車用發(fā)動(dòng)機(jī)多楔帶研究性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

魏政君

摘要： 在新工科重視科教互融， 校企互促，創(chuàng)新人才培養(yǎng)的背景下，對(duì)于車輛工程專業(yè)本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)，結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)前端附件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的最新研究成果，將校企合作課題中的多楔帶縱向動(dòng)態(tài)性能實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為研究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。文中介紹了多楔帶的結(jié)構(gòu)功能，結(jié)合實(shí)際工程案例，設(shè)計(jì)了測(cè)試方法，在不同工況下進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)，對(duì)比分析了其中的關(guān)系及影響因素，并進(jìn)行拓展。實(shí)踐表明，科研轉(zhuǎn)化的研究性教學(xué)實(shí)驗(yàn)，提升了本科實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，更鍛煉了學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、思維和能力。

Abstract： Under the background that the Emerging Engineering attaches importance to the integration of science and education， the mutual promotion of schools and enterprises， and the cultivation of innovative talents， for the undergraduate experimental teaching of vehicle engineering， Combining the latest technology of vehicle engine front end accessory drive system and importance of V-ribbed belt， the experimental design of V-ribbed belt longitudinal dynamic performance in school-enterprise cooperation project is transformed into the undergraduate research experimental teaching content of vehicle engineering. The structural function of the V-ribbed belt is introduced. Combined with the actual engineering case， the test method is designed. The longitudinal dynamic characteristics test is carried out under different working conditions， and the relationship and influencing factors are compared and analyzed. It's shown that the transformation of scientific research experiments improved the content of undergraduate experiments and exercised students' innovative consciousness， thinking and ability.

關(guān)鍵詞：多楔帶;研究性;實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

Key words： research;experimental design;V-ribbed belt

0 ?引言

高校的科研成果是寶貴的潛在實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源[1，2]，將之轉(zhuǎn)化為研究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，讓學(xué)生有機(jī)會(huì)接觸學(xué)科的前沿和創(chuàng)新的過程，體會(huì)其中創(chuàng)新研究的思想理念，有利于提高學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)與能力，這是培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的必要手段[3]。

鑒于多楔帶是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的重要的必要的部件，其縱向動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)不僅具有一定的典型性與通用性，而且為正向開發(fā)設(shè)計(jì)與產(chǎn)品驗(yàn)證提供了重要的數(shù)據(jù)。因此，將校企合作科研課題中的多楔帶試驗(yàn)研究內(nèi)容，引入至車輛工程專業(yè)本科教學(xué)的研究性實(shí)驗(yàn)，不僅能豐富本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，還有助于學(xué)生接觸汽車企業(yè)，拉近科研距離，培養(yǎng)綜合實(shí)踐能力與創(chuàng)新能力[4]。

1 ?實(shí)驗(yàn)對(duì)象

1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)前端附件系統(tǒng)簡介

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)不僅提供行駛驅(qū)動(dòng)力，還為空調(diào)壓縮機(jī)、發(fā)電機(jī)等發(fā)動(dòng)機(jī)前端附件提供動(dòng)力。發(fā)動(dòng)機(jī)前端附件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，是指安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)前端的各附件，通過傳動(dòng)帶，與發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力輸出軸連接起來的系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由主動(dòng)輪（曲軸輪）、若干從動(dòng)輪、張緊裝置和多楔帶組成，通過多楔帶將動(dòng)力從主動(dòng)輪傳遞到各從動(dòng)輪[5-9]。

1.2 多楔帶結(jié)構(gòu)功能

多楔帶（V-ribbed belt）可雙面驅(qū)動(dòng)帶輪，既能實(shí)現(xiàn)大功率的傳遞，還可提高傳遞效率，使整體結(jié)構(gòu)更緊湊，多楔帶的優(yōu)劣，直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)及其附件的性能及可靠性[10，11]。多楔帶是在V型帶的基礎(chǔ)上，并列多個(gè)微型V帶集合而成，底下部分具有等距縱向楔，并與相同形狀帶輪輪槽緊密楔合，其工作面是楔側(cè)面。多契帶具體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要結(jié)構(gòu)功能如下[12，13]：

①張力線主要承受多楔帶的縱向拉力，由合成聚酯纖維制成。

②頂層帆布用于保護(hù)張力線，保持橫向支撐，承受帶的背面摩擦，由帆布和橡膠粘合而成的覆蓋層纖維[12]。

③底層橡膠用于傳遞摩擦力，可承受橫向壓力，由添加橫向纖維組成的增強(qiáng)膠料構(gòu)成。

2 ?實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

一般車輛工程本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，汽車零部件的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)通常在靜態(tài)層面上，但往往許多零件是在動(dòng)態(tài)工況下工作的。對(duì)于多楔帶，其一些特性隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)而動(dòng)態(tài)變化，如剛度、阻尼等特性會(huì)隨著激勵(lì)頻率變化而動(dòng)態(tài)變化。

為模擬實(shí)車常用工況，設(shè)計(jì)了在不同條件下進(jìn)行其動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)。即：不同激振幅值下、不同初始張力下和不同帶長下，分別測(cè)試研究對(duì)其對(duì)縱向剛度和阻尼的影響，為其正向開發(fā)或者產(chǎn)品驗(yàn)證提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

