基于人體響應的行走機械換擋品質評價＊

朱玉田 郭儒樂 劉釗 王磊

（同濟大學，上海 201800）

基于人體響應的行走機械換擋品質評價＊

朱玉田 郭儒樂 劉釗 王磊

（同濟大學，上海 201800）

從人的運動感知物理基礎出發(fā)研究了人對換擋沖擊的感知特性，得出人主要通過對人體絕對加速度和相對車體位移的感知來感受換擋沖擊的結論。建立了在已知車體運動下求解人體響應的動力學模型。對具有典型特征的車體運動和實測車體運動激勵下的人體響應進行仿真，結果表明，人體運動與車體運動不同，兩者時間歷程及加速度最大值等評價指標有顯著差別。使用車體運動參數進行換擋品質評價不能準確反映人的感受，基于人體響應才能準確評價人對換擋沖擊的感受。

1 前言

采用有級傳動的行走機械換擋時由于扭矩和轉速的突變會產生換擋沖擊。換擋品質可分為人感受的換擋品質和沖擊車體的換擋品質，前者是人對換擋沖擊的感受，后者是車體受換擋沖擊的影響大小，其中人對換擋品質感受的評價是反映車輛舒適性的常用指標。

汽車企業(yè)廣泛采用換擋品質主觀評價，通過駕駛員打分并綜合層次分析等方法進行[1]。主觀評價結果因人而異且隨機性很大，因此無法用于預測換擋品質并指導變速器設計。目前換擋品質的研究主要集中于可預測評價結果的客觀評價，文獻[2]對影響換擋過程乘員舒適性的關鍵指標如加速度、沖擊度及其造成的人體反應進行了相關試驗和分析。文獻[3]使用離合器接合時加速度最大振動量Δa、分離時最大沖擊度jp-n、接合時最大沖擊度jp-p、換擋延遲時間tdelay等10個客觀評價指標，經深度灰色關聯分析評價乘員的換擋舒適性。文獻[4]從動力性、經濟型、傳動系統(tǒng)耐久性、舒適性方面選取客觀指標，經RBF神經網絡將舒適性問題由主觀評價轉為客觀評價。文獻[5]提出與縱向加速度、沖擊度、響應時間相關的駕駛性客觀評價指標，建立瞬態(tài)工況的駕駛性客觀評價方法，并將相關試驗的客觀評價結果與主觀駕駛評價結果進行對比。以上文獻中的客觀評價方法基于車體運動參數進行評價，但由于車體運動與人感受到的運動不直接關聯，兩者存在復雜關系，基于車體運動參數的客觀評價結果可能與人的感受相差巨大、甚至相反，現有的換擋品質客觀評價不能準確反映人對換擋沖擊的感受。

本文從人的運動感知物理基礎出發(fā)研究人對換擋沖擊的感知特性，確定換擋過程中決定人的感受的物理量。建立在已知車體運動下求解人體響應的動力學模型，對具有典型特征的車體運動和實測車體運動激勵下的人體響應進行仿真，對比分析了車體運動與人體運動，探索基于人體響應的換擋品質客觀評價方法，改進傳統(tǒng)換擋品質客觀評價不能準確反映人體感受的不足。

2 人對換擋沖擊的感知

人對換擋沖擊的感受由人的運動感知決定。換擋沖擊下，人通過前庭器官、軀體、四肢、眼、耳等感知器官接受外界信息的刺激，進而產生如動覺、觸覺、視覺、聽覺等感覺。人的運動感知是人對自身運動與位置狀態(tài)的感知與判斷，也是駕駛員感知車輛行駛狀態(tài)的主要信息之一，它常與人的全身感受相聯系，故又稱“體感”[6]，如圖1所示。人對換擋沖擊的感知都有相應的物理基礎。

圖1 人的運動感知

2.1 人對人體絕對加速度的感知

人內臟器官的振動大多會引起人的感覺，并有專門感知加速度變化的感覺器官。內耳迷路中除耳蝸外，還有橢圓囊、球囊和3個半規(guī)管，后三者合稱為前庭器官。前庭器官是人體最重要的運動感受器之一，頭部運動時的旋轉及直線加速使前庭器官直接受到刺激，通過半規(guī)管中淋巴液的液面變化來感知人體自身的絕對加速度[7]。因此，人可以感知人體絕對加速度及其變化，如圖1a所示。

2.2 人對外界施加的作用力的感知

人能通過皮膚的觸覺和肢體肌肉的拉伸情況來感受到外界施加的作用力。當車體處于加速或減速狀態(tài)時，座墊、靠背、安全帶和轉向盤等車體部件均會對人體產生力的作用，從而改變人體運動狀態(tài)。人身體各部分感受到的作用力以神經信號的方式傳輸至大腦，大腦經過綜合處理，便能夠判斷出人體各部位受力方向與大小。因此，人可以感知外界施加的作用力及其變化，如圖1b所示。

