飞机液压助力器教学难点分析

申洋 嵇宁

摘 要：在教學中学生的学习能力是影响教学质量的重要因素，空间想象力是学习能力的重要组成部分，对飞机附件类课程学习效果影响很大。飞机液压助力器是飞机系统中一个重要的附件，属于机械机构类的教学内容，学生学习时困难很多。本文通过分析，得出学生学习助力器时理解力差的原因，主要为空间思维能力偏弱，并提出解决的对策。为提高此类课程的教学效果指出了一个探索的方向。

关键词：空间想象力；助力器；空间思维力；配油柱塞；对策

一、概述

飞机附件类课程属于机械机构类的课程，是应用型本科院校的专业课程。飞机附件多是机械机构类部件，结构与原理比较复杂。因此在学习时要有一定的空间想象能力。汪玉祥［1］认为“空间想象力”是人对头脑中已有的表象进行加工、组合、重现，创造出一个整体形象的空间想象和思维的能力。王武顺［2］认为空间思维能力和空间想象能力是融形象思维与抽象思维于一体的思维形式，可以运用轴侧图练习，提高空间想象力。李昕［3］认为想象就是把自己感触到的形象和自己头脑中的记忆储存联系起来，经过加工和改组，从而产生一个新形象的心理过程。杨建华［4］认为空间想象力与立体思维敏捷相关，比较法可以用来培养空间思维能力。本文主要分析在学生的空间想象能力已基本成形的情况下，如何改进教学方法，解决学生想象力偏弱、理解力偏差的问题，使得学生能够掌握课程中的难点和要点。以飞机液压助力器在教学中的难点为例，分析学生的理解能力，研究解决问题的方法。

二、问题

飞机操纵系统中的液压助力器，是现代飞机操纵系统所必备的部件，是一种液压伺服部件。其功用是对飞行员或舵机的操纵传动的力进行放大，并且保证传动动作的一致性，使飞行员能够轻松地操纵飞机舵面偏转，控制飞行姿态。助力器结构原理复杂，学生学习时会遇到如下几个方面的问题。

（一）不理解助力器结构

助力器工作原理图如图1所示，是用二维工程图画的。学生对于图中各零件结构不理解，想象不出其空间形状。（1）不明白配油柱塞结构。配油柱塞是一个回转件，表面有环形槽，中间有孔，是分配油路的关键零件。（2）不明白小摇臂装配结构。小摇臂是一个连杆，有三处铰链连接，传递传动杆的输入运动。在与传动杆的连接处中间有轴销，与壳体不连接，且移动时销轴被壳体孔限位，移动范围为标注有2s的间隙。（3）忽略壳体与传动活塞为一体的零件结构。传动活塞由前后二腔的油液驱动，推动活塞运动。传动活塞与壳体是连成一体的，壳体上连接有小摇臂，装有配油柱塞。传动活塞移动，壳体也一起移动，驱动小摇臂和配油柱塞也做相应运动，这是助力器能够进行反馈控制的重要结构。

（二）不理解助力器的工作过程

助力器的工作过程包括助力过程、持续过程和停杆过程。学生不理解的有以下几个方面。一是对于传动动作的输入和输出关系不理解。助力器核心作用是助力，同时要能够准确及时地传递操纵动作。学生对杆输入是运动，增力是液压作用，输出又是传动活塞运动的关系难以理解。二是对油路中油液作用、流向搞不清，对活塞受油液作用而运动原理理解不深。三是对油路开闭过程不理解。对配油柱塞与壳体配合控制的封闭油口、打开油口动作，控制助力器传动活塞的移动方向理解不了。

（三）不理解助力器的伺服工作机理

助力器是一个液压伺服元件，其输出对输入有抑制的负反馈信号。这个原理在停杆工作过程中体现得最明显，当停杆动作执行时，传动活塞移动，通过壳体移动带动小摇臂移动，使得配油柱塞相对壳体移动，减小打开的来油口和回油口，使得流入传动活塞工作腔的液压流量减小，从而减小传动活塞输出的移动直至停止。学生对于停杆过程理解得很差。

