乘用车转向性能主观评价与客观评价的相关性 附乘用车平顺性主客观相关性分析.docx

乘用车转向性能主观评价与客观评价的相关性摘要：为了使主观评价能够用客观测量的方法进行数值量化，从而实现客观 评价完全替代主观评价的目标，对乘用车转向性能主观评价与客观评价的相关关 系进行了研究。主观评价试验以转向性能为研究对象，客观试验以转向盘角脉冲 试验、蛇行试验、转向盘中心区试验为研究对象。分别建立了转向性能主观评价 体系和客观评价体系，包括固有转向特性、转向瞬态响应、横摆响应特性等7 个主观评价指标，以及共振峰频率、平均转向盘转角、横摆角速度增益等17个 客观评价指标。通过对4辆乘用车进行实车试验，每辆车均获得7组主观评价得 分与17组客观测量值。采用逐步回归分析法，建立了主观评价得分与客观测量 值之间的二元回归线性方程。结果表明：在小样本前提下，乘用车转向性能主观 评价指标与客观测量指标均呈现线性相关关系，分别为一元线性关系与二元线性 关系；在线性函数中，大多数主观评价指标均与共振峰水平呈显著负相关关系。 通过假设检验与车辆动力学分析发现:共振峰水平是影响转向性能主观评价的重 要指标,当共振峰水平的数值较小时，能获得较好的主观评价得分。关键词：汽车工程；相关性；逐步回归；转向性能；主观评价O引言在乘用车操纵稳定性能开发与设计的实际过程中，主观评价、客观评价和计 算机仿真3种方法相互配合完成评价工作。这一过程需要23 a的时间，耗时 较长。其主要原因是主观评价不能给出汽车性能与汽车结构之间的联系，而客观 评价无法体现驾驶(乘坐)感受。如果能建立主观评价与客观评价之间的相关关 系，就能够达到缩短样车设计开发周期、提高效率、降低成本的目标。从20世纪70年代开始，汽车操纵稳定性能主客观一致性问题成为各大汽车 公司及学者的研究重点。国外主要以LeedS大学D.A.Crolla、D. C. Chen等的研 究成果为主，采用改变实车物理参数的方式以扩充样本容量。国内主要以吉林大 学管欣、宗长富等的研究成果为主，主要采用开发型驾驶模拟器对虚拟样车进行 研究。但主客观评价相关性研究仍存在问题，改变实车物理参数将使得样本性能 过于集中，缩小车辆客观测量数据的范围，另外驾驶模拟器减弱了车辆的动力学 状态，与实车存在差异，无法反映汽车的动态转向性能，从而影响驾驶感受，由 此得到的主观得分、客观测量数据与实车试验有所差别。因此，为了扩大操稳性能客观测量值范围，更加客观地反映问题，本研究采 用不同型号的试验车进行试验，其中，主观评价试验以转向性能为研究对象，客 观试验以转向盘角脉冲试验、蛇行试验、转向盘中心区试验为研究对象，采用逐 步回归分析法建立主客观评价目标之间的函数关系。1主客观评价试验对4辆乘用车进行了主观评价试验和客观评价试验。其中，主观评价试验通 过十分制评分法，客观试验采用V-BoX 3i汽车整车性能测试系统采集客观测量 数据。1.1 试验准备(1)试验车辆本试验选择4辆乘用车，分别记为VI, V2, V3, V4o这4辆车均为发动 机前置前轮驱动、手动变速，其他参数见表1。表1试验车辆基本参数Tab.l Basic parameters of test vehicles试验前，将轮胎气压调整至生产厂家要求值。同时，为了能够精确测量和客 观评价车辆转向性能，要求车辆处于最大测试质量状态，即车内座椅乘坐5名平 均体重为60 kg左右的人员(包括驾驶员)。(2)试验人员试验人员是性能试验的关键因素，特别是主观评价。本试验共有6名成员， 分别为具有主观评价经验的试验工程师1名，助理工程师2名，研究生3名，试 验时5人随车试验，具体信息见表2。表2试验人员信息Tab.2 Information of testing personnel1.2 主观评价试验主观评价指标得分采用十分制评分法。