基于AMESet的制動檢驗臺滾筒自定義建模

劉一峰+李玉蘭

摘要： 在AMESim中進行滾筒反力式制動檢驗臺檢測過程的仿真分析，需要以元件子模型的形式對滾筒的物理模型進行準確、形象的表示。在動力學分析的基礎上，根據AMESim的建模原理給出了滾筒子模型應具有的功能，設計了代表滾筒子模型的元件，基于AMESet實現了滾筒的自定義建模。在AMESim中的驗證表明，滾筒的自定義子模型符合AMESim的元件規則，計算正確，滿足功能需求，實現了預期目標。

Abstract： It need representing physical model of the rollers accurately and vividly， in form of one submodel in some element submodel list， when analyzing on roller opposite forces type brake tester with AMESim. Based on dynamics analysis， functions of roller submodel is given， according to the principle of AMESim modeling. The component is designed to represent roller submodel. Custom modeling for roller is implemented with AMESet. Test in AMESim verifies that custom submodel of roller conforms to AMESim component rules， calculates in correction， meets the functional requirements， and achieves the expected goal.

關鍵詞： 制動檢驗臺；滾筒；AMESet；自定義建模

Key words： brake tester；roller；AMESet；custom modeling

中圖分類號：U472.9 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2014）22-0028-03

0 引言

制動性能是判定汽車安全技術狀況的重要因素，一般通過臺試法或路試法進行測試，目前臺試法多采用滾筒反力式制動檢驗臺。由于檢驗臺的結構原理和工作特點導致臺試檢測并不能真實反映汽車在道路上制動的實際情況，所測量的參量與路試法測得的參量也不同，如何分析臺試法的檢測影響因素并進行合理調整使之盡可能更有效地反映汽車本身的制動性能[1][2]，如何建立臺試法與路試法檢測結果之間的聯系[3][4]，一直是制動檢驗臺研制和應用中備受關注的問題。

AMESim采用基于物理模型的圖形化建模方式[5]，使用戶免于繁瑣的數學建模。基于AMESim對制動性能檢測過程建立仿真模型，進行模擬計算和深入分析，是一種較為簡便而又直觀的方法。滾筒是檢驗臺中的主要部件，屬于非標準、非通用部件，AMESim的模型庫中沒有適合的元件，用現有元件雖然能夠實現仿真計算的過程，但是不能形象、準確地表示滾筒的物理模型，也不便于分析時修改相關參數。本文以典型的單軸滾筒反力式制動檢驗臺為例，利用AMESim軟件包中的AMESet實現滾筒的自定義建模。

1 滾筒的動力學分析

車輪在滾筒上進行檢測時的狀態如圖1所示。

檢驗臺的電機經過減速器驅動主動滾筒，主動滾筒通過鏈傳動帶動從動滾筒。如果滾筒上沒有車輪或有車輪但未進行制動，電機啟動后迅速達到穩定狀態使滾筒保持等角速轉動。車輪制動時，車輪制動器的摩擦力矩使車輪減速旋轉，滾筒與輪胎之間產生切向的制動力克服制動器的摩擦力矩帶動車輪繼續旋轉，該制動力的反作用力就是滾筒表面的切向摩擦力，電機在控制裝置的控制下帶動滾筒保持等角速轉動。可自由轉動和上下移動的第三滾筒與車輪接觸，獲知車輪的轉動情況，在轉速下降至接近抱死時，發出信號使電機停止轉動，防止滾筒剝傷輪胎和保護驅動電機，在這一過程中，主動滾筒和從動滾筒均在切向摩擦力的作用下逐漸減速直至停止轉動。

滾筒的受力如圖2所示，圖中省略了軸承處的支反力。圖2（a）、圖2（b）分別表示主動滾筒、從動滾筒受力的情況。其中，F、N為0時，表示滾筒空轉；T為0時，表示電機停止轉動。

