朱玉田 郭儒乐 刘钊 王磊

（同济大学，上海 201800）

基于人体响应的行走机械换挡品质评价＊

朱玉田 郭儒乐 刘钊 王磊

（同济大学，上海 201800）

从人的运动感知物理基础出发研究了人对换挡冲击的感知特性，得出人主要通过对人体绝对加速度和相对车体位移的感知来感受换挡冲击的结论。建立了在已知车体运动下求解人体响应的动力学模型。对具有典型特征的车体运动和实测车体运动激励下的人体响应进行仿真，结果表明，人体运动与车体运动不同，两者时间历程及加速度最大值等评价指标有显著差别。使用车体运动参数进行换挡品质评价不能准确反映人的感受，基于人体响应才能准确评价人对换挡冲击的感受。

1 前言

采用有级传动的行走机械换挡时由于扭矩和转速的突变会产生换挡冲击。换挡品质可分为人感受的换挡品质和冲击车体的换挡品质，前者是人对换挡冲击的感受，后者是车体受换挡冲击的影响大小，其中人对换挡品质感受的评价是反映车辆舒适性的常用指标。

汽车企业广泛采用换挡品质主观评价，通过驾驶员打分并综合层次分析等方法进行[1]。主观评价结果因人而异且随机性很大，因此无法用于预测换挡品质并指导变速器设计。目前换挡品质的研究主要集中于可预测评价结果的客观评价，文献[2]对影响换挡过程乘员舒适性的关键指标如加速度、冲击度及其造成的人体反应进行了相关试验和分析。文献[3]使用离合器接合时加速度最大振动量Δa、分离时最大冲击度jp-n、接合时最大冲击度jp-p、换挡延迟时间tdelay等10个客观评价指标，经深度灰色关联分析评价乘员的换挡舒适性。文献[4]从动力性、经济型、传动系统耐久性、舒适性方面选取客观指标，经RBF神经网络将舒适性问题由主观评价转为客观评价。文献[5]提出与纵向加速度、冲击度、响应时间相关的驾驶性客观评价指标，建立瞬态工况的驾驶性客观评价方法，并将相关试验的客观评价结果与主观驾驶评价结果进行对比。以上文献中的客观评价方法基于车体运动参数进行评价，但由于车体运动与人感受到的运动不直接关联，两者存在复杂关系，基于车体运动参数的客观评价结果可能与人的感受相差巨大、甚至相反，现有的换挡品质客观评价不能准确反映人对换挡冲击的感受。

本文从人的运动感知物理基础出发研究人对换挡冲击的感知特性，确定换挡过程中决定人的感受的物理量。建立在已知车体运动下求解人体响应的动力学模型，对具有典型特征的车体运动和实测车体运动激励下的人体响应进行仿真，对比分析了车体运动与人体运动，探索基于人体响应的换挡品质客观评价方法，改进传统换挡品质客观评价不能准确反映人体感受的不足。

2 人对换挡冲击的感知

人对换挡冲击的感受由人的运动感知决定。换挡冲击下，人通过前庭器官、躯体、四肢、眼、耳等感知器官接受外界信息的刺激，进而产生如动觉、触觉、视觉、听觉等感觉。人的运动感知是人对自身运动与位置状态的感知与判断，也是驾驶员感知车辆行驶状态的主要信息之一，它常与人的全身感受相联系，故又称“体感”[6]，如图1所示。人对换挡冲击的感知都有相应的物理基础。

图1 人的运动感知

2.1 人对人体绝对加速度的感知

人内脏器官的振动大多会引起人的感觉，并有专门感知加速度变化的感觉器官。内耳迷路中除耳蜗外，还有椭圆囊、球囊和3个半规管，后三者合称为前庭器官。前庭器官是人体最重要的运动感受器之一，头部运动时的旋转及直线加速使前庭器官直接受到刺激，通过半规管中淋巴液的液面变化来感知人体自身的绝对加速度[7]。因此，人可以感知人体绝对加速度及其变化，如图1a所示。

2.2 人对外界施加的作用力的感知

人能通过皮肤的触觉和肢体肌肉的拉伸情况来感受到外界施加的作用力。当车体处于加速或减速状态时，座垫、靠背、安全带和转向盘等车体部件均会对人体产生力的作用，从而改变人体运动状态。人身体各部分感受到的作用力以神经信号的方式传输至大脑，大脑经过综合处理，便能够判断出人体各部位受力方向与大小。因此，人可以感知外界施加的作用力及其变化，如图1b所示。

2.3 人对相对车体位移的感知

人不仅能利用双眼的视差、视觉点的转移以及视觉范围的变化来感知到空间位置的变化，更能通过肢体位置的移动和关节姿态的变化来感知人在车体空间内的相对位置。人与车体相对位置变化造成人体局部姿态变化，人的感知器官将其转化为生物信息，中枢神经系统向机体提供人体运动和人体相对周围环境、空间位置的主观感觉。因此，人可以感知相对车体位移及其变化，如图1c所示。

