制动踏板感主客观关联性研究

摘要：制动踏板感觉是终端消费者能够直接主观感知的一项重要性能，对制动踏板感觉的主观评价与客观测试数据的关联性进行了大量工程试验研究，把制动踏板感觉的主观评价转换为具体明确、可量化的客观物理数据，将客户语言转化为工程设计语言，形成了踏板感觉的客观目标，进而指导工程设计。

引言

在汽车制动系统中，制动踏板感觉是终端消费者能够直接感知的一项重要基本性能。在车辆制动过程中，驾驶员通过制动踏板给车辆输入制动或释放意图；同时，车辆本身减速度变化的反馈也是驾驶员进行下一步操作的重要参考。如何将驾驶员制动时的主观感受与客观试验所采集的物理变量关联起来，从而使踏板感觉转换为可以量化的工程设计语言，是制动踏板感觉研究面临的一个重要问题。

1 研究现状和研究内容

1.1 研究现状

国内外一些科研院校和主机厂在制动踏板感觉方面进行了大量研究。

通用汽车的 Ebert 和 Kaatz 提出 BFI（Brake Feeling Index，制动感觉指数）评价方法，即驾驶员通过实车试验，采用十分制原则对踏板感觉进行主观评价打分，进而建立以客观测量物理量为自变量，主观评分为应变量的解析方程，将制动踏板感觉主观评价与踏板力、踏板位移、制动器响应时间、踏板力线性度等客观物理量关联起来[1]。

此方法具有一定参考性，但存在以下不足：

主观评价过程中的试验工况及打分标准没有具体定义；

客观试验方法没有明确统一定义，而踏板踩踏速率等因素直接影响试验结果；

制动器响应时间在实际操作过程中很难获得，可操作性低；

该指数无法控制踏板感觉风格，即获得同样的 BFI 指数的车型，可能实际风格迥异。

1.2 研究内容

从宏观上把握制动过程的人机交互，将踏板感觉简化为踏板力、踏板行程与制动减速度的关系。首先确定主观评价工况及打分标准，然后完成统一工况下的客观试验数据采集，再通过统计学相关性分析原理，利用 Matlab 相关系数函数，获得制动踏板感觉在制动过程中主观评价和客观数据的关联性。

2 制动踏板感觉的定义和评价维度

2.1 制动踏板感觉的定义

在车辆制动时，制动踏板是人机交互的重要部件。驾驶员踩下制动踏板，踏板力和踏板行程作为人对车辆的输入，车辆的实际减速度作为车辆对驾驶员的最终输出反馈，进而形成一个完整的车辆制动闭环过程。

从狭义上来说，动态情况下，踏板力与车辆减速度、踏板行程与车辆减速度的关系所共同构成的制动特性，称为车辆的制动踏板感觉[2]。

2.2 制动踏板感觉主要评价维度

制动踏板感觉的评价可以从 5 个角度来考虑：

1）踏板力；2）踏板行程；3）踏板阻尼和回位滞后；4）车辆制动系统响应速度；5）车辆减速度。

此外，踏板感觉还和车辆的整车参数、驾驶员自身驾驶喜好以及路面天气环境等因素有关[3]。

制动踏板感觉包含因素较多，评价相对复杂。因为踏板阻尼和回位滞后、车辆制动系统的响应速度对于主观评价来说，标准较难统一，且客观数据采集困难，大多数消费者不易感知其中差别，故主要通过踏板力、踏板行程、减速度 3 个评价维度对制动踏板感觉主客观关联进行深入分析研究。

3 试验过程

3.1 主观评价标准及打分

3.1.1 主观评价标准

在实车试验开展之前，对驾驶员制动踏板感觉主观评价项目进行针对性的培训，例如踏板行程与车辆减速度的关系，踏板力与车辆减速度的关系，踏板软、硬的程度等，建立统一的评分标准，见表 1。



3.1.2 主观评价打分

为建立用户主观评分体系，分别选取 25 款不同品牌、不同定位、不同风格踏板感的车型，邀请 10 名评价工程师通过实车试验完成表 1 所列评价项目，即驾驶员通过规定的不同行驶工况对车辆的踏板感觉特性按照十点评价法进行打分，1 分为最差，10 分为最好。评分摘要见表 2

