车用发动机多楔带研究性实验设计

魏政君

摘要： 在新工科重视科教互融， 校企互促，创新人才培养的背景下，对于车辆工程专业本科实验教学，结合发动机前端附件驱动系统的最新研究成果，将校企合作课题中的多楔带纵向动态性能实验转化为研究性实验教学内容。文中介绍了多楔带的结构功能，结合实际工程案例，设计了测试方法，在不同工况下进行动态特性试验，对比分析了其中的关系及影响因素，并进行拓展。实践表明，科研转化的研究性教学实验，提升了本科实验内容，更锻炼了学生的创新意识、思维和能力。

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.

关键词：多楔带;研究性;实验设计

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

0  引言

高校的科研成果是宝贵的潜在实验教学资源[1，2]，将之转化为研究性实验教学内容，让学生有机会接触学科的前沿和创新的过程，体会其中创新研究的思想理念，有利于提高学生的创新意识与能力，这是培养创新型人才的必要手段[3]。

鉴于多楔带是汽车发动机的重要的必要的部件，其纵向动态特性试验不仅具有一定的典型性与通用性，而且为正向开发设计与产品验证提供了重要的数据。因此，将校企合作科研课题中的多楔带试验研究内容，引入至车辆工程专业本科教学的研究性实验，不仅能丰富本科实验教学内容，还有助于学生接触汽车企业，拉近科研距离，培养综合实践能力与创新能力[4]。

1  实验对象

1.1 发动机前端附件系统简介

汽车发动機不仅提供行驶驱动力，还为空调压缩机、发电机等发动机前端附件提供动力。发动机前端附件驱动系统，是指安装在发动机前端的各附件，通过传动带，与发动机动力输出轴连接起来的系统，该系统主要由主动轮（曲轴轮）、若干从动轮、张紧装置和多楔带组成，通过多楔带将动力从主动轮传递到各从动轮[5-9]。

1.2 多楔带结构功能

多楔带（V-ribbed belt）可双面驱动带轮，既能实现大功率的传递，还可提高传递效率，使整体结构更紧凑，多楔带的优劣，直接影响发动机及其附件的性能及可靠性[10，11]。多楔带是在V型带的基础上，并列多个微型V带集合而成，底下部分具有等距纵向楔，并与相同形状带轮轮槽紧密楔合，其工作面是楔侧面。多契带具体结构如图1所示，主要结构功能如下[12，13]：

①张力线主要承受多楔带的纵向拉力，由合成聚酯纤维制成。

②顶层帆布用于保护张力线，保持横向支撑，承受带的背面摩擦，由帆布和橡胶粘合而成的覆盖层纤维[12]。

③底层橡胶用于传递摩擦力，可承受横向压力，由添加横向纤维组成的增强胶料构成。

2  实验内容

一般车辆工程本科实验教学中，汽车零部件的传统实验通常在静态层面上，但往往许多零件是在动态工况下工作的。对于多楔带，其一些特性随着发动机的运转而动态变化，如刚度、阻尼等特性会随着激励频率变化而动态变化。

为模拟实车常用工况，设计了在不同条件下进行其动态特性试验。即：不同激振幅值下、不同初始张力下和不同带长下，分别测试研究对其对纵向刚度和阻尼的影响，为其正向开发或者产品验证提供实验依据。

3  实验方法

本实验充分利用我校大型设备MTS（Mechanical Testing & Simulation，以下简称MTS）测试仪。MTS测试仪提供了一个可控振幅、频率的直线作动缸，用于测试中的激励加载，不但可实现准静态位移加载，还可实现不同幅值扫频加载。其测试方案如图2所示。

测试过程如图3所示。MTS测试仪作动端对多楔带在各种不同工况下进行扫频加载，测试其动态下的参数，得到其刚度和阻尼。通过激光位移传感器监测多楔带的横向振动幅值，并通过LMS数采系统进行处理，横向振动的值用于判断多楔带是否发生共振。

4  实验结果

4.1 激振幅值的影响

多楔带在不同激振幅值下，其它条件固定，即：初始张力为200N，多楔带长为370mm，实验测得的多楔带纵向动态特性如图4所示，随着激振频率的不断增大，多楔带纵向刚度先减小后变大，阻尼减小后变化较小。当激振频率与多楔带本身固有频率相近时，引起多楔带的共振，表现为动刚度减小，而动阻尼增大。

