簡論行星齒輪變速機構的計算機輔助教學

林恩典

（福建省廈門電子職業中專學校 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。行星齒輪變速機構是自動變速器的關鍵部分?！蹲詣幼兯倨鞯慕Y構、原理與維修》是中等職業學校汽車維修專業的必修課。自動變速器通常采用復合行星齒輪機構，中職學生對其復雜的工作原理難于理解。我們可以采用先進的計算機技術降低學習難度，提高工作效率，優化教學效果，把行星齒輪變速機構的課堂教學變得生動、形象，吸引學生的注意力，加深理解和記憶。在計算機輔助教學實踐中，我們進行探索與研究，尋找適合中職學生的方法和手段。

制作行星齒輪機構的仿真元件，裝配教學模型，進行虛擬傳動實驗

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

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

（一）簡單行星齒輪機構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。鼠標點擊表1中的序號，對應的欄目高亮顯示；鼠標點擊圖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相同。在屏幕上，同時顯示教學模型（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、后行星架的教學模型圖

（三）CR-CR式行星齒輪機構的模型與實驗

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教學模型圖

（四）拉維娜式行星齒輪機構的模型與實驗

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。結構緊湊，嚙合的齒數多，可承載的負荷大，零件數量少，結構看似簡單，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的特征不明顯，這是學生理解難的主因?？梢哉J為，它是由一個單級行星排和一個雙級行星排并聯組成的。將機構做等效變形，以參數相同而相互連接的兩個齒圈代替共用齒圈，以參數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）。鼠標點擊表中的序號，選擇傳動方式；點擊選擇模型圖，屏幕出現對應的動畫。兩個模型各有特色，有助于學生準確地理解拉維娜式行星齒輪機構的結構原理。

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。教學效果令人滿意。

計算機技術優化汽車齒輪變速器的授課效果

采用階梯式教學，先易后難，即三維齒輪機構模型——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的換擋規律與動力傳遞路線。其教學效果分析如下。

（一）動畫演示一般行星齒輪變速機構

在學習行星齒輪機構和離合器、制動器等執行元件的原理之后，學生開始學習一般辛普森行星齒輪變速機構。如果利用掛圖與文字標注，講述其工作原理，顯然是費時費力的。播放動畫和錄像，有助于初學者較快了解行星齒輪變速機構的基礎知識?？缮匣ヂ摼W，尋找相關的視頻資料，供教學使用。

（二）三維模型有助于學生明白汽車變速器原理

汽車自動變速器的型號很多，技術不斷更新，產品五花八門，結構變化多端。職業教育要涵蓋先進的汽車工業技術。為了節省資金和時間，有效地服務教學，教師應該充分利用計算機技術，搜集和加工信息，巧妙地使用三維模型，優化課堂教學效果，幫助學生克服學習中遇到的困難?，F以奧迪汽車5HP-19型自動變速器的齒輪變速機構為例，介紹我們的做法。

許多汽車技術資料用機構傳動原理圖與動力傳遞路線圖介紹變速器的技術，如圖6和圖7所示（來源：奧迪技師培訓教材）。對中職學生而言，其學習難度比較大。在平面圖形中，學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系。例如，在圖6與圖7中容易出現混亂——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的三維模型，如圖8所示。齒輪傳動的本質是分度圓做純滾動。兩圓柱體曲面相切表示兩齒輪嚙合。以圓柱體表示齒輪，以圓環表示齒圈，做成行星齒輪機構簡化三維模型，如圖9所示。實踐證明，感性認知對學習機械起著重要作用。學生看過圖8、圖9所示的三維模型，接著聽教師講解圖6、圖7的內容，就沒有太大困難了。

在教師指導下，學生根據指定型號的汽車變速器的資料，制作行星齒輪機構的三維模型，既可提高三維模型設計制作能力，又可深入學習汽車技術。這是我校學生競賽訓練小組的研究性學習項目之一。

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的三維模型圖

圖9 行星齒輪機構簡化三維模型圖

（三）計算機輔助分析機構的動力傳遞路線，快速排查齒輪變速機構的故障。

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

上海通用別克4T65E型變速器的齒輪機構的結構簡圖如圖10所示，換擋控制表見表2。顯然，根據結構簡圖與控制表，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生的注意力。教師編寫程序，制作教學軟件。鼠標點擊控制表的欄目，該欄目高亮，機構簡圖切換至對應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故障的分析、查找、判斷和修復，效果較好。

圖10 上海通用別克4T65E型變速器的齒輪機構的結構簡圖

表2 上海通用別克4T65E型變速器齒輪機構的換擋控制表

虛擬裝配與實訓教學相結合，彌補實訓教學之不足

我們針對汽車自動變速器的教學樣機，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，去掉許多細節部分（如螺紋、退刀槽、加強筋和工藝孔等），以便集中學生注意力。使用計算機，學生花費十幾分鐘時間，可虛擬裝配一部汽車變速器，學習效率很高。學生練習虛擬裝配，了解機器的結構與裝配過程，可為下一步學習實際裝配技術打下基礎。

齒輪變速機構的拆卸與組裝是汽車維修專業的一項重要的實訓項目。然而，汽車實訓教學在資金、設備、場地和師資等方面普遍存在困難。缺少感性認知與動手經歷，會影響學生學習機械課程的效果。虛擬裝配教學能在一定程度上彌補實訓教學的不足，對職業教育發展有積極作用。因此，應該給以足夠的重視。

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