2.3 人對相對車體位移的感知

人不僅能利用雙眼的視差、視覺點的轉移以及視覺范圍的變化來感知到空間位置的變化，更能通過肢體位置的移動和關節(jié)姿態(tài)的變化來感知人在車體空間內的相對位置。人與車體相對位置變化造成人體局部姿態(tài)變化，人的感知器官將其轉化為生物信息，中樞神經系統(tǒng)向機體提供人體運動和人體相對周圍環(huán)境、空間位置的主觀感覺。因此，人可以感知相對車體位移及其變化，如圖1c所示。

綜上所述，在換擋沖擊下，人感知到的物理量有人體絕對加速度、外界施加的作用力、相對車體位移等。其中，人對人體絕對加速度和外界施加作用力的感知相互重疊并相互加強，從感知角度看是同一物理量，人對換擋沖擊的感知如圖2所示。

圖2 人對換擋沖擊的感知

由此可知，人主要通過人體絕對加速度和相對車體位移來感知換擋沖擊，其大小和變化速度決定了人對換擋沖擊的感受。

3 換擋沖擊下人體響應分析建模

換擋沖擊下，人不直接感知車體運動，用車體運動參數評價換擋品質可能得到不準確的結果。車體運動和人感知到的人體運動存在復雜關系，可由人體響應模型計算人體運動與車體運動之間的關系。

3.1 人體響應動力學模型

建立人體響應模型的關鍵問題之一是對人體結構進行合理的簡化，常用的人體簡化模型有多自由度模型、單自由度模型和等效附加質量模型3類[8]。單自由度模型因其能夠反映人體的頻率和阻尼特性，且在分析計算時相對便利，在各類研究中被廣泛采用[9～11]。人體是復雜的多自由度系統(tǒng)，可通過模態(tài)分析解耦為多個單自由度系統(tǒng)，因此，單自由度系統(tǒng)也是研究復雜人體響應的基礎。

假定人體安置在一個已知水平加速度ac(t)的車體上，建立如圖3所示的人體響應動力學模型，其中，質量m、剛度k、阻尼c3個元件可以代表人體整體、人體某個器官或人體復雜振動系統(tǒng)的某個模態(tài)參數。

圖3 人體響應動力學模型

以圖3中質量m相對于車體的位移xr(t)作為廣義坐標，建立系統(tǒng)運動微分方程：

3.2 基于杜哈美積分的人體響應求解

對于式（1），當車體加速度ac(t)已知時，可以使用杜哈美積分[12]計算相對車體位移：

當ac(t)以數值形式給出，式（2）必須用數值積分方法計算xr(t)。由于式（2）中被積函數包含t，所以不方便使用普通遞推形式的數值積分計算方法。為此，分離被積函數中的t，將式（2）變化為：

式（3）中2個積分的被積函數都不再包含t，可以方便地使用普通數值積分方法計算xr(t)。

當相對車體位移xr(t)由數值積分求得時，如果再對xr(t)進行數值差分計算會產生較大誤差，因此，由式（3）微分得到直接積分求解vr(t)的公式：

求得xr(t)和vr(t)后，其它物理量均可由它們的組合表達。例如，由式（1）得到人體絕對加速度ap(t)用xr(t)和vr(t)的組合表達的公式：

以式（2）為基礎，根據杜哈美積分原理推導出適合用于普通遞推形式數值積分計算的相對車體位移xr(t)的計算公式、直接積分計算相對車體速度的計算公式，并進一步推導出人體絕對加速度、人體絕對加加速度等用和組合表達的計算公式。

4 典型車體運動激勵下的人體響應仿真

為了了解人體運動與車體運動的關系，通過典型車體運動下的人體響應仿真來分析人體運動與車體運動的差異程度。

有研究表明，靜態(tài)坐姿人體水平自由振動頻率約為1～3 Hz，阻尼比達0.2～0.5[11]。假定被仿真的人體響應模型固有頻率ωn為1 Hz，阻尼比ζ為0.2；假設車體加速度ac(t)如圖4所示；仿真初始條件為x0=x˙0=0。車體加速度上升期間：當Δt變小時，車體加速度變化加快；當Δt接近零時，對應的車體加速度迅速增加；當Δt→0時，車體加加速度趨向于無窮大。

圖4 典型車體加速度

對于不同的Δt值，利用上面的仿真模型即可求解人體響應。使用步長0.002 s的梯形公式，不同Δt下車體加速度ac(t)、車體加加速度和求解的人體絕對加速度ap(t)、人體絕對加加速度如圖5所示。

圖5 典型車體運動激勵下的人體響應

分析圖5中的人體運動與車體運動可知，人體運動與車體運動差別很大：

a. 當Δt較大，即車體運動變化較慢時，人體運動跟隨車體運動變化的趨勢明顯。Δt接近人體固有周期1 s時，人體運動和車體運動時間歷程非常接近，人體運動的指標，如人體絕對加速度最大值、人體絕對加加速度最大值接近于車體加速度最大值和車體加加速度最大值，人體響應對低頻車體運動激勵具有跟隨性。