根據剛體繞定軸轉動的角動量守恒定律，有

TR=J·β（1）

式中，TR—剛體受到的合力矩；J—剛體繞轉動軸線的轉動慣量；β—剛體繞定軸轉動的角加速度。

圖2（a）、圖2（b）中滾筒在受力形式上是一樣的，即

TR=T-F·r（2）

式中，T—施加在滾筒兩端的力矩之和；F—滾筒表面受到的切向摩擦力；r—滾筒半徑。

第三滾筒在實際中僅用來測量輪胎外緣的切向速度，因此本文不對其進行受力分析。

2 滾筒的自定義建模

2.1 模型的功能 建模時，假設受檢汽車車輪停放于滾筒的中間位置，且認為輪胎只沿切線方向轉動，忽略檢測過程中輪胎在滾筒表面的橫向擺動，并將輪胎與滾筒表面的接觸簡化為點接觸。

為表示出主動滾筒和從動滾筒的受力情況，模型應具有以下功能：①在滾筒兩端具有扭矩、轉速的輸入輸出功能；②在滾筒表平面具有切向力、切向速度和法向力的輸入輸出功能；③應能夠設置滾筒轉動慣量和半徑，或者在模型內部給出其計算公式，并能夠設置所需的其他參數。

2.2 AMESim元件的設計 元件設計的主要內容包括：

2.2.1 圖標設計：以滾筒的簡圖作為元件圖標。

2.2.2 基于功率流原理分析輸入輸出變量：①主動滾筒兩端分別受到作為轉動動力的電機輸入扭矩和作為轉動阻力的鏈輪輸入扭矩；與車輪接觸點的法向力N與切向摩擦力F在滾筒與車輪接觸時才會產生，對滾筒來說是輸入量；而滾筒的角速度和切向速度則是滾筒受力產生運動后的輸出量。②從動滾筒的結構和受力形式與主動滾筒一樣，但是在鏈傳動的帶動下與主動滾筒保持等角速轉動，即一端是以角速度為輸入量，而扭矩則作為輸出量通過鏈傳動施加給主動滾筒；另一端可視為自由端，假定扭矩為0輸入量，轉速為輸出量；與車輪接觸點的輸入量、輸出量與主動滾筒相同。③第三滾筒只在與車輪接觸點有切向速度作為輸入量，兩端均為自由端，假定扭矩為0輸入量，轉速為輸出量。endprint

2.2.3 設置內部變量和參數：實際檢驗臺的參數指標不給出滾筒的轉動慣量，因此把轉動慣量J設為內部變量，把滾筒簡化為有固定外徑和內徑的理想圓筒，計算轉動慣量所需的滾筒外徑、內徑和質量設為實參數；滾筒的角加速度設為內部變量。第三滾筒只需要設置滾筒外徑1個參數。

2.3 AMESet中的建模過程 下面以主動滾筒為例說明自定義建模過程。

2.3.1 啟動AMESet后，如圖3所示，在菜單Modeling→Category settings→Add component的引導下添加新的元件。

其中的關鍵步驟是創建圖標。在繪制或選擇代表滾筒元件的圖形后，在圖4（a）數字“1”所指位置選擇端口類型，點擊數字“2”所指圖標，在圖形邊緣左右兩端和上端中間位置分別添加代表轉動和線性運動相應類型的端口圖標，然后點擊數字“3”所指圖標，在圖像邊緣定義端口，并選擇端口類型，數字“4”、“5”所指區域分別是圖標預覽和已定義端口列表。點擊保存回到設計元件圖標界面，對新元件進行命名、描述，并選擇父類模型，如圖4（b）所示。點擊OK后，新的元件就會添加到模型庫中，查看模型庫的樹狀列表，可以看到新的元件圖標已被添加相應的類或子類下。

2.3.2 創建新的子模型 新的元件只是一個框架模型。點擊模型列表中的新元件圖標，彈出子模型列表窗口，如圖5（a）所示，點擊OK進入子模型創建界面，如圖5（b）所示。

在圖5（b）中①區域內在端口1、端口3各添加2個變量，在端口2添加3個變量，在內部變量下添加2個變量，在實參數下添加2個參數；同時在②和③區域內對各變量和參數進行詳細設置。在④區域進行如圖設置。保存生成新的子模型。

