（精密仪器及机械专业论文）基于驾驶机器人的室内汽车排放耐久性试验系统的研究与工程实现(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

摘要 基于驾驶机器人的室内汽车排放耐久性 试验系统的研究与工程实现 摘要 汽车保有量的快速增长，使得汽车排放的尾气对环境的影响日益严重，针对汽车排放的法规也日 益严格。我国g b1 8 3 5 2 2 - 2 0 0 1 轻型汽车污染物排放限值及测量方法( i i ) 中规定汽车必须按照v 型试验的循环行驶工况进行8 万公里的试验以检测车辆捧放控制系统的耐久性能，该试验如果由试验 人员在汽车试验场的道路上进行，需要投入大量的人力和财力，试验时间长，而且试验受天气和人为 因素的影响，实验的客观性、准确度和重复性均难以控制，导致排放法规难以执行。 本论文以汽车排放耐久性试验系统项目为背景，研究利用驾驶机器人替代人类试验人员在室内的 底盘测功机上进行汽车排放耐久性试验的方法，论文的主要研究内容包括： 1 对汽车道路行驶动力学特性的室内模拟与加载方法进行了研究，着重解决了汽车排放耐久性 道路试验的室内模拟原理和方法，采用底盘测功机作为试验环境。 2 在研究汽车动力学特性的基础上构建驾驶机器人的汽车尺寸与性能自学习方法。详细分析了 汽车发动机空载和有载模型、制动器特性、变速器换挡规律、换挡品质和油门制动切换控制特性，为 驾驶机器人的运动控制奠定基础。同时为提高驾驶机器人的车型适应能力，研究了汽车性能的自学习 方法 3 设计并工程实现了汽车驾驶机器人系统。提出驾驶机器人执行机构必须具备的自由度和操作 特性，同时研究了驾驶机器人油门机械腿、制动机械腿、离合器机械腿和换挡机械手的驱动方式，并 设计了相应的伺服控制回路。完成汽车驾驶机器人的传感检测控制系统的硬件电路设计，对进行试验 所必须具备的各类传感器信号进行调理，并设计了基于w e b 服务器的多驾驶机器人组网以及远程监控 系统，实现试验的远程维护和监控功能。 4 研究驾驶机器人综合控制策略，实现循环行驶工况的车速跟踪。提出驾驶机器人多层递阶控 制模型，在分析各种循环行驶工况的基础上完成驾驶指令的定义。提出驾驶机器人多手腿协调配合控 制模型以实现油门制动离合换挡的协调配合控制。设计了相应的控制算法，完成汽车起动、换挡、 加速、等速，减速等工况的车速跟踪控制。同时为了保证长时间试验的控制精度，提出了控制参数的 补偿优化算法、行驶路程补偿方法和离合器接合区自补偿算法。 5 排放耐久性试验研究和结果分析。利用驾驶机器人在底盘测功机上进行了长时间汽车摊放耐 久性试验，并和汽车试验场上的由人类试验人员进行驾驶操作获得的试验曲线进行对比。 经过历时三年的研究开发和多种车型长时间的排放耐久性试验，结果表明：利用驾驶机器人进行 试验对于减轻人类劳动强度，降低试验环境对试验人员的伤害，提高试验效率、试验结果的客观性和 准确度，节省试验费用，进而加速汽车研发进度都有重要的意义。本文的研究成果已经通过了国家环 境保护总局组织的鉴定。 关键诃：捧放耐久r i t e 验；底盘测功机；驾驶机器人；自动驾驶；循环行驶工况；车速预瞄跟踪；多 模控制 l r e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n t o ft h ev e h i c l e d u r a b i l i t ye m i s s i o nt e s ts y s t e m b a s e do n r o b o td r i v e ro nc h a s s i sd y n a m o m e t e r a b s t r a c t w i t ht h er a p i di n c r e a s eo fv e h i c l e si nu $ a g e , t h ep e r c e n t a g eo fp o l l u t i o nt oa t m o s p h e r eg e n e r a t e db y v e h i c l ee x h a u s te m i s s i o ng a si si n c r e a s i n g , a n dt h e nt h ee m i 女i o nr e g u l a t i o n sf o rv e h i c l e sa 托b e c o n 血n gm o i t r i g i dd u et ot h ei n 锄s i n g i ys u - i c tl a w so fe n v i r o n m e n t a l 刚e c t i e r ls of a rt h ea u t o m o b i l ei n d u s t r yh a s e x e r t e dt r e m e n d o u se f f o r tt od e c r e a s et h eq u a n t i t yo fe x h a u s tg a sa n di m p r o v ef u e le c o n o m y m o r e o v e rt h e t y p ea p p r o v a lt e s