自動(dòng)張緊器固有頻率測(cè)試探索性實(shí)驗(yàn)研究

李利平, 李廣龍 , 上官文斌 , 曾祥坤

(1. 華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院, 廣東 廣州 510641；2. 廣東技術(shù)師范學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院, 廣東 廣州 510665)

自動(dòng)張緊器固有頻率測(cè)試探索性實(shí)驗(yàn)研究

李利平1, 李廣龍1, 上官文斌1, 曾祥坤2

(1. 華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院, 廣東 廣州 510641；2. 廣東技術(shù)師范學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院, 廣東 廣州 510665)

以螺旋彈簧式自動(dòng)張緊器的固有頻率測(cè)試為例,闡述科研成果轉(zhuǎn)化為本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探索性實(shí)驗(yàn)研究。分析了實(shí)驗(yàn)對(duì)象的結(jié)構(gòu)和功能,確定了實(shí)驗(yàn)方案,搭建了測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái),在不同的加速度激勵(lì)下,測(cè)試了螺旋彈簧式自動(dòng)張緊器3個(gè)方向的固有頻率,對(duì)比并分析了固有頻率與激勵(lì)加速度的關(guān)系。實(shí)踐表明,科研項(xiàng)目促進(jìn)了實(shí)驗(yàn)教學(xué),有利于新型人才培養(yǎng)。

自動(dòng)張緊器； 固有頻率； 實(shí)驗(yàn)研究

對(duì)于研究型大學(xué)來(lái)說(shuō),高水平的科研工作永遠(yuǎn)是提高教學(xué)水平的助推器,將科研與教學(xué)緊密結(jié)合是提高教學(xué)水平的有效途徑之一。實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容與科研結(jié)合得更緊才有利于學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和能力的培養(yǎng)[1-2]。

本文以車輛工程專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)中的一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為例,開(kāi)展探索性實(shí)驗(yàn)研究。該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目來(lái)自校企合作課題,該課題對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)前端附件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行研究、設(shè)計(jì)及優(yōu)化,從中選取一個(gè)測(cè)試內(nèi)容——螺旋彈簧式自動(dòng)張緊器固有頻率的測(cè)試，作為車輛工程綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目之一,切實(shí)促進(jìn)了教學(xué),豐富了學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu),提高了學(xué)生的認(rèn)知能力和水平,增強(qiáng)了學(xué)生的創(chuàng)新性思維和動(dòng)手實(shí)踐能力。

1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

1.1 EFEAD系統(tǒng)

隨著人們對(duì)汽車NVH(noise, vibration, harshness)性能要求的日漸提高,為確保發(fā)動(dòng)機(jī)前端附件驅(qū)動(dòng)(engine front end accessory drive,簡(jiǎn)稱EFEAD)系統(tǒng)(見(jiàn)圖1)良好的動(dòng)力傳遞,維持合理的帶張力,減小帶、輪間滑移率,自動(dòng)張緊器成為EFEAD系統(tǒng)中的重要部件(圖1中張緊輪與自動(dòng)張緊器有關(guān)聯(lián)),它能夠有效改善發(fā)動(dòng)機(jī)前端附件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性[3-5]。

國(guó)外學(xué)者較早地開(kāi)展了針對(duì)自動(dòng)張緊器的研究,主要涉及自動(dòng)張緊器彈簧設(shè)計(jì)計(jì)算的研究[6-8],自動(dòng)張

圖1 EFEAD系統(tǒng)示意圖

緊器的建模及其動(dòng)態(tài)特性研究[9]。國(guó)內(nèi)方面,侯之超、勞耀新等人針對(duì)EFEAD系統(tǒng)建立了輪-弦線帶耦合振動(dòng)模型,從理論上推導(dǎo)了張緊器各設(shè)計(jì)參數(shù)基于系統(tǒng)固有頻率的靈敏度控制方程[10-11]；上官文斌等人建立了三輪-梁帶耦合模型,分析了自動(dòng)張緊器各參數(shù)對(duì)EFEAD系統(tǒng)中各帶段橫向變形的影響,建立了單根多楔帶附件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái),驗(yàn)證模型正確性[12]。

1.2 螺旋彈簧式自動(dòng)張緊器的結(jié)構(gòu)

螺旋彈簧式自動(dòng)張緊器(見(jiàn)圖2)主要的組成部件包括底座、張緊臂和皮帶輪等,張緊臂和底座通過(guò)芯軸相連,構(gòu)成一個(gè)封閉式的腔體,該腔體內(nèi)設(shè)有彈簧元件和阻尼元件。

