简论行星齿轮变速机构的计算机辅助教学

林恩典

（福建省厦门电子职业中专学校 福建 厦门 361000）

目前，大约80%的汽车自动变速器采用行星齿轮变速机构。行星齿轮变速机构是自动变速器的关键部分。《自动变速器的结构、原理与维修》是中等职业学校汽车维修专业的必修课。自动变速器通常采用复合行星齿轮机构，中职学生对其复杂的工作原理难于理解。我们可以采用先进的计算机技术降低学习难度，提高工作效率，优化教学效果，把行星齿轮变速机构的课堂教学变得生动、形象，吸引学生的注意力，加深理解和记忆。在计算机辅助教学实践中，我们进行探索与研究，寻找适合中职学生的方法和手段。

制作行星齿轮机构的仿真元件，装配教学模型，进行虚拟传动实验

结合中职学生的特点，尤其是一些学生没有学好工程制图、机械零件和机械原理等课程，讲授行星齿轮机构，应该尽量采用直观的、具体的和形象的教学方法，充分发挥学生感性认知的作用。利用计算机技术，可以建立行星齿轮机构的虚拟实验平台，在平台上展开教学。

使用Autodesk Inventor程序，可以设计仿真元件，装配仿真机构，演示仿真运动，在Inventor程序环境中，约束机构的部分元件，改变机构的传动方式，观察传动效果；操作键盘、鼠标，随意调整观察角度。在虚拟平台上，没有轴承、外壳与机架，模型就能悬空运转，有神奇的动态展示效果。

（一）简单行星齿轮机构的模型与换挡变速实验

三个独立元件：太阳轮、齿圈、行星轮/行星架组件，如图1所示（不显示行星架）。理论上，它有7种传动方式，如表1所示。在屏幕上，图1与表1同时出现。鼠标点击表1中的序号，对应的栏目高亮显示；鼠标点击图1，屏幕显示动画的画面。元件在不同挡位的动画中改变颜色——主动件显红色，被动件显蓝色，制动件显黑色，图与表一致。

表1 太阳轮、齿圈、行星轮/行星架组件传动方式表

（二）一般辛普森式行星齿轮机构的模型与换挡变速实验

四个独立元件：共同太阳轮、前齿圈、前行星架/后齿圈组件、后行星架。它是由两个行星排组成的，前行星架与后齿圈连接。前后两排的行星齿轮的参数相同。在屏幕上，同时显示教学模型（如图2所示）和传动方式表（略），实验方法如上所述。

图1 太阳轮、齿圈、行星轮/行星架组件示意图

图2 共同太阳轮、前齿圈、前行星架/后齿圈组件、后行星架的教学模型图

（三）CR-CR式行星齿轮机构的模型与实验

四个独立元件：前太阳轮、后太阳轮、前行星架/后齿圈组件、后行星架/前齿圈组件。前行星架与后齿圈连接；后行星架与前齿圈连接，故有CRCR之称。在屏幕上，同时显示教学模型（如图3所示）和传动方式表（略），实验方法如上所述。

图3 CR-CR教学模型图

（四）拉维娜式行星齿轮机构的模型与实验

四个独立元件：前太阳轮、后太阳轮、共用行星架（不显示）、共用齿圈，如图4所示。结构紧凑，啮合的齿数多，可承载的负荷大，零件数量少，结构看似简单，原理却难于理解。共用齿圈，共用长行星轮，前后排行星齿轮机构的特征不明显，这是学生理解难的主因。可以认为，它是由一个单级行星排和一个双级行星排并联组成的。将机构做等效变形，以参数相同而相互连接的两个齿圈代替共用齿圈，以参数相同而相互连接的两个行星齿轮代替长行星齿轮，如图5所示，两行星排的特征就显而易见了。

图4 前太阳轮、后太阳轮、共用行星架（不显示）、共用齿圈示意图

图5 两行星排示意图

图6 机构传动原理图

在屏幕上，同时显示2个模型图（图4、图5）和传动方式表（略）。鼠标点击表中的序号，选择传动方式；点击选择模型图，屏幕出现对应的动画。两个模型各有特色，有助于学生准确地理解拉维娜式行星齿轮机构的结构原理。

在授课时，教师可以熟练地使用Autodesk Inventor程序任意放大和缩小模型，拆分和组装模型，改变模型的摆放位置。教学效果令人满意。

计算机技术优化汽车齿轮变速器的授课效果

采用阶梯式教学，先易后难，即三维齿轮机构模型——传动原理示意图——动力传递路线图，步步深入，分析行星齿轮变速机构的换挡规律与动力传递路线。其教学效果分析如下。

（一）动画演示一般行星齿轮变速机构

在学习行星齿轮机构和离合器、制动器等执行元件的原理之后，学生开始学习一般辛普森行星齿轮变速机构。如果利用挂图与文字标注，讲述其工作原理，显然是费时费力的。播放动画和录像，有助于初学者较快了解行星齿轮变速机构的基础知识。可上互联网，寻找相关的视频资料，供教学使用。

