基于生物力学与感性工学分析的汽车换挡性能主观评价体系研究*

冯杰 李江天 严岿

（1.武汉理工大学，现代汽车零部件技术湖北省重点实验室 汽车零部件技术湖北省协同创新中心，武汉 430070；2.武汉理工大学，武汉 430070）

1 前言

随着汽车行业的快速发展，主观评价不仅在整车性能上得到广泛应用，在零部件评价方面也有着举足轻重的地位。换挡性能的优劣对用户的使用体验颇有影响，并通过主观感受得以反映[1]，因此，针对驾驶员的主观感受构建一套变速器换挡性能的主观评价体系是非常必要的。

国外汽车企业早已意识到换挡性能主观评价的重要价值。沃尔沃建立了由5名资深评车师组成的评审团来进行驾驶体验的主观评分，取算术平均值，得到主观评价结果[2]；福特与通用公司培训大量专家组成评判团，严格把控主观试验的运作程序开展主观评价[3]。国内自主开发起步晚，整车企业无系统的主观评价体系，也无资深评车师，同时国内各项环境异于国外，若直接引进国外的评价体系，将难以准确给出性能总体评分，评价结果不能如实反映换挡性能水平[4]。

在国内，陈刚[5]等应用MATLAB建立了基于模糊神经网络的汽车换挡品质评价系统（ANFIS），结合主观评价数据和客观试验数据进行分析比较；杨士钦、王应[6]等结合变速器换挡性能的主观评价需求目标，确定了动态换挡性能评价的3个客观量化指标，即二次冲击、换挡冲量和倒挡挂入率；刘修珂[7]针对变速器试验，在实测数据和主观权重的基础上构建换挡品质评价体系。国内研究多建立在国外指标体系基础之上，未对换挡操作进行细致的过程分析和人因工程分析，也未考虑国内外文化和操作环境所造成的差异，其体系有效性有待检验，一定程度上影响了其应用价值。

针对以上研究现状，本文结合描述性研究与实证性研究，依据生物力学和感性工学来分析换挡操作过程，以此为参考提出影响换挡品质的因素，并结合深度访谈初步确定评价指标，再进行实证性的问卷调查，运用统计学方法分析调研数据完成评价指标选取，并为不同指标赋权，分析指标差异。最后，通过效度实证检验对主观评价体系的科学有效性进行了验证。

2 换挡过程的理论分析与研究设计

2.1 理论分析

当道路上来往车辆、交通标志、路面状况发生变化时，驾驶员的感觉神经元以及视觉神经群落、听觉神经群落、皮肤中与各类感受器连接的神经群落产生反射刺激，并形成输入信息，将刺激信息以电信号的形式通过神经链路快速传递给中枢神经系统，经过选择和思考做出相关的决策，最后将决策信息通过传出神经元传递给运动神经系统，发出神经信号驱动手和脚的肌肉、骨骼完成换挡操作[8]。换挡操作的神经反应过程如图1所示。

图1 换挡操作的神经反应过程

在进行不同行程的换挡操作时，驾驶员需使用不同力度，肌肉根据实际情况调整收缩力度获取不同的肌力以完成动作。杨枫[9]认为人体的运动受到肌肉力量的约束，肌力能量利用率最高的状态是在最大肌力的1/2和最大收缩速度的1/4的情况下进行操作，该状态下人可以工作很长时间而不感觉到疲惫。在人机工程学中，换挡过程被描述为“须由驾驶者的感觉器官、中枢神经系统及运动器官（作业三要素）三者共同努力才能完成”的复杂操作[10]，由此带来舒适与否的感受，是一种主观的情绪反应。

Lueder[11]认为，不舒适是一种主观经验，它是生理与心理两种过程结合后而产生的结果，受人、机具和环境三者的状态及其互动关系的影响[12]，机具是否符合人体测量学的基本要求，设计布置能否满足人的心理及生理特性，由此所带来的操作体验和环境中的各项物理因素（振动、噪声、环境温度等）共同作用于人的感知器官，进而传递到人的中枢神经系统；Levy[13]认为人们由此产生的情绪反应是对所接收信息产生的一连串信息传递与处理的结果，即“外物刺激—感官的感受—内在心理感觉—感性情感”。由此，基于感性工学的阶层类别分析法，定义换挡性能满意度为0阶概念，将驾驶员的各种感观体验（视觉、触觉、听觉）定义为下一阶概念。

视觉体验上，操纵杆及换挡手柄外观符合人性化要求且拥有良好的视觉效果，各挡位操纵杆位置附合人机工程学要求，操作完成时，操作者在视觉上能判断操纵杆是否回到指定的位置。触觉体验上，换挡手柄大小、形状适当，握持舒适，操纵杆没有不舒适的振动和晃动，换入相应挡位时，过程顺畅、行程清晰，操作者通过触觉准确地感知挡位和操作进程。听觉体验上，换挡过程中，变速器和操纵杆无异响，换入挡位后无明显响声，整体操作环境适宜，良好的听觉体验能改善驾驶员的情绪，进而影响换挡舒适性[14]。驾驶员的不同操作表现出不同的感性诉求，综合所有感性诉求进行产品设计，可以提高驾驶员的换挡体验。

