魏政君，李利平，李廣龍

（華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，廣州 510641）

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與科技進(jìn)步，培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力人才已成為社會(huì)對(duì)高校教育提出的迫切要求［1］。具備創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)新思維和創(chuàng)新技能，才能成就有創(chuàng)新能力的人才。高校本科生人才培養(yǎng)教學(xué)質(zhì)量取決于課堂教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)為學(xué)生提供了廣闊的實(shí)踐空間、思維空間、創(chuàng)造空間，是學(xué)生探究學(xué)習(xí)、培養(yǎng)創(chuàng)新能力的重要陣地［2-3］。

高校科研課題，蘊(yùn)含著創(chuàng)新的思想和過(guò)程，將其轉(zhuǎn)化為本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，既有學(xué)科的新穎性和探索性，又可避免研究過(guò)程的盲目性和不確定性。兩者有機(jī)結(jié)合，將研究生培養(yǎng)方式拓展到本科生培養(yǎng)，有利于本科生接觸學(xué)科前沿，體會(huì)創(chuàng)新的思想過(guò)程，拉近科研的距離，培養(yǎng)創(chuàng)新的思維［4-8］。

選用校企合作科研課題中的張緊器試驗(yàn)研究?jī)?nèi)容，引入車(chē)輛工程本科專(zhuān)業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)，是由于張緊器是汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵典型的零部件，其含有典型的剛度阻尼特性。動(dòng)態(tài)特性主要通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲取，為正向開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)提供重要數(shù)據(jù)與驗(yàn)證，而且實(shí)驗(yàn)方法具有一定的典型性與通用性。實(shí)驗(yàn)也與實(shí)際汽車(chē)零部件企業(yè)測(cè)試緊密相關(guān)，有較強(qiáng)的工程應(yīng)用背景，有利于學(xué)生接觸一線(xiàn)汽車(chē)企業(yè)，鍛煉其工程實(shí)踐能力。因此，對(duì)于準(zhǔn)研究生們或準(zhǔn)工程師們的實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力培養(yǎng)，都是非常有利的。

1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

采用重要的卻又容易忽略的發(fā)動(dòng)機(jī)零部件作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，有助于學(xué)生對(duì)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)及其零部件的結(jié)構(gòu)原理更廣泛的回顧及更理性的認(rèn)識(shí)。用一個(gè)學(xué)生可能不常見(jiàn)的，卻包含典型特性的實(shí)驗(yàn)對(duì)象，讓學(xué)生懂得科研探索往往在于“細(xì)、精、專(zhuān)”，提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)興趣，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)探索，激發(fā)學(xué)生的研究創(chuàng)新欲望。

汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)前端附件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（Front end accessory drive，F(xiàn)EAD）是由帶、張緊器和若干輪系組成的傳動(dòng)系統(tǒng)，如圖1 所示。

圖1 汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)前端附件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

張緊器主要有機(jī)械手調(diào)式、機(jī)械自動(dòng)式、液壓自動(dòng)式等類(lèi)型。其中，常見(jiàn)的機(jī)械式自動(dòng)張緊器采用螺旋彈簧結(jié)構(gòu)，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(dòng)而導(dǎo)致的皮帶抖動(dòng)和噪聲。

（2）保證附件輪的包角，降低皮帶打滑的風(fēng)險(xiǎn)，提高系統(tǒng)的傳動(dòng)穩(wěn)定性，保證系統(tǒng)正常工作。

圖2 自動(dòng)張緊器結(jié)構(gòu)圖

（3）調(diào)節(jié)和補(bǔ)償由于制造誤差引起的張力波動(dòng)。

（4）改變帶段兩側(cè)的固有頻率，避免共振。

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，汽車(chē)零部件的傳統(tǒng)試驗(yàn)一般在靜態(tài)層面上，但往往有些零件是在動(dòng)態(tài)工況下工作的。如：張緊器的工作隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)荷等變化而變化，其中的剛度、阻尼等特性會(huì)隨著激勵(lì)力的頻率變化而動(dòng)態(tài)變化。采用實(shí)際車(chē)型的張緊器為測(cè)試對(duì)象，為模擬實(shí)車(chē)常用工況，設(shè)計(jì)了在不同條件下進(jìn)行其動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)。即不同激振幅值下、不同初始位置和不同頻率下分別測(cè)試張緊器的動(dòng)態(tài)剛度與遲滯回線(xiàn)，為張緊器的正向開(kāi)發(fā)或者產(chǎn)品驗(yàn)證提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容具有一定的新穎性與探索性，又有工程應(yīng)用意義。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的呈現(xiàn)，讓學(xué)生不僅要掌握基本的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，清楚其結(jié)構(gòu)原理，而且要進(jìn)行深化探索，研究其特性。通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生課前查閱相關(guān)文獻(xiàn)，深度學(xué)習(xí)，吸取新知識(shí)，探索新方法，鼓勵(lì)學(xué)生在此過(guò)程中去總結(jié)已有知識(shí)，嘗試發(fā)現(xiàn)新問(wèn)題，新思路。

