汽车自动变速器变速原理教学方法探究

朱占芳

摘 要：汽车自动变速器行星齿轮机构变速原理的教学在现代汽车维修专业课程中具有典型性和代表性，本文结合教学实践，对行星齿轮机构变速原理的教学方法进行探索，为中等职业技术学校汽车维修专业教学提供参考。

关键词：职业教育 汽车自动变速器 课程教学 方法探究

汽车自动变速器行星齿轮机构变速原理的教学是汽车自动变速器课程教学的第一个难点和重点，如果行星齿轮机构的变速原理掌握不好，对液压控制技术、电子控制技术和行星齿轮机构这三者之间的工作关系更是难以理解，因此对学习自动变速器的基本工作原理将无从谈起，整个教学工作就成了空中楼阁。所以，行星齿轮机构变速原理的教学，对于教师汽车自动变速器课程教学的成功与否非常关键。笔者结合教学经验，以汽车自动变速器行星齿轮机构变速原理部分的教学内容为例，就专业课的教学方法进行探索和总结，希望对中等职业技术学校汽车维修专业的汽车自动变速器课程教学起到借鉴和参考作用。

一、行星齿轮机构的变速原理的教学内容分析

自动变速器行星齿轮机构的变速原理要想取得较好的教学效果，就必须明确教学内容、重点、难点和应达到的教学目的。行星齿轮机构的变速原理对于学生来说完全是一个新的内容。它的知识点有单排行星轮系的组成（图1）、单排行星轮系和行星轮系的简图、单排行星轮系的变速原理、辛普森式行星齿轮变速器变速原理等知识点。这些知识点是相互独立又相互关联的。行星齿轮机构的变速原理的教学重点是单排行星轮系的组成、单排行星轮系的变速原理。

图1 行星齿轮机构外形

1-齿圈轴 2-齿圈 3-行星架 4-行星轮

5-行星轮轴 6-太阳轮 7-太阳轮轴

二、行星齿轮机构的变速原理的知识特点

作为自动变速器课程的一个重要内容，行星齿轮机构的变速原理具有基础性的作用，它的知识体系主要表现为以下特点。

1.抽象性

行星齿轮机构的变速原理属于自由度为2的周转轮系。众所周知，自由度为2的机构的运动情况是不确定的，在研究学习过程中一直是一个难以理解、抽象性很强的知识难点。

2.理论性

行星齿轮机构的变速原理，具有十分强的理论性。在推导速度传递特征、传动比、可适用的挡位时，都需要有很强的数学推导能力，这在中等职业技术学校汽车维修专业课的教学中，可以说是最具理论性的部分。

3.实践性

行星齿轮机构是由一个一个的零件构成的，我们不可忽视这种实践性的特点。它在自动变速器上的使用也是由于实际生产生活的需要而出现的。在教学过程中，我们一定要联系实际进行教学，切不可以只学理论，也不可以只学实践，否则难以取得良好的实际效果。

4.思维跨越性

行星齿轮机构相对于手动变速器采用的斜齿轮传动，他们的变速原理有很大的不同。斜齿轮传动的变速原理相对来说非常简单，不需要过多的推导，而行星齿轮机构的变速原理则不同，学生学习的思维方式也不同。所以在进行行星齿轮机构的变速原理的讲授时，教师一定要引导学生跨越性思维想办法克服由于斜齿轮传动学习形成的思维定势对学生学习造成的影响。

三、教学方法探索

靠单一的教学手段和方法完成行星齿轮机构的变速原理的教学任务是一件十分困难的事情。今天的职业技术教育，已经完全摆脱了单一课堂教学的模式，教学手段越来越结合学生和生产的实际。

1.采用实物课教学，加强教学的直观性

实物课教学是一种直观的教学方式，在汽车专业课程教学中应用广泛。教师把一个物体放在手上讲授，有助于学生对问题的理解。它与实践教学相比，其不同点在于不需要过多的操作。在学生首次接触一个部件时，教师采用实物课教学效果比较明显。在教学过程中，教师可以让学生认识每一个零部件的名称、结构特点和相互间的连接关系、位置关系等。实物教学对于行星齿轮机构变速原理教学是必不可少的一种教学方式，我们在介绍行星齿轮的结构时就可以采用这种方法。