圖2 自動(dòng)張緊器的結(jié)構(gòu)

在EFEAD系統(tǒng)中,張緊器底座與發(fā)動(dòng)機(jī)表面固連,張緊器的皮帶輪與多楔帶接觸。螺旋彈簧式自動(dòng)張緊器的高度較高,軸向尺寸較小,一般用于徑向空間較小而軸向空間較大的發(fā)動(dòng)機(jī)前端附件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

1.3 螺旋彈簧式自動(dòng)張緊器的功能

自動(dòng)張緊器在EFEAD系統(tǒng)中主要有以下功能:

(1) 保證多楔帶具有一定的帶張力。為了保證曲軸輸出的動(dòng)力能夠正常傳遞到各附件上,要求多楔帶具有一定的帶張力。裝配自動(dòng)張緊器時(shí),需將螺旋扭轉(zhuǎn)彈簧預(yù)先旋轉(zhuǎn)一定的角度,裝配好后,張緊臂會(huì)在螺旋扭轉(zhuǎn)彈簧的作用下,繞芯軸沿彈簧卸載方向轉(zhuǎn)動(dòng),并帶動(dòng)張緊臂上的皮帶輪轉(zhuǎn)動(dòng),此時(shí)多楔帶被皮帶輪壓緊,產(chǎn)生一定的帶張力。

(2) 抑制皮帶抖動(dòng)。當(dāng)多楔帶伸長(zhǎng)或縮短時(shí),會(huì)驅(qū)動(dòng)張緊臂繞芯軸旋轉(zhuǎn),張緊臂內(nèi)的螺旋彈簧產(chǎn)生相應(yīng)的卸載或加載運(yùn)動(dòng),螺旋彈簧內(nèi)徑縮小,沿徑向擠壓阻尼元件,使得阻尼元件與芯軸間產(chǎn)生摩擦阻尼。由螺旋彈簧和阻尼元件共同構(gòu)成的阻尼機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的阻尼力能夠有效阻止和抑制發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)而引起的皮帶抖動(dòng)。

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

在1、2 、5g(g=9.8 m/s2)的加速度激勵(lì)下,測(cè)試螺旋彈簧式自動(dòng)張緊器3個(gè)方向的固有頻率,對(duì)比并分析張緊器固有頻率與激勵(lì)加速度的關(guān)系,為自動(dòng)張緊器的參數(shù)設(shè)計(jì)和參數(shù)選擇提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

3 測(cè)試方案及結(jié)果分析

3.1 測(cè)試方案及設(shè)備

測(cè)試方案見(jiàn)圖3。

圖3 測(cè)試方案

采用憶恒振動(dòng)控制系統(tǒng)(包括數(shù)據(jù)采集儀、振動(dòng)臺(tái)和控制柜)、1個(gè)單向加速度傳感器和1個(gè)三向加速度傳感器對(duì)張緊器的固有頻率進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試過(guò)程如圖4示。對(duì)自動(dòng)張緊器施加恒定加速度激勵(lì),激勵(lì)加速度分別為1、2、5g,激勵(lì)頻率范圍為50～1000 Hz,測(cè)試在常溫下進(jìn)行。

圖4 測(cè)試過(guò)程

3.2 測(cè)試結(jié)果

在激勵(lì)加速度分別為1、2、5g下測(cè)試所得的自動(dòng)張緊器在X、Y、Z3個(gè)方向的固有頻率，結(jié)果分別如圖5—7所示。采用多次循環(huán)掃頻取平均值的方式獲得各方向的固有頻率值。

從圖5(a)、(b)中可以看出,350 Hz和530 Hz處分別出現(xiàn)峰值,峰值對(duì)應(yīng)的頻率即為張緊器X向的前兩階固有頻率；圖5(c)中只有在539 Hz處出現(xiàn)峰值,原因是由于第一階固有頻率未被激勵(lì)出。自動(dòng)張緊器X向前兩階固有頻率的測(cè)試結(jié)果如表1。從表中可以看出,不同激勵(lì)加速度下,張緊器X向的一階和二階固有頻率基本一致,說(shuō)明張緊器X向的固有頻率基本不受激勵(lì)加速度的影響。

