車用發動機多楔帶研究性實驗設計

魏政君

摘要： 在新工科重視科教互融， 校企互促，創新人才培養的背景下，對于車輛工程專業本科實驗教學，結合發動機前端附件驅動系統的最新研究成果，將校企合作課題中的多楔帶縱向動態性能實驗轉化為研究性實驗教學內容。文中介紹了多楔帶的結構功能，結合實際工程案例，設計了測試方法，在不同工況下進行動態特性試驗，對比分析了其中的關系及影響因素，并進行拓展。實踐表明，科研轉化的研究性教學實驗，提升了本科實驗內容，更鍛煉了學生的創新意識、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.

關鍵詞：多楔帶;研究性;實驗設計

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驗教學資源[1，2]，將之轉化為研究性實驗教學內容，讓學生有機會接觸學科的前沿和創新的過程，體會其中創新研究的思想理念，有利于提高學生的創新意識與能力，這是培養創新型人才的必要手段[3]。

鑒于多楔帶是汽車發動機的重要的必要的部件，其縱向動態特性試驗不僅具有一定的典型性與通用性，而且為正向開發設計與產品驗證提供了重要的數據。因此，將校企合作科研課題中的多楔帶試驗研究內容，引入至車輛工程專業本科教學的研究性實驗，不僅能豐富本科實驗教學內容，還有助于學生接觸汽車企業，拉近科研距離，培養綜合實踐能力與創新能力[4]。

1 ?實驗對象

1.1 發動機前端附件系統簡介

汽車發動機不僅提供行駛驅動力，還為空調壓縮機、發電機等發動機前端附件提供動力。發動機前端附件驅動系統，是指安裝在發動機前端的各附件，通過傳動帶，與發動機動力輸出軸連接起來的系統，該系統主要由主動輪（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 多楔帶結構功能

多楔帶（V-ribbed belt）可雙面驅動帶輪，既能實現大功率的傳遞，還可提高傳遞效率，使整體結構更緊湊，多楔帶的優劣，直接影響發動機及其附件的性能及可靠性[10，11]。多楔帶是在V型帶的基礎上，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，其工作面是楔側面。多契帶具體結構如圖1所示，主要結構功能如下[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膠料構成。

2 ?實驗內容

一般車輛工程本科實驗教學中，汽車零部件的傳統實驗通常在靜態層面上，但往往許多零件是在動態工況下工作的。對于多楔帶，其一些特性隨著發動機的運轉而動態變化，如剛度、阻尼等特性會隨著激勵頻率變化而動態變化。

為模擬實車常用工況，設計了在不同條件下進行其動態特性試驗。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，為其正向開發或者產品驗證提供實驗依據。

3 ?實驗方法

本實驗充分利用我校大型設備MTS（Mechanical Testing & 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，不但可實現準靜態位移加載，還可實現不同幅值掃頻加載。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行掃頻加載，測試其動態下的參數，得到其剛度和阻尼。通過激光位移傳感器監測多楔帶的橫向振動幅值，并通過LMS數采系統進行處理，橫向振動的值用于判斷多楔帶是否發生共振。

4 ?實驗結果

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，實驗測得的多楔帶縱向動態特性如圖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。當激振頻率與多楔帶本身固有頻率相近時，引起多楔帶的共振，表現為動剛度減小，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，實驗測得的帶縱向動態特性如圖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，其它條件固定，即：激振幅值為0.2mm，初始張力為200N時，實驗測得的帶縱向動態特性如圖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。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。實驗結果，可為產品正向開發設計計算提供了數據與參考，也可驗證產品設計效果。

通過多因素的實驗，鍛煉學生多方面、多角度地思考問題，進一步內化知識。如果實驗結果誤差過大、或數據異常、或實驗失敗，鼓勵學生敢于質疑批判，迎難而上，分析原因，訓練其發現問題、分析問題、獨立解決問題的能力。

5 ?實驗拓展

在上述研究性實驗的基礎上，還可根據學時與層次，進行拓展實驗，有助于學生的深化鍛煉，深入研究，乃至無縫接入教師科研項目，如：

①其它性能參數的實驗研究。例如：對橫向振動、滑移率、靜剛度、等效阻尼系數的實驗研究與計算。有些參數在不能直接測出的情況下，引導啟發學生利用理論與測試數據結合，經過計算，獲得所需參數。

②采用一些試驗設計方法，如：采用正交設計試驗方法，考慮多因素、多水平的綜合影響作用。

③失效性分析。試驗過程可能存在失效性。試樣問題、工裝問題、設備甚至人員因素等都可能影響著數據的準確性，真實性，有些可能對測試曲線的監控過程中就可以被發現，引導鍛煉學生善于發現問題并解決問題。

6 ?結語

充分利用研究型大學的就近優勢，將校企合作科研課題轉化為本科研究性實驗教學，其中的科研創新意識、創新思維、工程意義時刻影響著學生、激勵著學生，科研實驗內容的研究性、探索性、綜合性，拓展性更加吸引學生、鍛煉學生，促使學生將專業知識融會貫通，將理論付諸于實踐，切實有助于培養學生的科研創新能力。

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