含非圆带轮的发动机前端附件传动系统非线性振动分析与优化设计研究

Nonlinear vibrations of an engine front end accessory belt drive system and its design optimization are investigated to reduce the system vibration. With the comprehensive use of continuum mechanics, analytical mechanics and contact mechanics as well as experiments, an equivalent dynamic model of a serpentine belt which is a fractional order derivative model, a mathematic model of the inner nonlinear dynamic damping of an auto-tensioner and an equivalent model of belt-pulley contact mechanism are established, to overcome the inefficient consideration of the geometric and material nonlinearities of the belt, nonlinear damping of the auto-tensioner and contact mechanism between the belt and pulley. A whole dynamic model of the engine front end accessory belt drive system is then established based on these local models. Periodic solutions of the system are calculated using a time-space dual-scale incremental harmonic balance method, and transverse vibration instability of the belt span is investigated according to the Floquet theory. Based on the whole dynamic model of the system, dynamic responses of engine front end accessory belt drive systems with different kinds of noncircular pulleys are calculated so as to find a new way to reduce system vibrations.

本项目以发动机前端附件传动系统为研究对象，以减小系统振动为研究目标，开展发动机前端附件传动系统非线性振动分析与优化设计研究。针对传统系统动力学模型对多楔带材料和几何非线性特性、张紧器非线性阻尼特性以及带-轮接触特性考虑不全面的缺陷，综合运用连续介质力学、分析力学和接触力学等理论并结合实验验证等手段，分别建立基于分数阶导数的多楔带等效动态特性模型、张紧器内部阻尼机数学模型以及带-轮接触界面等效模型，并基于以上局部模型建立发动机前端附件传动系统整体动力学模型。提出一种时间-空间双尺度的增量谐波平衡法求解系统周期解，并采用Floquet理论研究由皮带张力波动引起的带段横向振动不稳定性现象。基于建立的系统整体动力学模型，计算对比具有不同非圆轮廓带轮的发动机前端附件传动系统的动力学响应，开展基于系统振动控制的具有非圆轮廓带轮的发动机前端附件传动系统优化设计研究，为系统减振降噪开辟新途径。

发动机附件轮系设计需要解决传动系统的整体布置(包括张紧器初始安装角、各附件轮的安装位置、尺寸以及带与轮的包角等)以及自动张紧器的刚度及阻尼设计。传统的设计方法是在经验基础上进行设计，然后根据实验结果和少量计算进行验证。这种设计方法对设计人员的要求很高，且实验验证周期长，成本高，不利于产品的快速开发。在建模方法上，现有理论模型对多楔带的材料非线性和几何非线性、张紧器非线性阻尼以及带-轮接触非线性等非线性因素考虑不足且很少同时考虑带-轮接触与耦合振动问题，使得建立的模型不能很好地描述系统的动态特性；在系统整体性能设计方面，由带段张力周期性波动引起的参数激振问题和基于新型非圆廓形带轮设计的减振设计方法等方面的研究比较缺乏，均有待进一步深入研究。本项目以发动机前端附件传动系统为研究对象，以减小系统振动为研究目标，开展发动机前端附件传动系统非线性振动分析与优化设计研究。针对传统系统动力学模型对多楔带材料和几何非线性特性、张紧器非线性阻尼特性以及带-轮接触特性考虑不全面的缺陷，综合运用连续介质力学、分析力学和接触力学等理论并结合实验验证等手段，分别建立了基于分数阶导数的多楔带等效动态特性模型、张紧器内部阻尼机数学模型以及带-轮接触界面等效模型，并基于以上局部模型建立发动机前端附件传动系统整体动力学模型。提出了一种时间-空间双尺度的增量谐波平衡法求解系统周期解，并采用Floquet理论研究了由皮带张力波动引起的带段横向振动不稳定性现象。基于建立的系统整体动力学模型，计算对比了具有不同非圆轮廓带轮的发动机前端附件传动系统的动力学响应，开展了基于系统振动控制的具有非圆轮廓带轮的发动机前端附件传动系统优化设计研究，为系统减振降噪开辟了新途径。