本研究借鉴SAE J1441主观评价等级 标准建立十分制评分标尺，并引入0.25分间隔以提高评分敏感度。转向性能主观评价体系包含固有转向特性、转向瞬态响应等7个指标。固有 转向特性要求汽车在中低侧向加速度范围内应具有中性转向或轻微的不足转向 特性;在大侧向加速度工况下,汽车的不足转向程度应随侧向加速度非线性增大。 转向瞬态响应要求汽车在转向输入下的运动响应具有线性、无明显滞后、无振荡 超调的特征。横摆响应特性要求车辆的横摆角加速度及横摆角应与转向盘转角幅 值构成比例关系。转向摆振通过输入正弦激励、脉冲激励及松开方向盘来观察车 辆的响应特性。转向回正振荡主要观察松开方向盘后转向盘转角的振荡情况。侧 向力表征汽车侧向加速度的建立方式及侧向力对车辆的作用效果。换道行驶特性 指车辆在换道行驶中的稳定性与横摆响应特性能够反映车辆的整体性能水平。按 照试验道路与试验工况要求，对转向性能主观评价指标进行评价试验，具体得分 见表3。表3转向性能主观评价指标得分结果Tab.3 Scores of subjective evaluation indicators ofsteering performance通过主观评价试验，试验工程师认为车辆V2的转向性能主观感觉表现最为 良好，其他依次为VI, V3, V4o具体而言，车辆VI转向响应一般，无过冲现 象，横摆较小，快速收敛；车身底盘协调统一，侧向力清晰，转向准确，无需转 向调整，转向力感沉重，影响操控舒适度。车辆V2转向响应一-般，轻微过冲， 横摆角速度增益适度，收敛较快，表现出较好的操控性能、较舒适的转向力及侧 向力感，但车身侧倾较明显。车辆V3转向响应一般，轻微过冲，横摆较为明显， 但收敛较快；高速时侧倾明显，并且中心区较清晰，转向略感沉重，左右转向灵 敏度存在较小差异。车辆V4转向力感较轻，转向准确度高且左右转向对称，但 转向沉重、抗侧滑能力不足。1.3 客观评价试验依据汽车操纵稳定性试验方法(GB/T 63232014)建立客观评价体系， 对推荐指标进行相关系数检验，剔除重复性大的指标，建立了 17个指标的客观 评价指标体系，采用V-BoXTOOk完成数据的后处理工作，并提取了所需的客观 指标值，见表4。表4客观评价指标值Tab.4 Values of objective evaluation indicators2主客观相关性2.1 主观评价与客观评价之间的关系乘用车转向性能主、客观评价相关关系的本质是建立主观评分结果与客观测 量数据的函数关系。通过实车试验，已获得转向性能7组主观评价指标得分与 17组客观测量数据，并以前者为因变量，记为y,后者为自变量，记为X。由于 试验样本量为4,为了让回归方程更加稳定，选择二元线性回归。采用SPSS软 件进行逐步回归分析，选择标准化系数，得到主客观评价间的线性回归关系，见 表5。表5主观指标与客观指标间相关关系的线性回归方程Tab.5 Linear regression equations of correlation betweensubjective and objective evaluations2.2 结果分析分析结果呈现了两种相关关系，分别为二元线性回归关系与一元线性回归关 系。其中，具有二元线性回归关系的主观评价指标有3个，分别为固有转向特性、 转向瞬态响应、侧向力；具有一元线性回归关系的主观指标共有4个，分别为横 摆响应特性、转向摆振、转向回正振荡、换道行驶特性。出现一元关系式的原因 在于逐步引入自变量时找不到第2个符合条件的自变量。在关系式中，正负符号 分别表示自变量对因变量的显著正负相关性。另外，呈现线性相关的客观指标主要有共振峰水平、平均转向盘转角、平均 侧向加速度、相位滞后角、共振峰频率5个指标，均源自转向盘角脉冲试验、蛇 行试验，而与转向盘中心区试验无关。特别地，在主观评价指标中，6个指标均与共振峰水平呈线性负相关关系，1个指标与其间接相关。