4.2 初始张力的影响

多楔带在不同初始张力下，其它条件固定，即：激振幅值为0.2mm，多楔带长为370mm时，实验测得的带纵向动态特性如图5所示。可见，随着初始张力的增加，多楔带的纵向刚度增加，阻尼后面变化不大。

4.3 长度的影响

多楔带在不同带长时，其它条件固定，即：激振幅值为0.2mm，初始张力为200N时，实验测得的带纵向动态特性如图6所示。可见，随着带的长度增加，纵向刚度减小，阻尼略有减小。

综上所述，多楔带的纵向刚度、阻尼值与带的长度、激振幅值和激振频率相关。多楔带的激励频率对阻尼的影响很大，多楔带的长度、激振幅值和初始张力对阻尼的影响极小。实验结果，可为产品正向开发设计计算提供了数据与参考，也可验证产品设计效果。

通过多因素的实验，锻炼学生多方面、多角度地思考问题，进一步内化知识。如果实验结果误差过大、或数据异常、或实验失败，鼓励学生敢于质疑批判，迎难而上，分析原因，训练其发现问题、分析问题、独立解决问题的能力。

5  实验拓展

在上述研究性实验的基础上，还可根据学时与层次，进行拓展实验，有助于学生的深化锻炼，深入研究，乃至无缝接入教师科研项目，如：

①其它性能参数的实验研究。例如：对横向振动、滑移率、静刚度、等效阻尼系数的实验研究与计算。有些参数在不能直接测出的情况下，引导启发学生利用理论与测试数据结合，经过计算，获得所需参数。

②采用一些试验设计方法，如：采用正交设计试验方法，考虑多因素、多水平的综合影响作用。

③失效性分析。试验过程可能存在失效性。试样问题、工装问题、设备甚至人员因素等都可能影响着数据的准确性，真实性，有些可能对测试曲线的监控过程中就可以被发现，引导锻炼学生善于发现问题并解决问题。

6  结语

充分利用研究型大学的就近优势，将校企合作科研课题转化为本科研究性实验教学，其中的科研创新意识、创新思维、工程意义时刻影响着学生、激励着学生，科研实验内容的研究性、探索性、综合性，拓展性更加吸引学生、锻炼学生，促使学生将专业知识融会贯通，将理论付诸于实践，切实有助于培养学生的科研创新能力。

参考文献：

[1]王金发，戚康标，张以顺，等.强化共享平台建设促进教学与科研相互转化[J].实验室研究与探索，2009，28（4）：216-217.

[2]吴洪富.教学与科研关系的研究范式及其超越[J].高教探索，2012（2）：19-24.

[3]扈旻，邓北星，马晓红.科研成果转化为实验教学内容的探索与实践[J].实验技术与管理，2012，29（10）：21-23.

[4]李利平，李广龙，上官文斌，等.自动张紧器固有频率测试探索性实验研究[J].实验技术与管理，2017，34（9）：60-68.

[5]Shangguan W.B. Experimental and Calculation Analysis of Rotational Vibration for an Engine Front End Accessory Drive System[J]. SAE International Journal of Passenger Cars- Mechanical Systems， 2011， 4（2）：1000-1017.

[6]Hwang S.J， Perkins N.C， Ulsoy A.G， et al. Rotational response and slip prediction of serpentine belt drives systems[J]. ASME Journal of Vibration and Acoustics， 1994， 116（1）： 71-78.

[7]上官文斌，王红云，张智.多楔带传动系统振动建模及带段横向振动控制的研究[J].振动工程学报，2009（3）：250-255.

[8]曾祥坤，王红云，刘建荣.附件驱动系统中自动张紧器的动态特性实测与建模分析[J].振動与冲击，2014，33（18）：149-155.

[9]曾祥坤，陈链，喻菲菲，等.车用发动机自动张紧器静态力学特性实测分析[J].力学与实践，2015，37（1）：100-103.

[10]袁催，罗世君.发动机前端附件系统布置及计算[J].装备制造技术，2017（11）：122-124.

[11]李庆成.汽车发动机多楔带轮系设计[J].内燃机与配件，2018（19）：14-16.

[12]吕兆平.多楔带轮系设计基础[J].企业科技与发展，2008（18）：84-86.

[13]陈志龙.发动机前端附件驱动系统的设计与实测分析[D].广州，华南理工大学，2013.