培养本科学生创新能力的科研转化实验设计——以“张紧器动态特性实验”设计为例

魏政君，李利平，李广龙

（华南理工大学机械与汽车工程学院，广州 510641）

0 引言

随着我国经济发展与科技进步，培养具有创新能力人才已成为社会对高校教育提出的迫切要求［1］。具备创新意识、创新思维和创新技能，才能成就有创新能力的人才。高校本科生人才培养教学质量取决于课堂教学和实践教学。实验教学为学生提供了广阔的实践空间、思维空间、创造空间，是学生探究学习、培养创新能力的重要阵地［2-3］。

高校科研课题，蕴含着创新的思想和过程，将其转化为本科实验教学内容，既有学科的新颖性和探索性，又可避免研究过程的盲目性和不确定性。两者有机结合，将研究生培养方式拓展到本科生培养，有利于本科生接触学科前沿，体会创新的思想过程，拉近科研的距离，培养创新的思维［4-8］。

选用校企合作科研课题中的张紧器试验研究内容，引入车辆工程本科专业综合实验，是由于张紧器是汽车发动机的关键典型的零部件，其含有典型的刚度阻尼特性。动态特性主要通过实验获取，为正向开发设计提供重要数据与验证，而且实验方法具有一定的典型性与通用性。实验也与实际汽车零部件企业测试紧密相关，有较强的工程应用背景，有利于学生接触一线汽车企业，锻炼其工程实践能力。因此，对于准研究生们或准工程师们的实践能力、创新能力培养，都是非常有利的。

1 实验对象

采用重要的却又容易忽略的发动机零部件作为实验对象，有助于学生对汽车发动机及其零部件的结构原理更广泛的回顾及更理性的认识。用一个学生可能不常见的，却包含典型特性的实验对象，让学生懂得科研探索往往在于“细、精、专”，提高学生实验兴趣，引导学生主动探索，激发学生的研究创新欲望。

汽车发动机前端附件驱动系统（Front end accessory drive，FEAD）是由带、张紧器和若干轮系组成的传动系统，如图1 所示。

图1 汽车发动机前端附件驱动系统

张紧器主要有机械手调式、机械自动式、液压自动式等类型。其中，常见的机械式自动张紧器采用螺旋弹簧结构，由张紧臂、张紧轮、弹簧、阻尼元件等组成［9-13］，如图2 所示。

张紧器的作用在于［14-15］：

（1）降低由于皮带蠕变和受热膨胀引起的张力波动而导致的皮带抖动和噪声。

（2）保证附件轮的包角，降低皮带打滑的风险，提高系统的传动稳定性，保证系统正常工作。

图2 自动张紧器结构图

（3）调节和补偿由于制造误差引起的张力波动。

（4）改变带段两侧的固有频率，避免共振。

2 实验内容

本科实验教学中，汽车零部件的传统试验一般在静态层面上，但往往有些零件是在动态工况下工作的。如：张紧器的工作随着发动机转速、负荷等变化而变化，其中的刚度、阻尼等特性会随着激励力的频率变化而动态变化。采用实际车型的张紧器为测试对象，为模拟实车常用工况，设计了在不同条件下进行其动态特性试验。即不同激振幅值下、不同初始位置和不同频率下分别测试张紧器的动态刚度与迟滞回线，为张紧器的正向开发或者产品验证提供实验依据。

实验内容具有一定的新颖性与探索性，又有工程应用意义。实验内容的呈现，让学生不仅要掌握基本的专业知识，清楚其结构原理，而且要进行深化探索，研究其特性。通过引导学生课前查阅相关文献，深度学习，吸取新知识，探索新方法，鼓励学生在此过程中去总结已有知识，尝试发现新问题，新思路。

3 实验方法

3.1 实验准备

实验主要在学校的大型设备MTS（Mechanical Testing ＆ Simulation）测试仪上完成。MTS测试仪主要由泵站、设备台架、控制器、传感器、计算机和冷却系统等组成，可为试验件加载准静态和动态激励，并监控过程、提供过程数据。

测试装置的结构如图3 所示，从上往下，连接底板上端与设备传感器固定端相连接。在连接底座上，用螺栓将张紧器的壳体固定。张紧臂可以绕张紧器旋转中心旋转。张紧轮与工装挂勾相连接，工装挂钩与作动端连接。当MTS 测试仪作动端激振时，张紧轮振动，从而可以在试验台上模拟实车工况。

3.2 实验过程

图3 张紧轮测试装置

测试过程按照汽车零部件测试规范，选择相应软件功能模块，编制测试程序。加载过程中，作动端推动张紧轮向上运动，克服张紧器弹簧扭力和内部摩擦力，按程序设定的速度到达设定位置。卸载过程中，作动端向下运动，在张紧器弹簧恢复力作用下，克服张紧器内部摩擦力作用，按程序设定的速度返回设定位置。在张紧器加载和卸载过程中，MTS 测试仪的数据处理系统采集激振端的位移信号和力信号。