2.2 研究设计

为了科学地建立系统、有效的评价体系，在前文的分析的基础上，建立评价分析的初步框架，设计消费者驾驶体验流程，甄选驾驶者进行静态和动态换挡操作，并随之对其进行深度访谈，以收集消费者对影响换挡感受的因素的看法，在语义分析的基础上，将消费者的看法分解抽象为内容独立、意涵清晰的字段以作为评价体系的指标，并结合理论分析对指标的逻辑合理性与完整性进行定性判断，以这些指标为基础初步形成结构化的评价体系量表，进行相对大样本静态和动态换挡操作试验和相应的问卷调查（每个试验者在操作体验后即完成问卷调查），随即对问卷数据进行统计分析，通过总体相关系数（Corrected Item-Total Correlation，CITC）分析和因子分析对指标进行项目纯化和化简降维，确定最终的评价指标。另外，运用变异系数法对评价指标进行赋权，确定各评价指标的权重因子，分析消费者主观评价各指标的差异、各指标对总体满意的贡献；最后，对主观评价体系进行结构效度和效标效度分析，验证体系的有效性。

3 主观评价指标的遴选

3.1 操作试验与深度访谈

选择6位目标市场富有经验的车主进行深度访谈。首先，使发动机处于熄火、离合器处于分离状态，访谈对象依次进入驾驶室反复模拟车辆驾驶过程的换挡操作，主要感受操纵杆的位置布置、操纵设备的尺寸设计及行程安排。体验结束后，完成对指定项目各分项的打分，并对体验过程的感受进行主观描述。

完成静态评价后，在指定的试验路况，被试者在驾驶过程中进行不同的换挡操作，按动态加减挡（空挡→1→2→3→4→5→4→3→2→1→空挡）依次进行加挡、减挡操作，以及少量跨挡位操作和倒挡操作，要求每次驾驶时间不少于3分钟，规定换挡操作需进行3次以上，此过程主要感受不同挡位的操作力、换挡时的流畅度以及换挡过程的振动和异响。动态行驶完毕之后，同样进行问卷的分项打分，并完成主观描述。

通过6名客户的试驾和深度访谈，整理访谈过程得到的数据信息和文本信息，重点对他们的主观描述进行语义分析，寻找对换挡过程的不同看法与感受，初步得到消费者对变速器换挡的主观体系，如表1所示。可以看出，换挡清晰度与换挡力度主要反映换挡操作的结果表现，应符合生物力学的基本规律及感性心理，保证换挡准确性和舒适性；操作系统的设计与布置从人体测量学的基本要求出发，满足人机工程学中人-机系统的整体设计和人的生理、心理需求；换挡的振动和噪声则体现换挡环境的影响，符合感性工学感觉体验理念。整体而言，访谈所得维度与指标符合前文的理论分析，验证了此主观评价体系的有效性。

3.2 评价指标的选定

3.2.1 问卷描述性分析

由于本研究的对象是手动变速器，故被调查人员甄选的条件是具有一定驾龄的手动变速器的主要使用者。问卷调查分别在武汉和成都进行，每个区域的调查人数均为50人，研究采取面对面驾驶体验，完成后直接进行调查问卷填写，最终得到100份有效调查数据，样本特征如表2所示。

表1 初步建立的主观评价体系

表2 100名调查样本的特征

绝大部分被调查者的年龄在21～50岁之间，且具有2年以上驾龄，拥有较为丰富的手动驾驶经验，对换挡过程比较熟悉，满足此次调查的条件；同时根据GB 10000—88《中国成年人人体尺寸》，被访者也符合我国既往有关人机工程学调查所得数据的分布规律，与前面的理论基础相互印证。

3.2.2 量表的信度检验

通过问卷调查对100名被试者换挡过程的主观感受按前述的4个维度进行测量，主8观评价量表整体的Cronbach′sα（克隆巴赫系数）值为0.951，每个维度的Cronbach′sα值全部大于0.7，表明本研究中使用的主观评价量表的内部一致性较高，具有良好的信度。主观评价量表的信度检验结果如表3所示。

表3 主观评价量表的信度检验结果

3.2.3 初选指标的项目纯化

通过问卷调查获取主观评价数据后，先计算各项目的总相关 （Corrected-Item Total Correlation，CITC）系数和Cronbach′sα值以纯化问卷项目。如果CITC系数低于0.5，且删除该指标后能提高Cronbach′sα，一般应该删除这个项目[15]。在此研究中，Q1、Q4、Q18、Q22的CITC系数都低于0.5，删除上述4个项目后，总体的Cronbach′sα值由0.951上升到0.957，因此，将这4个项目删除，以保证项目的纯化，计算结果见表4。

表4 项目纯化的CITC分析

3.2.4 初选指标的化简与降维

为了进一步分析各项间的因子结构，需对有关数据进行探索性因子分析。在分析之前，首先对数据是否适合进行因子分析进行了检验，结果见表5，由表5可知，原假设变量之间具有无关性，说明原始数据适合做因子分析。