综上所述，在换挡冲击下，人感知到的物理量有人体绝对加速度、外界施加的作用力、相对车体位移等。其中，人对人体绝对加速度和外界施加作用力的感知相互重叠并相互加强，从感知角度看是同一物理量，人对换挡冲击的感知如图2所示。

图2 人对换挡冲击的感知

由此可知，人主要通过人体绝对加速度和相对车体位移来感知换挡冲击，其大小和变化速度决定了人对换挡冲击的感受。

3 换挡冲击下人体响应分析建模

换挡冲击下，人不直接感知车体运动，用车体运动参数评价换挡品质可能得到不准确的结果。车体运动和人感知到的人体运动存在复杂关系，可由人体响应模型计算人体运动与车体运动之间的关系。

3.1 人体响应动力学模型

建立人体响应模型的关键问题之一是对人体结构进行合理的简化，常用的人体简化模型有多自由度模型、单自由度模型和等效附加质量模型3类[8]。单自由度模型因其能够反映人体的频率和阻尼特性，且在分析计算时相对便利，在各类研究中被广泛采用[9～11]。人体是复杂的多自由度系统，可通过模态分析解耦为多个单自由度系统，因此，单自由度系统也是研究复杂人体响应的基础。

假定人体安置在一个已知水平加速度ac(t)的车体上，建立如图3所示的人体响应动力学模型，其中，质量m、刚度k、阻尼c3个元件可以代表人体整体、人体某个器官或人体复杂振动系统的某个模态参数。

图3 人体响应动力学模型

以图3中质量m相对于车体的位移xr(t)作为广义坐标，建立系统运动微分方程：

3.2 基于杜哈美积分的人体响应求解

对于式（1），当车体加速度ac(t)已知时，可以使用杜哈美积分[12]计算相对车体位移：

当ac(t)以数值形式给出，式（2）必须用数值积分方法计算xr(t)。由于式（2）中被积函数包含t，所以不方便使用普通递推形式的数值积分计算方法。为此，分离被积函数中的t，将式（2）变化为：

式（3）中2个积分的被积函数都不再包含t，可以方便地使用普通数值积分方法计算xr(t)。

当相对车体位移xr(t)由数值积分求得时，如果再对xr(t)进行数值差分计算会产生较大误差，因此，由式（3）微分得到直接积分求解vr(t)的公式：

求得xr(t)和vr(t)后，其它物理量均可由它们的组合表达。例如，由式（1）得到人体绝对加速度ap(t)用xr(t)和vr(t)的组合表达的公式：

以式（2）为基础，根据杜哈美积分原理推导出适合用于普通递推形式数值积分计算的相对车体位移xr(t)的计算公式、直接积分计算相对车体速度的计算公式，并进一步推导出人体绝对加速度、人体绝对加加速度等用和组合表达的计算公式。

4 典型车体运动激励下的人体响应仿真

为了了解人体运动与车体运动的关系，通过典型车体运动下的人体响应仿真来分析人体运动与车体运动的差异程度。

有研究表明，静态坐姿人体水平自由振动频率约为1～3 Hz，阻尼比达0.2～0.5[11]。假定被仿真的人体响应模型固有频率ωn为1 Hz，阻尼比ζ为0.2；假设车体加速度ac(t)如图4所示；仿真初始条件为x0=x˙0=0。车体加速度上升期间：当Δt变小时，车体加速度变化加快；当Δt接近零时，对应的车体加速度迅速增加；当Δt→0时，车体加加速度趋向于无穷大。

图4 典型车体加速度

对于不同的Δt值，利用上面的仿真模型即可求解人体响应。使用步长0.002 s的梯形公式，不同Δt下车体加速度ac(t)、车体加加速度和求解的人体绝对加速度ap(t)、人体绝对加加速度如图5所示。

图5 典型车体运动激励下的人体响应

分析图5中的人体运动与车体运动可知，人体运动与车体运动差别很大：

a. 当Δt较大，即车体运动变化较慢时，人体运动跟随车体运动变化的趋势明显。Δt接近人体固有周期1 s时，人体运动和车体运动时间历程非常接近，人体运动的指标，如人体绝对加速度最大值、人体绝对加加速度最大值接近于车体加速度最大值和车体加加速度最大值，人体响应对低频车体运动激励具有跟随性。

可见，典型车体运动激励下求解的人体响应与车体运动并不相同，两者的时间历程和评价指标均有明显差异，特别是高频激励的加加速度响应差别很大。人体运动不能用车体运动简单描述。

5 实测车体运动激励下的人体响应仿真

以下基于实例分析人体运动与车体运动的关系。为此，选用3 t装载机，实测其换挡过程车体加速度ac(t)如图6所示，ac(t)采样周期为0.002 s。仿真时取人体响应模型固有频率ωn=2 Hz，阻尼比ζ=0.3，其它仿真参数不变。