可見，典型車體運動激勵下求解的人體響應與車體運動并不相同，兩者的時間歷程和評價指標均有明顯差異，特別是高頻激勵的加加速度響應差別很大。人體運動不能用車體運動簡單描述。

5 實測車體運動激勵下的人體響應仿真

以下基于實例分析人體運動與車體運動的關系。為此，選用3 t裝載機，實測其換擋過程車體加速度ac(t)如圖6所示，ac(t)采樣周期為0.002 s。仿真時取人體響應模型固有頻率ωn=2 Hz，阻尼比ζ=0.3，其它仿真參數不變。

圖6 3 t裝載機換擋過程實測車體加速度

圖7 實測車體運動激勵下的人體響應

對比分析圖7與試驗過程中人的換擋過程感受：

a. 由圖7a所示仿真結果可知，換擋過程中，ap(t)與ac(t)時間歷程不同，但兩者加速度的趨勢（低頻成分）大致相同。ac(t)包含很多高頻成分，ap(t)較為平滑且較ac(t)少了許多高頻成分，這是因為人體固有頻率的低頻濾波作用會將車體很多高頻激勵濾波。

b.試驗過程中，人相對車體的位移很大程度上影響人的感受，因此，相對車體位移xr(t)是反映人的換擋過程感受的重要物理量。如圖7b所示的相對車體位移xr(t)不能通過車體運動直接得到，必須通過求解人體響應模型獲得。

c.試驗過程中，人感受到的加速度時間歷程與圖7a所示ap(t)基本一致，人沒有感受到ac(t)中的高頻成分，且人感受到的加速度峰值接近于；人感受到的相對車體位移與圖7b所示的基本一致，人感受到的波動和峰值。人體響應的仿真結果與人的真實感受基本吻合。

d. 進一步分析圖7a仿真結果，表征人感覺的人體運動指標，如與車體運動指標相差很大。因此，基于車體運動參數的換擋品質評價與基于人體響應的換擋品質評價有明顯不同，可能得到與人的感受截然不同、甚至可能較為荒謬的評價結果。

e.經過多次試驗與仿真驗證，人的換擋過程感受均與仿真結果基本吻合，當仿真結果較差時，人的換擋過程感受也相對較差。因此，基于人體響應的換擋品質評價能夠準確反映人對換擋沖擊的感受。

綜上所述，為了準確反映人對換擋沖擊的感受，應從換擋沖擊下人的運動感知物理基礎出發(fā)建立人體響應模型，基于求解的人體響應進行換擋品質評價。

6 結束語

a.從人的運動感知物理基礎角度，人主要通過人體絕對加速度和相對車體位移來感知換擋沖擊，其大小和變化速度決定了人對換擋沖擊的感受。

b.建立的包含人體固有頻率與阻尼比的單自由度人體響應模型，可表達人體運動與車體運動的復雜關系。通過推導適合遞推形式數值積分求解的相對車體位移和相對車體速度的公式，就可以用它們的組合表達人體絕對加速度、人體絕對加加速度等人體其它響應。

c.車體運動激勵仿真表明，人體運動與車體運動的時間歷程和加速度最大值等指標差異明顯，以往客觀評價法不能準確反映人對換擋沖擊感受的根本原因在于使用車體運動參數評價，只有從換擋沖擊下人的運動感知物理基礎出發(fā)建立人體響應模型，基于求解的人體響應進行換擋品質評價才能準確反映人對換擋沖擊的感受。

研究工作可望為更合理的行走機械換擋品質客觀評價體系的構建提供依據。

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Shift Quality Evaluation of Mobile Machinery Based on Human Body Response

Zhu Yutian,Guo Rule,Liu Zhao,Wang Lei
（Tongji University,Shanghai 201800）

The perception characteristics of human to shift impact was studied from the physical basis of human’s motion perception.The conclusion revealed that human’s feeling under shift impact is determined by human’s perception to absolute acceleration of human body and relative displacement between human body and the vehicle.A dynamic model that can solve human body response under given vehicle motion was established.Vehicle motion with typical characteristic and human body response under vehicle motion were simulated,the results show that vehicle motion and human body motion have huge differences,the evaluation criteria,i.e.time history and maximum acceleration of human body and vehicle differ greatly.Human’s feeling under shift impact can be evaluated precisely based on human body response rather than vehicle motion parameters.

Mobile machinery,Shift quality evaluation,Human body response,Vehicle motion

行走機械 換擋品質評價 人體響應 車體運動

U463.212 文獻標識碼：A 文章編號：1000-3703（2017）12-0018-05

國家高技術研究發(fā)展計劃（863計劃）項目（2104AA041502）。

（責任編輯斛 畔）

修改稿收到日期為2017年6月9日。