综上所述，学生在学习助力器时，从结构认知，到工作过程，再到核心原理都出现了理解上的问题，造成了学习上的困难。

三、原因

通过分析，学生在学习中出现这类问题主要是学生的形象思维能力不够，想象力偏弱，对于零件结构和助力器工作原理不能建立起形象的空间模型，不能想象零件和油液的运动，以致理解能力不够。

（一）空间物体形状思维能力弱

空间物体形状思维能力表现在对于由平面二维图形的线条到空间三维点线面的几何体的建立能力。

1.空间单个物体的重构能力弱

将二维几何图形转成三维空间结构时，头脑中想象不出立体结构。助力器原理图是用剖视图表示结构的，图中用不同的剖面线展示不同的零件。学生对于空间物体的重构能力弱，从线条中分不清零件的轮廓结构，构建不起空间的几何形状。比如配油柱塞、外筒是回转体零件。有的学生将其看作是上下二个零件，想象不出是一个零件。

2.空间多物体之间的组合能力弱

将几个物体联系组合在一起，能够想象出物体的空间关系，是对空间物体的组合能力，或者说是理解零件的装配关系能力。这方面的能力弱，很难理解零件与零件之间的装配关系，将两个零件配合结构关系想象出来。例如小摇臂这个零件，学生能够理解a点、b点的铰接关系，小摇臂可以绕该点转动，但是不能理解c点的结构。在c点处有限动作用。但是图中未表示出来，只在书中用语言叙述的。对于c点的理解就需要综合想象能力，想象出c点铰链的销轴被孔限制间隙的情形。如图2所示，动杆与销轴、小摇臂铰接结构，销轴与壳体没有配合关系，只是在壳体的孔中移动。移动的距离可以看到有2个s大小的间隙控制，限制移动。要能够想象到这种结构，是需要有一定的空间物体的组合能力的。

（二）空间物体运动思维能力弱

空间物体运动的思维能力，即物体在空间进行移动、转动等机械位移的动作想象力。这方面能力弱，对于一些机械零件的移动不能够很好地理解，对于助力器工作过程就理解差了。

助力器是一个随动的液压机构，即输出随输入运动而运动。如图1所示，如果传动杆（输入）向前（图中为左向）移动，传动活塞（输出）动作就向前（左向）移动，反正亦然。而且，是传动杆移动快则传动活塞移动就快。传动杆持续移动，传动活塞就持续移动。传动杆停止，传动活塞就停止。如果涉及的运动要素比较多，再加上油液要素的流动，比如传动杆——小摇臂、小摇臂——配油柱塞、传动活塞与壳体等5个要素的运动，过程就想象不出来了。

（三）空间流体运动思维能力弱

空间流体运动思维能力，主要是指对于流动的液体，其运动状态的理解能力。助力器的助力作用就是通过高压油液，作用在传动活塞上，施以液压作用力，进行助力的。助力器中的配油柱塞主要功用是控制油路的开闭，通过配油柱塞外圆面上的环形槽与来油孔和回油孔配合，实现关闭和打开油路的作用。配油柱塞可以移动，通过移动控制油口开闭，油液流动到传动活塞前后腔，或从前后腔流出，压力差驱动传动活塞移动。如图3所示，图a是堵住油路的，图b是打开油路的。不少学生看不出油路打开和堵住的关系，反映对流体运动的空间想象力偏弱。

（四）空间综合思维能力弱

空间综合思维能力，指能够将机械零件运动与流体运动综合作用的理解能力，助力器的停杆工作过程，就是一个很好的综合作用的过程。当传动杆输入停止，输出传动活塞此刻不停，传动活塞+壳体依然运动，驱使小摇臂转动，带动配油柱塞移动，堵住油路，传动活塞输出停止。这里既有机械零件运动，又有油液流动，还有配油柱塞控制，是一个综合的作用过程。这里的运动和油液的要素多，达到了7个之多，学生掌握不了，反映了空间综合思维能力弱。

四、对策

要解决以上问题，就要研究多种办法，去改变学生理解力差的情况。学生的空间想象能力是有差异的，有的学生强，有的学生弱。要想短期改变学生的空间思维能力，可能有困难。这就要想办法，以现有的学生空间想象力，帮助学生理解助力器，解决理解能力差的问题。