3.3 转换计算

在MTS测试仪上测得的是位移与力的关系，可通过几何关系转换为弹簧扭转角与输出扭矩的关系，其转换原理，如图4 所示。

图4 张紧器的角位移与输出扭矩的测试原理

图4 中，Fe为激励力，Δh 为动作端的直线位移，张紧轮从初始位置O运动到O′，张紧臂运动的角位移为θt（即弹簧扭转角），张紧臂PO 与垂直方向的初始夹角定义为α0，根据几何关系可计算得

式中，L为张紧器的臂长，则张紧器的输出扭矩为：

实验方法是核心训练内容。为测试张紧器的动态性能，实验设计方案并不是唯一的。因此，按项目组形式，可将学生分成若干小组，组内成员分工合作、有效参与。充分利用现有设备，发挥组员的创新精神与主观能动性，从方案设计、工装设计、试验准备、设备操作等进行系统训练。在培养学生实验技能的同时，注重学生科学素养、规范操作、严谨思维，充分锻炼学生的创新技能与创新思维。

实验过程顺利是训练，实验过程坎坷是磨练，特别是在现有条件下不能直接测出结果，需要转换计算或者其他方法完成测试，锻炼学生克服困难，发挥创新精神，寻找新方法，训练其科研能力、实践能力、创新能力。

4 实验结果

4.1 激励频率的影响

结果如图5 所示，在低频时动刚度接近于静刚度，加载动刚度Kld和卸载动刚度Kud都随频率的增大先减小后增大，两者的趋势基本上一致。动刚度先减小，主要受质量惯性的影响；随后增大，主要受阻尼的影响。频率影响下的迟滞回线如图6 所示。

图5 动刚度曲线

图6 不同激励频率下的张紧器迟滞特性曲线

4.2 激振幅值的影响

在其他条件不变，不同的幅值激振下，实验测得的张紧器迟滞特性曲线如图7 所示，由于结构内部存在弹性元件与阻尼元件，在内部摩擦、挤压等作用下，致使扭矩与摆角之间呈现迟滞现象。幅值越大，迟滞曲线包围的面积越大。而加载和卸载的非过渡区域基本相同，表明加载和卸载的刚度与激励幅值关系不大。

4.3 初始位置的影响

图8 所示给出了不同初始工作位置下的迟滞特性曲线，从图中可以看出迟滞曲线沿着张紧器刚度变化方向移动。

综上所述，张紧器的动刚度在不同频率与不同初始工作位置工况下变化明显，而激励幅值的影响较小。

图7 不同激振幅值下的张紧器迟滞特性曲线

图8 不同初始位置下的张紧器迟滞特性曲线

通过实验结果，引导学生们对比分析不同条件下的影响。训练学生在形成概念、懂得设计、掌握实验技能后，还要学会对结果的处理与凝练，学会归纳、演绎、综合、类比等科学研究的方法，从而形成良好的创新思维习惯。如果结果误差过大、或实验数据异常、或实验失败，鼓励学生质疑批判、迎难而上、分析原因，训练其分析问题、独立解决问题的能力。

5 拓展研究

有些学生在探索与实验中，可能未完全弄清实验的缘由，或者意犹未尽，想用其他方式方法再试验。因此，在保证第一课堂实验教学质量基础上，“贯通”第二课堂。开放实验室，鼓励和组织学有余力的学生进行课外创新实验，延续课中未完成的实验或者想法。也可拟定内容方向对学生进行延续拓展训练。

（1）其他性能参数的测试。例如：对静刚度、静态等效阻尼系数的实验研究与计算。在不能直接测出所需参数的情况下，引导启发学生利用理论与测试的迟滞曲线数据，经过换算计算，获得静刚度与等效阻尼系数，并进一步研究存储刚度、损失刚度、损耗角等参数。

（2）应用一些试验设计方法，如：采用正交设计试验方法，考虑多因素、多水平的相互影响作用。

（3）失效性分析。试验过程可能存在失效性。试样问题、工装问题、设备甚至人员因素等都可能影响着数据的准确性、真实性，有些可能对测试曲线的监控过程中就可能被发现，因此可以引导学生发现问题并解决问题。

另外，吸引有兴趣的学生直接加入到与实验内容相关的教师科研项目中，进行进一步系统的科研训练。

6 结语

实验教学在培养学生实践能力和创新能力方面具有理论教学所不可替代的作用。科研课题向本科教学实验的转化，其中的科研创新意识、创新思维时刻影响着学生、激励着学生，促使学生需要将相关专业知识融会贯通，将理论付诸于实践，并勇于创新。科研创新的意识，前沿的实验内容，开放的实验方法，都有助于培养学生达成创新人才所要求的情感目标，知识目标和能力目标。