吳南洋, 王 猛, 車志平

(1.同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院,上海 201804；2.中國第一汽車股份有限公司研發(fā)總院，吉林 長春 130011；3.一汽解放汽車有限公司商用車開發(fā)院，吉林 長春 130011)

0 引 言

變速操縱性能是車輛操縱性能的重要組成部分。國內(nèi)絕大多數(shù)重型卡車依然匹配手動(dòng)變速箱，對(duì)應(yīng)變速操縱性能的好壞直接影響車輛的駕駛感受和舒適程度。在變速操縱性能開發(fā)和驗(yàn)證過程中，主觀評(píng)價(jià)是最常用，也是最有效的驗(yàn)證手段之一。論文建立了重卡變速操縱性能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并通過運(yùn)用層次分析法，構(gòu)建了評(píng)價(jià)體系結(jié)構(gòu)模型，計(jì)算了評(píng)價(jià)體系中各個(gè)層次的權(quán)重系數(shù)。最后對(duì)某品牌配有3種不同變速操縱機(jī)構(gòu)的3輛重型卡車進(jìn)行變速操縱性能綜合評(píng)價(jià)。

1 變速操縱評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

變速操縱性能隸屬于汽車操縱性評(píng)價(jià)體系范疇。變速操縱性能反應(yīng)了駕駛員在操作車輛換擋行駛過程中人車交互作用下的綜合感知，描述了駕駛員在進(jìn)行換擋操作時(shí)的整體感覺，并以駕駛員的期望滿意度為最終評(píng)價(jià)依據(jù)[1]。

在借鑒國內(nèi)外變速操縱性能主觀評(píng)價(jià)基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際情況，在實(shí)踐中分析總結(jié)出具有企業(yè)特色的變速操縱性能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。該評(píng)價(jià)指標(biāo)體系主要包含以下內(nèi)容：

(1)外觀與形狀；主要包含以下方面：換擋手柄的外觀標(biāo)識(shí)應(yīng)該清晰可見，方便駕駛員識(shí)別和辨認(rèn)，同時(shí)還應(yīng)具有不易褪色的特點(diǎn)；換擋手柄應(yīng)對(duì)手掌具有良好的支撐，避免駕駛員手部不適；換擋手柄應(yīng)有良好的觸感，方便駕駛員把握；換擋手柄的顏色與形狀要與整車內(nèi)飾協(xié)調(diào)一致。

(2)人機(jī)工程；換擋機(jī)構(gòu)是駕駛員與車輛之間交互最多、最重要的功能模塊之一，其人機(jī)工程主要包括以下方面：駕駛員手從轉(zhuǎn)向盤到換擋手柄的動(dòng)作是否自然；駕駛員手臂與換擋手柄之間的距離是否合適；換擋手柄的高度和初始角度是否合理；手掌放在換擋手柄上時(shí)，手臂關(guān)節(jié)是否舒適，是否容易疲勞；選換擋動(dòng)作過程中，行程是否合適；選換擋過程中，手臂和換擋手柄是否與其他物體相互干涉，駕駛員姿勢(shì)是否失調(diào)等。

(3)操縱性能；操縱性能主要包括以下方面：選換擋過程中，選擋力與換擋力應(yīng)適中，且選換擋力分布均勻，不應(yīng)出現(xiàn)某個(gè)擋位選擋力或者換擋力明顯增大現(xiàn)象；選換擋動(dòng)作應(yīng)當(dāng)平滑、連貫和舒適，無棘輪感；擋位定位合理，選擋回饋明確，不應(yīng)有竄擋、誤掛擋等現(xiàn)象；各個(gè)擋位分布均勻合理，擋口不應(yīng)有重疊部分，換擋過程，進(jìn)入擋口后，有吸合感；摘擋后，具有良好的回位特性。

(4)NVH特性；在行車過程中，車身振動(dòng)不應(yīng)明顯傳遞到換擋手柄處，要具有良好的減振特性。

2 汽車變速操縱性能綜合評(píng)價(jià)方法

2.1 層次分析法與應(yīng)用步驟

層次分析法是一種將復(fù)雜的多目標(biāo)問題進(jìn)行定性和定量分析的決策方法。其主要是將多目標(biāo)決策問題作為一個(gè)系統(tǒng)，通過目標(biāo)逐層分解的方式，形成不同目標(biāo)層。通過構(gòu)建判斷矩陣，以及相應(yīng)的數(shù)學(xué)方法計(jì)算，確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)[2]。

應(yīng)用層次分析法的步驟如下：

(1)建立層次結(jié)構(gòu)模型：通過對(duì)系統(tǒng)中各因素之間的關(guān)系進(jìn)行分析，構(gòu)造層次結(jié)構(gòu)模型。

(2)構(gòu)造判斷矩陣：對(duì)各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行相互比較，并按照表1進(jìn)行判斷打分，構(gòu)造評(píng)價(jià)指標(biāo)的判斷矩陣。

表1 判斷矩陣標(biāo)度

(3) 計(jì)算權(quán)重向量及一致性檢驗(yàn)

