自動張緊器固有頻率測試探索性實驗研究

李利平, 李廣龍 , 上官文斌 , 曾祥坤

(1. 華南理工大學 機械與汽車工程學院, 廣東 廣州 510641；2. 廣東技術師范學院 機電工程學院, 廣東 廣州 510665)

自動張緊器固有頻率測試探索性實驗研究

李利平1, 李廣龍1, 上官文斌1, 曾祥坤2

(1. 華南理工大學 機械與汽車工程學院, 廣東 廣州 510641；2. 廣東技術師范學院 機電工程學院, 廣東 廣州 510665)

以螺旋彈簧式自動張緊器的固有頻率測試為例,闡述科研成果轉化為本科實驗教學的探索性實驗研究。分析了實驗對象的結構和功能,確定了實驗方案,搭建了測試實驗臺,在不同的加速度激勵下,測試了螺旋彈簧式自動張緊器3個方向的固有頻率,對比并分析了固有頻率與激勵加速度的關系。實踐表明,科研項目促進了實驗教學,有利于新型人才培養。

自動張緊器； 固有頻率； 實驗研究

對于研究型大學來說,高水平的科研工作永遠是提高教學水平的助推器,將科研與教學緊密結合是提高教學水平的有效途徑之一。實驗教學內容與科研結合得更緊才有利于學生創新意識和能力的培養[1-2]。

本文以車輛工程專業綜合實驗中的一個實驗項目為例,開展探索性實驗研究。該實驗項目來自校企合作課題,該課題對汽車發動機前端附件驅動系統進行研究、設計及優化,從中選取一個測試內容——螺旋彈簧式自動張緊器固有頻率的測試，作為車輛工程綜合實驗教學項目之一,切實促進了教學,豐富了學生的知識結構,提高了學生的認知能力和水平,增強了學生的創新性思維和動手實踐能力。

1 實驗對象

1.1 EFEAD系統

隨著人們對汽車NVH(noise, vibration, harshness)性能要求的日漸提高,為確保發動機前端附件驅動(engine front end accessory drive,簡稱EFEAD)系統(見圖1)良好的動力傳遞,維持合理的帶張力,減小帶、輪間滑移率,自動張緊器成為EFEAD系統中的重要部件(圖1中張緊輪與自動張緊器有關聯),它能夠有效改善發動機前端附件驅動系統的動態特性[3-5]。

國外學者較早地開展了針對自動張緊器的研究,主要涉及自動張緊器彈簧設計計算的研究[6-8],自動張

圖1 EFEAD系統示意圖

緊器的建模及其動態特性研究[9]。國內方面,侯之超、勞耀新等人針對EFEAD系統建立了輪-弦線帶耦合振動模型,從理論上推導了張緊器各設計參數基于系統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,分析了自動張緊器各參數對EFEAD系統中各帶段橫向變形的影響,建立了單根多楔帶附件驅動系統試驗臺,驗證模型正確性[12]。

1.2 螺旋彈簧式自動張緊器的結構

螺旋彈簧式自動張緊器(見圖2)主要的組成部件包括底座、張緊臂和皮帶輪等,張緊臂和底座通過芯軸相連,構成一個封閉式的腔體,該腔體內設有彈簧元件和阻尼元件。

圖2 自動張緊器的結構

在EFEAD系統中,張緊器底座與發動機表面固連,張緊器的皮帶輪與多楔帶接觸。螺旋彈簧式自動張緊器的高度較高,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動機前端附件驅動系統。

1.3 螺旋彈簧式自動張緊器的功能

自動張緊器在EFEAD系統中主要有以下功能:

(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。裝配自動張緊器時,需將螺旋扭轉彈簧預先旋轉一定的角度,裝配好后,張緊臂會在螺旋扭轉彈簧的作用下,繞芯軸沿彈簧卸載方向轉動,并帶動張緊臂上的皮帶輪轉動,此時多楔帶被皮帶輪壓緊,產生一定的帶張力。

(2) 抑制皮帶抖動。當多楔帶伸長或縮短時,會驅動張緊臂繞芯軸旋轉,張緊臂內的螺旋彈簧產生相應的卸載或加載運動,螺旋彈簧內徑縮小,沿徑向擠壓阻尼元件,使得阻尼元件與芯軸間產生摩擦阻尼。由螺旋彈簧和阻尼元件共同構成的阻尼機構產生的阻尼力能夠有效阻止和抑制發動機運轉而引起的皮帶抖動。

