惰轮对汽车同步带振动影响规律的试验研究

2019-12-11陈国平李占国史尧臣赵希禄唐武生

陕西理工大学学报(自然科学版) 2019年6期

陈国平，李占国,*，史尧臣，赵希禄，唐武生

(1.长春理工大学机电工程学院，吉林长春 130022；2.长春大学机械与车辆工程学院，吉林长春 130022； 3.琦玉工业大学工学部，日本深谷 369-0293)

同步带因具有质量小、结构简单、安装方便等优点，广泛应用于汽车发动机正时传动系统中。随着对汽车NVH(Noise，Vibration，Harshness)性能要求的不断提高，要求对正时传动系统进行减振降噪处理。国内外学者对同步带传动噪声及振动的研究[1-3]大多是基于两轮无负载同步带传动系统进行的。郭建华等[4]基于两轮同步带传动系统对新型人字齿振动及噪声特性进行研究，通过与直齿同步带噪声幅值的对比，得出新型人字齿同步带具有更好的降噪性能。Chen Gang等[5]分析了同步带传动噪声产生机理，建立了带传动啮合冲击、空气流动噪声、摩擦噪声的数学模型。大量学者针对发动机正时传动系统振动及噪声进行研究[6-8]。王国刚等[9]针对正时传动系统进行噪声分析与优化，仿真分析正时传动系统主要噪声源位置，并对其进行隔声与降低噪声源两部分优化。

然而，在正时传动系统中，还存在张紧轮、惰轮、水泵轮等其他零部件，关于它们对正时传动系统噪声及振动影响的研究还是空白。由于正时传动系统中其他零部件的存在，惰轮对同步带传动振动的影响无法具体得出。因此本文开展惰轮对同步带传动振动影响规律的研究，去除正时传动系统中其他零部件的影响，通过三轮一带振动试验与两轮同步带传动振动试验的结果对比，得到惰轮对同步带传动振动的具体影响。

1 三轮一带振动机理分析

同步带在传动过程中将产生横向振动、纵向振动和轴向振动。如图1所示，以带节线与主动轮节圆切点为坐标原点O，沿带运动方向为X轴，垂直于带表面方向为Y轴，沿带轮轴线方向为Z轴建立坐标系。则横向振动为垂直于带表面即Y向的振动，纵向振动为与带运动方向一致，即X向的振动，轴向振动为带轮轴向即Z方向的振动[10-11]。

图1 同步带的振动示意图

在同步带传动过程中，由于啮合冲击激励等因素的影响，同步带会产生振动。振动形式主要有横向振动、纵向振动和轴向振动，其中横向振动是带齿和轮齿由于啮合冲击激励作用而导致带上下振动，是同步带在传动过程中的主要振动形式[12-13]。惰轮在正时传动系统中的作用是改变带轮上包角大小和啮合齿数数量，提高传动能力，减小带段跨度。共振时同步带传动横向振动的一种特殊状态，当啮合频率为同步带固有频率的整数倍时，同步带会产生共振，共振情况下的振动幅值明显增加。公式(1)为同步带固有频频计算公式[14-15]：

(1)

式中ωsn为同步带固有频率；L为中心距；EI为带的抗弯刚度；T为张紧力；ρ为带的线密度；n为固有频率阶数，n=1,2,3,…。可以看出施加惰轮能够减小中心距，从而增加带段固有频率，减小共振现象发生的可能性。

2 试验装置及方法

2.1 试验设备

1.主动电机； 2.传动； 3.主动轴； 4.轴承座；5.导轨； 6.从动轴滑板； 7.钢丝绳； 8.加载重砣；9.从动轮； 10.惰轮； 11.被测带； 12.主动轮。图2 三轮一带噪声试验台布局示意图

图2为三轮一带振动试验装置示意图。该装置由带轮轴调节组件、驱动装置、固定端传动轴系、底座支撑组件、滑动端传动轴系组件组成。电机最高转速为3000 rpm。通过调节从动带轮轴和多向带轮轴位置，将被测带安装在带轮上，通过加载重砣对被测带进行张紧。利用多普勒激光测振仪将激光点打在被测带紧边啮入点处。惰轮安装在主、从动轮中间。

