基于大學(xué)生科技創(chuàng)新能力培養(yǎng)的一種無碳小車設(shè)計(jì)與制作

張文海 劉春東 趙成剛 杜林冬

(河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000)

0 前 言

由于長期應(yīng)試教育和高等教育的迅速擴(kuò)張，工科大學(xué)生的科技創(chuàng)新能力不強(qiáng)，與建設(shè)創(chuàng)新型國家對大學(xué)生的要求相距較大，培養(yǎng)大學(xué)生科技創(chuàng)新能力已經(jīng)成為大學(xué)教育的基本和迫切的任務(wù).大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽是教育部舉辦的全國性大學(xué)生科技創(chuàng)新實(shí)踐競賽活動(dòng)，其目的是基于國內(nèi)各高校綜合性工程訓(xùn)練教學(xué)平臺(tái)，深化實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，提升大學(xué)生工程創(chuàng)新意識(shí)、實(shí)踐能力和團(tuán)隊(duì)合作精神，促進(jìn)創(chuàng)新人才培養(yǎng).無碳小車設(shè)計(jì)與制作就是2012年競賽的題目之一，通過組建學(xué)生研發(fā)團(tuán)隊(duì)，在老師指導(dǎo)下獨(dú)立完成設(shè)計(jì)與制作，并參加比賽，提升了學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、設(shè)計(jì)與動(dòng)手制作能力.

1 大學(xué)生科技創(chuàng)新能力現(xiàn)狀分析

《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010-2020)》中指出：“牢固確立人才培養(yǎng)在高校工作中的中心地位，著力培養(yǎng)信念執(zhí)著、品德優(yōu)良、知識(shí)豐富、本領(lǐng)過硬的高素質(zhì)專門人才和拔尖創(chuàng)新人才”.

創(chuàng)新是國家和民族進(jìn)步的靈魂，建設(shè)創(chuàng)新型國家、創(chuàng)新型社會(huì)已經(jīng)成為全社會(huì)共同的話題，建設(shè)創(chuàng)新型國家需要大批具有創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)新能力、獨(dú)立解決問題能力的創(chuàng)新人才.而培養(yǎng)的陣地就是高校，培養(yǎng)的對象就是在校大學(xué)生，培養(yǎng)的路徑就是高校和社會(huì)創(chuàng)造條件、采取措施培養(yǎng)大學(xué)生科技創(chuàng)新能力.

大學(xué)生科技創(chuàng)新能力培養(yǎng)的重要性已經(jīng)得到高等教育界及全社會(huì)的廣泛認(rèn)可，各有關(guān)部門、社會(huì)組織和高校也已采取了一系列措施推進(jìn)大學(xué)生科技創(chuàng)新能力培養(yǎng)，如開展了一系列全國范圍內(nèi)的大學(xué)生科學(xué)技術(shù)大賽、數(shù)學(xué)建模大賽、機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)競賽等科技實(shí)踐活動(dòng)，各高校組建了大量的課外科技創(chuàng)新活動(dòng)興趣小組，為大學(xué)生開展科技創(chuàng)新活動(dòng)搭建了良好的平臺(tái)，在老師的指導(dǎo)下開展了一些有益的科技創(chuàng)新探索，受到了很好的鍛煉，自身能力得到了很大的提高.

但目前高校開展的大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)存在一些問題，制約著活動(dòng)向更廣、更深發(fā)展.一是呆板單一的課堂教學(xué)使大學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣索然.大學(xué)本科教育基本還是延續(xù)了中學(xué)的書本灌輸教育，接觸工程一線的機(jī)會(huì)不多，雖有實(shí)驗(yàn)課、實(shí)習(xí)課但比例較小，對專業(yè)學(xué)習(xí)從一入學(xué)的無限向往到后來愈發(fā)的索然無味，學(xué)習(xí)興趣越來越小，課堂教學(xué)在大學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)中的作用有限.二是長期接受應(yīng)試教育使大學(xué)生參與科技創(chuàng)新活動(dòng)的意識(shí)淡漠.大學(xué)生的一切學(xué)習(xí)生活都是圍繞考試而展開的，和考試無關(guān)的一些事情如科技探究、創(chuàng)新活動(dòng)很少有人參與，進(jìn)入大學(xué)以后，兩極分化，一部分為考研而準(zhǔn)備，一部分以娛樂、經(jīng)商、消遣為主，參與科技創(chuàng)新活動(dòng)者很少，科技創(chuàng)新活動(dòng)在校園內(nèi)難覓蹤影.三是由于學(xué)生增多，而實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐條件難以改善，無法為學(xué)生提供課外科技創(chuàng)新場所和必要的設(shè)備，一些有興趣的同學(xué)也只能紙上談兵了，難以從實(shí)踐中檢驗(yàn)自己的設(shè)想.四是高校老師的課外指導(dǎo)不到位，學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)缺乏有效的指導(dǎo).高校老師中年輕教師本身經(jīng)驗(yàn)缺乏，不足以承擔(dān)指導(dǎo)重任；中年骨干教師校內(nèi)、校外、家庭都是頂梁柱，往往分身乏術(shù)，沒有精力指導(dǎo)；老教師由于年齡原因也難以承擔(dān)指導(dǎo)任務(wù).

