基于实车测试的乘用车油门踏板人机匹配设计

魏昌坤，苗伟，谭雨点，江庆，杨洋

（安徽农业大学 工学院，安徽 合肥230036）

随着生活水平的提高，人们对于乘用车的需求，除了安全性和动力性之外，还有驾驶舒适性［1］。踏板作为驾驶过程中使用频繁的操纵机构之一，其人机工程设计水平直接影响驾驶舒适性，良好的人机工程设计特性能够降低驾驶员下肢疲劳程度，增加驾车安全性。国内外诸多学者对踏板设计进行了大量研究。Apostolico A 等［2］测量驾驶员驾驶姿态，建立踏板和座椅的最佳布局范围；Shuilong He等［3］从振动传递路径的相关研究出发，研究了降低振动响应的可能性；文献［4-6］构建了汽车踏板人机设计主观试验台架，通过台架模拟试验开展踏板布局设计，但对于研究驾驶员实际驾驶过程中的踏板操作舒适性具有一定缺陷；赵金璐等［7］针对膜片弹簧的分离与接合特性，进行刹车踏板操作舒适性研究，并借助Ansys/Workbench 软件进行了运动仿真与计算。张淼等［8］基于驾驶员膝关节应力分布的操纵舒适性测评方法，优化了汽车踏板操纵舒适性。文献［9-11］基于AnyBody 生物力学软件构建下肢踏板操作的人机交互模型，研究了踏板设计参数对人体肌肉激活程度的影响，建立了驾驶员踏板操纵舒适性与工程设计的关系。目前关于汽车踏板的研究主要集中于踏板布局、离合器踏板设计、踏板操纵评价，并取得瞩目的研究成果。油门踏板操纵涉及驾驶员操纵舒适性，同时也与车辆行驶速度有紧密联系，文中搭建乘用车油门踏板操纵特性实时测试系统，选择踏板人机匹配较好的车型开展车辆行驶过程中的踏板操纵特性研究，总结油门踏板行程-踏板反馈力、踏板行程-稳定车速关系模型，为新车型油门踏板的人机匹配设计提供参考。

1 踏板操纵动态特性测试系统

1.1 踏板测试指标

驾驶员-踏板人机匹配设计参数主要涉及不同稳定车速对应的踏板行程和踏板反馈力，如图1所示。搭建的踏板测试系统主要测试指标有车辆稳定行驶速度、不同稳定车速工况踏板位置（踏板行程）及踏板反馈力。

图1 测试指标示意图

1.2 踏板测试方案

图2 测试系统架构

表1 主要传感器设备性能指标

综合考虑测试系统的功能和可靠性要求，构建乘用车踏板测试系统，技术框架如图2 所示，主要传感器设备及技术指标如表1 所示。测试系统由传感器组、数据采集器和便携式计算机等组成，其中踏板反馈力传感器和位置传感器提供油门踏板行程和反馈力信息，陀螺仪提供油门踏板操纵过程车辆加速度信息，GPS 提供车辆速度及其位置信息。数据采集卡实现对上述信息的实时同步采集，并通过网线上传至便携式计算机进行实时处理、显示和报告生成。

油门踏板力和位移传感器的安装位置如图3所示，油门踏板反馈力传感器安装在油门踏板上表面。拉线式踏板位移传感器测试油门踏板沿着拉线方向位移，对于不同类型的车型，其驾驶舱结构及安装位置不同，因此需要对其进行数学处理，将拉线位移转换成踏板行程，保证踏板运动学数据具有可比性。陀螺仪安装在车辆中控台的平整处，GPS安装在车顶，便于接收位置信号。

采用Creaform 扫描仪扫描踏板操纵过程中3种旋转角度状态（初始行程、中间行程和最大行程）的点云模型，在Imageware 软件中进行点云模型的测量，获取踏板位置信息和传感器安装位置信息如图4所示，基于三点构造圆的理论确定踏板的转动中心，建立拉线传感器位移信号与踏板行程之间的关系，从而得到踏板行程。

图3 油门踏板传感器布置位置

图4 基于点云模型抽象踏板几何布局

1.3 测试车辆及试验道路选择

从大众、本田、现代、日产、福特、标致、雪佛兰、长城、江淮、宝骏品牌的SUV车型中选择油门踏板操纵主观舒适性较好的车型作为踏板人机匹配特性测试车辆。10辆测试车型涉及合资品牌和国产品牌，车况良好，车龄均小于2 年，轮胎气压达到车辆规定的标准要求。

城市路况测试地点在某省会城市，测试道路按照以下原则进行选取：1）试验道路包含快速路、主干道、次干道和支路，其中支路占总路程的较小部分，主干道与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）能够体现上下班的车辆行驶特点，测试时间选择8～9 点、10～11 点、18～19 点，分别代表拥堵路况和不拥堵路况；3）试验道路首尾连贯，以提高试验效率。

采用陀螺仪测试车辆的加速度信息，采用GPS确定车辆的位置和车速信息。

1.4 测试流程

根据《在产品设计中应用人体尺寸百分位数的通则》，选择3 名身高为172～175 cm、体重为65～75 kg（满足90%中国人体尺寸）且具有3 年以上工作经验的试车员，试车员身体健康、休息充分，试验开展前将座椅调整至最舒适状态。

按照规定路线开展试验测试，车辆行驶过程中，对于非拥堵路段车辆最高速度不超过道路限速值，对于拥堵路段车辆行驶主要保持跟车状态。基于已搭建的踏板测试系统，在加速行驶过程得到踏板行程与车辆加速度变化关系数据、踏板行程与踏板反馈力之间的关系数据，在平稳行驶阶段测试得到稳定车速对应的踏板行程和踏板反馈力数据。

