摘要：制動(dòng)踏板感覺是終端消費(fèi)者能夠直接主觀感知的一項(xiàng)重要性能，對(duì)制動(dòng)踏板感覺的主觀評(píng)價(jià)與客觀測(cè)試數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行了大量工程試驗(yàn)研究，把制動(dòng)踏板感覺的主觀評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)換為具體明確、可量化的客觀物理數(shù)據(jù)，將客戶語(yǔ)言轉(zhuǎn)化為工程設(shè)計(jì)語(yǔ)言，形成了踏板感覺的客觀目標(biāo)，進(jìn)而指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)。

引言

在汽車制動(dòng)系統(tǒng)中，制動(dòng)踏板感覺是終端消費(fèi)者能夠直接感知的一項(xiàng)重要基本性能。在車輛制動(dòng)過(guò)程中，駕駛員通過(guò)制動(dòng)踏板給車輛輸入制動(dòng)或釋放意圖；同時(shí)，車輛本身減速度變化的反饋也是駕駛員進(jìn)行下一步操作的重要參考。如何將駕駛員制動(dòng)時(shí)的主觀感受與客觀試驗(yàn)所采集的物理變量關(guān)聯(lián)起來(lái)，從而使踏板感覺轉(zhuǎn)換為可以量化的工程設(shè)計(jì)語(yǔ)言，是制動(dòng)踏板感覺研究面臨的一個(gè)重要問題。

1 研究現(xiàn)狀和研究?jī)?nèi)容

1.1 研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)外一些科研院校和主機(jī)廠在制動(dòng)踏板感覺方面進(jìn)行了大量研究。

通用汽車的 Ebert 和 Kaatz 提出 BFI（Brake Feeling Index，制動(dòng)感覺指數(shù)）評(píng)價(jià)方法，即駕駛員通過(guò)實(shí)車試驗(yàn)，采用十分制原則對(duì)踏板感覺進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)打分，進(jìn)而建立以客觀測(cè)量物理量為自變量，主觀評(píng)分為應(yīng)變量的解析方程，將制動(dòng)踏板感覺主觀評(píng)價(jià)與踏板力、踏板位移、制動(dòng)器響應(yīng)時(shí)間、踏板力線性度等客觀物理量關(guān)聯(lián)起來(lái)[1]。

此方法具有一定參考性，但存在以下不足：

主觀評(píng)價(jià)過(guò)程中的試驗(yàn)工況及打分標(biāo)準(zhǔn)沒有具體定義；

客觀試驗(yàn)方法沒有明確統(tǒng)一定義，而踏板踩踏速率等因素直接影響試驗(yàn)結(jié)果；

制動(dòng)器響應(yīng)時(shí)間在實(shí)際操作過(guò)程中很難獲得，可操作性低；

該指數(shù)無(wú)法控制踏板感覺風(fēng)格，即獲得同樣的 BFI 指數(shù)的車型，可能實(shí)際風(fēng)格迥異。

1.2 研究?jī)?nèi)容

從宏觀上把握制動(dòng)過(guò)程的人機(jī)交互，將踏板感覺簡(jiǎn)化為踏板力、踏板行程與制動(dòng)減速度的關(guān)系。首先確定主觀評(píng)價(jià)工況及打分標(biāo)準(zhǔn)，然后完成統(tǒng)一工況下的客觀試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集，再通過(guò)統(tǒng)計(jì)學(xué)相關(guān)性分析原理，利用 Matlab 相關(guān)系數(shù)函數(shù)，獲得制動(dòng)踏板感覺在制動(dòng)過(guò)程中主觀評(píng)價(jià)和客觀數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性。

2 制動(dòng)踏板感覺的定義和評(píng)價(jià)維度

2.1 制動(dòng)踏板感覺的定義

在車輛制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)踏板是人機(jī)交互的重要部件。駕駛員踩下制動(dòng)踏板，踏板力和踏板行程作為人對(duì)車輛的輸入，車輛的實(shí)際減速度作為車輛對(duì)駕駛員的最終輸出反饋，進(jìn)而形成一個(gè)完整的車輛制動(dòng)閉環(huán)過(guò)程。

從狹義上來(lái)說(shuō)，動(dòng)態(tài)情況下，踏板力與車輛減速度、踏板行程與車輛減速度的關(guān)系所共同構(gòu)成的制動(dòng)特性，稱為車輛的制動(dòng)踏板感覺[2]。