2.2.1 转向性能主观评价与客观试验特性分析3种客观试验表现出不同的车辆操稳特性。转向盘角脉冲试验属于转向瞬态 响应试验，能够确定汽车的频率特性。蛇行试验则覆盖了中高速工况下的线性区 域和非线性区域。转向盘中心区试验通常采用连续正弦输入，使车辆从线性区驶 入中心区，然后驶离中心区的过程，属于穿越中心区类型的试验。虽然这种运动 实际上并不代表任何常见的行驶工况，但却是一个特别适合描述转向精度和转向 灵敏度的车辆行为。按照转向性能主观评价的试验要求，车辆常处于大转向盘转角或者大侧向加 速度的行驶工况。从客观试验特性的角度来看，前两种试验与转向性能的主观评 价要求更加贴近，而转向盘中心区试验与之无关。这主要是因为中心区试验要求 在高速行驶时车辆转向盘转动范围不大、侧向加速度较小的直线行驶位置区域， 它关注的是小侧向加速度下的操稳特性。2.2.2 关键指标分析在主客观相关性函数中，大多数方程式包含了共振峰水平指标，可以认为共 振峰水平是主观评价的关键指标。共振峰水平的计算式为：(1)式中，D为共振峰水平；AP为共振峰频率处的横摆角速度增益；AO为频 率为零处的横摆角速度增益。该指标表征了共振频率下车辆的转向灵敏度相对于稳态增益时的失真程度。 其值越小，则意味着在整个频率转向操纵下车辆的瞬态响应与稳态响应的偏差越 小。这反映到曲线上的特征就是：共振峰水平值越小，幅频特性曲线越平缓。而 这反映到主观感觉上就是：共振峰水平值小、转向平稳准确、转向回正振荡小等 特性。值得注意的是侧向力与共振峰频率呈负相关关系。对于共振峰频率，W. Lincke等通过角阶跃试验得到4辆车的幅频特性，建立了主观评价与共振峰频率的线性关系，得到了共振峰频率越高而主观评价越好的结论，且共振峰频率与共 振峰水平为对数关系。因此，在客观评价指标中，共振峰水平是影响主观评价得 分的关键指标。3结论本研究旨在探究乘用车转向性能主观评价与客观评价的相关关系。通过对4 辆试验车(非本研究样本)的实车试验，获得主观得分与测量数据的客观评价，采 用多元线性回归分析方法建立了两者的关系函数，得到以下结论：(1)转向性能的主观感觉主要与转向盘角脉冲试验、蛇行试验的客观指标相 关，而与转向盘中心区试验的客观评价指标无关。(2)在小样本条件下，转向性能主观评价指标与客观指标均呈线性关系。其 中，共振峰水平是影响转向性能主观评价指标得分的重要客观指标，且均与主观 评价指标呈显著负相关关系；当共振峰水平较小时，转向性能将获得良好的主观 得分。未来的研究将在增加试验样本的基础上尝试使用非线性分析挖掘主、客观评 价间的非线性关系。乘用车平顺性主客观相关性分析图1方向盘三轴向加速度传感器图2驾驶员座椅导轨三轴向加速传感器图3座椅导轨Z向加速度时间历程曲线(30kmh通过减速坎)325表1平账性主观评分体系分值12345678910.asm9阳尸濡一雳鎏常不得布当M文常漏表2脉冲输入行驶渊评结果舞再车熨车A车辆B率C车D率E车辆FZo7257X07Jao7.78BWKKBffl-VDV <mfSIR)7.253&26414.02M7W-VDV (rs,)3.101.8»1.712411.811.7®(MXW)17.71a916.91a4W.818.0RS*XHI20%时长(»)0320.290330J8G320J7表3脉冲输入协方差矩阵表变,主观淳分方向曲-VDV传号貌-VDV晌度索K时长Mi物0.U3-03131.020屡与 -VDV-012404320.245KStOXM2-0237-0.0300471IUlW 长OXXJO-081-OO07a摘要：本文介绍了乘用车平顺性开发过程中，主观评价与客观测试的相关 性分析和应用。