to fa g e i n gt e s tf o rw 耐y i n gt h ed 岫锄：yo fa n t i p o l l u t i o nd e v i c e sp r e s c r i b e di ng b 1 8 3 5 2 2 - 2 0 0 1r e g u l a t e st h a tav e h i c l en m s tb et e s t e df o l l o w i n gas p e c i f i e dt y p c - vd r i v i n gt e s tc y c l e 如f 8 0 ，0 0 0l 皿t h i st e s ti sn o r m a l l yp e r f o r m e db yh u m a nd r i v e r so np r o v i n gg r m m df o rv e r yl o n g 血n e a n di ti s c o s t l ya n de f f e c t e db ye n v i r o n m e n td u et ot h ev a r i a b l en a t u r eo f h t u n md r i v e r s b e h a v i o r , t h et e s tr e s u l t sa r e n o tr e f i a b l e ，v a l i da n dw i t hl o wr e p e s 蛐s oi ti sh a r dt oe x e c u t et h ee m i s s i o nr e g u l a t i o n am e t h o df o rv e h i c l ed u r a b i l i t ye m i s s i o nt e s t 峭i n gar o b o td r i v e ri n s t e a do fh u m a nd r i v e r so nt h e c h a s s i s d y n a m o m e t e r i sp l 瑚a l t e 正t h e m a i nr e s e a r c h f i u i t s i n t h i sd i s 鸵r t 硝躺s 啦瑚m i r j z e d 鸹f o l l o w s ： 1 t h em e t h o dt os i m u l a t et h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i cm o d e lo f v e h i c l eo nr o a di nl a b o r a t o r yi sc l e a r l y s t u d i e d t h em a i ng o a li st os o l v et b s i m u l a t i o nw o r ko ft h ev e h i c l ed u r a b i l i t ye m i s s i o nt e s to np r o v i n g g r o t m d t o l o v i d ea t e s c e n v i r o n m e n t f o r r o b o t d r i v e r o n c h a s s i s d y n a m o m e t e r 2 t h ev e h i c l eg e o m e l d , a n dp e r f o r m a n c es e l f - l e a r n i n ga l g o r i t h mi sp r e s e n t e db a s e do nt h ea n a l y s i so f v e h i c l ed y n a m o sc h a r a c t e r i s t i c t h ec h a r a c t e r i s t i ca n dm o d e lo ft h ev e h i c l ee n g i ：，t r a n s m i s s i o n , b r a k e 9 c l u t c h , s h i f ts c h e d u l ea n ds h i f tq u a l i t y , a n dt h es w i t c h i n gc o n t r o lt h e o r yo f t h r o t t l e b r a k ei sc l e a r l yd e s c r i b e d f o rt h er o b o td r i v e rt op e r f o r mc o n t r o lt a s ko f v e h i c l e s 3 t of u l f i l ! t h ec o n t r o lt a s ko ft e s tv e h i c l e sw i t h o u tr e m o v a la n dp o s s i b l yd a m 笔eo fs e a to ro t h e r t l l t o r l o