含单向离合器的轮-带驱动系统非线性振动研究

A prototypical pulley-belt drive system is one of the most popular devices in the mechanical engineering transmission. The one-way clutch has been widely applied in the pulley-belt drive system for decoupling the accessory from the driving parts. To eliminate the unexpected resonance in those transmission systems coupled with one-way clutchs, the dynamical characteristics of the those coupled systems should be fully understood. The corresponding scientific issue is nonlinear vibration of piecewise continuous hybrid discrete-continuous gyroscopic systems under the multi-frequency excitations, which is a significant topic at the forefront of the field of nonlinear dynamics. Based on the modern theory of nonlinear dynamics, classical theory of nonlinear vibration, Multi-body dynamics, methods of numerical analysis, and techniques of experiments, nonlinear dynamical behaviours of pulley-belt drive systems with one-way clutchs will be investigated via dynamic modelling, theoretical analysis, numerical simulations, and experimental demonstrations. The approximately analytical approaches and the numerical algorithms will be developed for nonlinear vibration of the hybrid discrete-continuous gyroscopic system with multi-frequency excitations. The influences of the one-way clutch on the dynamic responses of the pulley-belt drive system will be examined. The effects of the related parameters on dynamic responses of the pulley-belt drive system will be predicted. Bifurcation and chaos of the nonlinear vibration of the systems with one-way clutchs will be explored. The research results of this project will develop the theory of nonlinear dynamics for the hybrid discrete-continuous gyroscopic system, determine the vibration characteristics of the pulley-belt drive systems with one-way clutchs under multi-frequency excitations, lay the theoretical foundation of designing and optimizing the pulley-bdrive systems with one-way clutchs, and improve the efficiency of the operation of the drive systems.

轮-带驱动系统是机械工程中应用最普遍的传动装置之一。单向离合器是广泛应用于轮-带系统的解耦装置。为消除非预期共振，需要深入认识含单向离合器的轮-带驱动系统动力学特性，相关科学问题是多频激励的、分段连续的离散-连续耦合混杂陀螺系统的非线性振动，是非线性动力学领域的重要前沿课题。本项目运用经典非线性振动理论、现代非线性动力学理论、多体动力学、计算方法和实验测试技术，通过动力学建模、理论分析、数值仿真和实验验证综合研究含单向离合器的轮-带系统的非线性动力学行为。将发展受多频激励的离散-连续混杂陀螺系统非线性振动分析的近似解析方法和数值算法，分析单向离合器对动态响应的作用，预测传动系统动态响应、随着相关参数的变化趋势，理解相应的分岔、混沌等非线性动力学行为。研究成果将丰富离散-连续系统非线性振动理论，明确受多频激励的系统振动特性，为优化和设计含单向离合器的轮-带驱动系统、提高运行效率奠定理论基础。

项目执行期间获得国家自然科学奖一项，上海市自然科学奖一项，项目主持人指导的三名研究生的学位论文被评为上海市优秀学位论文。项目主持人为通讯作者的、标注基金资助的、已发表SCI论文收录20余篇。项目组超额完成预期指标。.动力传输皮带是工程中基本元件，因为沿着皮带轴线的速度会引起系统的横向大幅振动。随着科技的发展，对工程系统的运动速度有着越来越高的要求。同时，对系统的平稳运行也有着严格要求。这就要求清晰理解动力传输皮带的动力学运动特征。运行中的动力传输皮带总是与滑轮相耦合的。因此，理解轮-带耦合系统的动力学行为也是极其必要的。另外，为了减小轮-带系统振动影响，工程应用中常常采用单向离合器连接轮-带系统的动力输入和输出部件。实际应用也表明，单向离合器可以有效减小系统共振。但是，单向离合器的减振动力学机理仍然不清楚，而且轮-带系统的振动依然强烈。理解单向离合器的工作机理，是实现对其优化设计、更加有效的对运行中轮-带系统振动消减的必然要求。.自本项目立项以来，展开了两轮-带和多轮-带耦合系统的动力学建模、振动特性分析；也展开了单频和多频激励下的单向离合器对轮-带系统共振的减振机理研究的建模与分析，以及实验研究。在传动带运动弦线模型的耦合系统动力学研究方面，发现单向离合器不仅降低滑轮旋转共振的振幅，而且还减小了带横向振动的共振区域。通过考虑带的抗弯刚度，研究非齐次边界的耦合系统动力学，发现单向离合器通过扭矩单向传递功能降低了轮-带系统的共振响应。计入外界对轮-带系统整体的位移激励，以及发动机引擎周期性点火引起驱动轮的脉动激励，在一定的条件下，不同方向和特征的激励源可能相互减弱，甚至有可能会相互抵消。通过对多轮-带系统动力学的研究，表明两轮-带系统研究的有效性。实验研究了轮-带耦合系统非线性动力学，发现单向离合器对轮-带动力系统多楔带的横向振动起到了显著的减振作用。