关键词：平顺性主观评价客观测试相关性Abstract： This article introduces the correlation analysis of subjective evalution and objective measurement during the vehicle ride comfort development.Key words： ride comfort, subjective evaluation, objective measurement, correlation analysis引言随着中国汽车市场的日益成熟，用户对于汽车平顺性越发的关注，汽车平顺 性作为用户能够明显感知的性能，是汽车主机厂在产品开发过程中最重要的整车 性能之一。汽车平顺性是将汽车在行驶过程中产生的振动和噪声对乘员舒适性感 觉的影响控制一定范围内，通常平顺性主要根据乘员主观感受的舒适性来评价。 汽车主机厂在产品开发过程中需要将具体的工程指标进行量化并将存在的问题 加以改进，并快速验证，就需要引入主观评价和客观测试的相关性研究的方法。2平顺性主观评价和客观测试2.1 平顺性主观评价方法和评分体系大量工程实践表明，目前还不存在任何一种测量和分析方法能够全面地测量 和评价通过同汽车接触而作用于人体生物组织上各种影响量。在汽车开发过程 中，主观评价为平顺性提供有效、快捷、可靠的评定依据。为了提高效率，节约 成本，一般会使用经过培训后并得到相关资质认证的评价工程师。平顺性开发过程中，一般会选取典型的路况（如：市区工况、高速公路、乡 村公路、减速坎、井盖、铁轨、修补沥青路面、路面接缝、粗糙沥青路面等）， 以不同的车速和载荷状况行驶。在行驶过程中对车身运动、车轮运动以及伴随的 噪声进行评价和记录，给出对乘员舒适性感觉的影响评估。主观评价通常采用SAE评分等级（10分制）进行，考虑到用户对于平顺性 较为敏感，有时评价车辆性能比较接近，其性能差异小于1分，因此需要引入 0.5和0.25分来区分其特性，并通过注释说明来描述清楚。具体见表1。2.2 平顺性客观测试方法和特征参数随着测量方法的不断进步，众多的科研工作者也研究出了评估平顺性的测试 方法和特征参数。GB/T4970-2009汽车平顺性试验方法和ISO2631-1： 1997 （E）机械振动与冲击人体暴露于整体振动评价第1部分：一般要求对 两个典型测试工况和特征参数给出指导意见，如下：2.2.1 脉冲输入行驶评价方法为了描述脉冲输入对人体（舒适性感觉）的影响，引入峰值系数和振动剂量 值（VibrationDoseVakie,简称VDV）来评价。VDV的计算公式如下：其中加权加速度时间历程，单位为ms2;T作用时间，通常指汽车接触冲击块到汽车驶过冲击块且冲击响应消失 时间段，单位为s;VDV的单位是msl.75o2.2.2 随机输入行驶评价方法为了描述随机输入对人体（舒适性感觉）的影响，采用加权加速度均方根值 （Root Mean Square,简称 RMS）来评价，RMS 的单位是 m/s2。3相关性分析在乘用车平顺性开发和验证过程中，希望通过主观评价和客观测试相结合的 方法评估用户明显感知的性能，以快速识别问题并找到可量化的差距,通过分析、 优化，并达成开发目标。结合中国道路特征和用户使用习惯，以及GB/T4970-2009推荐的两种评价 方法：脉冲输入行驶和随机输入行驶;选取当前中国市场畅销的6款中型SUV, 开展主观评价和客观测试相关性研究。3.1 脉冲输入行驶评价3.1.1 测评工况：以30kmh车速通过单个减速坎（GB/T4970-2009脉冲输入 试验采用三角形状单凸块）。3.1.2 主观评价内容：冲击力、冲击after-shake （余振）和冲击声品质。3.1.3 客观测试特征参数：方向盘和驾驶员座椅导轨VDV （X向和Z向）、 衰减特性、冲击响度加速度传感器安装位置见图1和图2,图3为座椅导轨Z向 加速度时间历程曲线。