基于均勻設(shè)計(jì)的汽車變速桿操縱舒適性研究

楊宇明， 張新敏， 王曉云

（沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，沈陽(yáng)110870）

0 引 言

汽車變速桿是汽車的主要操控裝置之一，在汽車前期研發(fā)設(shè)計(jì)階段，汽車變速桿操縱舒適性關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)是汽車在研發(fā)過程中的重要環(huán)節(jié)。做好汽車變速桿操縱舒適性關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)不僅可以有效降低研發(fā)成本，而且可以提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。

使用均勻設(shè)計(jì)的方法對(duì)變速桿舒適性實(shí)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，可以通過較少次的實(shí)驗(yàn)，不需要投入太多的時(shí)間和金錢成本得出想要的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并反饋給汽車變速桿設(shè)計(jì)人員[1-2]。均勻設(shè)計(jì)的方法只需要考慮試驗(yàn)點(diǎn)的均勻性，可以更好地構(gòu)建回歸模型[3-4]。

通過和正交設(shè)計(jì)方法進(jìn)行對(duì)比，正交設(shè)計(jì)的試驗(yàn)方法需要考慮實(shí)驗(yàn)的正交性，它的實(shí)驗(yàn)點(diǎn)除了考慮均勻性還需要考慮整齊可比，而且正交設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)次數(shù)與實(shí)驗(yàn)水平的關(guān)系是平方的關(guān)系。為了減少花費(fèi)的時(shí)間、成本等因素，均勻設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)次數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于正交設(shè)計(jì)法，且均勻設(shè)計(jì)的回歸分析易于進(jìn)行預(yù)測(cè)。

因此，本文首先確定影響某型汽車變速桿操縱舒適性的關(guān)鍵特征參數(shù)，提出一種基于均勻設(shè)計(jì)的汽車變速桿操縱舒適性關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法，找出較優(yōu)的變速桿設(shè)計(jì)參數(shù)。

1 汽車變速桿操縱舒適性影響因素分析

某型汽車進(jìn)行改款時(shí)，中控臺(tái)扶手區(qū)域變高，保留原有變速桿部件不變，需要對(duì)其變速桿布置參數(shù)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，而且新設(shè)計(jì)出來變速桿布局位置既要保證舒適性又要保證操縱性，因此本文主要研究汽車變速桿的布置參數(shù)，對(duì)其進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。

在操縱變速桿過程中，汽車變速桿的高度、位置、變速桿后扶手的高度對(duì)汽車變速桿的操縱舒適性是非常重要的，因此本文以圖1所示的4個(gè)參數(shù)作為影響變速桿換擋操縱舒適性的特征參數(shù)。

其中，Sgrp為汽車座椅參考點(diǎn)，ΔX為換擋手柄中心點(diǎn)和座椅參考點(diǎn)（Sgrp）X坐標(biāo)偏差；ΔY為換擋手柄中心點(diǎn)和座椅參考點(diǎn)（Sgrp）Y坐標(biāo)偏差，圖中未明確表示；ΔZ為換擋手柄中心點(diǎn)和座椅參考點(diǎn)（Sgrp）Z坐標(biāo)偏差；ΔZ1為換擋后扶手中心點(diǎn)和座椅參考點(diǎn)（Sgrp）Z坐標(biāo)偏差。

本文以ΔX、ΔY、ΔZ、ΔZ1這4個(gè)參數(shù)為影響因素，使用均勻設(shè)計(jì)的方法對(duì)4個(gè)影響因素進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，根據(jù)影響因素的取值范圍制定均勻設(shè)計(jì)的水平-因素表。設(shè)計(jì)人員會(huì)根據(jù)實(shí)驗(yàn)的影響因素水平數(shù)為偶數(shù)或水平數(shù)為奇數(shù)來進(jìn)行挑選均勻設(shè)計(jì)表。當(dāng)實(shí)驗(yàn)的汽車變速桿的影響因素的水平數(shù)是奇數(shù)時(shí)，設(shè)計(jì)者會(huì)根據(jù)實(shí)驗(yàn)因素的水平數(shù)數(shù)量選擇適合本實(shí)驗(yàn)的均勻設(shè)計(jì)表；當(dāng)實(shí)驗(yàn)的汽車變速桿的影響因素的水平數(shù)是偶數(shù)時(shí)，則挑選出比本次試驗(yàn)水平數(shù)大1的均勻設(shè)計(jì)表進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并去掉這個(gè)均勻設(shè)計(jì)表的最后一行得到想要的均勻設(shè)計(jì)表。