2 實驗內容

在1、2 、5g(g=9.8 m/s2)的加速度激勵下,測試螺旋彈簧式自動張緊器3個方向的固有頻率,對比并分析張緊器固有頻率與激勵加速度的關系,為自動張緊器的參數設計和參數選擇提供實驗依據。

3 測試方案及結果分析

3.1 測試方案及設備

測試方案見圖3。

圖3 測試方案

采用憶恒振動控制系統(包括數據采集儀、振動臺和控制柜)、1個單向加速度傳感器和1個三向加速度傳感器對張緊器的固有頻率進行測試,測試過程如圖4示。對自動張緊器施加恒定加速度激勵,激勵加速度分別為1、2、5g,激勵頻率范圍為50～1000 Hz,測試在常溫下進行。

圖4 測試過程

3.2 測試結果

在激勵加速度分別為1、2、5g下測試所得的自動張緊器在X、Y、Z3個方向的固有頻率，結果分別如圖5—7所示。采用多次循環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處分別出現峰值,峰值對應的頻率即為張緊器X向的前兩階固有頻率；圖5(c)中只有在539 Hz處出現峰值,原因是由于第一階固有頻率未被激勵出。自動張緊器X向前兩階固有頻率的測試結果如表1。從表中可以看出,不同激勵加速度下,張緊器X向的一階和二階固有頻率基本一致,說明張緊器X向的固有頻率基本不受激勵加速度的影響。

圖5 張緊器X向加速度傳遞函數曲線

激勵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激勵下,430 Hz處和750 Hz處分別出現明顯峰值,峰值對應頻率分別為張緊器Y向的前兩階固有頻率；從圖6(c)中可以看出,在1g加速度激勵下,僅在779 Hz處出現明顯峰值。結合圖6(a)、(b)可知,此時張緊器一階固有頻率未被激勵出。自動張緊器Y向前二階固有頻率的測試結果見表2,從表中可以看出,不同激勵加速度下,張緊器Y向的一階固有頻率和二階固有頻率基本一致,說明張緊器Y向的固有頻率基本不受激勵加速度的影響。

圖6 張緊器Y向加速度傳遞函數曲線

激勵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加速度激勵下,在200 Hz附近處出現明顯峰值。張緊器Z向固有頻率的測試結果見表3。從表中可以看出,不同激勵加速度下,張緊器Z向的一階固有頻率基本一致,說明張緊器Z向的固有頻率基本不受激勵加速度的影響。

圖7 張緊器Z向固有頻率測試加速度傳遞函數曲線

激勵加速度一階固有頻率/Hz1g1902g2075g219均值205

3.3 測試結論

分別在不同加速度激勵下,測試張緊器3個方向的固有頻率,對比并分析測試數據,得出以下結論:

(1) 測試得到自動張緊器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加速度變化。

4 結語

將科研成果轉化為本科生的探索性實驗項目,有利于培養學生的創新能力。學生為了完成螺旋彈簧式自動張緊器固有頻率的測試實驗,必將梳理整合所學的專業課知識,做到融會貫通；而且還要自學信號分析及處理相關理論知識,完成實驗背景相關文獻的搜索整理,獨立完成對實驗結果的分析處理,這些環節切實鍛煉了學生的自學能力及獨立辦事能力，提高學生的知識層面及見識,培養了學生的探索精神。

References)

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[3] 曾祥坤, 上官文斌, 張少飛. 具有單向離合解耦器的發動機前端附件驅動系統的旋轉振動建模及參數優化設計[J]. 內燃機學報, 2012,2(4):3.

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[11] Hou Z, Lao Y, Lu Q. Sensitivity analysis and parameter optimization for vibration reduction of undamped multi-ribbed belt drive systems[J]. Journal of Sound and Vibration, 2008, 317(3):591-607.

[12] 上官文斌, 王紅云, 張智. 多楔帶傳動系統振動建模及帶段橫向振動控制的研究[J]. 振動工程學報, 2009(3):250-255.

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

國家自然科學基金項目(51275175,51305085)；廣東省實驗室研究會基金項目(GDJ2016001)；華南理工大學“探索性實驗”教學項目(201630)

李利平(1981—),女(回族),河南長葛,碩士,講師,主要從事車輛工程專業的實踐教學與科研工作.

E-mail:melpli@scut.edu.cn

10.16791/j.cnki.sjg.2017.09.016