坪,李舜酩,魏民祥,于海生. 汽車電子加速踏板可靠性控制的研究[J]. 汽車工程,2012,(08):713-717.

[2] 劉春榮編著.人機工程學應用[M].上海:上海人民美術出版社, 2009.1

[3] Lars Hansona, Willfried Wienholt, Lena Sperlingc. A control handling comfort model based on fuzzylogics [J]. International Journal of Industrial Ergonomics, 2003, (31), p87-100.

[4] 王福成. 轎車總布置設計中人機工程應用的方法研究[D].吉林大學,2007.

[5] Q/JLY J7110355A-2011,三踏板布置規范[S].

[6] GB/T 12534-1990,汽車道路試驗方法通則[S].

[7] 陳弘. 汽車碰撞試驗中模擬和數字濾波器的實現[J]. 汽車工程,1998,(02):84-89.

Design and Experimental Study on the Man-machine Matching of Passenger Car Accelerator Pedal

Ren Ping, Wu Guanghuai, Jiang Yu, Xu Junbo, Zhang Shijin
( Anhui Jianghuai Automobile group Co. Ltd., Anhui Hefei 230601 )

In order to improve the comfort of the accelerator pedal, a design method of man-machine matching is proposed. Firstly, the objective weighting method is used to deal with the performance indexes of the accelerator pedal; On the basis of this, taking a certain passenger car accelerator pedal as the research object, the scanning test, static test and dynamic test were carried out; Based on the principal component analysis (PCA), the relationship between the acceleration pedal stroke, the pedal force, the knee angle and ankle angle was analyzed, the correctness and effectiveness of the proposed method are verified by matching the parameters of the pedal and the human body. This method is of guiding significance for the study of pedal control comfort.

Accelerator pedal; man-machine matching; experimental study

U463.2

A

1671-7988 (2017)10-50-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.10.018

任平，就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司。