圖1 各影響因素示意圖

本文均勻設(shè)計(jì)的變速桿影響因素有4個(gè)，選用水平數(shù)為7，選擇U*7(74）的均勻設(shè)計(jì)表。相對(duì)于正交設(shè)計(jì)，用均勻設(shè)計(jì)的方法只需要7種實(shí)驗(yàn)方案，該方法可減少大量實(shí)驗(yàn)次數(shù)。實(shí)驗(yàn)的水平-因素表如表1所示。

表1 汽車變速桿實(shí)驗(yàn)的水平-因素表 cm

每一種均勻設(shè)計(jì)表會(huì)有一個(gè)使用表相對(duì)應(yīng)，選擇完均勻設(shè)計(jì)表以后，設(shè)計(jì)人員依據(jù)試驗(yàn)因素?cái)?shù)量在均勻設(shè)計(jì)使用表中挑選出最為適合的列數(shù)，并選擇對(duì)應(yīng)的列數(shù)來進(jìn)行汽車變速桿操縱舒適性實(shí)驗(yàn)[5]。

本文使用U*7(74）均勻設(shè)計(jì)表，在選擇合適的使用表之后，設(shè)計(jì)7個(gè)不同的變速桿方案，如表2所示。

表2 均勻設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案表 cm

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文運(yùn)用腦電信號(hào)、人體關(guān)節(jié)力矩、心理測(cè)量值等方法綜合對(duì)7個(gè)變速桿設(shè)計(jì)方案進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)。

2.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

選取10個(gè)身體健康的駕駛員，其中男女比例隨機(jī)，年齡在20～40歲之間。實(shí)驗(yàn)人員需要對(duì)每一名被試人員進(jìn)行統(tǒng)一的培訓(xùn)，讓被試者了解本次變速桿操縱舒適性實(shí)驗(yàn)的目的、流程、作業(yè)姿勢(shì)，并且將每一名被試者對(duì)模擬作業(yè)操作熟練度趨于一致，當(dāng)達(dá)到規(guī)定要求后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，規(guī)定如下：實(shí)驗(yàn)前沒有喝茶或咖啡等提神食物；實(shí)驗(yàn)前要洗頭，降低皮膚電阻值；實(shí)驗(yàn)當(dāng)天早上進(jìn)食，不能空腹，導(dǎo)致試驗(yàn)過程中血糖過低；實(shí)驗(yàn)前告知被試者腦電實(shí)驗(yàn)無危害，保護(hù)被試者隱私，避免被試者的緊張情緒；實(shí)驗(yàn)前要簽訂知情同意書，以保證被試者的自愿性。

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

動(dòng)作捕捉設(shè)備1臺(tái)，Eego sports腦電設(shè)備1臺(tái)，攝像設(shè)備1臺(tái)，1輛變速桿參數(shù)可調(diào)節(jié)的某型自動(dòng)擋汽車。

2.3 實(shí)驗(yàn)流程

某型汽車變速桿參數(shù)布置實(shí)驗(yàn)流程如下：為被試者安排實(shí)驗(yàn)順序，為第一個(gè)被試者配備腦電設(shè)備和動(dòng)作捕捉設(shè)備，并校準(zhǔn)。該實(shí)驗(yàn)一共準(zhǔn)備7種不同的變速桿布置參數(shù)，被試者在第一個(gè)變速桿布置參數(shù)下根據(jù)自身的喜好調(diào)整好汽車的座椅位置及傾角，使身體處于放松舒適的狀態(tài)，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)任務(wù)以正常的速度和力度進(jìn)行擋位切換，如圖2所示，如此重復(fù)5次。實(shí)驗(yàn)完畢，記錄數(shù)據(jù)，休息10 min，更換另一種換擋布置參數(shù)，繼續(xù)實(shí)驗(yàn)，直到7種布置參數(shù)全部實(shí)驗(yàn)完畢，更換下一個(gè)被試者，重復(fù)上一個(gè)被試的操作，直到所有被試全部完畢，實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析得到的汽車變速桿操縱舒適性綜合評(píng)價(jià)值P，如表3所示。

