汽車排放耐久性駕駛機器人執(zhí)行器的研制

摘要：文章為汽車排放和耐久試驗開發(fā)了駕駛機器人，確定了駕駛機器人的功能要求及技術(shù)指標，進行了換檔機械手設(shè)計、油門執(zhí)行器設(shè)計、制動執(zhí)行器設(shè)計、離合器設(shè)計，并進行了樣件制造和組裝，經(jīng)使用表明駕駛機器人達到設(shè)計目標要求。

關(guān)鍵詞：汽車排放；駕駛機器人；耐久性駕駛

中圖分類號：U467 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）23-0107-03

1 概述

近年來，中國汽車工業(yè)迅猛發(fā)展，截至2012年底，我國汽車保有量為1.14億輛。國家為了控制日益嚴重的汽車尾氣污染，于2005年頒布實施更為嚴格的汽車排放標準。《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國Ⅲ、Ⅳ階段）》（GB18352.3-2005）中規(guī)定汽車排放的耐久性循環(huán)試驗方法。循環(huán)試驗有以下特點：試驗時間長，汽車需行駛80000km；車速控制準確，車速的控制公差為±2km/h；車速變化頻繁；因此汽車試驗人員很難按照循環(huán)要求進行駕駛，國內(nèi)外基本上采用駕駛機器人代替試驗人員進行汽車試驗。

目前主要有德國STAHLE、英國Mira、Froude Hofmann、日本Horiba、Autopilot、Nissanmotor等公司開發(fā)出此類駕駛機器人。國內(nèi)僅東南大學進行了研制，使用效果不是很理想。駕駛機器人基本上采用進口設(shè)備，價格昂貴，同時對駕駛機器人的需要不斷增加。因此自動駕駛機器人的研制不僅具有學術(shù)意義，也具有經(jīng)濟價值。

駕駛機器人的開發(fā)具有以下特點：多學科交叉，融合了機械、電子、控制、汽車、計算機等學科知識；控制上適應(yīng)性廣，車速的控制要適合不同汽車動力特性的變化；結(jié)構(gòu)緊湊，以適應(yīng)駕駛室空間狹小和無損快速安裝。駕駛機構(gòu)人的研制有很大難度。本文主要闡述換檔機械手、油門執(zhí)行機器、離合執(zhí)行器的設(shè)計。

2 換檔機械手設(shè)計

換檔機械手的功能是驅(qū)動換檔桿在“王”字形槽（圖1）中運動，實現(xiàn)選、換檔操作。由于各類變速器的選、換檔行程不一致，比較好的方法是通過“示教”來適用。示教就是試驗人員手動操縱換檔機械手進行一次換檔循環(huán)，電腦自動記錄選換檔位置。其具體設(shè)計要求如下：（1）選檔，換檔檔軌跡允許的偏差小于1～2mm。（2）不同的車型檔位不同，需要實際測量得到。（3）換檔機械手選檔、換檔運動范圍最大200mm。（4）換檔機械手選檔、換檔運動最大速度1000mm/sec。（5）換檔機械手選檔、換檔運動最大力200N。（6）質(zhì)量較輕，體積較小。（7）實現(xiàn)無損安裝。

圖1 變速桿示意圖

對于換檔驅(qū)動機構(gòu)，可用氣動驅(qū)動機構(gòu)，其結(jié)構(gòu)簡單，成本較低。但也存在振動、噪聲、沖擊大、定位不準，多點定位難的缺點；因此常用電動伺服驅(qū)動機構(gòu)，具有定位準確，行程調(diào)整方便，振動、噪聲小，重復性好等優(yōu)點。電動伺服驅(qū)動機構(gòu)采用二軸直線運動機構(gòu)（圖2）。其運動結(jié)構(gòu)簡單，定位精度較高，但體積大，質(zhì)量較重。由于近年來加工技術(shù)的不斷進步，二軸直線運動機構(gòu)能很好地滿足質(zhì)量和體積要求。該機構(gòu)由兩套直線運動機構(gòu)疊加而成，采用伺服電機帶動直線運動機構(gòu)實現(xiàn)換檔桿的“王”字平面運動，通過桿鎖機構(gòu)與換檔平面運動機構(gòu)上安裝換檔套筒連接，桿鎖機構(gòu)在X、Y、Z三方向的位置可調(diào)，換檔套筒“握住”換檔桿來實現(xiàn)“王”字換檔，換檔桿的手把在套筒中將發(fā)生滑移。

圖2 二軸直線運動機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

3 油門執(zhí)行器設(shè)計

油門踏板的結(jié)構(gòu)原理可簡化成繞支點旋轉(zhuǎn)的擺桿結(jié)構(gòu)（圖3）。油門執(zhí)行器的功能就是驅(qū)動油門踏板實現(xiàn)擺動，且能精確地控制擺動位置。

圖3 油門踏板結(jié)構(gòu)簡圖

具體設(shè)計要求如下：（1）執(zhí)行器的長度可以調(diào)節(jié)，適應(yīng)不同車型踏板位置高度變化。（2）執(zhí)行器的位置左右可以調(diào)節(jié)，適應(yīng)不同車型踏板位置的左右變化。（3）油門踏板位置精確定位，控制發(fā)動機輸出相應(yīng)的轉(zhuǎn)速和扭矩。（4）機構(gòu)小巧靈活，實現(xiàn)在狹小的駕駛室無損安裝。（5）最大輸出力為50N。（6）最大行程為100mm。（7）當遇停電時，能夠緊急保護，即油門快速收回，避免飛車。