2.采用实物试验

实物试验的方法是一种有效的方式，我们在讲解单排行星轮系变速原理时可以采用这种方式。

教师先把学生分成几个组，每个组都有一个单排行星轮系，然后进行以下三个实验：一是先让学生用手将太阳轮、齿圈和行星架三个元件中的任何一个按住不动，然后让另外两个元件中的一个作为主动件，用手转动，另一个元件作为从动件，并观察传动情况，重点观察转向是相同还是相反，速度是增速还是减速。二是让太阳轮、齿圈和行星架中的两个元件连在一起同步运动，观察另外一个如何运动。三是不制动也不连接在一起，让一个元件主动，另外两个元件从动，观察运动关系。教师让学生将情况记录下来，并进行思考：如何设计制动器对元件进行制动？如何设计离合器控制动力输入和输出？这几种情况能否在自动变速器上使用？可以用作什么挡位等等。

3.注重课堂教学，培养逻辑思维能力

研究和分析行星齿轮机构的变速原理，课堂教学必不可少。分析行星齿轮机构的变速原理，一般做如下推导。

图2 单排行星轮系的变速原理

如图2所示，设太阳轮Z1=17齿，齿圈Z2=34齿，行星架齿数等于太阳轮齿数+齿圈齿数（这里的转化要向学生讲解清楚），行星架齿数Z3= Z1+Z2=51齿。

（1）太阳轮固定，齿圈为主动件（输入），行星架为从动件（输出），如图a）所示。此时，n1=0，根据试验课可得结论：转向相同，减速，可以用作前进低速挡，一般用作前进低二挡。

（2）齿圈固定，太阳轮为主动件（输入），行星架为从动件（输出），如图c）所示。此时，n2=0，根据试验课可得结论：转向相同，减速，可以用作前进低速挡，一般用作前进低一挡。

（3）太阳轮固定，行星架为主动件（输入），齿圈为从动件（输出），如图b）所示。此时，n1=0，根据试验课可得结论：转向相同，增速，可以作为前进超速挡。endprint

（4）齿圈固定，行星架为主动件（输入），太阳轮为从动件（输出），如图d）所示。此时，n2=0，根据试验课可得结论：转向相同，增速，可以作为前进超速挡。

（5）行星架固定，太阳轮为主动件（输入），齿圈为从动件（输出），如图e）所示。此时，n3=0，根据试验可得结论：转向旋转方向相反，可以作为倒挡。

（6）行星架固定，齿圈为主动件（输入），太阳轮为从动件（输出），此种传动旋转方向相反且增速，在汽车上无法使用。

（7）太阳轮、齿圈和行星架三个元件中的任何二个元件连为一体转动，则另一个元件的转速与前二者等速同向转动。即行星齿轮机构中所有元件（包含行星轮）之间均无相对运动，传动比i=1。这种传动方式用于变速器的直接挡传动。

（8）如果太阳轮、齿圈和行星架三个元件没有任何约束，则各元件的运动是不确定的，此时为空挡。

以上8种情况，教师可以先分析其中几种，其余几种由学生自己分析，然后教师再进行讲解，效果会更好。

4.采用多媒体课件教学，激发学生学习兴趣

教师要把传统的以教师为中心、以课堂为中心、以书本为中心的教育方式转变为以学生学习为中心、以强化个体实践为中心、以信息交流为中心，变被动教育为主动教育、变应试教育为素质教育、变知识教育为智能教育。

四、行星齿轮变速原理教学过程

在对行星齿轮变速原理进行教学时，教师必须遵循紧密联系学生实际、由浅入深、由易到难、理论和实践相结合、理论和多媒体教学相结合、师生互动、教学和生产相结合的原则进行教学组织。如果教师不联系学生实际，没有科学的、合理的教学程序，将很难达到教学目的。行星齿轮变速原理教学的过程可以分为以下七个阶段。

一是实物感性认识阶段。在进行课堂教学之前，教师先让学生认识实物，可以分小组，拆开自动变速器，认识简要结构。这一阶段的教学目的仅仅是感性认识，不要求很细、很深入的讲解，学生只对自动变速器有一个整体认识，了解基本结构和装配关系。

二是行星轮系识别阶段。这一过程可以放在课堂教学中进行。教师将行星轮系在学生面前展示和让学生观察，让学生认识行星轮系的组成、名称等。在教学过程中，教师要让学生仔细观察，要求每位学生都清楚行星轮系的基本知识。

三是行星轮系实物与简图的转化绘制阶段。行星轮系实物与简图的绘制转化是一个重要环节，它对于学生将来使用资料、研究行星轮系变速原理、分析变速器的工作、维修变速器都具有重要作用。行星轮系实物与简图的转化如图3所示。