3 ?實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)充分利用我校大型設(shè)備MTS（Mechanical Testing & Simulation，以下簡稱MTS）測(cè)試儀。MTS測(cè)試儀提供了一個(gè)可控振幅、頻率的直線作動(dòng)缸，用于測(cè)試中的激勵(lì)加載，不但可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)靜態(tài)位移加載，還可實(shí)現(xiàn)不同幅值掃頻加載。其測(cè)試方案如圖2所示。

測(cè)試過程如圖3所示。MTS測(cè)試儀作動(dòng)端對(duì)多楔帶在各種不同工況下進(jìn)行掃頻加載，測(cè)試其動(dòng)態(tài)下的參數(shù)，得到其剛度和阻尼。通過激光位移傳感器監(jiān)測(cè)多楔帶的橫向振動(dòng)幅值，并通過LMS數(shù)采系統(tǒng)進(jìn)行處理，橫向振動(dòng)的值用于判斷多楔帶是否發(fā)生共振。

4 ?實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1 激振幅值的影響

多楔帶在不同激振幅值下，其它條件固定，即：初始張力為200N，多楔帶長為370mm，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的多楔帶縱向動(dòng)態(tài)特性如圖4所示，隨著激振頻率的不斷增大，多楔帶縱向剛度先減小后變大，阻尼減小后變化較小。當(dāng)激振頻率與多楔帶本身固有頻率相近時(shí)，引起多楔帶的共振，表現(xiàn)為動(dòng)剛度減小，而動(dòng)阻尼增大。

4.2 初始張力的影響

多楔帶在不同初始張力下，其它條件固定，即：激振幅值為0.2mm，多楔帶長為370mm時(shí)，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的帶縱向動(dòng)態(tài)特性如圖5所示。可見，隨著初始張力的增加，多楔帶的縱向剛度增加，阻尼后面變化不大。

4.3 長度的影響

多楔帶在不同帶長時(shí)，其它條件固定，即：激振幅值為0.2mm，初始張力為200N時(shí)，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的帶縱向動(dòng)態(tài)特性如圖6所示。可見，隨著帶的長度增加，縱向剛度減小，阻尼略有減小。

綜上所述，多楔帶的縱向剛度、阻尼值與帶的長度、激振幅值和激振頻率相關(guān)。多楔帶的激勵(lì)頻率對(duì)阻尼的影響很大，多楔帶的長度、激振幅值和初始張力對(duì)阻尼的影響極小。實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可為產(chǎn)品正向開發(fā)設(shè)計(jì)計(jì)算提供了數(shù)據(jù)與參考，也可驗(yàn)證產(chǎn)品設(shè)計(jì)效果。

通過多因素的實(shí)驗(yàn)，鍛煉學(xué)生多方面、多角度地思考問題，進(jìn)一步內(nèi)化知識(shí)。如果實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差過大、或數(shù)據(jù)異常、或?qū)嶒?yàn)失敗，鼓勵(lì)學(xué)生敢于質(zhì)疑批判，迎難而上，分析原因，訓(xùn)練其發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、獨(dú)立解決問題的能力。

5 ?實(shí)驗(yàn)拓展

在上述研究性實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，還可根據(jù)學(xué)時(shí)與層次，進(jìn)行拓展實(shí)驗(yàn)，有助于學(xué)生的深化鍛煉，深入研究，乃至無縫接入教師科研項(xiàng)目，如：

①其它性能參數(shù)的實(shí)驗(yàn)研究。例如：對(duì)橫向振動(dòng)、滑移率、靜剛度、等效阻尼系數(shù)的實(shí)驗(yàn)研究與計(jì)算。有些參數(shù)在不能直接測(cè)出的情況下，引導(dǎo)啟發(fā)學(xué)生利用理論與測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)合，經(jīng)過計(jì)算，獲得所需參數(shù)。

②采用一些試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，如：采用正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)方法，考慮多因素、多水平的綜合影響作用。

③失效性分析。試驗(yàn)過程可能存在失效性。試樣問題、工裝問題、設(shè)備甚至人員因素等都可能影響著數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，真實(shí)性，有些可能對(duì)測(cè)試曲線的監(jiān)控過程中就可以被發(fā)現(xiàn)，引導(dǎo)鍛煉學(xué)生善于發(fā)現(xiàn)問題并解決問題。

6 ?結(jié)語

充分利用研究型大學(xué)的就近優(yōu)勢(shì)，將校企合作科研課題轉(zhuǎn)化為本科研究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)，其中的科研創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)新思維、工程意義時(shí)刻影響著學(xué)生、激勵(lì)著學(xué)生，科研實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的研究性、探索性、綜合性，拓展性更加吸引學(xué)生、鍛煉學(xué)生，促使學(xué)生將專業(yè)知識(shí)融會(huì)貫通，將理論付諸于實(shí)踐，切實(shí)有助于培養(yǎng)學(xué)生的科研創(chuàng)新能力。

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