自动张紧器固有频率测试探索性实验研究

李利平, 李广龙 , 上官文斌 , 曾祥坤

(1. 华南理工大学 机械与汽车工程学院, 广东 广州 510641；2. 广东技术师范学院 机电工程学院, 广东 广州 510665)

自动张紧器固有频率测试探索性实验研究

李利平1, 李广龙1, 上官文斌1, 曾祥坤2

(1. 华南理工大学 机械与汽车工程学院, 广东 广州 510641；2. 广东技术师范学院 机电工程学院, 广东 广州 510665)

以螺旋弹簧式自动张紧器的固有频率测试为例,阐述科研成果转化为本科实验教学的探索性实验研究。分析了实验对象的结构和功能,确定了实验方案,搭建了测试实验台,在不同的加速度激励下,测试了螺旋弹簧式自动张紧器3个方向的固有频率,对比并分析了固有频率与激励加速度的关系。实践表明,科研项目促进了实验教学,有利于新型人才培养。

自动张紧器； 固有频率； 实验研究

对于研究型大学来说,高水平的科研工作永远是提高教学水平的助推器,将科研与教学紧密结合是提高教学水平的有效途径之一。实验教学内容与科研结合得更紧才有利于学生创新意识和能力的培养[1-2]。

本文以车辆工程专业综合实验中的一个实验项目为例,开展探索性实验研究。该实验项目来自校企合作课题,该课题对汽车发动机前端附件驱动系统进行研究、设计及优化,从中选取一个测试内容——螺旋弹簧式自动张紧器固有频率的测试，作为车辆工程综合实验教学项目之一,切实促进了教学,丰富了学生的知识结构,提高了学生的认知能力和水平,增强了学生的创新性思维和动手实践能力。

1 实验对象

1.1 EFEAD系统

随着人们对汽车NVH(noise, vibration, harshness)性能要求的日渐提高,为确保发动机前端附件驱动(engine front end accessory drive,简称EFEAD)系统(见图1)良好的动力传递,维持合理的带张力,减小带、轮间滑移率,自动张紧器成为EFEAD系统中的重要部件(图1中张紧轮与自动张紧器有关联),它能够有效改善发动机前端附件驱动系统的动态特性[3-5]。

国外学者较早地开展了针对自动张紧器的研究,主要涉及自动张紧器弹簧设计计算的研究[6-8],自动张

图1 EFEAD系统示意图

紧器的建模及其动态特性研究[9]。国内方面,侯之超、劳耀新等人针对EFEAD系统建立了轮-弦线带耦合振动模型,从理论上推导了张紧器各设计参数基于系统固有频率的灵敏度控制方程[10-11]；上官文斌等人建立了三轮-梁带耦合模型,分析了自动张紧器各参数对EFEAD系统中各带段横向变形的影响,建立了单根多楔带附件驱动系统试验台,验证模型正确性[12]。

1.2 螺旋弹簧式自动张紧器的结构

螺旋弹簧式自动张紧器(见图2)主要的组成部件包括底座、张紧臂和皮带轮等,张紧臂和底座通过芯轴相连,构成一个封闭式的腔体,该腔体内设有弹簧元件和阻尼元件。

图2 自动张紧器的结构

在EFEAD系统中,张紧器底座与发动机表面固连,张紧器的皮带轮与多楔带接触。螺旋弹簧式自动张紧器的高度较高,轴向尺寸较小,一般用于径向空间较小而轴向空间较大的发动机前端附件驱动系统。

1.3 螺旋弹簧式自动张紧器的功能

自动张紧器在EFEAD系统中主要有以下功能:

(1) 保证多楔带具有一定的带张力。为了保证曲轴输出的动力能够正常传递到各附件上,要求多楔带具有一定的带张力。装配自动张紧器时,需将螺旋扭转弹簧预先旋转一定的角度,装配好后,张紧臂会在螺旋扭转弹簧的作用下,绕芯轴沿弹簧卸载方向转动,并带动张紧臂上的皮带轮转动,此时多楔带被皮带轮压紧,产生一定的带张力。

(2) 抑制皮带抖动。当多楔带伸长或缩短时,会驱动张紧臂绕芯轴旋转,张紧臂内的螺旋弹簧产生相应的卸载或加载运动,螺旋弹簧内径缩小,沿径向挤压阻尼元件,使得阻尼元件与芯轴间产生摩擦阻尼。由螺旋弹簧和阻尼元件共同构成的阻尼机构产生的阻尼力能够有效阻止和抑制发动机运转而引起的皮带抖动。

2 实验内容

在1、2 、5g(g=9.8 m/s2)的加速度激励下,测试螺旋弹簧式自动张紧器3个方向的固有频率,对比并分析张紧器固有频率与激励加速度的关系,为自动张紧器的参数设计和参数选择提供实验依据。