rp a r t so f t h ev e h i c l e t h ef j e f d o ma n dm a n i p u l a t i n gp e r f o r m a n c oo f ar o b o td r i v e ri ss t u d i e d , a n dt h e m e c h a n i s ma n dc o r r e s p o n 啦s c f v oc o n u o ll o o pf o ra c c e l e r a t o r , b 矗i l 哦c i t m ：hp e d a la n dg e a rs h i f ta r e d e s i g n e d t h eh a r d w a r eo f s e n s o r sm o d u l a t i n 舀m o t i o nc o n t r o la n dm a l f i m c t i o nd e t e 商o nf o r t h er o b o td r i v e r i sd e v e l o p e d , a n dt h em u l f i - r o b e td r i v e rc o n t r o ls y s t e mb a s e do nw e bs 目、，盯协r e a l i z et e l e - m o n i t o r i n ga n d t c l e - m a i n t o n a n c ei sa l s od e v e l o p e d 4 t h ei n t e g r a t e dc o n t r o ls t r a t e g i e so fr o b o td r i v e r 瓣s t u d i e dt oi m p l e m e n tt h es p e e dt r a c k i n go f d r i v i n gt e s tc y c l e am u l t i l e v e lm o d eo fr o b o td r i v e ra n dt h e 蚰锄e g yt od e f i n ed r i v i n gt e s tc y c l eb a s e do n a n a l y s i so f a uk i n d so f t e s tc y c l e sm ep r e s e n t e d m o r e o v e r , am u l t i - h a n da n dl e gc o o p e r a 衄c o n t r o lm o d e li s p r o v i d e dt oa c c o m p l i s ht h ec o n t r o lt a s ko f a c c e l e r a t o r , b r a k e c l u t c ha n dg e a rs h 谂i sd e s c r i b e d 。f u r t h e r m o r e , t h ec o n u o la l g o r i t h mf o re v e r yc y c l es t a g e s u c h 鹊v e h i c l es t a r tf r o ms t a n d s t i l l , g e a rs h i 恤g , a c c e l e = 峨 s p e e dc r u i s i i l ga n dd e c e l 峨e t c ，i sd e s i g n e d a n df o rh i g h l yc o n t r o lp e r f o r m a n d i 埘n gl o n gt e r mt e s t w i t h g o o da c c u r a c y , t h ec o n t r o ! p a r a m e t e r ss e l f - l e a r n i n g a n d o p t i m i z i n ga l g o r i t h m , d i s t a n c e s e l f - c o m p e u s a t 岵c l u t c hb i t ep o i ms e l f - c o m p e n s a t i o ni sa l s op r e s e n t 缸 5 a n a l y s i so f v e h i c l ed u r a b i l i t ye m i s s i o nt e s ti sa c c o m p l i s h e d t h ev e h i c l ed u r a b i l i t ye m i s s i o nt e s ti s p e r f o r m e du s i n gt h ed e s i g n e dr o b o td r i v e ro l lc h a s s i sd y n a m o m e t e rf o rv e r yl o n gt i m e ，a n dt h e 卸a i y 五n g w o