2.2 制動(dòng)踏板感覺主要評(píng)價(jià)維度

制動(dòng)踏板感覺的評(píng)價(jià)可以從 5 個(gè)角度來(lái)考慮：

1）踏板力；2）踏板行程；3）踏板阻尼和回位滯后；4）車輛制動(dòng)系統(tǒng)響應(yīng)速度；5）車輛減速度。

此外，踏板感覺還和車輛的整車參數(shù)、駕駛員自身駕駛喜好以及路面天氣環(huán)境等因素有關(guān)[3]。

制動(dòng)踏板感覺包含因素較多，評(píng)價(jià)相對(duì)復(fù)雜。因?yàn)樘ぐ遄枘岷突匚粶?、車輛制動(dòng)系統(tǒng)的響應(yīng)速度對(duì)于主觀評(píng)價(jià)來(lái)說(shuō)，標(biāo)準(zhǔn)較難統(tǒng)一，且客觀數(shù)據(jù)采集困難，大多數(shù)消費(fèi)者不易感知其中差別，故主要通過(guò)踏板力、踏板行程、減速度 3 個(gè)評(píng)價(jià)維度對(duì)制動(dòng)踏板感覺主客觀關(guān)聯(lián)進(jìn)行深入分析研究。

3 試驗(yàn)過(guò)程

3.1 主觀評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及打分

3.1.1 主觀評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

在實(shí)車試驗(yàn)開展之前，對(duì)駕駛員制動(dòng)踏板感覺主觀評(píng)價(jià)項(xiàng)目進(jìn)行針對(duì)性的培訓(xùn)，例如踏板行程與車輛減速度的關(guān)系，踏板力與車輛減速度的關(guān)系，踏板軟、硬的程度等，建立統(tǒng)一的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，見表 1。



3.1.2 主觀評(píng)價(jià)打分

為建立用戶主觀評(píng)分體系，分別選取 25 款不同品牌、不同定位、不同風(fēng)格踏板感的車型，邀請(qǐng) 10 名評(píng)價(jià)工程師通過(guò)實(shí)車試驗(yàn)完成表 1 所列評(píng)價(jià)項(xiàng)目，即駕駛員通過(guò)規(guī)定的不同行駛工況對(duì)車輛的踏板感覺特性按照十點(diǎn)評(píng)價(jià)法進(jìn)行打分，1 分為最差，10 分為最好。評(píng)分摘要見表 2

3.2 建立客觀試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

因環(huán)境、車輛狀態(tài)、駕駛員踩踏速度等諸多因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有直接影響，為使不確定因素影響最小，建立統(tǒng)一試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

1）試驗(yàn)條件。

試驗(yàn)場(chǎng)地應(yīng)為干燥、平整混凝土或者柏油路面，附著系數(shù)應(yīng)不低于 0.9；風(fēng)速小于 5 m/s，氣溫 20～30℃。

2）試驗(yàn)過(guò)程。

使測(cè)試車輛處于空載狀態(tài)；

通過(guò)實(shí)施適當(dāng)程度的制動(dòng)或行駛，確保制動(dòng)系統(tǒng)處于正常行車待制動(dòng)狀態(tài)，避免因摩擦片與制動(dòng)盤間距過(guò)小而出現(xiàn)拖滯等非正常狀態(tài)；

試驗(yàn)前車輛摩擦片溫度應(yīng)在 65～100℃；

4. 車輛加速行駛，待車速達(dá)到 105 km/h 時(shí)，釋放加速踏板，使車輛滑行；

5. 當(dāng)車速下降至（100±2）km/h 時(shí)，以 100～ 150 N/s 的踏板力速率操作制動(dòng)踏板實(shí)施制動(dòng)，直至車輛 ABS 介入或出現(xiàn)車輪抱死現(xiàn)象；


4 制動(dòng)踏板感覺主客觀關(guān)聯(lián)分析

在遵循統(tǒng)一的客觀試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)條件下，通過(guò)大量試驗(yàn)，得到踏板行程-減速度、踏板力-減速度的關(guān)系曲線。結(jié)合多位評(píng)價(jià)工程師給出的各車型主觀評(píng)分，對(duì)制動(dòng)踏板感覺主客觀的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行分析研究。

4.1 減速度選取原則

因各車型風(fēng)阻、滾阻等因素控制不一，故減速度分析最小從 0.1 g開始。

因中、低減速度的制動(dòng)工況在日常使用過(guò)程中占比最大，所以選取減速度點(diǎn)為 0.1 g、0.2 g、 0.3 g、0.5 g和 0.7 g，將客觀數(shù)據(jù)點(diǎn)與主觀評(píng)分相結(jié)合進(jìn)行分析。