2 踏板行程与车辆速度关系模型

驾驶员长时间操纵踏板，合理的踏板行程与车辆速度匹配关系直接影响驾驶员的舒适性。车辆行驶过程中，驾驶员踝关节维持固定屈伸角度，踏板保持固定行程，实现车辆稳定行驶。踏板操作特性测试系统获取稳定车速状态下踏板行程（均值）如图5 所示，试验结果表明，随着稳定车速v 增加，踏板行程x呈现指数增加的变化规律。

图5 稳定车速与踏板关系曲线

根据试验结果拟合车辆稳定车速与踏板行程关系模型：

式中：x0为踏板的初始行程位置，用于踏板布局设计；A 为踏板行程与车辆速度的关系系数，根据测试数据辨识确定x0为5.96，A为0.52。对式（1）进行求导，得到油门踏板行程随车辆稳定速度增加的变化率函数：

式中：A 为车辆加速性能，与车辆发动机的进气量调校有关。

3 踏板行程与踏板反馈力关系模型

如图6 所示，驾驶员足部长时间操作踏板，踏板反馈力、足部重量、地板对足部支撑力以及踝关节力矩保持稳定平衡状态。踏板反馈力能够降低驾驶员下肢肌肉受力，提高驾驶员操作舒适性。因此构建踏板行程与踏板反馈力关系模型，为踏板反馈力设计提供参考依据。

图6 驾驶员操纵踏板示意图

驾驶过程中，驾驶员操纵踏板反馈力测试结果如图7所示，踏板反馈力变化规律主要为快速增加（阶段1）和缓慢增加（阶段2），其中阶段1踏板反馈力随行程增加幅度显著大于阶段2。阶段1踏板行程小于10 mm，从踏板行程与车辆稳定速度测试结果可以发现，此阶段车辆稳定速度小于40 km·h-1，行驶场景主要为市区拥堵状态，驾驶员需要频繁操纵踏板，较灵敏的反馈力变化能够提高驾驶安全。阶段2踏板反馈力随着踏板行程缓慢增加，该阶段近似线性变化规律，其稳定车速大于40 km·h-1，车辆处于行驶顺畅状态，驾驶员需要维持稳定的踏板行程，确保车辆稳定行驶。

通过对试验结果的分析，所选择车辆的踏板反馈力、踏板行程和稳定车速满足乘用车踏板操纵基本要求。根据阶段1 踏板反馈力快速增加、阶段2踏板反馈近似线性稳定增加的试验结果，选择对数函数拟合踏板行程与踏板反馈力关系模型。

考虑到踏板反馈力随行程的变化特性，基于试验测试数据构建踏板反馈力和行程之间的关系：

式中：F0为踏板预紧力；λ 为踏板反馈力随踏板行程变化率，在踏板人机设计过程中表征踏板的“轻”“重”主观感受；c为修正系数。根据车辆测试数据辨识出F0为13.45，λ为7.52，c为0.14。对式（3）求导，得到踏板反馈力变化率函数如式（4）所示，随着踏板行程的增加，踏板反馈力增加的幅度减小。

图7 踏板反馈力与踏板行程关系

通过测试市场畅销且踏板操纵舒适性较好的车型，确定踏板反馈力和踏板行程的数学关系，建立踏板人工工程设计知识库，设计者可根据需要适当调整F0、c和λ，开展踏板人机匹配设计和评价。

4 新车型油门踏板开发应用案例

将文中提出的踏板人机匹配模型应用到新车型油门踏板设计，根据踏板操作舒适性设计需求，设计踏板反馈力和踏板行程关系。模型参数F0为12，λ为7.0，c为0.15。在某整车试验场地对新车型进行油门踏板测试，踏板行程与踏板反馈力测试结果如图8所示，踏板反馈力随着踏板行程呈现先快速增加后缓慢增加的变化规律。采用式（3）拟合测试数据，得到F0为10.7，λ为5.32，c为0.17，与设计目标接近。不同稳定车速状态下油门行程测试结果如图9 所示，随着稳定车速的增加，油门行程按照式（1）变化规律增加，x0为5.4，A为0.55，趋势线拟合程度R为0.92。

对踏板人机设计进行主观评价，4～5 人通常能发现80%～85%的人机工效评估问题，当群组人数为5～11 人时，最易得到相对正确的评估结果［12］。选择8名驾龄超过3 年受试者，按照踏板操纵舒适性主观感受“很好”“好”“一般”“较差”“差”进行评价，最终6人评价“很好”，2人评价“好”。

图8 应用案例踏板反馈力测试结果

图9 稳定车速对应油门行程测试结果

5 结论

文中建立乘用车油门踏板行程、踏板反馈力、车辆行驶速度实车同步测试系统，通过驾驶员操纵油门踏板主观评价，确定10 辆畅销且踏板操纵主观舒适性较好的乘用车，开展踏板操纵特性实车测试，总结油门踏板设计规律：1）油门踏板操纵反馈力随着踏板行程增加呈现先快速增加后缓慢近似线性增加的规律，可选择对数函数拟合踏板行程与踏板反馈力关系；2）在设计油门踏板人机匹配过程中，关注稳定车速状态下油门踏板行程的映射关系，实车测试表明，随着稳定车速的增加，油门行程呈现指数增加，后期在开展驾驶室座椅-踏板布局设计过程中，需考虑常用稳定车速状态下驾驶员最佳舒适踏板操纵姿态。