3 测试方案及结果分析

3.1 测试方案及设备

测试方案见图3。

图3 测试方案

采用忆恒振动控制系统(包括数据采集仪、振动台和控制柜)、1个单向加速度传感器和1个三向加速度传感器对张紧器的固有频率进行测试,测试过程如图4示。对自动张紧器施加恒定加速度激励,激励加速度分别为1、2、5g,激励频率范围为50～1000 Hz,测试在常温下进行。

图4 测试过程

3.2 测试结果

在激励加速度分别为1、2、5g下测试所得的自动张紧器在X、Y、Z3个方向的固有频率，结果分别如图5—7所示。采用多次循环扫频取平均值的方式获得各方向的固有频率值。

从图5(a)、(b)中可以看出,350 Hz和530 Hz处分别出现峰值,峰值对应的频率即为张紧器X向的前两阶固有频率；图5(c)中只有在539 Hz处出现峰值,原因是由于第一阶固有频率未被激励出。自动张紧器X向前两阶固有频率的测试结果如表1。从表中可以看出,不同激励加速度下,张紧器X向的一阶和二阶固有频率基本一致,说明张紧器X向的固有频率基本不受激励加速度的影响。

图5 张紧器X向加速度传递函数曲线

激励加速度一阶固有频率/Hz二阶固有频率/Hz1g3505382g3445245g--539均值347534

从图6(b)和(c)中看出,在2g和5g激励下,430 Hz处和750 Hz处分别出现明显峰值,峰值对应频率分别为张紧器Y向的前两阶固有频率；从图6(c)中可以看出,在1g加速度激励下,仅在779 Hz处出现明显峰值。结合图6(a)、(b)可知,此时张紧器一阶固有频率未被激励出。自动张紧器Y向前二阶固有频率的测试结果见表2,从表中可以看出,不同激励加速度下,张紧器Y向的一阶固有频率和二阶固有频率基本一致,说明张紧器Y向的固有频率基本不受激励加速度的影响。

图6 张紧器Y向加速度传递函数曲线

激励加速度一阶固有频率/Hz二阶固有频率/Hz1g--7792g4357645g418755均值427766

从图7(a)、(b)和(c)中可以看出,1、2、5g加速度激励下,在200 Hz附近处出现明显峰值。张紧器Z向固有频率的测试结果见表3。从表中可以看出,不同激励加速度下,张紧器Z向的一阶固有频率基本一致,说明张紧器Z向的固有频率基本不受激励加速度的影响。

图7 张紧器Z向固有频率测试加速度传递函数曲线

激励加速度一阶固有频率/Hz1g1902g2075g219均值205

3.3 测试结论

分别在不同加速度激励下,测试张紧器3个方向的固有频率,对比并分析测试数据,得出以下结论:

(1) 测试得到自动张紧器X向前两阶固有频率分别为347 Hz和534 Hz；Y向前两阶固有频率分别为427 Hz、766 Hz；Z向的一阶固有频率为205 Hz；

(2) 张紧器某一方向的固有频率不随激励加速度变化。

4 结语

将科研成果转化为本科生的探索性实验项目,有利于培养学生的创新能力。学生为了完成螺旋弹簧式自动张紧器固有频率的测试实验,必将梳理整合所学的专业课知识,做到融会贯通；而且还要自学信号分析及处理相关理论知识,完成实验背景相关文献的搜索整理,独立完成对实验结果的分析处理,这些环节切实锻炼了学生的自学能力及独立办事能力，提高学生的知识层面及见识,培养了学生的探索精神。

References)

[1] 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.

[2] 周正,陈泽军,黄光杰,等.科研成果在材料工程专业实验教学中的应用与实践[J].中国现代教育装备,2014(21):6-8.

[3] 曾祥坤, 上官文斌, 张少飞. 具有单向离合解耦器的发动机前端附件驱动系统的旋转振动建模及参数优化设计[J]. 内燃机学报, 2012,2(4):3.

[4] 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.

[5] Xu J, Antchak J. New technology to improve the performance of front end accessory drive system [J]. SAE Paper, 2004(1):3017.

[6] Beikmann R S, Perkins N C, Ulsoy A G. Free vibration of serpentine belt drive system [J]. Journal of Vibration and Acoustics, 1996,118(4):406-413

[7] Abrate S. Vibrations of belts and belt drives[J]. Mechanism and machine theory, 1992, 27(6):645-659.

[8] Barker C R, Oliver L R, Breig W F. Dynamic analysis of belt drive tension forces during rapid engine acceleration[R]//SAE Technical Paper.1991.

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

[10] 劳耀新, 侯之超, 吕振华. 发动机前端附件带传动系统频率灵敏度分析[J]. 汽车工程, 2006, 28(5):477-481.

[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.

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

国家自然科学基金项目(51275175,51305085)；广东省实验室研究会基金项目(GDJ2016001)；华南理工大学“探索性实验”教学项目(201630)

李利平(1981—),女(回族),河南长葛,硕士,讲师,主要从事车辆工程专业的实践教学与科研工作.

E-mail:melpli@scut.edu.cn

10.16791/j.cnki.sjg.2017.09.016