图3 行星轮系实物与简图的转化

1-太阳轮 2-齿圈 3-行星架 4-行星轮

在教学中，教师要讲清楚行星轮系零件的位置关系和简化原则，使学生能读懂并绘制简图。简图可以使用计算机绘制，也可以在黑板上进行绘制。教师在绘制简图时，要求学生一起绘制。在学生掌握绘制简图方法的基础上，我们还要把相关学习内容的简图做一些介绍，以便让学生掌握更多的识图能力。

四是单排行星轮系的变速原理分析推导过程阶段（如前所述）。

五是辛普森式行星齿轮变速原理分析阶段。辛普森式行星齿轮自动变速器中的行星齿轮变速器一般是采用2～3排行星齿轮机构传动，其各挡传动比就是根据上述单排行星齿轮机构传动的特点进行合理组合得到的。在这部分内容的教学中，我们要根据中等职业技术教育的特点，充分体现“必需、够用”的原则。笔者认为，如果过多地从理论推导上去讲授，一是学生学习兴趣不高，二是学生学习起来难度很大。在课堂教学中，教师要根据学生的接受程度进行取舍。首先要教会学生分析如图3所示的简图，然后会读辛普森式三速行星齿轮变速器的工作规律表（表），重点要结合辛普森式三速行星齿轮变速器的工作规律表（表），并将各元件与挡位之间的关系搞清楚。其次只要结合图3掌握各个挡位的动力传递原理就可以了。如表1，我们结合图3，让学生掌握各个挡位离合器、制动器、单向离合器的工作情况，并能够分析图3中各个挡位的动力传递路线。

表 辛普森式三速行星齿轮变速器的工作规律

选挡杆 挡位 离合器 制动器 单向离合器

C1 C2 B2 B3 F1

D 1挡 ○ ○

2挡 ○ ○

3挡 ○ ○

R 倒挡 ○ ○

S L 或2 1 1挡 ○ ○

2挡 ○ ○

注：○——接合、制动或锁止。

六是知识的拓展阶段。行星轮系、液压控制系统和电控系统之间的关系和其他行星轮系变速及挡位的方法属于知识拓展内容。我们在处理这些内容的过程中，要多采用挂图、资料进行教学。要引导学生利用资料、实物进行学习，尤其要学会自学，开阔视野。

七是实践动手能力训练阶段。在完成课堂理论课程教学后，教师安排实践动手能力训练，将学生分成小组进行自动变速器的拆装和分析。在这个教学过程中，教师要让每个学生都有动手的机会，并且要安排学习任务，要激发学生进行自主学习，养成主动性学习的良好习惯。

（作者单位：北京市市政管理学校）endprint

（4）齿圈固定，行星架为主动件（输入），太阳轮为从动件（输出），如图d）所示。此时，n2=0，根据试验课可得结论：转向相同，增速，可以作为前进超速挡。

（5）行星架固定，太阳轮为主动件（输入），齿圈为从动件（输出），如图e）所示。此时，n3=0，根据试验可得结论：转向旋转方向相反，可以作为倒挡。

（6）行星架固定，齿圈为主动件（输入），太阳轮为从动件（输出），此种传动旋转方向相反且增速，在汽车上无法使用。

（7）太阳轮、齿圈和行星架三个元件中的任何二个元件连为一体转动，则另一个元件的转速与前二者等速同向转动。即行星齿轮机构中所有元件（包含行星轮）之间均无相对运动，传动比i=1。这种传动方式用于变速器的直接挡传动。

（8）如果太阳轮、齿圈和行星架三个元件没有任何约束，则各元件的运动是不确定的，此时为空挡。

以上8种情况，教师可以先分析其中几种，其余几种由学生自己分析，然后教师再进行讲解，效果会更好。

4.采用多媒体课件教学，激发学生学习兴趣

教师要把传统的以教师为中心、以课堂为中心、以书本为中心的教育方式转变为以学生学习为中心、以强化个体实践为中心、以信息交流为中心，变被动教育为主动教育、变应试教育为素质教育、变知识教育为智能教育。

四、行星齿轮变速原理教学过程

在对行星齿轮变速原理进行教学时，教师必须遵循紧密联系学生实际、由浅入深、由易到难、理论和实践相结合、理论和多媒体教学相结合、师生互动、教学和生产相结合的原则进行教学组织。如果教师不联系学生实际，没有科学的、合理的教学程序，将很难达到教学目的。行星齿轮变速原理教学的过程可以分为以下七个阶段。

