齒形對汽車同步帶振動影響規(guī)律的試驗研究

李占國， 馬 威

(1.長春大學(xué) 機械與車輛工程學(xué)院，長春 130022；2.長春工業(yè)大學(xué)，長春 130022)

汽車同步帶相與齒輪傳動、鏈傳動等傳動方式相比，具有傳動噪聲低、不需要潤滑、結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量小等優(yōu)點[1]，廣泛應(yīng)用于小排量汽車發(fā)動機正時傳動系統(tǒng)中。隨著對發(fā)動機NVH性能要求地不斷提高，對汽車同步帶的傳動振動也提出了更高的要求。汽車同步帶根據(jù)齒型分為直齒同步帶和圓弧齒同步帶，帶齒齒型結(jié)構(gòu)直接影響傳動過程中的橫向振動幅值，較大的橫向振動幅值會使帶齒在嚙入輪齒時產(chǎn)生磨損，進一步影響帶的使用壽命[2]。齒形直接影響同步帶傳動振動幅值的大小，國內(nèi)外學(xué)者對其進行了相關(guān)研究。Serge Abrate[3]首次對帶傳動的振動形式進行分析研究，定義了橫向振動、縱向振動和旋轉(zhuǎn)振動，采用軸線運動的弦模型，建立了帶傳動的動力學(xué)模型，系統(tǒng)分析了帶傳動過程中張緊力、轉(zhuǎn)速、彎曲剛度等對橫向振動的固有頻率的影響規(guī)律。史堯臣[4]針對ZA型汽車同步帶的振動及噪聲進行深入研究，通過汽車同步帶傳動噪聲產(chǎn)生機理的分析，基于剛?cè)狁詈隙囿w動力學(xué)-有限元諧響應(yīng)-聲學(xué)邊界元方法建立了汽車同步帶噪聲預(yù)測方法，并用試驗驗證仿真的正確性。結(jié)果表明，在非共振區(qū)噪聲仿真結(jié)果與試驗結(jié)果最大偏差小于5 dB。

以汽車同步帶的振動試驗為研究切入點，進行ZA型汽車同步帶與RU型汽車同步帶傳動系統(tǒng)振動對比試驗研究，進行不同齒形變轉(zhuǎn)速、變張緊力試驗，通過相同實驗參數(shù)下的對比可以得出結(jié)論：ZA型同步帶的振動幅值比RU型汽車同步帶的振動幅值要大，為同步帶傳動的減振降噪處理提供依據(jù)。

1 試驗帶與帶輪的形狀和參數(shù)

圖1和圖2分別為ZA型汽車同步帶及帶輪的齒形結(jié)構(gòu)圖，齒形具體參數(shù)如表1、表2所示。圖3和圖4分別為RU型汽車同步帶及帶輪的齒形結(jié)構(gòu)圖，齒形具體參數(shù)如表3、表4所示。同步帶齒數(shù)均為99、帶輪齒數(shù)為20、帶寬19 mm。同步帶材料為強力層線繩、氫化丁腈橡膠和包布等組合后硫化加工成型的粘彈性材料[5]。帶輪材料為45#鋼。

圖1 ZA型同步帶齒形結(jié)構(gòu)圖

圖2 ZA型同步帶輪齒形結(jié)構(gòu)圖

表1 ZA型同步帶尺寸(mm)

表2 ZA型同步帶輪尺寸(mm)

圖3 RU型同步帶齒形結(jié)構(gòu)圖

圖4 RU型同步帶輪齒形結(jié)構(gòu)圖

表3 RU型同步帶尺寸(mm)

表4 RU型同步帶輪尺寸(mm)

2 振動試驗裝置及方法

2.1 試驗設(shè)備

圖5為帶傳動振動試驗裝置，該裝置由帶輪軸多向調(diào)節(jié)組件、驅(qū)動裝置組件、固定端傳動軸系組件、傳感器組件、底座支撐組件、滑動端傳動軸系組件組成。通過變頻器改變驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速，最高轉(zhuǎn)速為3 000 rpm。通過調(diào)節(jié)從動帶輪軸和多向帶輪軸各帶輪軸位置將被測帶安裝在帶輪上，調(diào)節(jié)各帶輪位置，通過調(diào)節(jié)絲杠手輪對被測帶進行張緊，在拉力傳感器上顯示張緊力大小[7]。利用多普勒激光測振儀將激光點打在被測帶緊邊嚙入點處，設(shè)置轉(zhuǎn)速并啟動電機，便可在電腦軟件上顯示被測帶的振動波形。

圖5 同步帶振動試驗臺

2.2 測點的選擇和布置

試驗在實驗室自然環(huán)境條件下進行。為了降低試驗臺振動對測量數(shù)據(jù)結(jié)果所產(chǎn)生的影響，采用圖6所示方法布置激光點。利用激光多普勒測振儀測量同步帶帶背振動，這種測量方式與將測振儀布置在試驗臺上相比，可以避免由試驗臺本身振動引起的實驗誤差。圖7為激光點打在帶背的具體位置，試驗測量的是同步帶緊邊嚙入點，故利用平面鏡將激光點折射到緊邊帶背嚙入點位置。