2.2 测点的选择和布置

试验在实验室自然环境条件下进行。利用非接触式激光多普勒测振仪测量同步带带背振动，这种测量方式与将测振仪布置在试验台相比，可以避免由试验台本身振动引起的试验结果误差。试验测量的是同步带紧边啮入点，故利用平面镜将激光点折射到紧边带背啮入点位置。在进行试验数据采集之前，为了避免初始运转期间横向振动的不稳定，先将同步带运转一段时间，达到稳定状态后进行数据采集和存储，每次测量共采集10 s的试验数据。

2.3 试验安排

在两轮无负载振动试验台上进行两轮同步带传动系统与三轮一带传动系统振动对比试验。分别对安装惰轮的三轮一带传动系统与不安装惰轮的两轮同步带传动系统进行变转速、变张紧力振动试验。转速分别为600、800、1000、1200、1400 rpm，张紧力分别为250、350、450、550、650 N。在计算机软件上进行示波，可以直接观测到由多普勒激光测振仪测量到的振动放大图。等待电机启动转速均匀后对同步带进行采样，可避免电机启动时产生的转速误差。待采样结束后再关闭电机，可避免转速不足造成的测量误差。

3 试验结果分析

3.1 转速对振动的影响规律

张紧力为450 N、转速为1200 rpm下的同步带传动振动时域图如图3所示，对应的频域特性曲线如图4所示。由图3可以看出：安装惰轮的三轮一带传动系统振动幅值明显比不安装惰轮的两轮同步带传动系统振动幅值小，说明安装惰轮可以减小同步带传动系统的振动，与理论分析结果一致。由图4可以看出：安装惰轮后的三轮一带传动系统固有频率发生变化，由公式(1)可得：ωsn1=63 Hz，ωsn2=126 Hz。因惰轮安装在主、从动轮中间位置，因此两系统固有频率成二倍关系，与理论分析结果一致。由频域特性曲线可以得出，1200 rpm转速下啮合频率f=400 Hz。

图3 两轮与三轮传动振动时域对比图图4 两轮与三轮传动振动频域对比图

图5 振幅随转速变化曲线

为了更明显地看出惰轮对同步带传动系统振动的影响规律，将转速为600～1400 rpm时的振动幅值进行整理，得到图5所示的振动幅值随转速变化曲线。

由图5可以看出，随着转速的增加，两系统的振动幅值均增加，说明随着转速的增加，同步带的振动加剧。安装惰轮的三轮一带系统振动幅值比不安装惰轮的两轮同步带传动系统振动幅值明显减小，减小约0.05 mm。说明惰轮能够减小同步带传动系统的振动幅值，与理论分析结果一致。两轮同步带传动系统在800 rpm和1400 rpm处振幅明显增加，而三轮一带传动系统仅在1400 rpm转速下振幅明显增加，其啮合频率与同步带固有频率耦合，使同步带产生共振。说明可以通过施加惰轮改变同步带的固有频率，避免带段在某一转速下的共振，与理论分析结果一致。

3.2 张紧力对振动的影响

为了研究张紧力对同步带振动的影响规律，将张紧力为250～650 N时的振动幅值进行整理，得到图6所示的同步带振幅随张紧力变化曲线。

图6 振幅随张紧力变化曲线

由图6可以看出，随着张紧力的增加，两系统的振动幅值均减小。说明张紧力的增加可以减小同步带传动系统的振动。安装惰轮的三轮一带传动系统振幅明显比不安装惰轮的两轮同步带传动系统振幅小，说明惰轮的施加可以降低同步带振动，与理论分析结果一致。不安装惰轮的两轮同步带传动系统在张紧力约为550 N时振幅明显增加，这是由于同步带固有频率与啮合频率耦合产生共振导致的。而在三轮一带传动系统中张紧力为550 N时并未发生共振，说明惰轮的安装可以有效避免共振的发生。