r ki sa l s od o n ec o m p a r e dt ot h et e s tr e s u l t sg e n e r a t e db yh u m a nd r i v e r so np r o v i n gg r o u n d a f t e rt h r e ey e a r s s t u d ya n dd e v e l o p m e n t , t h er o b o td r i v e rh a sp e r f o r m e dd u r a b i h t ye m i s s i o nt e s to n s e w h a lv e h i c l et y p e s e 】币e r i m e 团r e s u l t ss h o wt h a tt h er o b o td r i v e rc mb ea p p l i c a b l et oaw i d ev a c i e t yo f v e h i c l e sa n dt h eo b t a i n e d s u n ss t a yw i t h i nat o l e r a n c eb a n do f 士2k m h m o r e o v e r , t h er o b o td r i v e ri sa b l e t oc o n t r o ! t e s t e dv e h i c l e sw i t hg o o d 托p e 锄进哆a n dc o m 妇n c y ；f l w r e f o r e , t h er o b o td r i v e rp r e s e n t sa l u t i o nt oe 嫩n i n a t et h e 埘k 叮t a i n t yo f e m i s s i o nt e s tr e s u l t sb yh u m a nd r i v e r s 锄dt oa 蛐t h e c l 瑚坷a n d r e l i a b i f i t yo f e m i s s i o nt e s t 托s i l l 协t h er o b o td r i v e ri so f g r e a tv a l u et os a v et e s ta 中e n s 鹤a n dt oq m c k e nt h e d e v e l o p m e n to f n e w v e h i c l em o d e l t h et h e s i si sb a s e do nt h ei saf o u n d a t i o no f t h ep r o g r a mo f y u s j i na u t o m o b i l eg r o u pc o m p a n y ( n o 0 0 2 8 1 1 ) a n dt h en m hf i u i t si nt h i sd i s s e r t a t i o nh a v ep a s s e dt h ea p p r a i s e m e n to fs t a t ee n v i r o n m e n t a l p “姚o c t 随a d m i n i s t r a t i o n o f c h i n a k e yw o r d s ：d u r a b i l i t ye m i s s i o nt e s t ：c h a s s i sd y n a m o m e t e r ：r o b o td r i v e ra u t o m a t i cd r i v i n g d r i v i d gt e s tc y c l e ；v e l o c i t yp r e v i e wu ”a c k i n g ：m u l t i - m o d ec o n 廿o l m 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个入在导师指导下迸行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其 它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交 学位论文的复印件和电子文挡，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。本人电子文挡的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论 文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内 容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：醯! 堕丛导师签名 7 b 乞 日期：兰! 竺：笪 第一章绪论 第一章绪论 1 1 汽车尾气排放污染及其危害 1 ll 汽车尾气捧放对大气的污染情况 汽车保有晕的快速增长，导致汽车排放尾气的污染日益严重，为了保护大气环境，世界各国都制定 了日益严格的环境保护法规，严格限制汽车尾气中有害物质的含量。