一是实物感性认识阶段。在进行课堂教学之前，教师先让学生认识实物，可以分小组，拆开自动变速器，认识简要结构。这一阶段的教学目的仅仅是感性认识，不要求很细、很深入的讲解，学生只对自动变速器有一个整体认识，了解基本结构和装配关系。

二是行星轮系识别阶段。这一过程可以放在课堂教学中进行。教师将行星轮系在学生面前展示和让学生观察，让学生认识行星轮系的组成、名称等。在教学过程中，教师要让学生仔细观察，要求每位学生都清楚行星轮系的基本知识。

三是行星轮系实物与简图的转化绘制阶段。行星轮系实物与简图的绘制转化是一个重要环节，它对于学生将来使用资料、研究行星轮系变速原理、分析变速器的工作、维修变速器都具有重要作用。行星轮系实物与简图的转化如图3所示。

图3 行星轮系实物与简图的转化

1-太阳轮 2-齿圈 3-行星架 4-行星轮

在教学中，教师要讲清楚行星轮系零件的位置关系和简化原则，使学生能读懂并绘制简图。简图可以使用计算机绘制，也可以在黑板上进行绘制。教师在绘制简图时，要求学生一起绘制。在学生掌握绘制简图方法的基础上，我们还要把相关学习内容的简图做一些介绍，以便让学生掌握更多的识图能力。

四是单排行星轮系的变速原理分析推导过程阶段（如前所述）。

五是辛普森式行星齿轮变速原理分析阶段。辛普森式行星齿轮自动变速器中的行星齿轮变速器一般是采用2～3排行星齿轮机构传动，其各挡传动比就是根据上述单排行星齿轮机构传动的特点进行合理组合得到的。在这部分内容的教学中，我们要根据中等职业技术教育的特点，充分体现“必需、够用”的原则。笔者认为，如果过多地从理论推导上去讲授，一是学生学习兴趣不高，二是学生学习起来难度很大。在课堂教学中，教师要根据学生的接受程度进行取舍。首先要教会学生分析如图3所示的简图，然后会读辛普森式三速行星齿轮变速器的工作规律表（表），重点要结合辛普森式三速行星齿轮变速器的工作规律表（表），并将各元件与挡位之间的关系搞清楚。其次只要结合图3掌握各个挡位的动力传递原理就可以了。如表1，我们结合图3，让学生掌握各个挡位离合器、制动器、单向离合器的工作情况，并能够分析图3中各个挡位的动力传递路线。

表 辛普森式三速行星齿轮变速器的工作规律

选挡杆 挡位 离合器 制动器 单向离合器

C1 C2 B2 B3 F1

D 1挡 ○ ○

2挡 ○ ○

3挡 ○ ○

R 倒挡 ○ ○

S L 或2 1 1挡 ○ ○

2挡 ○ ○

注：○——接合、制动或锁止。

六是知识的拓展阶段。行星轮系、液压控制系统和电控系统之间的关系和其他行星轮系变速及挡位的方法属于知识拓展内容。我们在处理这些内容的过程中，要多采用挂图、资料进行教学。要引导学生利用资料、实物进行学习，尤其要学会自学，开阔视野。

七是实践动手能力训练阶段。在完成课堂理论课程教学后，教师安排实践动手能力训练，将学生分成小组进行自动变速器的拆装和分析。在这个教学过程中，教师要让每个学生都有动手的机会，并且要安排学习任务，要激发学生进行自主学习，养成主动性学习的良好习惯。

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（4）齿圈固定，行星架为主动件（输入），太阳轮为从动件（输出），如图d）所示。此时，n2=0，根据试验课可得结论：转向相同，增速，可以作为前进超速挡。

（5）行星架固定，太阳轮为主动件（输入），齿圈为从动件（输出），如图e）所示。此时，n3=0，根据试验可得结论：转向旋转方向相反，可以作为倒挡。

（6）行星架固定，齿圈为主动件（输入），太阳轮为从动件（输出），此种传动旋转方向相反且增速，在汽车上无法使用。

（7）太阳轮、齿圈和行星架三个元件中的任何二个元件连为一体转动，则另一个元件的转速与前二者等速同向转动。即行星齿轮机构中所有元件（包含行星轮）之间均无相对运动，传动比i=1。这种传动方式用于变速器的直接挡传动。

