基于大学生科技创新能力培养的一种无碳小车设计与制作

张文海 刘春东 赵成刚 杜林冬

(河北建筑工程学院，河北 张家口 075000)

0 前 言

由于长期应试教育和高等教育的迅速扩张，工科大学生的科技创新能力不强，与建设创新型国家对大学生的要求相距较大，培养大学生科技创新能力已经成为大学教育的基本和迫切的任务.大学生工程训练综合能力竞赛是教育部举办的全国性大学生科技创新实践竞赛活动，其目的是基于国内各高校综合性工程训练教学平台，深化实验教学改革，提升大学生工程创新意识、实践能力和团队合作精神，促进创新人才培养.无碳小车设计与制作就是2012年竞赛的题目之一，通过组建学生研发团队，在老师指导下独立完成设计与制作，并参加比赛，提升了学生的创新意识、设计与动手制作能力.

1 大学生科技创新能力现状分析

《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010-2020)》中指出：“牢固确立人才培养在高校工作中的中心地位，着力培养信念执著、品德优良、知识丰富、本领过硬的高素质专门人才和拔尖创新人才”.

创新是国家和民族进步的灵魂，建设创新型国家、创新型社会已经成为全社会共同的话题，建设创新型国家需要大批具有创新意识、创新能力、独立解决问题能力的创新人才.而培养的阵地就是高校，培养的对象就是在校大学生，培养的路径就是高校和社会创造条件、采取措施培养大学生科技创新能力.

大学生科技创新能力培养的重要性已经得到高等教育界及全社会的广泛认可，各有关部门、社会组织和高校也已采取了一系列措施推进大学生科技创新能力培养，如开展了一系列全国范围内的大学生科学技术大赛、数学建模大赛、机械创新设计竞赛等科技实践活动，各高校组建了大量的课外科技创新活动兴趣小组，为大学生开展科技创新活动搭建了良好的平台，在老师的指导下开展了一些有益的科技创新探索，受到了很好的锻炼，自身能力得到了很大的提高.

但目前高校开展的大学生科技创新活动存在一些问题，制约着活动向更广、更深发展.一是呆板单一的课堂教学使大学生的学习兴趣索然.大学本科教育基本还是延续了中学的书本灌输教育，接触工程一线的机会不多，虽有实验课、实习课但比例较小，对专业学习从一入学的无限向往到后来愈发的索然无味，学习兴趣越来越小，课堂教学在大学生创新能力培养中的作用有限.二是长期接受应试教育使大学生参与科技创新活动的意识淡漠.大学生的一切学习生活都是围绕考试而展开的，和考试无关的一些事情如科技探究、创新活动很少有人参与，进入大学以后，两极分化，一部分为考研而准备，一部分以娱乐、经商、消遣为主，参与科技创新活动者很少，科技创新活动在校园内难觅踪影.三是由于学生增多，而实验、实践条件难以改善，无法为学生提供课外科技创新场所和必要的设备，一些有兴趣的同学也只能纸上谈兵了，难以从实践中检验自己的设想.四是高校老师的课外指导不到位，学生科技创新活动缺乏有效的指导.高校老师中年轻教师本身经验缺乏，不足以承担指导重任；中年骨干教师校内、校外、家庭都是顶梁柱，往往分身乏术，没有精力指导；老教师由于年龄原因也难以承担指导任务.

破解目前大学生科技创新能力培养不到位困局的一条有效途径就是层层组织大学生参加各级各类科技创新设计与制作大赛，在参与中组建研究团队，亲身实践科技作品的设计、制造和比赛，想方设法解决研究过程中的各种问题和困难.基于全国大学生工程训练综合能力竞赛赛，分层次开展校内预赛、区域或省内选拔赛、全国决赛等，最大限度发动学生积极参加，在活动中培养基本创新能力和技巧，不失为一种有效途径.

2 无碳小车的设计与制作

1)竞赛主题.

第二届大学生工程训练综合能力竞赛主题为“无碳小车越障竞赛”.设计一种以重力势能驱动的具有方向自控功能的无碳小车，如图1所示.小车通过1 Kg重块下落获得的重力势能作为小车动力源.小车在半张标准乒乓球台(长1 525 mm、宽1 370 mm)上，绕相距一定距离的两个障碍沿8字形轨迹绕行，绕行时不可以撞倒障碍物，不可以掉下球台(障碍物为直径20 mm、长200 mm的2个圆棒，相距一定距离放置在半张标准乒乓球台的中线上).

图1 无碳小车示意图 图2 比赛用乒乓球台及障碍设置图

1)关键机构的设计.

(1)后轮轮径的确定.

轮径的大小不直接影响绕绳半径以及动阻力的关系.所以，轮径越大理论行程越长，然而轮径过大会导致转弯性能和通过两桩中间区域难度加大，后轮直径取d0=150 mm.

(2)传动机构设计[1].

传动部分采用两级齿轮传动.选用选用m=1的渐开线标准直齿圆柱齿轮.四轮齿数分别为Z1=27、Z2=65、Z3=48、Z4=24.一级齿轮传动：i1=65/27，a1=46mm；二级齿轮传动：i2=1∶2，a2=36mm.

