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談車用發(fā)動機(jī)多楔帶研究性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

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談車用發(fā)動機(jī)多楔帶研究性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

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,對于車輛工程專業(yè)本科實(shí)驗(yàn)教學(xué),結(jié)合發(fā)動機(jī)前端附件驅(qū)動系統(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)了測試方法,在不同工況下進(jìn)行動態(tài)特性試驗(yàn),對比分析了其中的關(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、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)會接觸學(xué)科的前沿和創(chuàng)新的過程,體會其中創(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)動機(jī)的重要的必要的部件,其縱向動態(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)對象

1.1發(fā)動機(jī)前端附件系統(tǒng)簡介

汽車發(fā)動機(jī)不僅提供行駛驅(qū)動力,還為空調(diào)壓縮機(jī)、發(fā)電機(jī)等發(fā)動機(jī)前端附件提供動力。發(fā)動機(jī)前端附件驅(qū)動系統(tǒng),是指安裝在發(fā)動機(jī)前端的各附件,通過傳動帶,與發(fā)動機(jī)動力輸出軸連接起來的系統(tǒng),該系統(tǒng)主要由主動輪(曲軸輪)、若干從動輪、張緊裝置和多楔帶組成,通過多楔帶將動力從主動輪傳遞到各從動輪[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態(tài)工況下工作的。對于多楔帶,其一些特性隨著發(fā)動機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)而動態(tài)變化,如剛度、阻尼等特性會隨著激勵頻率變化而動態(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,分別測試研究對其對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(MechanicalTesting&Simulation,以下簡稱MTS)測試儀。MTS測試儀提供了一個可控振幅、頻率的直線作動缸,用于測試中的激勵加載,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。其測試方案如圖2所示。測試過程如圖3所示。MTS測試儀作動端對多楔帶在各種不同工況下進(jìn)行掃頻加載,測試其動態(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)測多楔帶的橫向振動幅值,并通過LMS數(shù)采系統(tǒng)進(jìn)行處理,橫向振動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)測得的多楔帶縱向動態(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)為動剛度減小,而動阻尼增大。

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)測得的帶縱向動態(tài)特性如圖5所示??梢?,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)測得的帶縱向動態(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)。多楔帶的激勵頻率對阻尼的影響很大,多楔帶的長度、激振幅值和初始張力對阻尼的影響極小。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。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:對橫向振動、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)在不能直接測出的情況下,引導(dǎo)啟發(fā)學(xué)生利用理論與測試數(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,有些可能對測試曲線的監(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,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、創(chuàng)新思維、工程意義時(shí)刻影響著學(xué)生、激勵著學(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)知識融會貫通,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)械與汽車工程學(xué)院