基于均匀设计的汽车变速杆操纵舒适性研究

杨宇明， 张新敏， 王晓云

（沈阳工业大学 机械工程学院，沈阳110870）

0 引 言

汽车变速杆是汽车的主要操控装置之一，在汽车前期研发设计阶段，汽车变速杆操纵舒适性关键参数设计是汽车在研发过程中的重要环节。做好汽车变速杆操纵舒适性关键参数设计不仅可以有效降低研发成本，而且可以提高产品竞争力。

使用均匀设计的方法对变速杆舒适性实验进行设计研究，可以通过较少次的实验，不需要投入太多的时间和金钱成本得出想要的实验结果，并反馈给汽车变速杆设计人员[1-2]。均匀设计的方法只需要考虑试验点的均匀性，可以更好地构建回归模型[3-4]。

通过和正交设计方法进行对比，正交设计的试验方法需要考虑实验的正交性，它的实验点除了考虑均匀性还需要考虑整齐可比，而且正交设计的实验次数与实验水平的关系是平方的关系。为了减少花费的时间、成本等因素，均匀设计的实验次数远远小于正交设计法，且均匀设计的回归分析易于进行预测。

因此，本文首先确定影响某型汽车变速杆操纵舒适性的关键特征参数，提出一种基于均匀设计的汽车变速杆操纵舒适性关键参数优化设计的方法，找出较优的变速杆设计参数。

1 汽车变速杆操纵舒适性影响因素分析

某型汽车进行改款时，中控台扶手区域变高，保留原有变速杆部件不变，需要对其变速杆布置参数进行重新设计，而且新设计出来变速杆布局位置既要保证舒适性又要保证操纵性，因此本文主要研究汽车变速杆的布置参数，对其进行重新设计。

在操纵变速杆过程中，汽车变速杆的高度、位置、变速杆后扶手的高度对汽车变速杆的操纵舒适性是非常重要的，因此本文以图1所示的4个参数作为影响变速杆换挡操纵舒适性的特征参数。

其中，Sgrp为汽车座椅参考点，ΔX为换挡手柄中心点和座椅参考点（Sgrp）X坐标偏差；ΔY为换挡手柄中心点和座椅参考点（Sgrp）Y坐标偏差，图中未明确表示；ΔZ为换挡手柄中心点和座椅参考点（Sgrp）Z坐标偏差；ΔZ1为换挡后扶手中心点和座椅参考点（Sgrp）Z坐标偏差。

本文以ΔX、ΔY、ΔZ、ΔZ1这4个参数为影响因素，使用均匀设计的方法对4个影响因素进行实验设计，根据影响因素的取值范围制定均匀设计的水平-因素表。设计人员会根据实验的影响因素水平数为偶数或水平数为奇数来进行挑选均匀设计表。当实验的汽车变速杆的影响因素的水平数是奇数时，设计者会根据实验因素的水平数数量选择适合本实验的均匀设计表；当实验的汽车变速杆的影响因素的水平数是偶数时，则挑选出比本次试验水平数大1的均匀设计表进行实验，并去掉这个均匀设计表的最后一行得到想要的均匀设计表。

图1 各影响因素示意图

本文均匀设计的变速杆影响因素有4个，选用水平数为7，选择U*7(74）的均匀设计表。相对于正交设计，用均匀设计的方法只需要7种实验方案，该方法可减少大量实验次数。实验的水平-因素表如表1所示。

表1 汽车变速杆实验的水平-因素表 cm

每一种均匀设计表会有一个使用表相对应，选择完均匀设计表以后，设计人员依据试验因素数量在均匀设计使用表中挑选出最为适合的列数，并选择对应的列数来进行汽车变速杆操纵舒适性实验[5]。

本文使用U*7(74）均匀设计表，在选择合适的使用表之后，设计7个不同的变速杆方案，如表2所示。

表2 均匀设计试验方案表 cm

2 实验设计

本文运用脑电信号、人体关节力矩、心理测量值等方法综合对7个变速杆设计方案进行综合评价实验。

2.1 实验对象

选取10个身体健康的驾驶员，其中男女比例随机，年龄在20～40岁之间。实验人员需要对每一名被试人员进行统一的培训，让被试者了解本次变速杆操纵舒适性实验的目的、流程、作业姿势，并且将每一名被试者对模拟作业操作熟练度趋于一致，当达到规定要求后进行实验，规定如下：实验前没有喝茶或咖啡等提神食物；实验前要洗头，降低皮肤电阻值；实验当天早上进食，不能空腹，导致试验过程中血糖过低；实验前告知被试者脑电实验无危害，保护被试者隐私，避免被试者的紧张情绪；实验前要签订知情同意书，以保证被试者的自愿性。