表5 KMO和Bartlett的检验

根据特征根大于1的标准，选择符合要求的主成分进行分析研究。表6显示，各成分的公共因子的最高方差贡献率达到了55.627%，累计方差贡献率最高已达到78.695%，说明进行因子转换后得到的主成分因子结构仍然保留了之前各成分因子绝大多数的最初信息。

表6 解释的总方差

为获得具有理论意义的因子，采用主成分分析法进行因子提取，用正交旋转法进行因子旋转，保留特征值大于1的因子，要求最终保留的项目在某一个因子上的负载大于0.5，并具有较低的交叉负载，删除旋转后同时在2个以上因子上的负载值大于0.5的项目[16]。处理后，最终得到4个主因子，因子分析结果见表7。

根据因子载荷矩阵显示：因子1包括Q2、Q3、Q5、Q6、Q7、Q8、Q9，主要体现换挡操作的清晰程度，将其命名为换挡清晰度；因子2包括Q10、Q11、Q12、Q13、Q14、Q15，主要涉及换挡过程的使用力度，命名为换挡力度；因子3包括Q16、Q17、Q19、Q20，主要涉及换挡装置的设计与安排，命名为操作系统的设计与布置；因子4包括Q21、Q23、Q24，主要涉及换挡时产生的声音与响动，将其命名为换挡的振动和噪声。这一结果与前文通过理论分析及深入访谈所得到的评价体系基本一致。

表7 探索性因子分析生成的因子载荷矩阵

4 评价指标的赋权

本研究运用变异系数法进行赋权，该方法从原始数据中提取信息，根据各指标在所有评价对象上观测值的变异程度对其赋权，更能真实地反映众多评价指标的重要程度。被试者主观评价得分构成的原始数据矩阵为：

式中，Xij为第i个对象的第j个指标的数值；m为评价指标项数；n为评价对象数量。

将研究数据带入该X矩阵，其中，m=4，n=100。

a.计算各指标的标准差，反映各指标的绝对变异程度：

式中，Sj为第j个指标的标准差为第j个指标的平均值，其中j=1,2,3,4。

b.计算各指标的变异系数，反映各指标的相对变异程度：

c.对各指标的变异系数进行归一化处理，得到各指标的权数：

表8 权重分布

换挡清晰度有助于驾驶员判断是否已挂入指定挡位，使换挡操作准确有效地达到预期效果，最直观地体现了换挡满意度，其权重高达50.4%也证明此维度的重要性和有效性；换挡力度和操作装置的设计和布置体现驾驶员操作时的舒适性，不同方式会让驾驶员获取不同的主观感受，其权重分别为32.8%和16.1%；换挡的振动和噪声则从听觉角度间接体现换挡舒适性，对操作过程造成不同程度的影响。

5 评价体系的有效性检验

5.1 结构效度的检验

采用Lisrel 8.7软件对探索性因子分析保留的变量及其结构进行检验，将保留的20个项目作为观测变量，探索性因子分析后得到的4个因子作为潜变量，并由此构造相应的验证性因子分析模型，拟合优度检验的评价指标主要有：卡方自由度比值χ2/df、近似均方根残差（Root Mean Square Error of Approximation，RMSEA）、比较拟合指数（Comparative Fit Index，CFI）、基准化拟合指数（Normed Fit Index，NFI）。模型整体的适配性结果表明其对数据的拟合情况良好，如表9所示。

表9 模型数据拟合结果

随后，对数据进行验证性因子分析，采用主成分分析法提取各指标的因子负荷，实际上4个维度的标准化因子负荷均不低于0.620，符合最低临界水平0.40的标准，说明量表具有较好的结构效度，因此认为其效度可靠，标准化因子负荷如表10所示。

表10 标准化因子负荷

5.2 效标效度的检验

本研究采用相关法检验效标效度，分析量表中各维度评价值与消费者总体满意度之间的相关性，得出的皮尔森相关系数（Person Correlation Coefficient）见表11。各维度评价值与总体满意度显著相关，相关系数均在0.7以上，成强相关，同时各维度间也显著相关，相关系数也均在0.7以上，成强相关，说明评价维度能够准确反映总体满意度，即所使用的量表具有良好的效标效度。

表11 各维度的Person相关性系数双侧显著性

综上，可以说明此体系量表具有良好的效度，进而确保了评价体系的可靠性、真实性和稳定性，也验证了相关结论的有效性。

6 结束语

本文应用生物力学和感性工学理论探索驾驶员换挡满意度的影响因素，结合深入访谈和实地调研，经过探索性因子分析和验证性因子分析的项目纯化和因子提取，研究发现驾驶员换挡满意度包含4个主要维度：换挡清晰度、换挡力度、操作系统的设计与布置以及换挡的振动和噪声。运用变异系数法进行了赋权，研究表明体现换挡准确性的换挡清晰度具有50.4%的权重，说明换挡准确性在较大程度上影响了换挡满意度。最后，对评价体系进行必要的效度检验，结果表明此评价体系合理有效。

本文的研究对象主要为手动变速器，研究结果具有一定的局限性，未来可以此为基础，进一步研究不同类别变速器及其在不同时间、环境下驾驶员的主观感受，得到更为全面的主观评价体系。

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