3.1.4 脉冲输入行驶相关性分析，结合表2脉冲输入测评结果可知，由于整 个冲击过程比较短，主观评价工程师需要获取从车轮接触减速坎瞬间的冲击力以 及对冲击的吸收、衰减过程表现，包括伴随的冲击声品质。在客观测试中，选取 了四个特征参数，方向盘和驾驶员座椅导轨的VDV,驾驶员左耳响度和衰减值 最大正峰值20%的时长，见表2。以下将运用统计学原理进行分析。将主观评分和客观测试一共五个变量进行 相关性分析。首先进行协方差分析，确定多个变量之间的相性。从表3可得，主观评分与衰减时间的协方差为0,相关性较差，故筛掉此变 量。对剩余的三个输入量进行回归分析，回归统计结果见表4、表5。从表4回归统计我们可以得到，主观评分与客观测量的三个特征量拟合的精 度达到了 76%,相关性较好。从表5,我们可以得到拟合方程为：主观评分 = 11.58-0.45*方向盘VDV+0.28*座椅导轨VDV0.12*响度。这也为预测冲击的主 观评分提供了参考公式。3.2 随机输入行驶评价3.2.1 测评工况：以60kmh匀速通过测试路段（选取常用的三种特征路面： 粗糙水泥路、粗糙沥青路和光滑沥青路），连续记录15秒。3.2.2 主观评价内容：振动吸收能力和方向盘振动。3.2.3 客观测试特征参数：方向盘和前排座椅导轨的RMS。3.2.4 随机输入行驶相关性分析，结合表6随机输入测评结果可知，通过在 三种特征路面上匀速行驶，驾乘人员能够获取相对“稳定”的信息，即测评车辆对 于每种路面激励的振动吸收能力以及与身体接触部位的振动表现。为了获取较为 稳定的测试结果（剔除不同驾乘人员的身体特征和不同座椅的影响），在客观测 试中选取方向盘和前排座椅导轨布置加速度传感器，并求得RMSo由于在不同 特征路面上，整车的路噪表现也存在差异，且路噪与传递路径和轮胎性能强相关, 在此未引入评价。将随机路面的主观评分和客观测试的七个指标进行相关性分析，具体见表 7o首先进行协方差分析，确定多个变量之间的相关性。从表7可得，随机输入的主观评分与粗糙水泥路和光滑沥青路座椅的RMS 相关性较差，故筛掉。对剩余的变量进行回归分析，回归统计结果如表8、表9 所示。从表8回归统计我们可以得到，主观评分与客观测量的四个特征量拟合的精 度达到了 86%,相关性较好。从表9,我们可以得到拟合方程为：主观评分 = 10.93-0.67*方向盘（粗糙水泥路）+0.37*方向盘（粗糙沥青路）-0.10*方向盘（光 滑沥青路）-4.68*座椅导轨（粗糙沥青路）。这也为预测随机路面的主观评分提供 了参考公式。4小结本文通过对6款畅销中型SUV平顺性主观评价和客观测试开展相关性分析, 得出以下结论：（1）脉冲输入行驶工况中的特征参数：冲击力（方向盘和座椅导轨VDV） 和冲击响度，能够与主观评价建立良好的对应关系；（2）随机输入行驶工况中的特征参数：方向盘的RMS值，能够与主观评 价建立良好的对应关系；（3）基于乘用车平顺性主观评价和客观测试取得较好的相关性，在产品开 发和验证阶段，能够快速明确问题及差距，并缩短平顺性开发周期。乘用车平顺性是驾乘人员对于各种输入（包括路面、操作、乘坐时间以及驾 乘人员的生理状态等）综合体验的反馈，这些需要进一步研究。当然，由于各主 机厂产品定位和目标用户存在差异，对于整车平顺性的开发策略也存在差异。参考文献：1贝尔恩德海森英汉斯于尔根布兰德尔汽车行驶动力学性能的主 观评价.人民交通出版社，20102余志生.汽车理论（第5版）.北京：机械工业出版社，20093ISO 2631-1997. Mechanical Vibration and Shock-Evaluation of Human Exposure to Whole-body Vibration Part 1 ： General Requirements S.4GBT 4970-2009.汽聿平顺性试验方法S.5陈龙.车辆冲击平顺性客观评价方法研究与设计优化J.机电工程技术 2018 （10）.