圖5 張緊器X向加速度傳遞函數(shù)曲線

激勵(lì)加速度一階固有頻率/Hz二階固有頻率/Hz1g3505382g3445245g--539均值347534

從圖6(b)和(c)中看出,在2g和5g激勵(lì)下,430 Hz處和750 Hz處分別出現(xiàn)明顯峰值,峰值對(duì)應(yīng)頻率分別為張緊器Y向的前兩階固有頻率；從圖6(c)中可以看出,在1g加速度激勵(lì)下,僅在779 Hz處出現(xiàn)明顯峰值。結(jié)合圖6(a)、(b)可知,此時(shí)張緊器一階固有頻率未被激勵(lì)出。自動(dòng)張緊器Y向前二階固有頻率的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2,從表中可以看出,不同激勵(lì)加速度下,張緊器Y向的一階固有頻率和二階固有頻率基本一致,說(shuō)明張緊器Y向的固有頻率基本不受激勵(lì)加速度的影響。

圖6 張緊器Y向加速度傳遞函數(shù)曲線

激勵(lì)加速度一階固有頻率/Hz二階固有頻率/Hz1g--7792g4357645g418755均值427766

從圖7(a)、(b)和(c)中可以看出,1、2、5g加速度激勵(lì)下,在200 Hz附近處出現(xiàn)明顯峰值。張緊器Z向固有頻率的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。從表中可以看出,不同激勵(lì)加速度下,張緊器Z向的一階固有頻率基本一致,說(shuō)明張緊器Z向的固有頻率基本不受激勵(lì)加速度的影響。

圖7 張緊器Z向固有頻率測(cè)試加速度傳遞函數(shù)曲線

激勵(lì)加速度一階固有頻率/Hz1g1902g2075g219均值205

3.3 測(cè)試結(jié)論

分別在不同加速度激勵(lì)下,測(cè)試張緊器3個(gè)方向的固有頻率,對(duì)比并分析測(cè)試數(shù)據(jù),得出以下結(jié)論:

(1) 測(cè)試得到自動(dòng)張緊器X向前兩階固有頻率分別為347 Hz和534 Hz；Y向前兩階固有頻率分別為427 Hz、766 Hz；Z向的一階固有頻率為205 Hz；

(2) 張緊器某一方向的固有頻率不隨激勵(lì)加速度變化。

4 結(jié)語(yǔ)

將科研成果轉(zhuǎn)化為本科生的探索性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。學(xué)生為了完成螺旋彈簧式自動(dòng)張緊器固有頻率的測(cè)試實(shí)驗(yàn),必將梳理整合所學(xué)的專業(yè)課知識(shí),做到融會(huì)貫通；而且還要自學(xué)信號(hào)分析及處理相關(guān)理論知識(shí),完成實(shí)驗(yàn)背景相關(guān)文獻(xiàn)的搜索整理,獨(dú)立完成對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析處理,這些環(huán)節(jié)切實(shí)鍛煉了學(xué)生的自學(xué)能力及獨(dú)立辦事能力，提高學(xué)生的知識(shí)層面及見(jiàn)識(shí),培養(yǎng)了學(xué)生的探索精神。

References)

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Exploratory experimental study of natural frequency test of automatic tensioner

Li Liping1, Li Guanglong1, Shangguan Wenbin1, Zeng Xiangkun2

(1. School of Mechanical and Automotive Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510641, China; 2. College of Electromechanical Engineering, Guangdong Polytechnic Normal University, Guangzhou 510665, China)

By taking the natural frequency test of the coil spring automatic tensioner as an example, this paper expounds upon the exploratory experimental study on the transformation of research achievements into undergraduate experimental teaching. The structure and function of the experimental object are analyzed, the experimental scheme is determined, and the test platform is set up. The natural frequencies in the three directions of the coil spring automatic tensioner are tested under different accelerations, and the relationship between the natural frequency and the excitation acceleration is analyzed and compared. The practice shows that the research project promotes the experimental teaching and is beneficial for cultivating new-type talents.

automatic tensioner; natural frequency; experimental study

G642.0;U464

: A

: 1002-4956(2017)09-0060-04

2017-03-10修改日期:2017-05-03

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51275175,51305085)；廣東省實(shí)驗(yàn)室研究會(huì)基金項(xiàng)目(GDJ2016001)；華南理工大學(xué)“探索性實(shí)驗(yàn)”教學(xué)項(xiàng)目(201630)

李利平(1981—),女(回族),河南長(zhǎng)葛,碩士,講師,主要從事車輛工程專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)與科研工作.

E-mail:melpli@scut.edu.cn

10.16791/j.cnki.sjg.2017.09.016