3 實(shí)驗(yàn)方法

3.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)主要在學(xué)校的大型設(shè)備MTS（Mechanical Testing ＆ Simulation）測(cè)試儀上完成。MTS測(cè)試儀主要由泵站、設(shè)備臺(tái)架、控制器、傳感器、計(jì)算機(jī)和冷卻系統(tǒng)等組成，可為試驗(yàn)件加載準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)激勵(lì)，并監(jiān)控過(guò)程、提供過(guò)程數(shù)據(jù)。

測(cè)試裝置的結(jié)構(gòu)如圖3 所示，從上往下，連接底板上端與設(shè)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(zhuǎn)中心旋轉(zhuǎn)。張緊輪與工裝掛勾相連接，工裝掛鉤與作動(dòng)端連接。當(dāng)MTS 測(cè)試儀作動(dòng)端激振時(shí)，張緊輪振動(dòng)，從而可以在試驗(yàn)臺(tái)上模擬實(shí)車(chē)工況。

3.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

圖3 張緊輪測(cè)試裝置

測(cè)試過(guò)程按照汽車(chē)零部件測(cè)試規(guī)范，選擇相應(yīng)軟件功能模塊，編制測(cè)試程序。加載過(guò)程中，作動(dòng)端推動(dòng)張緊輪向上運(yùn)動(dòng)，克服張緊器彈簧扭力和內(nèi)部摩擦力，按程序設(shè)定的速度到達(dá)設(shè)定位置。卸載過(guò)程中，作動(dòng)端向下運(yùn)動(dòng)，在張緊器彈簧恢復(fù)力作用下，克服張緊器內(nèi)部摩擦力作用，按程序設(shè)定的速度返回設(shè)定位置。在張緊器加載和卸載過(guò)程中，MTS 測(cè)試儀的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)采集激振端的位移信號(hào)和力信號(hào)。

3.3 轉(zhuǎn)換計(jì)算

在MTS測(cè)試儀上測(cè)得的是位移與力的關(guān)系，可通過(guò)幾何關(guān)系轉(zhuǎn)換為彈簧扭轉(zhuǎn)角與輸出扭矩的關(guān)系，其轉(zhuǎn)換原理，如圖4 所示。

圖4 張緊器的角位移與輸出扭矩的測(cè)試原理

圖4 中，F(xiàn)e為激勵(lì)力，Δh 為動(dòng)作端的直線(xiàn)位移，張緊輪從初始位置O運(yùn)動(dòng)到O′，張緊臂運(yùn)動(dòng)的角位移為θt（即彈簧扭轉(zhuǎn)角），張緊臂PO 與垂直方向的初始夾角定義為α0，根據(jù)幾何關(guān)系可計(jì)算得

式中，L為張緊器的臂長(zhǎng)，則張緊器的輸出扭矩為：

實(shí)驗(yàn)方法是核心訓(xùn)練內(nèi)容。為測(cè)試張緊器的動(dòng)態(tài)性能，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案并不是唯一的。因此，按項(xiàng)目組形式，可將學(xué)生分成若干小組，組內(nèi)成員分工合作、有效參與。充分利用現(xiàn)有設(shè)備，發(fā)揮組員的創(chuàng)新精神與主觀(guān)能動(dòng)性，從方案設(shè)計(jì)、工裝設(shè)計(jì)、試驗(yàn)準(zhǔn)備、設(shè)備操作等進(jìn)行系統(tǒng)訓(xùn)練。在培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能的同時(shí)，注重學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)、規(guī)范操作、嚴(yán)謹(jǐn)思維，充分鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新技能與創(chuàng)新思維。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程順利是訓(xùn)練，實(shí)驗(yàn)過(guò)程坎坷是磨練，特別是在現(xiàn)有條件下不能直接測(cè)出結(jié)果，需要轉(zhuǎn)換計(jì)算或者其他方法完成測(cè)試，鍛煉學(xué)生克服困難，發(fā)揮創(chuàng)新精神，尋找新方法，訓(xùn)練其科研能力、實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1 激勵(lì)頻率的影響