（8）如果太阳轮、齿圈和行星架三个元件没有任何约束，则各元件的运动是不确定的，此时为空挡。

以上8种情况，教师可以先分析其中几种，其余几种由学生自己分析，然后教师再进行讲解，效果会更好。

4.采用多媒体课件教学，激发学生学习兴趣

教师要把传统的以教师为中心、以课堂为中心、以书本为中心的教育方式转变为以学生学习为中心、以强化个体实践为中心、以信息交流为中心，变被动教育为主动教育、变应试教育为素质教育、变知识教育为智能教育。

四、行星齿轮变速原理教学过程

在对行星齿轮变速原理进行教学时，教师必须遵循紧密联系学生实际、由浅入深、由易到难、理论和实践相结合、理论和多媒体教学相结合、师生互动、教学和生产相结合的原则进行教学组织。如果教师不联系学生实际，没有科学的、合理的教学程序，将很难达到教学目的。行星齿轮变速原理教学的过程可以分为以下七个阶段。

一是实物感性认识阶段。在进行课堂教学之前，教师先让学生认识实物，可以分小组，拆开自动变速器，认识简要结构。这一阶段的教学目的仅仅是感性认识，不要求很细、很深入的讲解，学生只对自动变速器有一个整体认识，了解基本结构和装配关系。

二是行星轮系识别阶段。这一过程可以放在课堂教学中进行。教师将行星轮系在学生面前展示和让学生观察，让学生认识行星轮系的组成、名称等。在教学过程中，教师要让学生仔细观察，要求每位学生都清楚行星轮系的基本知识。

三是行星轮系实物与简图的转化绘制阶段。行星轮系实物与简图的绘制转化是一个重要环节，它对于学生将来使用资料、研究行星轮系变速原理、分析变速器的工作、维修变速器都具有重要作用。行星轮系实物与简图的转化如图3所示。

图3 行星轮系实物与简图的转化

1-太阳轮 2-齿圈 3-行星架 4-行星轮

在教学中，教师要讲清楚行星轮系零件的位置关系和简化原则，使学生能读懂并绘制简图。简图可以使用计算机绘制，也可以在黑板上进行绘制。教师在绘制简图时，要求学生一起绘制。在学生掌握绘制简图方法的基础上，我们还要把相关学习内容的简图做一些介绍，以便让学生掌握更多的识图能力。

四是单排行星轮系的变速原理分析推导过程阶段（如前所述）。

五是辛普森式行星齿轮变速原理分析阶段。辛普森式行星齿轮自动变速器中的行星齿轮变速器一般是采用2～3排行星齿轮机构传动，其各挡传动比就是根据上述单排行星齿轮机构传动的特点进行合理组合得到的。在这部分内容的教学中，我们要根据中等职业技术教育的特点，充分体现“必需、够用”的原则。笔者认为，如果过多地从理论推导上去讲授，一是学生学习兴趣不高，二是学生学习起来难度很大。在课堂教学中，教师要根据学生的接受程度进行取舍。首先要教会学生分析如图3所示的简图，然后会读辛普森式三速行星齿轮变速器的工作规律表（表），重点要结合辛普森式三速行星齿轮变速器的工作规律表（表），并将各元件与挡位之间的关系搞清楚。其次只要结合图3掌握各个挡位的动力传递原理就可以了。如表1，我们结合图3，让学生掌握各个挡位离合器、制动器、单向离合器的工作情况，并能够分析图3中各个挡位的动力传递路线。

表 辛普森式三速行星齿轮变速器的工作规律

选挡杆 挡位 离合器 制动器 单向离合器

C1 C2 B2 B3 F1

D 1挡 ○ ○

2挡 ○ ○

3挡 ○ ○

R 倒挡 ○ ○

S L 或2 1 1挡 ○ ○

2挡 ○ ○

注：○——接合、制动或锁止。

六是知识的拓展阶段。行星轮系、液压控制系统和电控系统之间的关系和其他行星轮系变速及挡位的方法属于知识拓展内容。我们在处理这些内容的过程中，要多采用挂图、资料进行教学。要引导学生利用资料、实物进行学习，尤其要学会自学，开阔视野。

七是实践动手能力训练阶段。在完成课堂理论课程教学后，教师安排实践动手能力训练，将学生分成小组进行自动变速器的拆装和分析。在这个教学过程中，教师要让每个学生都有动手的机会，并且要安排学习任务，要激发学生进行自主学习，养成主动性学习的良好习惯。

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