（二）三维模型有助于学生明白汽车变速器原理

汽车自动变速器的型号很多，技术不断更新，产品五花八门，结构变化多端。职业教育要涵盖先进的汽车工业技术。为了节省资金和时间，有效地服务教学，教师应该充分利用计算机技术，搜集和加工信息，巧妙地使用三维模型，优化课堂教学效果，帮助学生克服学习中遇到的困难。现以奥迪汽车5HP-19型自动变速器的齿轮变速机构为例，介绍我们的做法。

许多汽车技术资料用机构传动原理图与动力传递路线图介绍变速器的技术，如图6和图7所示（来源：奥迪技师培训教材）。对中职学生而言，其学习难度比较大。在平面图形中，学生容易误解图形的含义，或不了解各元件的确切空间位置关系。例如，在图6与图7中容易出现混乱——在图7中，离合器B连接的太阳轮感觉比离合器A连接的太阳轮还大，恰与图6相反！运用Autodesk Inventor程序，展示5HP-19型自动变速器行星齿轮机构的三维模型，如图8所示。齿轮传动的本质是分度圆做纯滚动。两圆柱体曲面相切表示两齿轮啮合。以圆柱体表示齿轮，以圆环表示齿圈，做成行星齿轮机构简化三维模型，如图9所示。实践证明，感性认知对学习机械起着重要作用。学生看过图8、图9所示的三维模型，接着听教师讲解图6、图7的内容，就没有太大困难了。

在教师指导下，学生根据指定型号的汽车变速器的资料，制作行星齿轮机构的三维模型，既可提高三维模型设计制作能力，又可深入学习汽车技术。这是我校学生竞赛训练小组的研究性学习项目之一。

图7 动力传递路线图

图8 5HP-19型自动变速器行星齿轮机构的三维模型图

图9 行星齿轮机构简化三维模型图

（三）计算机辅助分析机构的动力传递路线，快速排查齿轮变速机构的故障。

作为一名汽车维修技师，熟练地查阅齿轮机构的结构简图与换挡控制表，根据结构简图的技术信息分析变速器故障，是一种必须具备的职业能力。在实际工作中，利用结构简图与控制表，分析换挡变速规律，查找齿轮机构的故障，常有事半功倍的效果。如下所述，计算机技术给这方面的教学提供了方便。

上海通用别克4T65E型变速器的齿轮机构的结构简图如图10所示，换挡控制表见表2。显然，根据结构简图与控制表，制作每一个挡位的动力传递路线图，总共有11幅，不会因为翻页而分散学生的注意力。教师编写程序，制作教学软件。鼠标点击控制表的栏目，该栏目高亮，机构简图切换至对应挡位的动力传递路线图。这样，在挡位变化时，传动路线图只是在原来的机构简图上改变部分图形元素的色彩——动作中的元件与连接线段高亮显示，其余浅灰色显示。操作键盘，输入故障发生的挡位（一个或多个），程序进行逻辑运算，在可能存在故障的部分，彩色高亮显示，其余部分灰色显示。教师以此讲述齿轮变速机构故障的分析、查找、判断和修复，效果较好。

图10 上海通用别克4T65E型变速器的齿轮机构的结构简图

表2 上海通用别克4T65E型变速器齿轮机构的换挡控制表

虚拟装配与实训教学相结合，弥补实训教学之不足

我们针对汽车自动变速器的教学样机，制作了变速器的仿真元件。仿真元件表达真实元件的主要特征与基本要素，去掉许多细节部分（如螺纹、退刀槽、加强筋和工艺孔等），以便集中学生注意力。使用计算机，学生花费十几分钟时间，可虚拟装配一部汽车变速器，学习效率很高。学生练习虚拟装配，了解机器的结构与装配过程，可为下一步学习实际装配技术打下基础。

齿轮变速机构的拆卸与组装是汽车维修专业的一项重要的实训项目。然而，汽车实训教学在资金、设备、场地和师资等方面普遍存在困难。缺少感性认知与动手经历，会影响学生学习机械课程的效果。虚拟装配教学能在一定程度上弥补实训教学的不足，对职业教育发展有积极作用。因此，应该给以足够的重视。

[1]徐向阳.自动变速器技术[M].北京：人民交通出版社，2011.

[2]唐湘民.Autodesk Inventor有限元分析和运动仿真详解[M].北京：机械工业出版社，2009.

[3]于新华.01V变速箱结构原理6[EB/OL].（2009-07-05）.http://www.docin.com/p-25993183.html.

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[7]赵鹏.基于Inventor的平面机构运动分析与仿真[J].科技信息，2010（19）.

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