2.2 实验设备

动作捕捉设备1台，Eego sports脑电设备1台，摄像设备1台，1辆变速杆参数可调节的某型自动挡汽车。

2.3 实验流程

某型汽车变速杆参数布置实验流程如下：为被试者安排实验顺序，为第一个被试者配备脑电设备和动作捕捉设备，并校准。该实验一共准备7种不同的变速杆布置参数，被试者在第一个变速杆布置参数下根据自身的喜好调整好汽车的座椅位置及倾角，使身体处于放松舒适的状态，并根据实验任务以正常的速度和力度进行挡位切换，如图2所示，如此重复5次。实验完毕，记录数据，休息10 min，更换另一种换挡布置参数，继续实验，直到7种布置参数全部实验完毕，更换下一个被试者，重复上一个被试的操作，直到所有被试全部完毕，实验结束。

对实验数据进行处理与分析得到的汽车变速杆操纵舒适性综合评价值P，如表3所示。

由表3可以看出，汽车变速杆操纵舒适性P随着影响因素ΔX、ΔY、ΔZ、ΔZ1的变化关系都不太明显，需要对实验结果进行分析。因此使用回归分析的方法建立回归模型来反映它们之间的关系，最终得出比较好的汽车变速杆参数设计方案。

图2 被试进行试验图

表3 变速杆操纵舒适性综合度量值

3 实验结果回归分析

本文中有4个自变量，通过对4个数据的分析，发现构建二项式非线性回归分析比较适合。根据对实验数据分析发现，自变量与因变量存在以下非线性映射关系。

假设实验有k个影响因素分别表示为X1～Xm，得到汽车变速杆操纵的回归模型如下：

本文中4个影响因素分别为ΔX、ΔY、ΔZ、ΔZ1，按顺序依次表达为：X1，X2，X3，X4。以自变量为4个影响因素，因变量为操纵舒适性度量值P，根据实验数据，求得回归方程如下所示：

为了检验该回归模型是否适合本实验，本文使用回归诊断工具残差e来进行判断，将均匀设计实验得到的汽车变速杆操纵舒适性值用y(i)表示，通过回归分析得到的汽车变速杆操纵舒适性预测值用y1(i)表示[6]，残差的计算方法如下所示：

其中，i=1,2,3,4,5,6,7。

将7个方案的汽车变速杆布置参数代入回归方程里得到预测值，变速杆实验值与模型预测值的误差如表4所示。

表4 实验值与预测值

在表4中，绝对误差（残差）是预测值与实验值误差，相对误差是绝对误差与实验值之比[7]，而且所有数据的绝对误差最大为0.0090，相对误差最大为2.1%，回归模型的计算值与实际实验结果之间的误差较小。此时回归分析的相关系数R值为0.9979，并且结果可信度P<0.05。残差的置信区间都含有零点，没有异常值(对于拟合回归模型存在不成比例的数据点) 存在，该预测模型拟合得非常好，适用于本实验。得出较优设计方案为：ΔX=30.5 cm；ΔY=39.7 cm；ΔZ=23.9 cm；ΔZ1=14.7 cm，经过验证该方案的舒适性值达到0.9969。为汽车变速杆操纵舒适性设计提供理论依据和技术支持。

4 结 语

本文以4个汽车变速杆操纵舒适性关键参数为对象进行均匀设计实验，考虑7个水平，选择正交实验方法需选取49组。而使用均匀设计，考虑7个水平后，则需选取7组，试验员工作量、时间、金钱的成本是明显不同的，因此本文通过均匀设计的方法来设计实验。根据均匀设计实验结果进行非线性回归分析建立回归模型，利用回归诊断的工具残差来证实回归方程的精确性，验证了回归模型适用于本文实验。对回归模型进行求解，最终得出汽车变速杆最佳舒适性关键布置参数的设计方案，为汽车变速杆操纵舒适性设计提供理论依据和技术支持。