由表3可以看出，汽車變速桿操縱舒適性P隨著影響因素ΔX、ΔY、ΔZ、ΔZ1的變化關(guān)系都不太明顯，需要對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。因此使用回歸分析的方法建立回歸模型來反映它們之間的關(guān)系，最終得出比較好的汽車變速桿參數(shù)設(shè)計(jì)方案。

圖2 被試進(jìn)行試驗(yàn)圖

表3 變速桿操縱舒適性綜合度量值

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果回歸分析

本文中有4個(gè)自變量，通過對(duì)4個(gè)數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)構(gòu)建二項(xiàng)式非線性回歸分析比較適合。根據(jù)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，自變量與因變量存在以下非線性映射關(guān)系。

假設(shè)實(shí)驗(yàn)有k個(gè)影響因素分別表示為X1～Xm，得到汽車變速桿操縱的回歸模型如下：

本文中4個(gè)影響因素分別為ΔX、ΔY、ΔZ、ΔZ1，按順序依次表達(dá)為：X1，X2，X3，X4。以自變量為4個(gè)影響因素，因變量為操縱舒適性度量值P，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，求得回歸方程如下所示：

為了檢驗(yàn)該回歸模型是否適合本實(shí)驗(yàn)，本文使用回歸診斷工具殘差e來進(jìn)行判斷，將均勻設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)得到的汽車變速桿操縱舒適性值用y(i)表示，通過回歸分析得到的汽車變速桿操縱舒適性預(yù)測(cè)值用y1(i)表示[6]，殘差的計(jì)算方法如下所示：

其中，i=1,2,3,4,5,6,7。

將7個(gè)方案的汽車變速桿布置參數(shù)代入回歸方程里得到預(yù)測(cè)值，變速桿實(shí)驗(yàn)值與模型預(yù)測(cè)值的誤差如表4所示。

表4 實(shí)驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值

在表4中，絕對(duì)誤差（殘差）是預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值誤差，相對(duì)誤差是絕對(duì)誤差與實(shí)驗(yàn)值之比[7]，而且所有數(shù)據(jù)的絕對(duì)誤差最大為0.0090，相對(duì)誤差最大為2.1%，回歸模型的計(jì)算值與實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間的誤差較小。此時(shí)回歸分析的相關(guān)系數(shù)R值為0.9979，并且結(jié)果可信度P<0.05。殘差的置信區(qū)間都含有零點(diǎn)，沒有異常值(對(duì)于擬合回歸模型存在不成比例的數(shù)據(jù)點(diǎn)) 存在，該預(yù)測(cè)模型擬合得非常好，適用于本實(shí)驗(yàn)。得出較優(yōu)設(shè)計(jì)方案為：ΔX=30.5 cm；ΔY=39.7 cm；ΔZ=23.9 cm；ΔZ1=14.7 cm，經(jīng)過驗(yàn)證該方案的舒適性值達(dá)到0.9969。為汽車變速桿操縱舒適性設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

4 結(jié) 語

本文以4個(gè)汽車變速桿操縱舒適性關(guān)鍵參數(shù)為對(duì)象進(jìn)行均勻設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，考慮7個(gè)水平，選擇正交實(shí)驗(yàn)方法需選取49組。而使用均勻設(shè)計(jì)，考慮7個(gè)水平后，則需選取7組，試驗(yàn)員工作量、時(shí)間、金錢的成本是明顯不同的，因此本文通過均勻設(shè)計(jì)的方法來設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。根據(jù)均勻設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行非線性回歸分析建立回歸模型，利用回歸診斷的工具殘差來證實(shí)回歸方程的精確性，驗(yàn)證了回歸模型適用于本文實(shí)驗(yàn)。對(duì)回歸模型進(jìn)行求解，最終得出汽車變速桿最佳舒適性關(guān)鍵布置參數(shù)的設(shè)計(jì)方案，為汽車變速桿操縱舒適性設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。