传动轴选用Φ4的结构钢.后轮轴轴长h1=130 mm，槽轮机构两轴轴长h2=h3=114 mm，曲柄轴轴长h4=74 mm.轴与车架均采用型号为10094的微型向心轴承配合(轴承内径为4 mm，外径为11 mm).

(3)转向机构设计.

转向部分由槽轮机构、曲柄机构及齿轮齿条机构组成.

(1)槽轮机构.小车每绕一个桩，槽轮拨盘应该转1圈，使从动槽轮转1/4圈，实现两个左右转向的切换.之前已经确定槽轮机构中心距a=38 mm，按工作要求，槽数z=4.本槽轮为外接槽轮，实现间歇运动.转向机构的主要参数[2]为：槽数z=4，槽间角2β=360°/z=90°，锁止凸弧张角γ=360°-2α=270°，曲柄轴轮毂相对直径d0=22 mm，圆销个数j=1.

(2)曲柄机构.通过曲柄机构的曲柄转动实现转向轮的左右摆动，类似曲柄摇杆机构.曲柄的长度lq=πd5×α/360°=17.77 mm，槽轮每次转位时曲柄的转角2α=180°-2β=90°，中心距a=38 mm.

(3)齿轮齿条机构.利用齿轮齿条机构最终实现转向轮的转向.根据小车的整体尺寸、加工及传动精度要求，齿轮的分度圆直径d5选取40 mm，曲柄轴心与转向轮的中心水平距离l0取120 mm.齿条行程lx=2lq=35.54 mm；齿条长度lc>l0+lq=137.77 mm，取lc=160mm.另外，利用固定在由主车架上轴承组构成的滑轨约束齿条其他方向的运动，从而保证齿条仅能前后水平移动.

2)制作与调试.

(1)加工.

在制作过程中，不仅需要克服设备简陋，精度低，时间紧，任务重等不利因素，还需要实时对设计结构和参数作必要修正.零件材料的选择要综合考虑性能和成本.亚克力板由于具有透明度高、加工性能好、综合性能优异等优点，用于加工主动轮、从动轮、转向轮支架、曲柄轴架等零件，而主架、副架、转向轮、重物块底座、重物块滑轮等采用尼龙棒加工而成；加工方式的选择则需要注重精度和成本.零件的加工主要涉及了铣床、车床、线切割、钻床等常用加工设备.另外，由于一些零件较小，设备无法加工，因此，需要手工制作完成，锻炼了学生的动手能力.

(2)装配和调试.

装配和调试是整个制作过程中非常重要的环节之一.因此，装配和调试环节需要投入大量的精力.

在装配过程中，确保小车各部分的装配准度和精度，为后续调试打下良好基础.同时装配时，尽量使零件不能有较大变形，齿轮和槽轮机构的中心距为标准中心距.

调试过程是一个繁琐的校验和修正过程.为了能够实现最佳效果，每次调试时，都要抓住一个关键装配进行调试，确保调试有序进行.

调试过程存在的几个问题及解决措施：(1)小车无序乱转.可能由于装配或者加工存在的系统误差所致.通过调整转向轮初始偏转角度即可消除.(2)绕行轨迹与理论计算存在偏差.这是由于曲柄过长导致转角较大，使回转半径变小而产生.通过将曲柄调短解决，调节时，一定要反复微调，否则容易调节过度.(3)车轮打滑.由于整车质量较轻，车轮与台面的摩擦系数较小，出现打滑现象.为了保证小车行走距离，不能通过增大整车质量实现，那么可以通过在车轮上套一层橡胶圈，增大车轮与台面摩擦的方式加以解决.(4)小车绕行时，主动轮回转半径大小不一.无论具体轨迹如何变化，只要出现主动轮大小不一的情况，说明转向轮在初始调节的时候没有将转向轮调到正前方的位置.由于正转和反转的过程中，齿轮啮合存在间隙.所以必须根据实际运行情况进行更正调节.此时，需要微调齿条长度以保证转向轮两次转向角度相同.

3 结束语

组织学生研究团队参与本题目的设计与制作，培养了参赛学生灵活运用所学知识发现问题和解决问题的创新思维和创新能力，调动了其他同学参与科技创新活动的积极性与主动性，收到了良好的效果.通过实践发现，以“兴趣驱动、主动创新、自主实践、重在过程”为原则，多渠道、全方位地开展学生工程实践与科研实践训练，扎实推进各类科技竞赛，是解决思创意识与创新实践能力双螺旋提升这一问题的最佳途径.大学生思创意识的提升和浓厚的科技创新氛围又能引导学生主动去实践和创新.在不断的实践活动中，可以大幅度提升了学生的实践动手能力，实现创新意识与创新能力双螺旋耦合式提升.

[1]成大先.机械设计手册(第5版).北京：化学工业出版社，2010.1

[2]王跃进，张春林.机械原理.北京：北京大学出版社，2009.9

[3]董长宏，梁旭，黄明.大学生科技创新能力培养的有效途径探究[J].沈阳教育学院学报，V01.1l，No.6，2009.12,68～71

[4]卞军，魏晓伟.鼓励大学生积极参与科研 培养高素质的创新人才[J].高等教育研究.Vol.28，No.2,2011.6,85～87