基于主客觀一致性分析的離合踏板舒適性研究

華猛，文兵，楊楓，王景興，梅興泰

(廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東廣州 511434)

0 引言

手動擋車型發動機與變速器動力的中斷和連接主要通過離合器實現，駕駛員的操作通過離合踏板來完成，因此離合踏板的行程和力直接關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，踏板力多由供應商控制[1-6]，并未直接與駕駛員的舒適性關聯起來。

文中以不同車系的離合踏板為研究對象，通過主觀評價以及客觀測量，分析駕駛員主觀評分與踏板客觀參數的對應關系，給出踏板參數的建議范圍。

1 主觀評價

此次采用基于權重因子的主觀評價方法，選取符合一定正態分布規律的人體對離合踏板操作進行主觀分析，評分結果作為踏板力與行程目標設定的依據。

1.1 基于權重因子的人機主觀評價方法

人機主觀評價中，評價者的身高、體重、性別對評價結果具有顯著性影響[7]。因此，根據現有身高、體重、性別這3個因素在中國人群的實際分布比例，通過對評價小組的評分進行加權，可得到考慮了身高、體重、性別等因素的綜合評分。

該方法所得的評分值用公式表達為

式中：F為綜合評分值，是一個1×n的列向量；A為性別權重因子矩陣，是一級權重；B為身高權重因子矩陣，是二級權重；C為體重權重因子矩陣，為三級權重；fi為實際評分值。

1.2 評價人員選取

為保證評價結果的有效性，此次評價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(人員信息分布見圖1和圖2)。

圖1 離合踏板主觀評價人員分布

圖2 評價人員駕齡分布

1.3 評價車型

此次共選擇9款車(如圖3所示)，涵蓋自主及合資產品，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：?？怂?2017款)、科魯茲(2017款)、昂科拉(2017款)；德系：途安(2016款)。

圖3 評價車型比例說明

如無特殊說明，文中所描述車型均為上述車型。

1.4 評價流程

評分采用10分制，分值說明見表1。

表1 主觀評價得分說明

此次評價分為靜態和動態。評價前先熱車10 min，評價人員熟悉評價流程后上車，開車駕駛20 min后，原地踩踏離合，并按照要求填寫問卷，對測試車型打分。

2 客觀測量

踏板測試采用目前各主機廠通用的測試系統，具體結構及測試原理如下。

(1)測試系統組成

踏板力-行程測試系統由踏板力測量模塊、踏板行程測量模塊、數據采集模塊、數據后處理模塊組成(如圖4所示)。

圖4 踏板測試系統

(2)測試原理

踏板力傳感器采用電阻應變式傳感器，踏板行程軌跡測量原理為參數解算位移法，即系統采用相對量計算方法(測量前，系統自動清零)，故測試結果與傳感器安裝位置無關，僅需保證傳感器布置平面與踏板軌跡平面一致即可。該方法測得的踏板軌跡比拉線測量準確，能夠真實反映踏板軌跡。

如圖5所示，踏板行程測量模塊由一個角度傳感器與一個直線位移傳感器組成，可實時測量空間向量曲線數據。試驗時，數據采集系統實時獲得角度與位移變化量，并發送至數據后處理模塊進行數據解算。

圖5 踏板軌跡測量模塊示意圖

(3)測試方法

動態評價結束后，安裝好測試設備，采集離合踏板的行程與力曲線(如圖6所示)。每個踏板連續測試5次，選擇特性穩定的曲線作為該次測量的最終測試結果并保存。

圖6 離合踏板行程與力曲線(整個踏板的踩踏過程)

3 主客觀一致性分析

3.1 主觀參數分析

根據主觀評價的評價人員的身高、體重二維正態分布，計算相應身高段、體重段的分布概率，同時考慮性別權重因子男∶女為3∶1，綜合得出評價人員分別占中國人體分布的權重因子，經過歸一化處理，計算此次評價人員的權重因子。表3、表4分別為此次評價的男、女權重因子表。

表3 男性權重因子表

表4 女性權重因子表

因此，每項的綜合評分=0.75(0.143B1+0.188 5C3+0.175 14+……+0.043 0E3)+0.25(0.375c+0.625d)。可以得到離合踏板的主觀評分結果(如表5所示)。

表5 主觀評價得分表

3.2 客觀參數分析

離合踏板特性參數[8]有自由行程、最大踏板力、分離行程、踏板行程、結合行程、熄火行程、調節行程、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

特性參數較多，因此需要結合主觀評價結果，篩選對舒適性影響較大的參數。由圖8可以看出，駕駛員主觀感受較明顯的幾個參數為：

(1)自由行程；

(2)踏板總行程；

(3)結合行程；

(4)最大踏板力。

圖8 離合踏板特性參數的主觀感受度統計結果

因此選擇上述4個參數作為離合踏板特性參數的設定對象，提取對應參數的實測數據如表6所示。

表6 特性參數數據匯總表

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，結合行程在35～70 mm間均有分布。由于參數范圍較大，如何進行舒適性匹配需結合主觀評價結果進行分析。

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價結果。從主觀評價結果來看，CS35綜合評分最高，因此選擇CS35作為標桿車型，定義離合特性參數的主觀目標值。即離合踏板行程主觀評分目標設定為不小于7.8分，踏板力目標評分設定為不小于8分。

圖9 離合踏板行程主觀評分

圖10 離合踏板力主觀評分

以CS35作為標桿車，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，結合行程為50.8 mm。由圖11可以看出，自由行程對應離合踏板的空行程，測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設計范圍為10～15 mm。

圖11 離合踏板自由行程

離合踏板總行程不宜過長，過長使得駕駛員腳部需移動較遠的距離，經常操作會產生疲勞。由圖9和圖12可以看出，科魯茲的踏板總行程為149.8 mm，其評分僅為6.6，因此行程上限不宜過大，建議離合踏板總行程設計范圍為125～136 mm。

圖12 離合踏板總行程

結合行程為從開始松離合到動力完全接通整個過程中踏板的移動行程。行程過小，則很容易導致車輛熄火；行程過長則會導致腳踝疲勞，結合圖13建議結合行程設計范圍為35～45 mm。

圖13 離合踏板結合行程

最大踏板力直接反應踏板的軟硬程度，力度過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，但是力度過小操作時腳感較差，因此建議最大踏板力的設計范圍為90～110 N。

圖14 離合踏板最大踏板力

4 結論

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9款車，通過主觀評價以及實車測試，提取了離合踏板的特性參數，對比主觀評分以及實測參數，定義了特性參數的合適范圍：

(1)自由行程：10～15 mm；

(2)踏板總行程：125～136 mm；

(3)結合行程：35～45 mm；

(4)最大踏板力：90～110 N。

此特性參數范圍可以指導離合踏板的舒適性設計。