破解目前大學(xué)生科技創(chuàng)新能力培養(yǎng)不到位困局的一條有效途徑就是層層組織大學(xué)生參加各級(jí)各類科技創(chuàng)新設(shè)計(jì)與制作大賽，在參與中組建研究團(tuán)隊(duì)，親身實(shí)踐科技作品的設(shè)計(jì)、制造和比賽，想方設(shè)法解決研究過程中的各種問題和困難.基于全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽賽，分層次開展校內(nèi)預(yù)賽、區(qū)域或省內(nèi)選拔賽、全國決賽等，最大限度發(fā)動(dòng)學(xué)生積極參加，在活動(dòng)中培養(yǎng)基本創(chuàng)新能力和技巧，不失為一種有效途徑.

2 無碳小車的設(shè)計(jì)與制作

1)競賽主題.

第二屆大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽主題為“無碳小車越障競賽”.設(shè)計(jì)一種以重力勢能驅(qū)動(dòng)的具有方向自控功能的無碳小車，如圖1所示.小車通過1 Kg重塊下落獲得的重力勢能作為小車動(dòng)力源.小車在半張標(biāo)準(zhǔn)乒乓球臺(tái)(長1 525 mm、寬1 370 mm)上，繞相距一定距離的兩個(gè)障礙沿8字形軌跡繞行，繞行時(shí)不可以撞倒障礙物，不可以掉下球臺(tái)(障礙物為直徑20 mm、長200 mm的2個(gè)圓棒，相距一定距離放置在半張標(biāo)準(zhǔn)乒乓球臺(tái)的中線上).

圖1 無碳小車示意圖 圖2 比賽用乒乓球臺(tái)及障礙設(shè)置圖

1)關(guān)鍵機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì).

(1)后輪輪徑的確定.

輪徑的大小不直接影響繞繩半徑以及動(dòng)阻力的關(guān)系.所以，輪徑越大理論行程越長，然而輪徑過大會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)彎性能和通過兩樁中間區(qū)域難度加大，后輪直徑取d0=150 mm.

(2)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)[1].

傳動(dòng)部分采用兩級(jí)齒輪傳動(dòng).選用選用m=1的漸開線標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪.四輪齒數(shù)分別為Z1=27、Z2=65、Z3=48、Z4=24.一級(jí)齒輪傳動(dòng)：i1=65/27，a1=46mm；二級(jí)齒輪傳動(dòng)：i2=1∶2，a2=36mm.

傳動(dòng)軸選用Φ4的結(jié)構(gòu)鋼.后輪軸軸長h1=130 mm，槽輪機(jī)構(gòu)兩軸軸長h2=h3=114 mm，曲柄軸軸長h4=74 mm.軸與車架均采用型號(hào)為10094的微型向心軸承配合(軸承內(nèi)徑為4 mm，外徑為11 mm).

(3)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì).

轉(zhuǎn)向部分由槽輪機(jī)構(gòu)、曲柄機(jī)構(gòu)及齒輪齒條機(jī)構(gòu)組成.

(1)槽輪機(jī)構(gòu).小車每繞一個(gè)樁，槽輪撥盤應(yīng)該轉(zhuǎn)1圈，使從動(dòng)槽輪轉(zhuǎn)1/4圈，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)左右轉(zhuǎn)向的切換.之前已經(jīng)確定槽輪機(jī)構(gòu)中心距a=38 mm，按工作要求，槽數(shù)z=4.本槽輪為外接槽輪，實(shí)現(xiàn)間歇運(yùn)動(dòng).轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的主要參數(shù)[2]為：槽數(shù)z=4，槽間角2β=360°/z=90°，鎖止凸弧張角γ=360°-2α=270°，曲柄軸輪轂相對直徑d0=22 mm，圓銷個(gè)數(shù)j=1.

(2)曲柄機(jī)構(gòu).通過曲柄機(jī)構(gòu)的曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向輪的左右擺動(dòng)，類似曲柄搖桿機(jī)構(gòu).曲柄的長度lq=πd5×α/360°=17.77 mm，槽輪每次轉(zhuǎn)位時(shí)曲柄的轉(zhuǎn)角2α=180°-2β=90°，中心距a=38 mm.

(3)齒輪齒條機(jī)構(gòu).利用齒輪齒條機(jī)構(gòu)最終實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)向.根據(jù)小車的整體尺寸、加工及傳動(dòng)精度要求，齒輪的分度圓直徑d5選取40 mm，曲柄軸心與轉(zhuǎn)向輪的中心水平距離l0取120 mm.齒條行程lx=2lq=35.54 mm；齒條長度lc>l0+lq=137.77 mm，取lc=160mm.另外，利用固定在由主車架上軸承組構(gòu)成的滑軌約束齒條其他方向的運(yùn)動(dòng)，從而保證齒條僅能前后水平移動(dòng).

2)制作與調(diào)試.

(1)加工.

