培養本科學生創新能力的科研轉化實驗設計
——以“張緊器動態特性實驗”設計為例

魏政君，李利平，李廣龍

（華南理工大學機械與汽車工程學院，廣州 510641）

0 引言

隨著我國經濟發展與科技進步，培養具有創新能力人才已成為社會對高校教育提出的迫切要求［1］。具備創新意識、創新思維和創新技能，才能成就有創新能力的人才。高校本科生人才培養教學質量取決于課堂教學和實踐教學。實驗教學為學生提供了廣闊的實踐空間、思維空間、創造空間，是學生探究學習、培養創新能力的重要陣地［2-3］。

高校科研課題，蘊含著創新的思想和過程，將其轉化為本科實驗教學內容，既有學科的新穎性和探索性，又可避免研究過程的盲目性和不確定性。兩者有機結合，將研究生培養方式拓展到本科生培養，有利于本科生接觸學科前沿，體會創新的思想過程，拉近科研的距離，培養創新的思維［4-8］。

選用校企合作科研課題中的張緊器試驗研究內容，引入車輛工程本科專業綜合實驗，是由于張緊器是汽車發動機的關鍵典型的零部件，其含有典型的剛度阻尼特性。動態特性主要通過實驗獲取，為正向開發設計提供重要數據與驗證，而且實驗方法具有一定的典型性與通用性。實驗也與實際汽車零部件企業測試緊密相關，有較強的工程應用背景，有利于學生接觸一線汽車企業，鍛煉其工程實踐能力。因此，對于準研究生們或準工程師們的實踐能力、創新能力培養，都是非常有利的。

1 實驗對象

采用重要的卻又容易忽略的發動機零部件作為實驗對象，有助于學生對汽車發動機及其零部件的結構原理更廣泛的回顧及更理性的認識。用一個學生可能不常見的，卻包含典型特性的實驗對象，讓學生懂得科研探索往往在于“細、精、專”，提高學生實驗興趣，引導學生主動探索，激發學生的研究創新欲望。

汽車發動機前端附件驅動系統（Front end accessory drive，FEAD）是由帶、張緊器和若干輪系組成的傳動系統，如圖1 所示。

圖1 汽車發動機前端附件驅動系統

張緊器主要有機械手調式、機械自動式、液壓自動式等類型。其中，常見的機械式自動張緊器采用螺旋彈簧結構，由張緊臂、張緊輪、彈簧、阻尼元件等組成［9-13］，如圖2 所示。

張緊器的作用在于［14-15］：

（1）降低由于皮帶蠕變和受熱膨脹引起的張力波動而導致的皮帶抖動和噪聲。

（2）保證附件輪的包角，降低皮帶打滑的風險，提高系統的傳動穩定性，保證系統正常工作。

圖2 自動張緊器結構圖

（3）調節和補償由于制造誤差引起的張力波動。

（4）改變帶段兩側的固有頻率，避免共振。

2 實驗內容

本科實驗教學中，汽車零部件的傳統試驗一般在靜態層面上，但往往有些零件是在動態工況下工作的。如：張緊器的工作隨著發動機轉速、負荷等變化而變化，其中的剛度、阻尼等特性會隨著激勵力的頻率變化而動態變化。采用實際車型的張緊器為測試對象，為模擬實車常用工況，設計了在不同條件下進行其動態特性試驗。即不同激振幅值下、不同初始位置和不同頻率下分別測試張緊器的動態剛度與遲滯回線，為張緊器的正向開發或者產品驗證提供實驗依據。

實驗內容具有一定的新穎性與探索性，又有工程應用意義。實驗內容的呈現，讓學生不僅要掌握基本的專業知識，清楚其結構原理，而且要進行深化探索，研究其特性。通過引導學生課前查閱相關文獻，深度學習，吸取新知識，探索新方法，鼓勵學生在此過程中去總結已有知識，嘗試發現新問題，新思路。

3 實驗方法

3.1 實驗準備

實驗主要在學校的大型設備MTS（Mechanical Testing ＆ Simulation）測試儀上完成。MTS測試儀主要由泵站、設備臺架、控制器、傳感器、計算機和冷卻系統等組成，可為試驗件加載準靜態和動態激勵，并監控過程、提供過程數據。

測試裝置的結構如圖3 所示，從上往下，連接底板上端與設備傳感器固定端相連接。在連接底座上，用螺栓將張緊器的殼體固定。張緊臂可以繞張緊器旋轉中心旋轉。張緊輪與工裝掛勾相連接，工裝掛鉤與作動端連接。當MTS 測試儀作動端激振時，張緊輪振動，從而可以在試驗臺上模擬實車工況。

3.2 實驗過程

圖3 張緊輪測試裝置

測試過程按照汽車零部件測試規范，選擇相應軟件功能模塊，編制測試程序。加載過程中，作動端推動張緊輪向上運動，克服張緊器彈簧扭力和內部摩擦力，按程序設定的速度到達設定位置。卸載過程中，作動端向下運動，在張緊器彈簧恢復力作用下，克服張緊器內部摩擦力作用，按程序設定的速度返回設定位置。在張緊器加載和卸載過程中，MTS 測試儀的數據處理系統采集激振端的位移信號和力信號。