結(jié)果如圖5 所示，在低頻時(shí)動(dòng)剛度接近于靜剛度，加載動(dòng)剛度Kld和卸載動(dòng)剛度Kud都隨頻率的增大先減小后增大，兩者的趨勢(shì)基本上一致。動(dòng)剛度先減小，主要受質(zhì)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(xiàn)如圖6 所示。

圖5 動(dòng)剛度曲線(xiàn)

圖6 不同激勵(lì)頻率下的張緊器遲滯特性曲線(xiàn)

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(shí)驗(yàn)測(cè)得的張緊器遲滯特性曲線(xiàn)如圖7 所示，由于結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在彈性元件與阻尼元件，在內(nèi)部摩擦、擠壓等作用下，致使扭矩與擺角之間呈現(xiàn)遲滯現(xiàn)象。幅值越大，遲滯曲線(xiàn)包圍的面積越大。而加載和卸載的非過(guò)渡區(qū)域基本相同，表明加載和卸載的剛度與激勵(lì)幅值關(guān)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(xiàn)，從圖中可以看出遲滯曲線(xiàn)沿著張緊器剛度變化方向移動(dòng)。

綜上所述，張緊器的動(dòng)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(lì)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(xiàn)

圖8 不同初始位置下的張緊器遲滯特性曲線(xiàn)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，引導(dǎo)學(xué)生們對(duì)比分析不同條件下的影響。訓(xùn)練學(xué)生在形成概念、懂得設(shè)計(jì)、掌握實(shí)驗(yàn)技能后，還要學(xué)會(huì)對(duì)結(jié)果的處理與凝練，學(xué)會(huì)歸納、演繹、綜合、類(lèi)比等科學(xué)研究的方法，從而形成良好的創(chuàng)新思維習(xí)慣。如果結(jié)果誤差過(guò)大、或?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)異常、或?qū)嶒?yàn)失敗，鼓勵(lì)學(xué)生質(zhì)疑批判、迎難而上、分析原因，訓(xùn)練其分析問(wèn)題、獨(dú)立解決問(wèn)題的能力。

5 拓展研究

有些學(xué)生在探索與實(shí)驗(yàn)中，可能未完全弄清實(shí)驗(yàn)的緣由，或者意猶未盡，想用其他方式方法再試驗(yàn)。因此，在保證第一課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量基礎(chǔ)上，“貫通”第二課堂。開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，鼓勵(lì)和組織學(xué)有余力的學(xué)生進(jìn)行課外創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，延續(xù)課中未完成的實(shí)驗(yàn)或者想法。也可擬定內(nèi)容方向?qū)W(xué)生進(jìn)行延續(xù)拓展訓(xùn)練。

（1）其他性能參數(shù)的測(cè)試。例如：對(duì)靜剛度、靜態(tài)等效阻尼系數(shù)的實(shí)驗(yàn)研究與計(jì)算。在不能直接測(cè)出所需參數(shù)的情況下，引導(dǎo)啟發(fā)學(xué)生利用理論與測(cè)試的遲滯曲線(xiàn)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)換算計(jì)算，獲得靜剛度與等效阻尼系數(shù)，并進(jìn)一步研究存儲(chǔ)剛度、損失剛度、損耗角等參數(shù)。

（2）應(yīng)用一些試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，如：采用正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)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(yàn)過(guò)程可能存在失效性。試樣問(wèn)題、工裝問(wèn)題、設(shè)備甚至人員因素等都可能影響著數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、真實(shí)性，有些可能對(duì)測(cè)試曲線(xiàn)的監(jiān)控過(guò)程中就可能被發(fā)現(xiàn)，因此可以引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并解決問(wèn)題。

另外，吸引有興趣的學(xué)生直接加入到與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相關(guān)的教師科研項(xiàng)目中，進(jìn)行進(jìn)一步系統(tǒng)的科研訓(xùn)練。

6 結(jié)語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)在培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力方面具有理論教學(xué)所不可替代的作用。科研課題向本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)的轉(zhuǎn)化，其中的科研創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)新思維時(shí)刻影響著學(xué)生、激勵(lì)著學(xué)生，促使學(xué)生需要將相關(guān)專(zhuān)業(yè)知識(shí)融會(huì)貫通，將理論付諸于實(shí)踐，并勇于創(chuàng)新?？蒲袆?chuàng)新的意識(shí)，前沿的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，開(kāi)放的實(shí)驗(yàn)方法，都有助于培養(yǎng)學(xué)生達(dá)成創(chuàng)新人才所要求的情感目標(biāo)，知識(shí)目標(biāo)和能力目標(biāo)。