在制作過程中，不僅需要克服設(shè)備簡陋，精度低，時(shí)間緊，任務(wù)重等不利因素，還需要實(shí)時(shí)對設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和參數(shù)作必要修正.零件材料的選擇要綜合考慮性能和成本.亞克力板由于具有透明度高、加工性能好、綜合性能優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn)，用于加工主動(dòng)輪、從動(dòng)輪、轉(zhuǎn)向輪支架、曲柄軸架等零件，而主架、副架、轉(zhuǎn)向輪、重物塊底座、重物塊滑輪等采用尼龍棒加工而成；加工方式的選擇則需要注重精度和成本.零件的加工主要涉及了銑床、車床、線切割、鉆床等常用加工設(shè)備.另外，由于一些零件較小，設(shè)備無法加工，因此，需要手工制作完成，鍛煉了學(xué)生的動(dòng)手能力.

(2)裝配和調(diào)試.

裝配和調(diào)試是整個(gè)制作過程中非常重要的環(huán)節(jié)之一.因此，裝配和調(diào)試環(huán)節(jié)需要投入大量的精力.

在裝配過程中，確保小車各部分的裝配準(zhǔn)度和精度，為后續(xù)調(diào)試打下良好基礎(chǔ).同時(shí)裝配時(shí)，盡量使零件不能有較大變形，齒輪和槽輪機(jī)構(gòu)的中心距為標(biāo)準(zhǔn)中心距.

調(diào)試過程是一個(gè)繁瑣的校驗(yàn)和修正過程.為了能夠?qū)崿F(xiàn)最佳效果，每次調(diào)試時(shí)，都要抓住一個(gè)關(guān)鍵裝配進(jìn)行調(diào)試，確保調(diào)試有序進(jìn)行.

調(diào)試過程存在的幾個(gè)問題及解決措施：(1)小車無序亂轉(zhuǎn).可能由于裝配或者加工存在的系統(tǒng)誤差所致.通過調(diào)整轉(zhuǎn)向輪初始偏轉(zhuǎn)角度即可消除.(2)繞行軌跡與理論計(jì)算存在偏差.這是由于曲柄過長導(dǎo)致轉(zhuǎn)角較大，使回轉(zhuǎn)半徑變小而產(chǎn)生.通過將曲柄調(diào)短解決，調(diào)節(jié)時(shí)，一定要反復(fù)微調(diào)，否則容易調(diào)節(jié)過度.(3)車輪打滑.由于整車質(zhì)量較輕，車輪與臺(tái)面的摩擦系數(shù)較小，出現(xiàn)打滑現(xiàn)象.為了保證小車行走距離，不能通過增大整車質(zhì)量實(shí)現(xiàn)，那么可以通過在車輪上套一層橡膠圈，增大車輪與臺(tái)面摩擦的方式加以解決.(4)小車?yán)@行時(shí)，主動(dòng)輪回轉(zhuǎn)半徑大小不一.無論具體軌跡如何變化，只要出現(xiàn)主動(dòng)輪大小不一的情況，說明轉(zhuǎn)向輪在初始調(diào)節(jié)的時(shí)候沒有將轉(zhuǎn)向輪調(diào)到正前方的位置.由于正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的過程中，齒輪嚙合存在間隙.所以必須根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行更正調(diào)節(jié).此時(shí)，需要微調(diào)齒條長度以保證轉(zhuǎn)向輪兩次轉(zhuǎn)向角度相同.

3 結(jié)束語

組織學(xué)生研究團(tuán)隊(duì)參與本題目的設(shè)計(jì)與制作，培養(yǎng)了參賽學(xué)生靈活運(yùn)用所學(xué)知識(shí)發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力，調(diào)動(dòng)了其他同學(xué)參與科技創(chuàng)新活動(dòng)的積極性與主動(dòng)性，收到了良好的效果.通過實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，以“興趣驅(qū)動(dòng)、主動(dòng)創(chuàng)新、自主實(shí)踐、重在過程”為原則，多渠道、全方位地開展學(xué)生工程實(shí)踐與科研實(shí)踐訓(xùn)練，扎實(shí)推進(jìn)各類科技競賽，是解決思創(chuàng)意識(shí)與創(chuàng)新實(shí)踐能力雙螺旋提升這一問題的最佳途徑.大學(xué)生思創(chuàng)意識(shí)的提升和濃厚的科技創(chuàng)新氛圍又能引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)去實(shí)踐和創(chuàng)新.在不斷的實(shí)踐活動(dòng)中，可以大幅度提升了學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新意識(shí)與創(chuàng)新能力雙螺旋耦合式提升.

[1]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(第5版).北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.1

[2]王躍進(jìn)，張春林.機(jī)械原理.北京：北京大學(xué)出版社，2009.9

[3]董長宏，梁旭，黃明.大學(xué)生科技創(chuàng)新能力培養(yǎng)的有效途徑探究[J].沈陽教育學(xué)院學(xué)報(bào)，V01.1l，No.6，2009.12,68～71

[4]卞軍，魏曉偉.鼓勵(lì)大學(xué)生積極參與科研 培養(yǎng)高素質(zhì)的創(chuàng)新人才[J].高等教育研究.Vol.28，No.2,2011.6,85～87