① 矩陣元素按列歸一化：

(1)

式中，aij為判斷矩陣元素值；n為矩陣的行數(shù)(或列數(shù))；N為正整數(shù)集。

② 按列歸一化后的元素按行相加：

(2)

③ 將第2步中得到的元素歸一化計(jì)算：

(3)

式中，W為W中第i行向量的值。

W=(W1,W2,…,Wn)T即為所求的特征向量的近似解

④ 計(jì)算矩陣最大特征根：

(4)

式中，λmax為矩陣A的最大特征根;n∈N，N為正整數(shù)集。

⑤ 計(jì)算一致性指標(biāo)：

CI=(λmax-n)/(n-1)

(5)

⑥ 從表2中查找平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI。

⑦ 計(jì)算相對(duì)一致性指標(biāo)

CR=CI/RI (6)

(4) 計(jì)算組合權(quán)向量

由各準(zhǔn)則對(duì)每一準(zhǔn)則的權(quán)向量計(jì)算各方案對(duì)目標(biāo)的權(quán)向量，該向量稱為組合權(quán)向量。

2.2 建立層次結(jié)構(gòu)模型

變速操縱性能評(píng)價(jià)體系的結(jié)構(gòu)模型分為三個(gè)層次：

(1)第一層表示待解決問題的目標(biāo)，稱為目標(biāo)層。對(duì)于汽車變速操縱性能評(píng)價(jià)而言，目標(biāo)就是獲得汽車變速操縱主觀評(píng)價(jià)綜合評(píng)分。

(2)第二層表示為實(shí)現(xiàn)預(yù)定目標(biāo)所涉及的中間環(huán)節(jié)，稱為準(zhǔn)則層。根據(jù)變速操縱性能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，將變速操縱性能劃分為外觀和形狀、人機(jī)工程、操縱性能、NVH性能等四個(gè)方面。

(3)第三層表示針對(duì)每個(gè)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則層所設(shè)立的多項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)，稱為方案層。根據(jù)變速操縱性能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，方案層為準(zhǔn)則層所設(shè)立的多項(xiàng)具體評(píng)價(jià)指標(biāo)。

變速操縱性能評(píng)價(jià)層次結(jié)構(gòu)模型見表3。

表3 層次結(jié)構(gòu)模型-變速操縱性能評(píng)價(jià)

2.3 主觀評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重系數(shù)確定

選取3位經(jīng)驗(yàn)豐富的主觀評(píng)價(jià)工程師，分別按照表1構(gòu)造出判斷矩陣，并進(jìn)行各指標(biāo)的相對(duì)權(quán)重計(jì)算和一致性檢驗(yàn)。以其中1位工程師為例，其目標(biāo)層所構(gòu)造的判斷矩陣見表4，同理構(gòu)造準(zhǔn)則層判斷矩陣并計(jì)算各指標(biāo)權(quán)重，具體見表5。

表4 目標(biāo)層-變速操縱性能判斷矩陣及權(quán)重

對(duì)變速操縱結(jié)構(gòu)模型各個(gè)層次的判斷矩陣求最大特征根及一致性檢驗(yàn)。其中，目標(biāo)層判斷矩陣，λ= 4.0735，CR=0.0275<0.1；準(zhǔn)則層-外觀與形狀判斷矩陣，λ=4.0042，CR=0.0016<0.1；準(zhǔn)則層-人機(jī)工程判斷矩陣，λ=5.0556，CR=0.0124<0.1；準(zhǔn)則層-操縱性能判斷矩陣，λ=7.6123，CR=0.075<0.1；準(zhǔn)則層-NVH性能判斷矩陣，λ=3.0385，CR=0.0275<0.1；通過一致性檢驗(yàn)，均符合要求。

表5 準(zhǔn)則層各指標(biāo)權(quán)重

同理其他兩位主觀評(píng)價(jià)工程師分別構(gòu)造判斷矩陣，并按照相同步驟進(jìn)行各指標(biāo)的相對(duì)權(quán)重計(jì)算和一致性檢驗(yàn)。通過對(duì)三位工程師的權(quán)重結(jié)果取算數(shù)平均值，作為各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重。如方案層B13換擋回饋，三位工程師的權(quán)重分別為0.0689、0.0694和0.0728，取均值為0.0704。同理對(duì)其他層次要素進(jìn)行計(jì)算，最終得到變速操縱主觀評(píng)價(jià)權(quán)重，見表6。

表6 變速操縱主觀評(píng)價(jià)權(quán)重

3 重卡變速操縱性能綜合評(píng)價(jià)實(shí)車分析

選取3臺(tái)樣車進(jìn)行變速操縱性能評(píng)價(jià)綜合評(píng)價(jià)實(shí)車驗(yàn)證。3臺(tái)樣車為相同傳動(dòng)系配置的某品牌重型卡車，分別配有不同類型的變速操縱機(jī)構(gòu)：樣車1配有軟軸式變速操縱機(jī)構(gòu)，樣車2配有單桿式變速操縱機(jī)構(gòu)，樣車3配有伸縮天線式操縱機(jī)構(gòu)。

