魏政君

摘要： 在新工科重視科教互融， 校企互促，創(chuàng)新人才培養(yǎng)的背景下，對于車輛工程專業(yè)本科實驗教學，結合發(fā)動機前端附件驅動系統(tǒng)的最新研究成果，將校企合作課題中的多楔帶縱向動態(tài)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(tài)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(chuàng)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(chuàng)新的過程，體會其中創(chuàng)新研究的思想理念，有利于提高學生的創(chuàng)新意識與能力，這是培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的必要手段[3]。

鑒于多楔帶是汽車發(fā)動機的重要的必要的部件，其縱向動態(tài)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(fā)設計與產(chǎn)品驗證提供了重要的數(shù)據(jù)。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(yè)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(yè)，拉近科研距離，培養(yǎng)綜合實踐能力與創(chuàng)新能力[4]。

1 ?實驗對象

1.1 發(fā)動機前端附件系統(tǒng)簡介

汽車發(fā)動機不僅提供行駛驅動力，還為空調壓縮機、發(fā)電機等發(fā)動機前端附件提供動力。發(fā)動機前端附件驅動系統(tǒng)，是指安裝在發(fā)動機前端的各附件，通過傳動帶，與發(fā)動機動力輸出軸連接起來的系統(tǒng)，該系統(tǒng)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(xiàn)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(yōu)劣，直接影響發(fā)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(tǒng)實驗通常在靜態(tài)層面上，但往往許多零件是在動態(tài)工況下工作的。對于多楔帶，其一些特性隨著發(fā)動機的運轉而動態(tài)變化，如剛度、阻尼等特性會隨著激勵頻率變化而動態(tài)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(tài)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(fā)或者產(chǎn)品驗證提供實驗依據(jù)。

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(xiàn)準靜態(tài)位移加載，還可實現(xiàn)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(tài)下的參數(shù)，得到其剛度和阻尼。通過激光位移傳感器監(jiān)測多楔帶的橫向振動幅值，并通過LMS數(shù)采系統(tǒng)進行處理，橫向振動的值用于判斷多楔帶是否發(fā)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(tài)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(xiàn)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(tài)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(tài)特性如圖6所示?？梢?，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(chǎn)品正向開發(fā)設計計算提供了數(shù)據(jù)與參考，也可驗證產(chǎn)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(shù)據(jù)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(fā)現(xiàn)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(jù)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(shù)的實驗研究。例如：對橫向振動、滑移率、靜剛度、等效阻尼系數(shù)的實驗研究與計算。有些參數(shù)在不能直接測出的情況下，引導啟發(fā)學生利用理論與測試數(shù)據(jù)結合，經(jīng)過計算，獲得所需參數(shù)。

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(shù)據(jù)的準確性，真實性，有些可能對測試曲線的監(jiān)控過程中就可以被發(fā)現(xiàn)，引導鍛煉學生善于發(fā)現(xiàn)問題并解決問題。

6 ?結語

充分利用研究型大學的就近優(yōu)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(chuàng)新意識、創(chuàng)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(yè)知識融會貫通，將理論付諸于實踐，切實有助于培養(yǎng)學生的科研創(chuàng)新能力。

參考文獻：

[1]王金發(fā)，戚康標，張以順，等.強化共享平臺建設促進教學與科研相互轉化[J].實驗室研究與探索，2009，28（4）：216-217.

[2]吳洪富.教學與科研關系的研究范式及其超越[J].高教探索，2012（2）：19-24.

[3]扈旻，鄧北星，馬曉紅.科研成果轉化為實驗教學內容的探索與實踐[J].實驗技術與管理，2012，29（10）：21-23.

[4]李利平，李廣龍，上官文斌，等.自動張緊器固有頻率測試探索性實驗研究[J].實驗技術與管理，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，王紅云，張智.多楔帶傳動系統(tǒng)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.

[8]曾祥坤，王紅云，劉建榮.附件驅動系統(tǒng)中自動張緊器的動態(tài)特性實測與建模分析[J].振動與沖擊，2014，33（18）：149-155.

[9]曾祥坤，陳鏈，喻菲菲，等.車用發(fā)動機自動張緊器靜態(tài)力學特性實測分析[J].力學與實踐，2015，37（1）：100-103.

[10]袁催，羅世君.發(fā)動機前端附件系統(tǒng)布置及計算[J].裝備制造技術，2017（11）：122-124.

[11]李慶成.汽車發(fā)動機多楔帶輪系設計[J].內燃機與配件，2018（19）：14-16.

[12]呂兆平.多楔帶輪系設計基礎[J].企業(yè)科技與發(fā)展，2008（18）：84-86.

[13]陳志龍.發(fā)動機前端附件驅動系統(tǒng)的設計與實測分析[D].廣州，華南理工大學，2013.