圖6 激光測振儀測量同步帶振動

圖7 測量點位置

2.3 試驗安排

在兩輪無負載振動試驗臺上進行ZA和RU齒形振動對比試驗。分別對ZA和RU齒形進行變轉(zhuǎn)速、變張緊力振動試驗。轉(zhuǎn)速分別為600 rpm、800 rpm、1 000 rpm、1 200 rpm及1 400 rpm。張緊力分別為250 N、350 N、450 N、550 N及650 N。在計算機軟件上進行示波，可以直接觀測到由多普勒激光測振儀測量點的振動放大圖。等待電機啟動后轉(zhuǎn)速均勻?qū)ν綆нM行采樣，這樣可避免電機啟動時產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速誤差。對每組實驗進行12 s左右的采樣。待采樣結(jié)束后再關(guān)閉電機，這樣可避免轉(zhuǎn)速不足造成的測量誤差。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 轉(zhuǎn)速對同步帶振動的影響規(guī)律

不同轉(zhuǎn)速下ZA型汽車同步帶與RU型汽車同步帶的振幅對比如圖8、圖9所示。由圖可以看出，ZA型汽車同步帶的振動幅值明顯大于RU型汽車同步帶振動幅值。隨著轉(zhuǎn)速的增加，兩種齒形的振動幅值都會增加。這是因為轉(zhuǎn)速的增加使同步帶帶齒與帶輪輪齒的嚙合次數(shù)增加，產(chǎn)生的嚙合沖擊增加，所以，轉(zhuǎn)速的增加會使不同齒形同步帶的振動幅值增加。

圖8 450 N-1 000 rpm時不同齒形振動對比

圖9 450 N-1 400 rpm時不同齒形振動對比

圖10 振幅隨轉(zhuǎn)速變化曲線圖

為了更直觀地看出轉(zhuǎn)速對汽車同步帶振動的影響規(guī)律，進行轉(zhuǎn)速為600 rpm～1 400 rpm的同步帶變轉(zhuǎn)速振動試驗，得到的振動幅值隨轉(zhuǎn)速變化曲線如圖10所示。由圖可以看出：隨著轉(zhuǎn)速的增加，ZA型汽車同步帶和RU型汽車同步帶的振動幅值均增加，且ZA型同步帶的振動幅值要比RU型同步帶振動幅值高出0.01 mm。這是因為轉(zhuǎn)速的增加使同步帶帶齒與帶輪輪齒的嚙合次數(shù)增加，產(chǎn)生的嚙合沖擊增加，且ZA型同步帶嚙合時產(chǎn)生的激勵要大于RU型同步帶產(chǎn)生的激勵。

3.2 張緊力對同步帶振動的影響規(guī)律

不同張緊力下，ZA型汽車同步帶與RU型汽車同步帶的振幅對比如圖11、圖12所示。ZA型汽車同步帶的振動幅值要明顯大于RU型汽車同步帶振動幅值。隨著張緊力的增加，兩種齒形的振動幅值都會減小。這是因為增加張緊力使同步帶的受力增大，同步帶被張緊，同步帶傳動過程中產(chǎn)生的振動噪聲會減小，所以張緊力的增加通過增加同步帶的受力而使同步帶振動減小。

圖11 350 N-1 000 rpm時不同轉(zhuǎn)速振動對比

圖12 650 N-1 000 rpm時不同轉(zhuǎn)速振動對比

圖13 振幅隨張緊力變化曲線圖

基于兩輪無負載同步帶試驗臺進行1000 rpm轉(zhuǎn)速下的變張緊力試驗，得到張緊力分別為250 N、350 N、450 N、550 N及650 N時兩種同步帶的振動幅值變化情況如圖13所示。由圖可以看出：隨著張緊力的增加，ZA型同步帶和RU型同步帶的振動幅值均減小，且RU型同步帶比ZA型同步帶振幅小0.01 mm左右。這是因為增加張緊力使同步帶的受力增大，同步帶被張緊，同步帶傳動過程中產(chǎn)生的振動噪聲會減小，所以張緊力的增加通過增加同步帶的受力而使同步帶振動減小。

4 結(jié)語

通過振動試驗及數(shù)據(jù)梳理，分別對兩種齒形進行了振動測試試驗。并根據(jù)試驗結(jié)果結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)研究成果對比，得出ZA及RU齒形振動對比結(jié)論如下：

(1)在相同的試驗條件下，在相同轉(zhuǎn)速、相同張緊力的條件下， ZA型同步帶的振動幅值要比RU型同步帶的振動幅度大0.02 mm左右。

(2)增加轉(zhuǎn)速會增加同步帶的振動幅值，增加張緊力會減小同步帶的振動幅值。張緊力對同步帶振動幅值的影響要大于轉(zhuǎn)速對同步帶振動幅值的影響。