2.3.3 完成子模型代碼。在編程語言中選擇C，依次點擊右邊3個圖標，用于生成子模型代碼、修改子模型代碼和編譯當前子模型，如圖6所示。

當點擊第2個圖標時，將打開源代碼文件。在代碼的相應位置，添加對滾筒外半徑r和內半徑r0的定義，如圖7（a）所示，添加對外半徑r、內半徑r0、轉動慣量J、角加速度accel和切向速度st的計算公式，如圖7（b）所示。

子模型編譯后就完成了自定義建模的全部工作，可以在菜單View下點擊相應子菜單分別預覽在AMESim參數模式和仿真模式下的顯示情況，檢查設置是否正確。主動滾筒子模型外部變量如圖8所示。

3 AMESim中的模型驗證

啟動AMESim，在模型列表添加新創建的元件和子模型，并調用一個實例進行驗證。以主動滾筒為例，主動滾筒與機械庫中的轉動慣量元件具有相同的端口，只是多一個以切向摩擦力、法向力為輸入量和以切向速度為輸出量的端口，因此，采用如圖9（a）所示的簡單系統，將轉動慣量元件和主動滾筒元件的相應參數設為相同數值，得到的各輸出量曲線完全一致，且輸出如圖9（b）所示的切向速度曲線。對切向摩擦力的輸入響應也符合受力分析公式，說明自定義子模型符合AMESim的元件規則，計算正確，滿足功能需求，實現了自定義建模的預期目標。

4 結束語

在AMESet中對制動檢驗臺的主動滾筒、從動滾筒和第三滾筒進行了自定義建模，創建了在AMESim中可用的新元件和子模型，能夠更形象、準確地表示滾筒物理模型，便于修改參數，為后續分析工作奠定了基礎。

AMESim及AMESet中可以實現不同單位制之間的自動轉換，避免了單位制轉換系數帶來的繁瑣計算工作，在機電液等多領域耦合的工程應用問題分析中具有突出優勢；可以實現積分運算的自動運行，避免了積分算法代碼編寫和積分步長確定等數學問題，有利于工程技術人員更加關注工程問題本身。

參考文獻：

[1]黃孝慈.影響制動性能檢測關鍵因素的分析研究[D].東北林業大學，2006.

[2]夏均忠.汽車檢測技術與設備[M].北京：機械工業出版社，2009.

[3]査小凈.汽車制動性能檢測方法的比較與關聯性研究[D].南昌：華東交通大學，2010.

[4]吳曉東，黃孝慈，李冰.制動性能臺試檢測方法的力學仿真及其與路試方法的關聯性分析[J].哈爾濱：東北林業大學學報，2006（5）：90-92.

[5] 付永領，祈曉野.LMS Image.Lab AMESim系統建模和仿真參考手冊[M].北京：北京航空航天大學出版社，2011.endprint

2.2.3 設置內部變量和參數：實際檢驗臺的參數指標不給出滾筒的轉動慣量，因此把轉動慣量J設為內部變量，把滾筒簡化為有固定外徑和內徑的理想圓筒，計算轉動慣量所需的滾筒外徑、內徑和質量設為實參數；滾筒的角加速度設為內部變量。第三滾筒只需要設置滾筒外徑1個參數。

2.3 AMESet中的建模過程 下面以主動滾筒為例說明自定義建模過程。

2.3.1 啟動AMESet后，如圖3所示，在菜單Modeling→Category settings→Add component的引導下添加新的元件。

其中的關鍵步驟是創建圖標。在繪制或選擇代表滾筒元件的圖形后，在圖4（a）數字“1”所指位置選擇端口類型，點擊數字“2”所指圖標，在圖形邊緣左右兩端和上端中間位置分別添加代表轉動和線性運動相應類型的端口圖標，然后點擊數字“3”所指圖標，在圖像邊緣定義端口，并選擇端口類型，數字“4”、“5”所指區域分別是圖標預覽和已定義端口列表。點擊保存回到設計元件圖標界面，對新元件進行命名、描述，并選擇父類模型，如圖4（b）所示。點擊OK后，新的元件就會添加到模型庫中，查看模型庫的樹狀列表，可以看到新的元件圖標已被添加相應的類或子類下。

