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

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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(chē)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。

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

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(guò)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(chē)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(kāi)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?jī)?nèi)容，引入至車(chē)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(chē)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(jiǎn)介

汽車(chē)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(guò)傳動(dòng)帶，與發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力輸出軸連接起來(lái)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(guò)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-ribbedbelt）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?gòu)埩€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(chē)輛工程本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，汽車(chē)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(chē)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(zhǎng)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(kāi)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（MechanicalTesting&Simulation，以下簡(jiǎn)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(guò)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(guò)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(guò)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(zhǎng)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(zhǎng)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?？梢?jiàn)，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(zhǎng)度的影響

多楔帶在不同帶長(zhǎng)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?？梢?jiàn)，隨著帶的長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(kāi)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(guò)多因素的實(shí)驗(yàn)，鍛煉學(xué)生多方面、多角度地思考問(wèn)題，進(jìn)一步內(nèi)化知識(shí)。如果實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差過(guò)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(wèn)題、分析問(wèn)題、獨(dú)立解決問(wèn)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(wú)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(guò)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(guò)程可能存在失效性。試樣問(wèn)題、工裝問(wèn)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(guò)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(wèn)題并解決問(wèn)題。

6結(jié)語(yǔ)

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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作者：魏政君 單位：華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院