图6 3 t装载机换挡过程实测车体加速度

图7 实测车体运动激励下的人体响应

对比分析图7与试验过程中人的换挡过程感受：

a. 由图7a所示仿真结果可知，换挡过程中，ap(t)与ac(t)时间历程不同，但两者加速度的趋势（低频成分）大致相同。ac(t)包含很多高频成分，ap(t)较为平滑且较ac(t)少了许多高频成分，这是因为人体固有频率的低频滤波作用会将车体很多高频激励滤波。

b.试验过程中，人相对车体的位移很大程度上影响人的感受，因此，相对车体位移xr(t)是反映人的换挡过程感受的重要物理量。如图7b所示的相对车体位移xr(t)不能通过车体运动直接得到，必须通过求解人体响应模型获得。

c.试验过程中，人感受到的加速度时间历程与图7a所示ap(t)基本一致，人没有感受到ac(t)中的高频成分，且人感受到的加速度峰值接近于；人感受到的相对车体位移与图7b所示的基本一致，人感受到的波动和峰值。人体响应的仿真结果与人的真实感受基本吻合。

d. 进一步分析图7a仿真结果，表征人感觉的人体运动指标，如与车体运动指标相差很大。因此，基于车体运动参数的换挡品质评价与基于人体响应的换挡品质评价有明显不同，可能得到与人的感受截然不同、甚至可能较为荒谬的评价结果。

e.经过多次试验与仿真验证，人的换挡过程感受均与仿真结果基本吻合，当仿真结果较差时，人的换挡过程感受也相对较差。因此，基于人体响应的换挡品质评价能够准确反映人对换挡冲击的感受。

综上所述，为了准确反映人对换挡冲击的感受，应从换挡冲击下人的运动感知物理基础出发建立人体响应模型，基于求解的人体响应进行换挡品质评价。

6 结束语

a.从人的运动感知物理基础角度，人主要通过人体绝对加速度和相对车体位移来感知换挡冲击，其大小和变化速度决定了人对换挡冲击的感受。

b.建立的包含人体固有频率与阻尼比的单自由度人体响应模型，可表达人体运动与车体运动的复杂关系。通过推导适合递推形式数值积分求解的相对车体位移和相对车体速度的公式，就可以用它们的组合表达人体绝对加速度、人体绝对加加速度等人体其它响应。

c.车体运动激励仿真表明，人体运动与车体运动的时间历程和加速度最大值等指标差异明显，以往客观评价法不能准确反映人对换挡冲击感受的根本原因在于使用车体运动参数评价，只有从换挡冲击下人的运动感知物理基础出发建立人体响应模型，基于求解的人体响应进行换挡品质评价才能准确反映人对换挡冲击的感受。

研究工作可望为更合理的行走机械换挡品质客观评价体系的构建提供依据。

1 刑如飞，管欣，田承伟，等.汽车操纵稳定性主观评价指标权重确定方法.吉林大学学报（工学版），2009，39（1）：36～41.

2 Huang Q,Wang H.Fundamental Study of Jerk:Evaluation of Shift Quality and Ride Comfort.SAE Paper,2004-01-2065.

3 李永发.乘用车自动变速器换挡品质客观评价研究：[学位论文].长春：吉林大学，2012.

4 孙贤安，吴光强.双离合器式自动变速器车辆换挡品质评价系统.机械工程学报，2011，47（8）：146～151.

5 胡月,杨建军,张先锋,等.某轻型车瞬态工况下的驾驶性客观评价研究.汽车技术，2017（5）：1～5.

6 胡子正,宗昌富,杨小波,等.驾驶员运动感觉及其评价.汽车工程,1996,18（4）：223～228.

7 于晶,王乐,韦玮.运动感觉的理论探讨与思考.沈阳体育学院学报,2009,28（6）：67～70.

8 杨予,薛圣雅,蔡其茅.站姿人体与轻质结构水平耦合振动单自由度等效模型参数研究.噪声与振动控制,2016,36（6）：192～196.

9 Dougill J W,Wright J R,Parkhouse J G,et al.Human Structure Interaction During Rhythmic Bobbing.Structural Engineer，2006，84（22）：32～39.

10 Busca G,Cappellini A,Manzoni S,et al.Quantification of Changes in Modal Parameters due to the Presence of Passive People on a Slender Structure.Journal of Sound and Vibration，2014，333（21）：5641～5652.

11 秦敬伟,杨庆山,杨娜.人体-结构系统静态耦合的模态参数.振动与冲击,2012,31（15）：150～157.

12 羊拯民.机械振动与噪声.北京：高等教育出版社,2011.

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

行走机械 换挡品质评价 人体响应 车体运动

U463.212 文献标识码：A 文章编号：1000-3703（2017）12-0018-05

国家高技术研究发展计划（863计划）项目（2104AA041502）。

（责任编辑斛 畔）

修改稿收到日期为2017年6月9日。