2.3.2 創建新的子模型 新的元件只是一個框架模型。點擊模型列表中的新元件圖標，彈出子模型列表窗口，如圖5（a）所示，點擊OK進入子模型創建界面，如圖5（b）所示。

在圖5（b）中①區域內在端口1、端口3各添加2個變量，在端口2添加3個變量，在內部變量下添加2個變量，在實參數下添加2個參數；同時在②和③區域內對各變量和參數進行詳細設置。在④區域進行如圖設置。保存生成新的子模型。

2.3.3 完成子模型代碼。在編程語言中選擇C，依次點擊右邊3個圖標，用于生成子模型代碼、修改子模型代碼和編譯當前子模型，如圖6所示。

當點擊第2個圖標時，將打開源代碼文件。在代碼的相應位置，添加對滾筒外半徑r和內半徑r0的定義，如圖7（a）所示，添加對外半徑r、內半徑r0、轉動慣量J、角加速度accel和切向速度st的計算公式，如圖7（b）所示。

子模型編譯后就完成了自定義建模的全部工作，可以在菜單View下點擊相應子菜單分別預覽在AMESim參數模式和仿真模式下的顯示情況，檢查設置是否正確。主動滾筒子模型外部變量如圖8所示。

3 AMESim中的模型驗證

啟動AMESim，在模型列表添加新創建的元件和子模型，并調用一個實例進行驗證。以主動滾筒為例，主動滾筒與機械庫中的轉動慣量元件具有相同的端口，只是多一個以切向摩擦力、法向力為輸入量和以切向速度為輸出量的端口，因此，采用如圖9（a）所示的簡單系統，將轉動慣量元件和主動滾筒元件的相應參數設為相同數值，得到的各輸出量曲線完全一致，且輸出如圖9（b）所示的切向速度曲線。對切向摩擦力的輸入響應也符合受力分析公式，說明自定義子模型符合AMESim的元件規則，計算正確，滿足功能需求，實現了自定義建模的預期目標。

4 結束語

在AMESet中對制動檢驗臺的主動滾筒、從動滾筒和第三滾筒進行了自定義建模，創建了在AMESim中可用的新元件和子模型，能夠更形象、準確地表示滾筒物理模型，便于修改參數，為后續分析工作奠定了基礎。

AMESim及AMESet中可以實現不同單位制之間的自動轉換，避免了單位制轉換系數帶來的繁瑣計算工作，在機電液等多領域耦合的工程應用問題分析中具有突出優勢；可以實現積分運算的自動運行，避免了積分算法代碼編寫和積分步長確定等數學問題，有利于工程技術人員更加關注工程問題本身。

參考文獻：

[1]黃孝慈.影響制動性能檢測關鍵因素的分析研究[D].東北林業大學，2006.

[2]夏均忠.汽車檢測技術與設備[M].北京：機械工業出版社，2009.

[3]査小凈.汽車制動性能檢測方法的比較與關聯性研究[D].南昌：華東交通大學，2010.

[4]吳曉東，黃孝慈，李冰.制動性能臺試檢測方法的力學仿真及其與路試方法的關聯性分析[J].哈爾濱：東北林業大學學報，2006（5）：90-92.

[5] 付永領，祈曉野.LMS Image.Lab AMESim系統建模和仿真參考手冊[M].北京：北京航空航天大學出版社，2011.endprint

2.2.3 設置內部變量和參數：實際檢驗臺的參數指標不給出滾筒的轉動慣量，因此把轉動慣量J設為內部變量，把滾筒簡化為有固定外徑和內徑的理想圓筒，計算轉動慣量所需的滾筒外徑、內徑和質量設為實參數；滾筒的角加速度設為內部變量。第三滾筒只需要設置滾筒外徑1個參數。