3.2 建立客观试验标准

因环境、车辆状态、驾驶员踩踏速度等诸多因素对试验结果有直接影响，为使不确定因素影响最小，建立统一试验标准。

1）试验条件。

试验场地应为干燥、平整混凝土或者柏油路面，附着系数应不低于 0.9；风速小于 5 m/s，气温 20～30℃。

2）试验过程。

使测试车辆处于空载状态；

通过实施适当程度的制动或行驶，确保制动系统处于正常行车待制动状态，避免因摩擦片与制动盘间距过小而出现拖滞等非正常状态；

试验前车辆摩擦片温度应在 65～100℃；

4. 车辆加速行驶，待车速达到 105 km/h 时，释放加速踏板，使车辆滑行；

5. 当车速下降至（100±2）km/h 时，以 100～ 150 N/s 的踏板力速率操作制动踏板实施制动，直至车辆 ABS 介入或出现车轮抱死现象；


4 制动踏板感觉主客观关联分析

在遵循统一的客观试验标准条件下，通过大量试验，得到踏板行程-减速度、踏板力-减速度的关系曲线。结合多位评价工程师给出的各车型主观评分，对制动踏板感觉主客观的关联性进行分析研究。

4.1 减速度选取原则

因各车型风阻、滚阻等因素控制不一，故减速度分析最小从 0.1 g开始。

因中、低减速度的制动工况在日常使用过程中占比最大，所以选取减速度点为 0.1 g、0.2 g、 0.3 g、0.5 g和 0.7 g，将客观数据点与主观评分相结合进行分析。

4.2 踏板感觉的主客观关联度分析

车辆减速度、踏板力和踏板行程对主观评分有直接的决定性影响，为了清晰合理地研究其中关系，选取某一确定减速度下对应的踏板力（或踏板行程）和主观评分分布，通过相关性分析建立该减速度下踏板力（或踏板行程）与主观评分的函数关系，进而扩展到其他特征减速度，使主观评分与客观数据得以关联。

以 0.1 g减速度下，各车型主观评分和踏板行程客观数据分布为例，通过 Matlab 软件的相关系数函数对主观评价分数和客观测试数据进行统计学分析，建立该减速度下各车型踏板行程数据和其所对应的主观评分的函数关系，如图 1 所示。


图 1 主观评分与客观数据关联

求得相关系数R=0.776 8，可知，主观评分与踏板行程客观测试值具有强相关性。通过该相关系数方程，可以得出不同踏板行程所能预期的主观评分水平。

同理，分别得到 0.2 g、0.3 g、0.5 g和 0.7 g 减速度下的相关系数方程，求得的相关系数均在 0.7～0.85 间，具有强相关性。根据各特征减速度下踏板感客观数据与主观评分建立类似的相关系数方程，可得出不同的主观评分所对应的踏板行程。各特征点连线绘制区域如图 2 所示。

如图 2 所示，在一定的踏板行程范围内，某一减速度下，踏板行程越长，主观评分越低，初段踏板行程尤其敏感。而踏板行程一定时，如果车辆反馈得到的制动减速度越大，制动效能越高，制动信心越强，主观评分也越高。8 分及以上区间车型，评语反馈制动空行程短，制动灵敏，操控优秀；大多数车型处于 7 分区间，可见此区域的踏板行程与减速度关系调校是市场的主流，普通消费者接受程度更高；少部分车型处于 6 分区间，有较大改善空间。

通过同样的方法，可以得出踏板力与减速度关系的不同主观评分区域划分，如图 3 所示。

在车辆减速度确定的情况下，踏板力范围相对较为集中，过小或过大均会带来不同程度的抱怨。7 分及以上区域主观评价分数较高，大多数车型集中在此区间，消费者认可程度较高，踏板力大小适中，对应的减速度回馈符合预期。

至此，制动踏板感的主观评价与客观试验数据之间通过相关系数函数关联，并汇总得出具有量化参数的客观设计目标。


5 结束语

制动踏板感觉是车辆制动系统开发的一项重要性能指标，直接关系到车辆的制动安全性和驾驶舒适性。建立制动踏板感主观评价标准，完成统一工况的踏板感客观试验，并将二者通过相关系数函数关联，把主观的制动踏板感觉转换为可测量的物理数据，客户语言转换为工程语言，得出客观设计目标，进而指导制动系统设计开发。

这种结合主观评价理念的客观设计目标，在正确反映制动系统踏板感觉表现的同时，又能使评估过程相对简化、易操作，有效地避免了工程设计反复，节约了开发成本，具有良好的应用价值