由3位經(jīng)驗(yàn)豐富的主觀評(píng)價(jià)工程師進(jìn)行單獨(dú)評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)得分取算數(shù)平均值，得到變速操縱性能各個(gè)指標(biāo)得分情況，見表7。

表7 變速操縱性能評(píng)分

結(jié)合在實(shí)車試驗(yàn)中得到的各個(gè)指標(biāo)得分，可以計(jì)算出二級(jí)以上指標(biāo)分?jǐn)?shù)。以NVH性能為例，樣車1的不平順度、機(jī)構(gòu)振動(dòng)、機(jī)構(gòu)異響評(píng)分分別為7、6.75、7.25，則樣車1的NVH性能得分為：7×0.6675+6.75×0.1049+7.25×0.2276=7.0306。三種操縱機(jī)構(gòu)變速操縱性能二級(jí)以上評(píng)價(jià)指標(biāo)具體得分如下表8～9。

表8 準(zhǔn)則層各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)分值

表9 變速操縱性能評(píng)價(jià)分值

從表6可知，在準(zhǔn)則層4個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)中，操縱性能所占比重最大(0.5233)，人機(jī)工程(0.2010)和NVH性能(0.2139)所占比重次之，操縱桿的外觀和形狀所占比重最小(0.0513)。

從表8可知，在外觀與形狀性能方面，三臺(tái)樣車的得分基本相當(dāng)。在人機(jī)工程方面，樣車1的評(píng)分最高(7.3674)，樣車3次之(7.0000)，樣車2稍差(6.6098)。在操縱性能方面，樣車2的評(píng)分最高(7.4914)，樣車3次之(6.6241)，樣車1稍差(6.1896)。在NVH性能方面，樣車1評(píng)分最高(7.0000)，樣車3次之(6.1663)，樣車2稍差(5.5000)。該結(jié)果與評(píng)價(jià)人員主觀感覺一致。

從結(jié)構(gòu)原理上分析：

(1)軟軸式換擋機(jī)構(gòu)其可以直接固定在駕駛室地板上，易于布置，所以在人機(jī)工程方面最好；該機(jī)構(gòu)安裝時(shí)地板開口小，密封性好，未與發(fā)動(dòng)機(jī)等振動(dòng)源、噪聲源直接相連，所以NVH性能較好；由于軟軸自身存在阻力，且在受力過程中，容易產(chǎn)生形變，所以在操縱性能方面稍差。

(2)單桿式換擋機(jī)構(gòu)不能直接固定在駕駛室地板上，而是通過支架固定在發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體上，所以在人機(jī)工程方面較差；與發(fā)動(dòng)機(jī)等振動(dòng)源、噪聲源直接相連，且在地板上有較大開口，密封性差，所以NVH性能較差；由于單桿式換擋機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，傳動(dòng)效率高，所以在操縱性能方面最好。

(3)伸縮天線式換擋機(jī)構(gòu)其可以直接固定在駕駛室地板上，易于布置，所以在人機(jī)工程方面較好；該機(jī)構(gòu)安裝時(shí)地板開口小，密封性好，未與發(fā)動(dòng)機(jī)等振動(dòng)源、噪聲源直接相連，所以NVH性能較好；由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，鉸鏈點(diǎn)多，系統(tǒng)間隙和阻力較大，所以在操縱性能方面一般。

由此可見，對(duì)于重型貨車在換擋機(jī)構(gòu)方面的選型，三種操縱機(jī)構(gòu)均有自己的特點(diǎn)，無明顯優(yōu)劣之分。從表9可知，三種變速操縱機(jī)構(gòu)整體性能評(píng)分相當(dāng)，也證明了這一點(diǎn)。作為設(shè)計(jì)人員和整車制造商，要根據(jù)自身產(chǎn)品特點(diǎn)綜合考慮，選取最合適的換擋機(jī)構(gòu)，滿足用戶的使用需求。

4 結(jié) 語

(1)在借鑒國內(nèi)外主觀評(píng)價(jià)方法與實(shí)際變速操縱評(píng)價(jià)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，建立了變速操縱評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，重點(diǎn)分析了影響變速操縱性能的外觀和形狀、人機(jī)工程、操縱性能和NVH性能四個(gè)方面。

(2)采用層次分析法，構(gòu)建了變速操縱評(píng)價(jià)層次結(jié)構(gòu)模型和判斷矩陣，并計(jì)算了各個(gè)層次所占權(quán)重。解決了評(píng)價(jià)人員在進(jìn)行變速操縱性能評(píng)價(jià)過程中綜合評(píng)分不易把握的問題，提高了評(píng)價(jià)的客觀性和合理性。

(3)結(jié)合實(shí)際試驗(yàn)分析，對(duì)同款車型的三種變速操縱機(jī)構(gòu)進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)試驗(yàn)，計(jì)算出了各種變速操縱機(jī)構(gòu)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果，通過對(duì)比分析，驗(yàn)證了層次分析法在變速操縱評(píng)價(jià)中的有效性，為進(jìn)一步的參數(shù)調(diào)教和優(yōu)化提供了參考。