2.3 AMESet中的建模過程 下面以主動滾筒為例說明自定義建模過程。

2.3.1 啟動AMESet后，如圖3所示，在菜單Modeling→Category settings→Add component的引導下添加新的元件。

其中的關鍵步驟是創建圖標。在繪制或選擇代表滾筒元件的圖形后，在圖4（a）數字“1”所指位置選擇端口類型，點擊數字“2”所指圖標，在圖形邊緣左右兩端和上端中間位置分別添加代表轉動和線性運動相應類型的端口圖標，然后點擊數字“3”所指圖標，在圖像邊緣定義端口，并選擇端口類型，數字“4”、“5”所指區域分別是圖標預覽和已定義端口列表。點擊保存回到設計元件圖標界面，對新元件進行命名、描述，并選擇父類模型，如圖4（b）所示。點擊OK后，新的元件就會添加到模型庫中，查看模型庫的樹狀列表，可以看到新的元件圖標已被添加相應的類或子類下。

2.3.2 創建新的子模型 新的元件只是一個框架模型。點擊模型列表中的新元件圖標，彈出子模型列表窗口，如圖5（a）所示，點擊OK進入子模型創建界面，如圖5（b）所示。

在圖5（b）中①區域內在端口1、端口3各添加2個變量，在端口2添加3個變量，在內部變量下添加2個變量，在實參數下添加2個參數；同時在②和③區域內對各變量和參數進行詳細設置。在④區域進行如圖設置。保存生成新的子模型。

2.3.3 完成子模型代碼。在編程語言中選擇C，依次點擊右邊3個圖標，用于生成子模型代碼、修改子模型代碼和編譯當前子模型，如圖6所示。

當點擊第2個圖標時，將打開源代碼文件。在代碼的相應位置，添加對滾筒外半徑r和內半徑r0的定義，如圖7（a）所示，添加對外半徑r、內半徑r0、轉動慣量J、角加速度accel和切向速度st的計算公式，如圖7（b）所示。

子模型編譯后就完成了自定義建模的全部工作，可以在菜單View下點擊相應子菜單分別預覽在AMESim參數模式和仿真模式下的顯示情況，檢查設置是否正確。主動滾筒子模型外部變量如圖8所示。

3 AMESim中的模型驗證

啟動AMESim，在模型列表添加新創建的元件和子模型，并調用一個實例進行驗證。以主動滾筒為例，主動滾筒與機械庫中的轉動慣量元件具有相同的端口，只是多一個以切向摩擦力、法向力為輸入量和以切向速度為輸出量的端口，因此，采用如圖9（a）所示的簡單系統，將轉動慣量元件和主動滾筒元件的相應參數設為相同數值，得到的各輸出量曲線完全一致，且輸出如圖9（b）所示的切向速度曲線。對切向摩擦力的輸入響應也符合受力分析公式，說明自定義子模型符合AMESim的元件規則，計算正確，滿足功能需求，實現了自定義建模的預期目標。

4 結束語

在AMESet中對制動檢驗臺的主動滾筒、從動滾筒和第三滾筒進行了自定義建模，創建了在AMESim中可用的新元件和子模型，能夠更形象、準確地表示滾筒物理模型，便于修改參數，為后續分析工作奠定了基礎。

AMESim及AMESet中可以實現不同單位制之間的自動轉換，避免了單位制轉換系數帶來的繁瑣計算工作，在機電液等多領域耦合的工程應用問題分析中具有突出優勢；可以實現積分運算的自動運行，避免了積分算法代碼編寫和積分步長確定等數學問題，有利于工程技術人員更加關注工程問題本身。

參考文獻：

[1]黃孝慈.影響制動性能檢測關鍵因素的分析研究[D].東北林業大學，2006.

[2]夏均忠.汽車檢測技術與設備[M].北京：機械工業出版社，2009.

[3]査小凈.汽車制動性能檢測方法的比較與關聯性研究[D].南昌：華東交通大學，2010.

[4]吳曉東，黃孝慈，李冰.制動性能臺試檢測方法的力學仿真及其與路試方法的關聯性分析[J].哈爾濱：東北林業大學學報，2006（5）：90-92.

[5] 付永領，祈曉野.LMS Image.Lab AMESim系統建模和仿真參考手冊[M].北京：北京航空航天大學出版社，2011.endprint