据统计，2 0 0 3 年我国汽车产量突 破4 0 0 万辆。轿车产量突破2 0 0 万辆，分别增长3 5 2 和8 3 2 5 ，我国已成为世界第四大汽车生产国和 第三大汽车消费国“。全国汽车保有最达到2 0 0 0 多万辆，摩托车4 5 0 0 万辆、农用运输车2 4 0 0 万辆， 而且近几年一直以1 3 - 1 5 的速度递增。随着机动车数最的快速增长，机动车尾气污染物排放量不断增 加，其尾气排放物在大气污染物中的分担率迅速上升，机动车已经成为我国大城市的主要大气污染源之 一，对城市空气质量的影响日益显著。汽车尾气排放已成为我国人口高度集中的大中城市的主要污染源。 严重威胁到人们的# 活质g - 和，存环境”图11 给 ；了1 9 9 6 年个球：氧化碳排放爵的组成“。 蹦1 1 全球氧化碳排放量的组成 2 0 0 3 年全国机动车碳氢化合物、一氧化碳和氮氧化物的排救景分别达到8 3 6 1 万吨、3 6 3 9 8 万吨 和5 4 9 ，2 万吨，呈成倍增长趋势”机动车污染物排放对环境的影响日渐增强，汽车对环境造成的污染 相当严重，除直接污染源( 如一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物、硫化物等) 外，还有二氧化碳造成的 温室效应。二氧化碳是产生温室效应的主要污染源，它对大气造成了直接破坏作用，而危害人类的二氧 化碳有1 7 来自于公路运输。到2 0 2 0 年，全球汽车产鼍将翻番，达到1 5 亿辆，也就是说在未来十几年 内，二氧化碳污染还将持续上升。乘用车二氧化碳污染排放将达2 0 ，商用车二二氧化碳污染排放则高达 3 0 一4 0 。瑞士a b b 研发中心的研究表明，二氧化碳作为困扰地球的主要温室气体。每年的释放量在2 0 亿吨以上。汽车道路运输产生的二氧化碳污染则达到3 4 亿吨。据联合国“政府间气候变化专业委员 会( i p c c ) ”的评估，1 9 9 6 年世界上共排放二氧化碳大约2 0 0 亿吨，其中汽车大约占排放量的2 0 ，美 国居第一位，占2 5 ，中国居第：二位，占1 3 5 。i p c c 在关于二氧化碳排放情况特别说明中指出 2 0 世纪地球表面温度上升了0 4 0 c - 0 。8 0 ，到2 1 0 0 年将比1 9 9 9 年上升1 5 0 c 一6 o ，到时候地球 海平面可能上升1 5 - 9 5 厘米。2 0 0 5 年以来，欧盟为实现对“京都议定书”的承诺。要求各国限期减少 东南大学博士学位论文 班汽车尾气戈主鲍温室气体排放。2 0 0 5 年1 月起，欧盟将实行“欧”汽车尾气捧救标准，增加了对 二氧化碳气体等其他污染物排放的限制。另外欧洲汽车制造商协会( a c e a ) 和汽车制造商们也共同承诺， 将减少二氧化碳的排放量，该承诺表示，到2 0 0 8 年，新车的二氧化碳的排放量将少于1 4 0 克公里，到 2 0 1 2 年，将少于1 2 0 克公里。据悉，为防止二氧化碳造成的大气污染和噪声污染蔓延，欧盟也正在考 虑立法问题。 1 1 2 汽车屋气搀放污染物及危害“刀 以汽油发动机为例，其排气中的基本成分是二氧化碳( c o d 、水蒸气( ) 、过剩的氧气( o d 及氮气( n d ，除此之外，还有不完全燃烧和燃烧反应中的中间产物，包括一氧化碳( c 0 ) 、碳氢化合 物( h c ) 、氮氧化物( n m ) 、二氧化硫( s 如) 、颗粒( 铅化合物、黑烟、油雾等) 、臭气( 甲醛、丙 稀醛等) 。 汽车尾气捧放中含有的有害污染物对人体健康造成极大的危害，以一氧化碳( c 0 ) 为例，其和血液 中有输氧能力的血红素蛋白( 1 i b ) 的亲和力比氧气和肪的亲和力大2 0 0 - 3 0 0 倍，因而c 0 能快速和肪 组合形成碳氧血红素蛋白，使血液的输氧能力大大降低，导致心脏、头痛等重要器官严重缺氧，从而引 起失晕、恶心、头疼等症状。轻度时使中枢神经系统受损，导致慢性中毒，严重时会使心血管工作困难， 直至死亡。不同浓度c o 对人体健康的影响见表i 1 。此外，一辆汽车年内可释放出2 5 千克的铅( p b ) ， 人体对大气中的铅的吸收率为4 0 ，汽车尾气中的铅粒随呼吸进入人体，可伤害人的神经系统，还会积 累于骨骼中。如落在壤或河流中。会被各种动植物吸收而进入人类的食物链。人体内积蓄一定程度的 铅，会出现贫血、肝炎、肺炎、肺气肿、心绞痛、神经衰弱等多种症状。汽车尾气的其他危害还表现在： 光化学烟雾、酸雨、臭氧( o s ) 层减薄( 臭氧空洞) 、温室效应等方面。 表i 1 不同浓度c 0 对人体健康的影响 c 0 浓度( 1 旷)对人体健康的影响c o 浓度( i 0 1 )对人体健康的影响 5 一i 0对呼吸道患者有影响2 5 0 2 h 接触，头痛，血液中 3 0 人滞窘8 h ，视力及捧经机能出现放漳， e o - f b ：4 0 血液中c o - h b = 5 5 0 0 2 h 接触，剧烈头痛，眼花， 4 0 人滞留8 h ( 小时) ，出现气喘 虚脱 1 2 0 l h 接触，中毒，血液中c o - h b y l 0 3 0 0 03 0 分钟即死亡 1 2 汽车捧放法袈的发展与现状 受汽车尾气污染直接危害的主要是大城市。