林恩典

（福建省廈門電子職業(yè)中專學(xué)校 福建 廈門 361000）

目前，大約80%的汽車自動變速器采用行星齒輪變速機構(gòu)。行星齒輪變速機構(gòu)是自動變速器的關(guān)鍵部分?！蹲詣幼兯倨鞯慕Y(jié)構(gòu)、原理與維修》是中等職業(yè)學(xué)校汽車維修專業(yè)的必修課。自動變速器通常采用復(fù)合行星齒輪機構(gòu)，中職學(xué)生對其復(fù)雜的工作原理難于理解。我們可以采用先進的計算機技術(shù)降低學(xué)習(xí)難度，提高工作效率，優(yōu)化教學(xué)效果，把行星齒輪變速機構(gòu)的課堂教學(xué)變得生動、形象，吸引學(xué)生的注意力，加深理解和記憶。在計算機輔助教學(xué)實踐中，我們進行探索與研究，尋找適合中職學(xué)生的方法和手段。

制作行星齒輪機構(gòu)的仿真元件，裝配教學(xué)模型，進行虛擬傳動實驗

結(jié)合中職學(xué)生的特點，尤其是一些學(xué)生沒有學(xué)好工程制圖、機械零件和機械原理等課程，講授行星齒輪機構(gòu)，應(yīng)該盡量采用直觀的、具體的和形象的教學(xué)方法，充分發(fā)揮學(xué)生感性認知的作用。利用計算機技術(shù)，可以建立行星齒輪機構(gòu)的虛擬實驗平臺，在平臺上展開教學(xué)。

使用Autodesk Inventor程序，可以設(shè)計仿真元件，裝配仿真機構(gòu)，演示仿真運動，在Inventor程序環(huán)境中，約束機構(gòu)的部分元件，改變機構(gòu)的傳動方式，觀察傳動效果；操作鍵盤、鼠標(biāo)，隨意調(diào)整觀察角度。在虛擬平臺上，沒有軸承、外殼與機架，模型就能懸空運轉(zhuǎn)，有神奇的動態(tài)展示效果。

（一）簡單行星齒輪機構(gòu)的模型與換擋變速實驗

三個獨立元件：太陽輪、齒圈、行星輪/行星架組件，如圖1所示（不顯示行星架）。理論上，它有7種傳動方式，如表1所示。在屏幕上，圖1與表1同時出現(xiàn)。鼠標(biāo)點擊表1中的序號，對應(yīng)的欄目高亮顯示；鼠標(biāo)點擊圖1，屏幕顯示動畫的畫面。元件在不同擋位的動畫中改變顏色——主動件顯紅色，被動件顯藍色，制動件顯黑色，圖與表一致。

表1 太陽輪、齒圈、行星輪/行星架組件傳動方式表

（二）一般辛普森式行星齒輪機構(gòu)的模型與換擋變速實驗

四個獨立元件：共同太陽輪、前齒圈、前行星架/后齒圈組件、后行星架。它是由兩個行星排組成的，前行星架與后齒圈連接。前后兩排的行星齒輪的參數(shù)相同。在屏幕上，同時顯示教學(xué)模型（如圖2所示）和傳動方式表（略），實驗方法如上所述。

圖1 太陽輪、齒圈、行星輪/行星架組件示意圖

圖2 共同太陽輪、前齒圈、前行星架/后齒圈組件、后行星架的教學(xué)模型圖

（三）CR-CR式行星齒輪機構(gòu)的模型與實驗

四個獨立元件：前太陽輪、后太陽輪、前行星架/后齒圈組件、后行星架/前齒圈組件。前行星架與后齒圈連接；后行星架與前齒圈連接，故有CRCR之稱。在屏幕上，同時顯示教學(xué)模型（如圖3所示）和傳動方式表（略），實驗方法如上所述。