4.2 踏板感覺的主客觀關(guān)聯(lián)度分析

車輛減速度、踏板力和踏板行程對(duì)主觀評(píng)分有直接的決定性影響，為了清晰合理地研究其中關(guān)系，選取某一確定減速度下對(duì)應(yīng)的踏板力（或踏板行程）和主觀評(píng)分分布，通過(guò)相關(guān)性分析建立該減速度下踏板力（或踏板行程）與主觀評(píng)分的函數(shù)關(guān)系，進(jìn)而擴(kuò)展到其他特征減速度，使主觀評(píng)分與客觀數(shù)據(jù)得以關(guān)聯(lián)。

以 0.1 g減速度下，各車型主觀評(píng)分和踏板行程客觀數(shù)據(jù)分布為例，通過(guò) Matlab 軟件的相關(guān)系數(shù)函數(shù)對(duì)主觀評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)和客觀測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，建立該減速度下各車型踏板行程數(shù)據(jù)和其所對(duì)應(yīng)的主觀評(píng)分的函數(shù)關(guān)系，如圖 1 所示。


圖 1 主觀評(píng)分與客觀數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)

求得相關(guān)系數(shù)R=0.776 8，可知，主觀評(píng)分與踏板行程客觀測(cè)試值具有強(qiáng)相關(guān)性。通過(guò)該相關(guān)系數(shù)方程，可以得出不同踏板行程所能預(yù)期的主觀評(píng)分水平。

同理，分別得到 0.2 g、0.3 g、0.5 g和 0.7 g 減速度下的相關(guān)系數(shù)方程，求得的相關(guān)系數(shù)均在 0.7～0.85 間，具有強(qiáng)相關(guān)性。根據(jù)各特征減速度下踏板感客觀數(shù)據(jù)與主觀評(píng)分建立類似的相關(guān)系數(shù)方程，可得出不同的主觀評(píng)分所對(duì)應(yīng)的踏板行程。各特征點(diǎn)連線繪制區(qū)域如圖 2 所示。

如圖 2 所示，在一定的踏板行程范圍內(nèi)，某一減速度下，踏板行程越長(zhǎng)，主觀評(píng)分越低，初段踏板行程尤其敏感。而踏板行程一定時(shí)，如果車輛反饋得到的制動(dòng)減速度越大，制動(dòng)效能越高，制動(dòng)信心越強(qiáng)，主觀評(píng)分也越高。8 分及以上區(qū)間車型，評(píng)語(yǔ)反饋制動(dòng)空行程短，制動(dòng)靈敏，操控優(yōu)秀；大多數(shù)車型處于 7 分區(qū)間，可見此區(qū)域的踏板行程與減速度關(guān)系調(diào)校是市場(chǎng)的主流，普通消費(fèi)者接受程度更高；少部分車型處于 6 分區(qū)間，有較大改善空間。

通過(guò)同樣的方法，可以得出踏板力與減速度關(guān)系的不同主觀評(píng)分區(qū)域劃分，如圖 3 所示。

在車輛減速度確定的情況下，踏板力范圍相對(duì)較為集中，過(guò)小或過(guò)大均會(huì)帶來(lái)不同程度的抱怨。7 分及以上區(qū)域主觀評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)較高，大多數(shù)車型集中在此區(qū)間，消費(fèi)者認(rèn)可程度較高，踏板力大小適中，對(duì)應(yīng)的減速度回饋符合預(yù)期。

至此，制動(dòng)踏板感的主觀評(píng)價(jià)與客觀試驗(yàn)數(shù)據(jù)之間通過(guò)相關(guān)系數(shù)函數(shù)關(guān)聯(lián)，并匯總得出具有量化參數(shù)的客觀設(shè)計(jì)目標(biāo)。


5 結(jié)束語(yǔ)

制動(dòng)踏板感覺是車輛制動(dòng)系統(tǒng)開發(fā)的一項(xiàng)重要性能指標(biāo)，直接關(guān)系到車輛的制動(dòng)安全性和駕駛舒適性。建立制動(dòng)踏板感主觀評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，完成統(tǒng)一工況的踏板感客觀試驗(yàn)，并將二者通過(guò)相關(guān)系數(shù)函數(shù)關(guān)聯(lián)，把主觀的制動(dòng)踏板感覺轉(zhuǎn)換為可測(cè)量的物理數(shù)據(jù)，客戶語(yǔ)言轉(zhuǎn)換為工程語(yǔ)言，得出客觀設(shè)計(jì)目標(biāo)，進(jìn)而指導(dǎo)制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)。

這種結(jié)合主觀評(píng)價(jià)理念的客觀設(shè)計(jì)目標(biāo)，在正確反映制動(dòng)系統(tǒng)踏板感覺表現(xiàn)的同時(shí)，又能使評(píng)估過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)化、易操作，有效地避免了工程設(shè)計(jì)反復(fù)，節(jié)約了開發(fā)成本，具有良好的應(yīng)用價(jià)值