据统计，城市大气中一氧化碳的7 7 3 ，碳氢化合物的 5 5 3 ，氮氧化物的5 0 9 9 6 ，悬浮微粒的3 7 _ j 6 者5 来自汽车排放的尾气。汽车尾气排放对人类生存环境的 影响引起了国内外的广泛重视，各国纷纷制定各种法规以限定汽车排放尾气中有害污染物含量。美国、 日本和欧洲的汽车排放法规是当今世界主要体系，是代表世界汽车排放法规的三个主要体系，体现世界 汽车污染控制的方向和趋势。其控制的污染物由最初的c o 、n & 、h c 和碳烟，扩展到接气物中的微粒铆， 燃料中的铅和芳香烃物中微粒物，以及排放的c o z ，空调器用c f c ( 破坏臭氧层和温室效应的主要物质 之一) 和汽车磨擦材科川石棉( 致癌物质) 。就占有量最大的汽油轿车而言，美国当今法规规定的c 0 ， h c 和n o x 比未控制前分别下降了9 6 ，7 6 和9 6 ，日本则分别为9 5 、9 2 和9 6 ，欧洲分别为8 5 和7 8 ( n o r + h c ) ，而且全部实现无铅汽油 世界三大汽车排放法规标准制定组织不断提高汽车尾气捧放中污染物的含量限值的标准。以欧洲汽 2 至二兰堕堡 油车排放标准为例，从欧i 到欧i v 标准，不断降低汽车尾气中有害物的含最，同时鼓励生产和购买低 排放甚至零排放的汽车，并在税收方面给予优惠。图1 2 给出了欧洲汽油轿车排放标准发展过程。 e c er 1 5 0 & 该标准中车辆的当量惯量为 驰旰克 图1 2 欧洲汽油轿车排放标准发展情况 1 3我国汽车排放法规及其试验要求 1 3 1 我国汽车捧放法规及其发展过程“1 ” 防治汽车污染物对环境的污染是我国环境保护的重要内容之一。目前，我国已经出台了中华人民 共和国环境保护法和中华人民共和国大气污染防治法，对汽车排放污染物也已制定了相应的国家 标准对汽车制造厂进行要求。我国机动车污染控制 作始于1 9 7 9 年，首先颁布了中华人民共和国环 境保护法( 试行) ，1 9 8 4 年4 月1 日起实施g b3 8 4 2 3 8 4 4 8 3 四冲程汽油车怠速污染物、柴油车自由 加速烟度、柴油车全负荷烟度排放标准。1 9 8 9 年制定了参照e c e1 5 - 0 3 和采用e c e1 5 0 4 法规的g b 1 1 6 4 1 一1 1 6 4 2 8 9 轻型汽车排气污染物排放标准。1 9 9 4 年5 月起实施g b1 4 7 6 1 ，1 - 1 4 7 6 1 7 9 3 七项汽车 排放标准，对汽油车怠速污染物、柴油车自由加速烟度和全负荷烟度排放限值有所加严。由于世界三大 排放标准体系中，欧洲法规在标准的松严程度、道路交通情况等方面相对比较适用于我国的实际情况， 中国在充分吸收欧荚的经验后，全面等效采用欧盟( e u ) 指令、e c e 技术内容和部分采用欧洲经济委员 会( e e c ) 法规的基础上形成了中国排放法规体系。 1 9 9 9 年国家颁布了四项等效采用欧洲排放法规的g b3 8 4 7 - 1 9 9 9 压燃式发动机和装用压燃式发动 机的车辆排气可见污染物限值及测试方法、g b1 4 7 5 1 1 9 9 9 汽车排放污染物限值及测试方法、g b 1 7 6 9 1 1 9 9 9 压燃式发动机和装用压燃式发动机的车辆排气污染物限值及测试方法g b t1 7 6 9 2 1 9 9 9 汽车用发动机净功能测试方法标准。1 9 9 8 年我国实施的国标6 b1 4 7 6 1 1 - 9 3 达到了e c e1 5 0 4 法 规规定的限值，1 9 9 9 年1 月1 日北京率先实施相当于欧i 限值的d b1 1 1 0 5 - 1 9 9 8 轻本! 汽车摊气污染 物排放标准。2 0 0 0 年1 月1 日在全国实施相当于欧i 限值的6 8 1 4 7 6 1 - 1 9 9 9 标准( 该标准已于2 0 0 1 0 4 1 6 被g b1 8 3 5 2 卜2 0 0 1 轻型汽车污染物排放限值及测量方法( i ) 标准代替) ，g b1 8 3 5 2 2 - 2 0 0 1 轻型 汽车污染物排放限值及测量方法( i i ) 等效于欧i i 排放法规，自2 0 0 4 年7 月1 日起在全国实施，等 效于欧i i i 的国家标准不久将出台，北京计划在2 0 0 5 年提前实施。 与此同时，国家从2 0 0 0 年1 月1 日起实旋6 b1 7 9 3 0 1 9 9 9 车用无铅汽油标准，为实施相当于 欧洲i 号的国家标准创造了条件。根据有关标准分析，随着6 b1 8 3 5 2 卜2 0 0 l 等排放标准的实施。能明 显缩短我国与国外汽车污染物排放标准的差距，使我国的汽车污染物排放标准达到欧洲2 0 世纪9 0 年代 东南大学博士学位论文 的水平。但是欧洲从2 0 0 0 年已开始实施更加严格的欧i i i 排放法规，2 0 0 5 年将实施欧i v 排放法规。 就n 0 、h c 、c 0 及微粒物质等排放限值，欧i i i 限值是欧i i 的7 1 、6 0 、5 3 和6 7 ，欧i v 限值是欧 i i i 的7 0 、7 0 、7 1 l j 6 和2 0 ，对照我国机动车排气污染物防治技术政策要求，我国现行的汽车污 染物捧放标准仍落后欧洲8 - 1 0 年左右。