圖3 CR-CR教學(xué)模型圖

（四）拉維娜式行星齒輪機構(gòu)的模型與實驗

四個獨立元件：前太陽輪、后太陽輪、共用行星架（不顯示）、共用齒圈，如圖4所示。結(jié)構(gòu)緊湊，嚙合的齒數(shù)多，可承載的負荷大，零件數(shù)量少，結(jié)構(gòu)看似簡單，原理卻難于理解。共用齒圈，共用長行星輪，前后排行星齒輪機構(gòu)的特征不明顯，這是學(xué)生理解難的主因?？梢哉J為，它是由一個單級行星排和一個雙級行星排并聯(lián)組成的。將機構(gòu)做等效變形，以參數(shù)相同而相互連接的兩個齒圈代替共用齒圈，以參數(shù)相同而相互連接的兩個行星齒輪代替長行星齒輪，如圖5所示，兩行星排的特征就顯而易見了。

圖4 前太陽輪、后太陽輪、共用行星架（不顯示）、共用齒圈示意圖

圖5 兩行星排示意圖

圖6 機構(gòu)傳動原理圖

在屏幕上，同時顯示2個模型圖（圖4、圖5）和傳動方式表（略）。鼠標(biāo)點擊表中的序號，選擇傳動方式；點擊選擇模型圖，屏幕出現(xiàn)對應(yīng)的動畫。兩個模型各有特色，有助于學(xué)生準(zhǔn)確地理解拉維娜式行星齒輪機構(gòu)的結(jié)構(gòu)原理。

在授課時，教師可以熟練地使用Autodesk Inventor程序任意放大和縮小模型，拆分和組裝模型，改變模型的擺放位置。教學(xué)效果令人滿意。

計算機技術(shù)優(yōu)化汽車齒輪變速器的授課效果

采用階梯式教學(xué)，先易后難，即三維齒輪機構(gòu)模型——傳動原理示意圖——動力傳遞路線圖，步步深入，分析行星齒輪變速機構(gòu)的換擋規(guī)律與動力傳遞路線。其教學(xué)效果分析如下。

（一）動畫演示一般行星齒輪變速機構(gòu)

在學(xué)習(xí)行星齒輪機構(gòu)和離合器、制動器等執(zhí)行元件的原理之后，學(xué)生開始學(xué)習(xí)一般辛普森行星齒輪變速機構(gòu)。如果利用掛圖與文字標(biāo)注，講述其工作原理，顯然是費時費力的。播放動畫和錄像，有助于初學(xué)者較快了解行星齒輪變速機構(gòu)的基礎(chǔ)知識?？缮匣ヂ?lián)網(wǎng)，尋找相關(guān)的視頻資料，供教學(xué)使用。

（二）三維模型有助于學(xué)生明白汽車變速器原理

汽車自動變速器的型號很多，技術(shù)不斷更新，產(chǎn)品五花八門，結(jié)構(gòu)變化多端。職業(yè)教育要涵蓋先進的汽車工業(yè)技術(shù)。為了節(jié)省資金和時間，有效地服務(wù)教學(xué)，教師應(yīng)該充分利用計算機技術(shù)，搜集和加工信息，巧妙地使用三維模型，優(yōu)化課堂教學(xué)效果，幫助學(xué)生克服學(xué)習(xí)中遇到的困難?，F(xiàn)以奧迪汽車5HP-19型自動變速器的齒輪變速機構(gòu)為例，介紹我們的做法。

許多汽車技術(shù)資料用機構(gòu)傳動原理圖與動力傳遞路線圖介紹變速器的技術(shù)，如圖6和圖7所示（來源：奧迪技師培訓(xùn)教材）。對中職學(xué)生而言，其學(xué)習(xí)難度比較大。在平面圖形中，學(xué)生容易誤解圖形的含義，或不了解各元件的確切空間位置關(guān)系。例如，在圖6與圖7中容易出現(xiàn)混亂——在圖7中，離合器B連接的太陽輪感覺比離合器A連接的太陽輪還大，恰與圖6相反！運用Autodesk Inventor程序，展示5HP-19型自動變速器行星齒輪機構(gòu)的三維模型，如圖8所示。齒輪傳動的本質(zhì)是分度圓做純滾動。兩圓柱體曲面相切表示兩齒輪嚙合。以圓柱體表示齒輪，以圓環(huán)表示齒圈，做成行星齒輪機構(gòu)簡化三維模型，如圖9所示。實踐證明，感性認知對學(xué)習(xí)機械起著重要作用。學(xué)生看過圖8、圖9所示的三維模型，接著聽教師講解圖6、圖7的內(nèi)容，就沒有太大困難了。

