基于實車測試的乘用車油門踏板人機匹配設計

魏昌坤，苗偉，譚雨點，江慶，楊洋

（安徽農業大學 工學院，安徽 合肥230036）

隨著生活水平的提高，人們對于乘用車的需求，除了安全性和動力性之外，還有駕駛舒適性［1］。踏板作為駕駛過程中使用頻繁的操縱機構之一，其人機工程設計水平直接影響駕駛舒適性，良好的人機工程設計特性能夠降低駕駛員下肢疲勞程度，增加駕車安全性。國內外諸多學者對踏板設計進行了大量研究。Apostolico A 等［2］測量駕駛員駕駛姿態，建立踏板和座椅的最佳布局范圍；Shuilong He等［3］從振動傳遞路徑的相關研究出發，研究了降低振動響應的可能性；文獻［4-6］構建了汽車踏板人機設計主觀試驗臺架，通過臺架模擬試驗開展踏板布局設計，但對于研究駕駛員實際駕駛過程中的踏板操作舒適性具有一定缺陷；趙金璐等［7］針對膜片彈簧的分離與接合特性，進行剎車踏板操作舒適性研究，并借助Ansys/Workbench 軟件進行了運動仿真與計算。張淼等［8］基于駕駛員膝關節應力分布的操縱舒適性測評方法，優化了汽車踏板操縱舒適性。文獻［9-11］基于AnyBody 生物力學軟件構建下肢踏板操作的人機交互模型，研究了踏板設計參數對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計的關系。目前關于汽車踏板的研究主要集中于踏板布局、離合器踏板設計、踏板操縱評價，并取得矚目的研究成果。油門踏板操縱涉及駕駛員操縱舒適性，同時也與車輛行駛速度有緊密聯系，文中搭建乘用車油門踏板操縱特性實時測試系統，選擇踏板人機匹配較好的車型開展車輛行駛過程中的踏板操縱特性研究，總結油門踏板行程-踏板反饋力、踏板行程-穩定車速關系模型，為新車型油門踏板的人機匹配設計提供參考。

1 踏板操縱動態特性測試系統

1.1 踏板測試指標

駕駛員-踏板人機匹配設計參數主要涉及不同穩定車速對應的踏板行程和踏板反饋力，如圖1所示。搭建的踏板測試系統主要測試指標有車輛穩定行駛速度、不同穩定車速工況踏板位置（踏板行程）及踏板反饋力。

圖1 測試指標示意圖

1.2 踏板測試方案

圖2 測試系統架構

表1 主要傳感器設備性能指標

綜合考慮測試系統的功能和可靠性要求，構建乘用車踏板測試系統，技術框架如圖2 所示，主要傳感器設備及技術指標如表1 所示。測試系統由傳感器組、數據采集器和便攜式計算機等組成，其中踏板反饋力傳感器和位置傳感器提供油門踏板行程和反饋力信息，陀螺儀提供油門踏板操縱過程車輛加速度信息，GPS 提供車輛速度及其位置信息。數據采集卡實現對上述信息的實時同步采集，并通過網線上傳至便攜式計算機進行實時處理、顯示和報告生成。

油門踏板力和位移傳感器的安裝位置如圖3所示，油門踏板反饋力傳感器安裝在油門踏板上表面。拉線式踏板位移傳感器測試油門踏板沿著拉線方向位移，對于不同類型的車型，其駕駛艙結構及安裝位置不同，因此需要對其進行數學處理，將拉線位移轉換成踏板行程，保證踏板運動學數據具有可比性。陀螺儀安裝在車輛中控臺的平整處，GPS安裝在車頂，便于接收位置信號。

采用Creaform 掃描儀掃描踏板操縱過程中3種旋轉角度狀態（初始行程、中間行程和最大行程）的點云模型，在Imageware 軟件中進行點云模型的測量，獲取踏板位置信息和傳感器安裝位置信息如圖4所示，基于三點構造圓的理論確定踏板的轉動中心，建立拉線傳感器位移信號與踏板行程之間的關系，從而得到踏板行程。

圖3 油門踏板傳感器布置位置

圖4 基于點云模型抽象踏板幾何布局

1.3 測試車輛及試驗道路選擇

從大眾、本田、現代、日產、福特、標致、雪佛蘭、長城、江淮、寶駿品牌的SUV車型中選擇油門踏板操縱主觀舒適性較好的車型作為踏板人機匹配特性測試車輛。10輛測試車型涉及合資品牌和國產品牌，車況良好，車齡均小于2 年，輪胎氣壓達到車輛規定的標準要求。

城市路況測試地點在某省會城市，測試道路按照以下原則進行選取：1）試驗道路包含快速路、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）能夠體現上下班的車輛行駛特點，測試時間選擇8～9 點、10～11 點、18～19 點，分別代表擁堵路況和不擁堵路況；3）試驗道路首尾連貫，以提高試驗效率。

采用陀螺儀測試車輛的加速度信息，采用GPS確定車輛的位置和車速信息。

1.4 測試流程

根據《在產品設計中應用人體尺寸百分位數的通則》，選擇3 名身高為172～175 cm、體重為65～75 kg（滿足90%中國人體尺寸）且具有3 年以上工作經驗的試車員，試車員身體健康、休息充分，試驗開展前將座椅調整至最舒適狀態。