3.3 轉換計算

在MTS測試儀上測得的是位移與力的關系，可通過幾何關系轉換為彈簧扭轉角與輸出扭矩的關系，其轉換原理，如圖4 所示。

圖4 張緊器的角位移與輸出扭矩的測試原理

圖4 中，Fe為激勵力，Δh 為動作端的直線位移，張緊輪從初始位置O運動到O′，張緊臂運動的角位移為θt（即彈簧扭轉角），張緊臂PO 與垂直方向的初始夾角定義為α0，根據幾何關系可計算得

式中，L為張緊器的臂長，則張緊器的輸出扭矩為：

實驗方法是核心訓練內容。為測試張緊器的動態性能，實驗設計方案并不是唯一的。因此，按項目組形式，可將學生分成若干小組，組內成員分工合作、有效參與。充分利用現有設備，發揮組員的創新精神與主觀能動性，從方案設計、工裝設計、試驗準備、設備操作等進行系統訓練。在培養學生實驗技能的同時，注重學生科學素養、規范操作、嚴謹思維，充分鍛煉學生的創新技能與創新思維。

實驗過程順利是訓練，實驗過程坎坷是磨練，特別是在現有條件下不能直接測出結果，需要轉換計算或者其他方法完成測試，鍛煉學生克服困難，發揮創新精神，尋找新方法，訓練其科研能力、實踐能力、創新能力。

4 實驗結果

4.1 激勵頻率的影響

結果如圖5 所示，在低頻時動剛度接近于靜剛度，加載動剛度Kld和卸載動剛度Kud都隨頻率的增大先減小后增大，兩者的趨勢基本上一致。動剛度先減小，主要受質量慣性的影響；隨后增大，主要受阻尼的影響。頻率影響下的遲滯回線如圖6 所示。

圖5 動剛度曲線

圖6 不同激勵頻率下的張緊器遲滯特性曲線

4.2 激振幅值的影響

在其他條件不變，不同的幅值激振下，實驗測得的張緊器遲滯特性曲線如圖7 所示，由于結構內部存在彈性元件與阻尼元件，在內部摩擦、擠壓等作用下，致使扭矩與擺角之間呈現遲滯現象。幅值越大，遲滯曲線包圍的面積越大。而加載和卸載的非過渡區域基本相同，表明加載和卸載的剛度與激勵幅值關系不大。

4.3 初始位置的影響

圖8 所示給出了不同初始工作位置下的遲滯特性曲線，從圖中可以看出遲滯曲線沿著張緊器剛度變化方向移動。

綜上所述，張緊器的動剛度在不同頻率與不同初始工作位置工況下變化明顯，而激勵幅值的影響較小。

圖7 不同激振幅值下的張緊器遲滯特性曲線

圖8 不同初始位置下的張緊器遲滯特性曲線

通過實驗結果，引導學生們對比分析不同條件下的影響。訓練學生在形成概念、懂得設計、掌握實驗技能后，還要學會對結果的處理與凝練，學會歸納、演繹、綜合、類比等科學研究的方法，從而形成良好的創新思維習慣。如果結果誤差過大、或實驗數據異常、或實驗失敗，鼓勵學生質疑批判、迎難而上、分析原因，訓練其分析問題、獨立解決問題的能力。

5 拓展研究

有些學生在探索與實驗中，可能未完全弄清實驗的緣由，或者意猶未盡，想用其他方式方法再試驗。因此，在保證第一課堂實驗教學質量基礎上，“貫通”第二課堂。開放實驗室，鼓勵和組織學有余力的學生進行課外創新實驗，延續課中未完成的實驗或者想法。也可擬定內容方向對學生進行延續拓展訓練。

（1）其他性能參數的測試。例如：對靜剛度、靜態等效阻尼系數的實驗研究與計算。在不能直接測出所需參數的情況下，引導啟發學生利用理論與測試的遲滯曲線數據，經過換算計算，獲得靜剛度與等效阻尼系數，并進一步研究存儲剛度、損失剛度、損耗角等參數。

（2）應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、多水平的相互影響作用。

（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據的準確性、真實性，有些可能對測試曲線的監控過程中就可能被發現，因此可以引導學生發現問題并解決問題。

另外，吸引有興趣的學生直接加入到與實驗內容相關的教師科研項目中，進行進一步系統的科研訓練。

6 結語

實驗教學在培養學生實踐能力和創新能力方面具有理論教學所不可替代的作用。科研課題向本科教學實驗的轉化，其中的科研創新意識、創新思維時刻影響著學生、激勵著學生，促使學生需要將相關專業知識融會貫通，將理論付諸于實踐，并勇于創新。科研創新的意識，前沿的實驗內容，開放的實驗方法，都有助于培養學生達成創新人才所要求的情感目標，知識目標和能力目標。