在教師指導(dǎo)下，學(xué)生根據(jù)指定型號的汽車變速器的資料，制作行星齒輪機構(gòu)的三維模型，既可提高三維模型設(shè)計制作能力，又可深入學(xué)習(xí)汽車技術(shù)。這是我校學(xué)生競賽訓(xùn)練小組的研究性學(xué)習(xí)項目之一。

圖7 動力傳遞路線圖

圖8 5HP-19型自動變速器行星齒輪機構(gòu)的三維模型圖

圖9 行星齒輪機構(gòu)簡化三維模型圖

（三）計算機輔助分析機構(gòu)的動力傳遞路線，快速排查齒輪變速機構(gòu)的故障。

作為一名汽車維修技師，熟練地查閱齒輪機構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡圖與換擋控制表，根據(jù)結(jié)構(gòu)簡圖的技術(shù)信息分析變速器故障，是一種必須具備的職業(yè)能力。在實際工作中，利用結(jié)構(gòu)簡圖與控制表，分析換擋變速規(guī)律，查找齒輪機構(gòu)的故障，常有事半功倍的效果。如下所述，計算機技術(shù)給這方面的教學(xué)提供了方便。

上海通用別克4T65E型變速器的齒輪機構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡圖如圖10所示，換擋控制表見表2。顯然，根據(jù)結(jié)構(gòu)簡圖與控制表，制作每一個擋位的動力傳遞路線圖，總共有11幅，不會因為翻頁而分散學(xué)生的注意力。教師編寫程序，制作教學(xué)軟件。鼠標(biāo)點擊控制表的欄目，該欄目高亮，機構(gòu)簡圖切換至對應(yīng)擋位的動力傳遞路線圖。這樣，在擋位變化時，傳動路線圖只是在原來的機構(gòu)簡圖上改變部分圖形元素的色彩——動作中的元件與連接線段高亮顯示，其余淺灰色顯示。操作鍵盤，輸入故障發(fā)生的擋位（一個或多個），程序進行邏輯運算，在可能存在故障的部分，彩色高亮顯示，其余部分灰色顯示。教師以此講述齒輪變速機構(gòu)故障的分析、查找、判斷和修復(fù)，效果較好。

圖10 上海通用別克4T65E型變速器的齒輪機構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡圖

表2 上海通用別克4T65E型變速器齒輪機構(gòu)的換擋控制表

虛擬裝配與實訓(xùn)教學(xué)相結(jié)合，彌補實訓(xùn)教學(xué)之不足

我們針對汽車自動變速器的教學(xué)樣機，制作了變速器的仿真元件。仿真元件表達真實元件的主要特征與基本要素，去掉許多細節(jié)部分（如螺紋、退刀槽、加強筋和工藝孔等），以便集中學(xué)生注意力。使用計算機，學(xué)生花費十幾分鐘時間，可虛擬裝配一部汽車變速器，學(xué)習(xí)效率很高。學(xué)生練習(xí)虛擬裝配，了解機器的結(jié)構(gòu)與裝配過程，可為下一步學(xué)習(xí)實際裝配技術(shù)打下基礎(chǔ)。

齒輪變速機構(gòu)的拆卸與組裝是汽車維修專業(yè)的一項重要的實訓(xùn)項目。然而，汽車實訓(xùn)教學(xué)在資金、設(shè)備、場地和師資等方面普遍存在困難。缺少感性認知與動手經(jīng)歷，會影響學(xué)生學(xué)習(xí)機械課程的效果。虛擬裝配教學(xué)能在一定程度上彌補實訓(xùn)教學(xué)的不足，對職業(yè)教育發(fā)展有積極作用。因此，應(yīng)該給以足夠的重視。

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