表i 2 给出了中国排放法规中对各种排放污染物的限值对比数 据。 表i 2 中国排放法规排放污染物限值对比 法规g b1 8 3 5 2 1 2 0 0 1g b1 8 3 5 2 2 - 2 0 0 1( 欧1 1 1 )( 欧i v ) 执行时间 2 0 0 1 0 4 1 62 0 0 4 0 7 o l n 仉8 o o7 0 05 0 03 5 0 h c1 1 01 1 00 6 6 0 4 6 c o4 5 04 o o2 1 0i 5 0 p mo 3 60 1 5o 1 0o 0 2 此外，为了控制尾气排放，需要研究提高汽车的燃油经济性从而降低汽车尾气排放量的方法，这就 必须进行大量的汽车试验。由于我国目前在用车检测制度i l i 法规尚未完善，控制汽车尾气排放的最有 效的方法是在汽车生产环节对汽车排放性能进行严格地控制和把关，这就不仅要求汽车出厂时排放指标 符合环保要求，而且在长期使用过程中其排放指标也不能发生变化。表l i3 中列出了我国汽车生产时必 须进行的产品型式认证检测项目，总共包括5 项。 表1 3 我国汽车产型式认证检测项目 型式认证检测项目检测内容 i 型试验检测车辆冷启动后排气管的排放量 i i 型试验检测怠速工况下的一氧化碳排放量 i i i 型试验检测曲轴箱燃油蒸发排放量 i v 型试验检测安装点燃式发动机的车辆的燃油蒸发排放量 v 型试验进行耐久性试验，检测车辆排放控制系统的耐久性 1 3 2 汽车捧放耐久性试验法规嗍 为了加强对汽车排放污染物指标的监测力度，国内生产和上市的新车，都必须向有关部门提交与国 际接轨的整车8 万公里污染物排放耐久性试验报告，以此换取新车销售的“出生证。，即每行驶一万公 里必须提交一组排放数据直至8 万公里，以说明和保证生产上市的新车不仅在出厂时，而且在使用过程 中的污染物排放以及控制水平一直达到有关标准。国家g b1 8 3 5 2 2 - 2 0 0 1 轻型汽车污染物排放限值及 测量方法( i i ) 中对污染控制装置的耐久性试验一v 型试验的规定：在轻型汽车排放污染物测试中需 要对汽车上污染控制装置耐久性进行试验，要求汽车必需在汽车试验场跑道上或底盘测功机上进行8 万公里的耐久性试验，验证装有压燃式或点燃式发动机的车辆上污染控制装置耐久性指标。v 型试验作 为汽车产品型式认证中极其重要的一项试验，是为考核机动车长期的排放污染物控制效果，更加具有实 际的意义。 g b1 8 3 5 2 2 - 2 0 0 1 轻型汽车污染物捧放限值及测量方法( i i ) 中要求：汽车应在底盘测功机或跑 道、道路上进行8 万公里的耐久性试验i 耐久性试验行驶程序表由i i 个循环组成，每个循环的行驶里 程为6 公里；在前9 个循环中，车辆在每一个循环过程中，应停车四次，每一次发动机怠速1 5 秒；第 4 第一章绪论 1 0 个循环，车辆应在8 9 公里小时等速下运行；第1 1 个循环，车辆开始从停止点以最大加速度加速到 1 1 3 公里4 , 时，到该循环里程一半( 3 公里) 时正常使用制动器。将车速降为零，随之1 5 秒的怠速， 然后第二次以最大加速度加速。规定的循环车速分别是：循环2 ，6 为4 8 k m h ，循环5 、7 、9 为5 6 1 岫h ， 循环1 、3 、4 为6 4 1 m h ，循环8 为7 2 k m h ，循环1 0 为8 9 1 m h , 循环1 1 为1 1 3 1 m h 。前九个循环的车 速和路程之间关系如图1 3 、1 4 和1 5 所示。 1 1 o 6 ok m 和 6k m 5 3 4 7 4 2 3 5 图i 3 污染控制装置的耐久性试验( v 型试验) 运行规范 图1 4 污染控制装置的耐久性试验v 型试验路程一车速约束图 图1 5 污染控制装置的耐久性试验v 型试验前9 个循环行驶工况曲线图 汽车排放耐久性试验规范要求的试验时间长，循环车速频繁变换，必须不断地进行汽车的加速、等 速、减速、停车怠速和换挡，而且速度的变化和行驶的路程存在着约束关系，由人工在野外试验难以满 5 东南大学博士学位论文 足试验要求。 1 4汽车捧放耐久性试验系统项目的提出 根据法规的规定，汽车排放耐久性试验可以在室内底盘测功机或室外跑道上进行，目前我国对汽车 进行排放耐久性试验除了几个大的汽车制造厂商和机动车检测中心外基本上都是在汽车试验场的跑道 上进行，采用这种试验方法需要投入大量的人力物力和财力，试验时间长，而且试验受天气以及人为因 素的影响，试验数据的客观性、准确度和重复性均难以控制，使得排放法规难以执行，因此发达国家都 研制排放耐久性试验系统在室内进行试验。美国福特公司就有排放耐久性试验系统3 2 台之多。而我国 由于目前只有少数整车制造厂商从国外进口汽车排放耐久性试验室内试验装置，大部分汽车制造商只能 在汽车试验场的跑道上进行试验。由汽车试验人员按照循环要求进行驾驶主要存在以下几个问题： i 驾驶员需经过一段时间的培训才能够在跑道上按照v 型试验要求进行试验，而且如果要严格按 照试验规范行驶8 万公里，人工操作实现的难度大。据统计，只有不足2 溅的驾驶员按照规范要求进行 试验。