按照規定路線開展試驗測試，車輛行駛過程中，對于非擁堵路段車輛最高速度不超過道路限速值，對于擁堵路段車輛行駛主要保持跟車狀態。基于已搭建的踏板測試系統，在加速行駛過程得到踏板行程與車輛加速度變化關系數據、踏板行程與踏板反饋力之間的關系數據，在平穩行駛階段測試得到穩定車速對應的踏板行程和踏板反饋力數據。

2 踏板行程與車輛速度關系模型

駕駛員長時間操縱踏板，合理的踏板行程與車輛速度匹配關系直接影響駕駛員的舒適性。車輛行駛過程中，駕駛員踝關節維持固定屈伸角度，踏板保持固定行程，實現車輛穩定行駛。踏板操作特性測試系統獲取穩定車速狀態下踏板行程（均值）如圖5 所示，試驗結果表明，隨著穩定車速v 增加，踏板行程x呈現指數增加的變化規律。

圖5 穩定車速與踏板關系曲線

根據試驗結果擬合車輛穩定車速與踏板行程關系模型：

式中：x0為踏板的初始行程位置，用于踏板布局設計；A 為踏板行程與車輛速度的關系系數，根據測試數據辨識確定x0為5.96，A為0.52。對式（1）進行求導，得到油門踏板行程隨車輛穩定速度增加的變化率函數：

式中：A 為車輛加速性能，與車輛發動機的進氣量調校有關。

3 踏板行程與踏板反饋力關系模型

如圖6 所示，駕駛員足部長時間操作踏板，踏板反饋力、足部重量、地板對足部支撐力以及踝關節力矩保持穩定平衡狀態。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。因此構建踏板行程與踏板反饋力關系模型，為踏板反饋力設計提供參考依據。

圖6 駕駛員操縱踏板示意圖

駕駛過程中，駕駛員操縱踏板反饋力測試結果如圖7所示，踏板反饋力變化規律主要為快速增加（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，從踏板行程與車輛穩定速度測試結果可以發現，此階段車輛穩定速度小于40 km·h-1，行駛場景主要為市區擁堵狀態，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律，其穩定車速大于40 km·h-1，車輛處于行駛順暢狀態，駕駛員需要維持穩定的踏板行程，確保車輛穩定行駛。

通過對試驗結果的分析，所選擇車輛的踏板反饋力、踏板行程和穩定車速滿足乘用車踏板操縱基本要求。根據階段1 踏板反饋力快速增加、階段2踏板反饋近似線性穩定增加的試驗結果，選擇對數函數擬合踏板行程與踏板反饋力關系模型。

考慮到踏板反饋力隨行程的變化特性，基于試驗測試數據構建踏板反饋力和行程之間的關系：

式中：F0為踏板預緊力；λ 為踏板反饋力隨踏板行程變化率，在踏板人機設計過程中表征踏板的“輕”“重”主觀感受；c為修正系數。根據車輛測試數據辨識出F0為13.45，λ為7.52，c為0.14。對式（3）求導，得到踏板反饋力變化率函數如式（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系

通過測試市場暢銷且踏板操縱舒適性較好的車型，確定踏板反饋力和踏板行程的數學關系，建立踏板人工工程設計知識庫，設計者可根據需要適當調整F0、c和λ，開展踏板人機匹配設計和評價。

4 新車型油門踏板開發應用案例

將文中提出的踏板人機匹配模型應用到新車型油門踏板設計，根據踏板操作舒適性設計需求，設計踏板反饋力和踏板行程關系。模型參數F0為12，λ為7.0，c為0.15。在某整車試驗場地對新車型進行油門踏板測試，踏板行程與踏板反饋力測試結果如圖8所示，踏板反饋力隨著踏板行程呈現先快速增加后緩慢增加的變化規律。采用式（3）擬合測試數據，得到F0為10.7，λ為5.32，c為0.17，與設計目標接近。不同穩定車速狀態下油門行程測試結果如圖9 所示，隨著穩定車速的增加，油門行程按照式（1）變化規律增加，x0為5.4，A為0.55，趨勢線擬合程度R為0.92。

對踏板人機設計進行主觀評價，4～5 人通常能發現80%～85%的人機工效評估問題，當群組人數為5～11 人時，最易得到相對正確的評估結果［12］。選擇8名駕齡超過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”進行評價，最終6人評價“很好”，2人評價“好”。

圖8 應用案例踏板反饋力測試結果

圖9 穩定車速對應油門行程測試結果

5 結論

文中建立乘用車油門踏板行程、踏板反饋力、車輛行駛速度實車同步測試系統，通過駕駛員操縱油門踏板主觀評價，確定10 輛暢銷且踏板操縱主觀舒適性較好的乘用車，開展踏板操縱特性實車測試，總結油門踏板設計規律：1）油門踏板操縱反饋力隨著踏板行程增加呈現先快速增加后緩慢近似線性增加的規律，可選擇對數函數擬合踏板行程與踏板反饋力關系；2）在設計油門踏板人機匹配過程中，關注穩定車速狀態下油門踏板行程的映射關系，實車測試表明，隨著穩定車速的增加，油門行程呈現指數增加，后期在開展駕駛室座椅-踏板布局設計過程中，需考慮常用穩定車速狀態下駕駛員最佳舒適踏板操縱姿態。