由于油門執(zhí)行器需要任意點的精確定位，常采用電動機構(gòu)。電動機構(gòu)又有電動缸和桿機構(gòu)。電動缸定位精度高，使用方便，但不好實現(xiàn)腿長調(diào)節(jié)，因此安裝不方便；并且不容易實現(xiàn)停電時油門的機械保護，一般采用UPS電源實現(xiàn)停電保護。本文采用桿機構(gòu)（圖4）避免上述缺點，桿機構(gòu)結(jié)構(gòu)不僅小巧，且能很好實現(xiàn)油門機械保護及腿長調(diào)節(jié)。其工作原理如下：圖4中的1為夾持機構(gòu)，可以實現(xiàn)快速無損的夾持踏板；2為執(zhí)行器小腿，其長度可以調(diào)節(jié)以實現(xiàn)腿長的改變；2與1之間通過萬向節(jié)連接，實現(xiàn)之間的二自由度相對轉(zhuǎn)動。3為萬向節(jié)，相當于人腿的膝關(guān)節(jié)；4～9相當于人的大腿，實現(xiàn)下踏和抬起動作。整過機構(gòu)就是帶彈簧回位的直線運動機構(gòu)，通過拉索機構(gòu)將伺服電機的旋轉(zhuǎn)運動變成直線運動壓縮彈簧和彈簧回位，實現(xiàn)下踏和抬起動作，實現(xiàn)油門踏板的控制。

圖4 油門執(zhí)行器結(jié)構(gòu)原理示意圖

4 制動執(zhí)行器設(shè)計

制動踏板同油門踏板相似，可簡化成繞支點旋轉(zhuǎn)的擺動機構(gòu)。制動操作目標：應(yīng)能以車速為控制目標，在給定的時間內(nèi)完成從一車速到另一車速的減速操作。具體功能要求與油門執(zhí)行器相似，略有不同：制動執(zhí)行器的最大輸出力為400N。

其設(shè)計思路與油門執(zhí)行器相似。不同之處在于由于其輸出力較大，定位精度要求不高，將圖4所示部分的6、7、8、9去掉，采用氣缸作為執(zhí)行元件，再增加比例閥控制氣缸氣壓，從而控制制動力的大小，從而達到結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，可靠性也較高。

5 離合執(zhí)行器設(shè)計

離合踏板同油門踏板結(jié)構(gòu)原理（圖6）相似，可簡化成擺桿機構(gòu)。離合器連接發(fā)動機和變速箱，傳遞扭矩。踏板位置的高低決定了所傳遞扭矩的大小。離合執(zhí)行器的設(shè)計原則是：實現(xiàn)其快速分離和平穩(wěn)接合。具體設(shè)計要求如下：（1）離合器踏板速度變化達到圖5要求：首先，下踏離合迅速，實現(xiàn)動力傳遞快速徹底分離?；仉x合時分為3個階段，θcmax到θc2階段為空行程，要求較快抬起；θc2到θc1階段為離合接合區(qū)，要求緩慢抬起，以保證動力傳遞平穩(wěn)；θc1到θc0階段為離合完全接合區(qū)，要求較快抬起。（2）離合執(zhí)行器的最大輸出力為200N。（3）離合執(zhí)行端最大行程為200mm。

離合執(zhí)行器的設(shè)計與油門執(zhí)行器設(shè)計類似，其功能要求和技術(shù)指標有所不同，所以設(shè)計上有一定的差別。離合執(zhí)行器其結(jié)構(gòu)原理如圖6所示：

圖6 離合執(zhí)行器結(jié)構(gòu)原理示意圖

現(xiàn)對圖中的各個部件及其工作原理進行闡述，其工作原理與油門執(zhí)行器類似。這里只講述它們工作原理不同之處。油門執(zhí)行器是用拉繩拉力壓縮彈簧實現(xiàn)下壓油門踏板，彈簧伸張實現(xiàn)回收油門踏板；相反，離合執(zhí)行器用拉繩拉力壓縮彈簧實現(xiàn)松離合踏板，彈簧伸張實現(xiàn)下壓離合踏板。采用這樣的工作原理其目的是能實現(xiàn)停電保護，當停電時，彈簧伸張，下壓離合，使離合分開。

6 試驗驗證

為驗證設(shè)計是否合理，按照上述設(shè)計，加工制作出汽車駕駛機器人，安裝在試驗車上，與底盤測功機上進行一起了試驗。經(jīng)過反復試驗，油門、離合、制動執(zhí)行器及換檔機械手工作正常，性能良好，達到設(shè)計要求。

7 結(jié)語

本文根據(jù)汽車排放耐久性試驗要求，提出了駕駛機器人的功能及技術(shù)指標。根據(jù)駕駛機器人的功能及技術(shù)指標，在吸收消化國內(nèi)外技術(shù)的基礎(chǔ)上，進行了油門執(zhí)行器、離合執(zhí)行器、制動執(zhí)行器及換檔機械手的設(shè)計，并取得了較好的實際效果。

參考文獻

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作者簡介：陳剛（1974—），男，中國汽車工程研究院重慶凱瑞汽車試驗設(shè)備開發(fā)有限公司工程師，工學碩士，研究方向：汽車及零部件專用實驗設(shè)備開發(fā)。