同时耐久性循环行驶工况试验时间长，而且循环车速不断地改变，驾驶人员时刻必须保持精神的 高度紧张，驾驶人员劳动强度大，易疲劳，因而无法完成长时间的汽车试验。 2 标准中要求在试验开始( 0k m ) 和每隔1 0 ，0 0 0k m ( 4 0 0k m ) 或更快的频率，以固定的间隔 直至行驶到8 0 ，0 0 0l 【加，应依据冷启动后排气污染物排放试验( i 型试验) 中规定的方法进行排气污 染物测试，测试结果应符合标准，在野外测试十分不方便。 3 。在野外试验难以对试验的数据( 车速、路程) 进行有效的采集和保存，无法对试验进行有效的 监控，而且试验过程受天气和人为因素影响大，试验的客观性准确度和重复性均难以控制。 国外的排放耐久性试验系统设备价格昂贵，使得整车制造厂在购买了国外设备的之后，由于试验的 成本，其中包括磨损、维护等费用，远高于在道路试验进行试验的成本，因此仍然采用在试验场地试验 的方式，试验水平低。为了使我国汽车排放耐久性试验能够在室内进行，研制具有自主知识产权的汽车 排放耐久性试验系统对于提高我国汽车排放试验水平，节省大量的外汇和试验费用，保证试验标准能够 顾利实施有着重要的意义。 1 5汽车捧放耐久性试验系统效益分析 1 5 i 生产企业效益 据专家预计，近几年国内需要汽车排放耐久性试验系统近千台，按1 0 0 万人民币市场价计算，生产 产值将达到1 0 亿。按高技术产品利税率为3 0 ，则将给企业和国家带来3 个亿的经济效益。 1 5 2 使用企业效益 1 节约设备投资：进口一套汽车排放耐久性试验系统需要4 0 - 7 0 万欧元，自主研制同类型的试验系统 仅需7 0 1 0 0 万人民币，节约经费约7 0 0 万人民币。如全部使用国产系统，将节约经费6 0 亿。 2 节约试验费用：经测算，在室内进行汽车排放耐久性试验比在室外试验节约2 7 万元台车，目前国 内年产轿车4 0 0 万辆，按每千台车抽检1 台，则需4 0 0 0 台进行试验，节约经费1 0 8 亿元年。 3 节约时间：在试验道路上做汽车排放耐久性试验需四人轮班1 2 0 天台车，室内试验需要1 0 1 天。 4 节约维护费用：采用国产化设备的维护费用比进口系统的维护费用要低。 6 第一章绪论 1 5 3 社会效益 目前我国汽车制造业非常繁荣，在现有的8 大生产厂家基础上形成具有较大生产规模和较强国际竞 争能力的现代汽车生产集团：一汽集团( 长春) 、二汽东风集团( 湖北) 、重汽集团( 济南) 和上海、南 京、天津、北京、广州八大汽车集团。同时，美、德、日、法等国汽车公司都在争夺中国市场，竞争非 常激烈。若要在竞争中获得一席之地，必须要在解决安全性和提高性能的问题上具有优势。 随着国产的汽车排放耐久性试验系统投入使用，将使我国轻型汽车污染物排放限值及测量方法 ( i i ) 能够顺利实施，使其试验手段更加客观准确，具有良好的社会效益。而对于汽车制造厂来说， 在提高试验车辆的数量和质量的同时，可以确保产品车辆排放性能的一致性以及生产一致性。由于不需 要驾驶员2 4 小时轮班驾驶试验，不存在疲劳驾驶以及粗心所造成的事故。改善其试验的安全性。此外， 由于驾驶机器人能够替代试验人员完成高重复性、长时间的汽车试验，还可应用汽车燃油经济性试验、 传动损失和动力传递性能试验、整车及零部件强化试验、高温低温环境试验等，这对于汽车相关试验技 术和装备的发展具有重要的作用“” 1 6汽车摔放耐久性试验系统构成 为了实现汽车排放耐久性试验的室内模拟试验，首先必须具备两个基本条件：1 、道路试验环境的 室内模拟：2 、试验汽车的自动驾驶操作。因此整套汽车排放耐久性试验系统由代替人类试验人员进行 汽车驾驶的汽车驾驶机器人和模拟行驶繇面的底盘酒功杌两个部分构成。 驾驶机器人完成汽车油门、制动、离合器、换挡杆的协调配合操作，跟踪工况法规规定的各种速度 一时间曲线，即循环行驶工况。汽车驾驶机器人机器人的执行部分( 包括执行机构和驱动装置) 结构轻 巧，能够无破损、快速、方便地安装于驾驶室的有限空间内，并适应于各种车型，安装时不得损坏车内 设备。底盘测功机配置功率吸收装置和惯性飞轮，模拟汽车在平直道路上行驶过程中稳态工况和非稳态 工况的各种行驶阻力，包括空气阻力、从动轮摩擦力、轴承摩擦力、空气摩擦力和加速阻力等，即实现 汽车行驶阻力模拟、车辆行驶惯性模拟和汽车行驶散热气流模拟，以使汽车的试验环境与在道路上行驶 尽可能保持一致。图1 6 给出了室内汽车捧放耐久性试验系统的构成框图。 图1 6 汽车排放耐久性试验系统构成框图 汽车底盘铡功机是排放耐久性试验在室内进行的有效工具，为汽车试验工况的室内模拟提供试验环 境，其应能够准确、实时地再现汽车在道路上所受到的各种阻力，满足试验的要求在底盘测功机上一 般装有电子调节器控制电力测功机负荷，使汽车在测功机上行驶时，模拟负荷与实际道路阻力尽可能相 同，保证试验具有实际意义，试验数据真实可信，因此首先必须分析汽车在平直道路上受到的各种阻力， 7 东南大学博士学位论文 然后分析汽车在底盘测功机上的受力情况，最后得出测功机模拟实际道路阻力的控制模型a 国内在底盘 测功机方面已经有成熟的产品，并有多家f 商可供选择，目前国内在惯跫模拟方面摹本上都采用惯性飞 轮的方法，通过定的惯晕匹配方法模拟出各种试验车型在行驶过程中的转动惯量，惯性飞轮