（一）解决空间物体思维能力弱的方法

（1）分解零件。要解决空间物体思维能力弱，就要减少学生想象的空间物体数量，将助力器分解，分解成几个零件图。如图4所示，分解出来配油柱塞、小摇臂和传动活塞—壳体等零件。在图4a中指出配油柱塞的环形槽、配合表面、中间孔等关键结构；在图4b中指出小摇臂与哪里的结构连接。在图4c中指出壳体—传动活塞的油路、配合表面、连接孔等结构。这样单独的零件结构表面少、线条少，学生容易想象出空间结构，增强了学生对零件结構的理解能力。

（2）局部放大。对于不好理解的装配结构，可以采用放大图和局部剖视图等方法，如图2所示对于小摇臂的关键结构进行剖视展示。对于另一些结构，如配油柱塞与壳体油路配合的油口部位，可以采用局部放大加油路流向指示的方法，强调此处的关键之处，便于学生理解。如图3所示，图a中，配油柱塞位于中立位置，油路堵住，来油和回油与前后腔油路不通。图b中，配油柱塞右移，油路打开，来油和后腔连通，油路箭头表示来油流到后腔去。回油与前腔油路沟通，油路箭头表示前腔油液流到回油油路中。

（3）增加零件配合关系的概念。学生空间物体组合能力弱，对于配油柱塞与壳体孔配合关系理解差。应该根据孔轴配合关系方面，即强化孔轴的间隙配合、过渡配合和过盈配合的概念，增加学生的理解能力。

（二）解决空间物体运动和流体运动思维能力弱的方法

（1）对于运动与力的关系，用“四两拨千斤”的俗语解释，加强液压力的作用解释，通过示例讲解，促进液压作用力与活塞运动关系的理解。

（2）制作动画，强化对运动过程的理解。制作从中立状态，到助力工作过程，以及停杆过程等各个工作过程的动画，使学生对零件运动和油液流体运动有形象的认识，有动的概念。在动画中，用不同的颜色代表油液的流动。各种零件的动作，也能够展示清楚。这样就弥补物体和流体运动想象力弱的短板，是很好的办法。

（3）通过传动系统简图，理解传动杆与传动活塞的运动关系，进而理解随动的概念。

（三）解决空间综合思维能力弱的方法

对于助力器的空间综合思维，就是要将零件运动与油液流动多种运动结合起来。可以提取出其动作的参数，采用框图的办法，使学生能够理解伺服的概念。如图5所示，传动杆输出到传动活塞带动壳体运动，反馈给小摇臂，使其对配油柱塞的输入就会减少，直至停止运动。通过框图展示的伺服控制原理中的反馈机理，就能够比较好理解停杆的工作过程。

结语

飞机附件类教学，经常会遇到复杂的附件，需要讲解复杂的工作原理。学生在学习这些原理时经常会遇到困难。这些困难的原因是多方面的，其中一方面原因就是学生形象思维能力偏弱，对于复杂的结构和工作原理，缺乏空间物体形状和运动的想象思维能力。

我们通过深刻分析原因，找出解决问题的方法。对于空间想象思维能力弱，可以通过分解、局部放大、强化配合、制作动画、绘制简图框图和补强短板知识等方法，帮助学生想象各种复杂的工作原理，解决学生理解力差的问题。

学生在学习专业课程中，由于自身能力的差异，会存在各种各样的问题。面对问题要积极地认真分析，找出原因补齐短板，才能够切实提高教学效果，使学生有效地掌握所学内容，提高教学质量。

参考文献：

［1］汪玉祥，王会林.化工制图空间想象力的培养方法［J］.化学工程与装备，2016（12）：299300.

［2］王武顺.培养空间想象力的一种有效手段［J］.职教通讯，1998（4）：3133.

［3］李昕.谈制图教学中空间想象力的培养［J］.中国校外教育（理论），2007（03）：26.

［4］杨建华，张玉杰.“机械制图”教学中空间想象力的培养［J］.烟台职业学院学报，2021，16（01）：6668.

基金项目：西安航空学院校级课题资助项目，编号：2019KY1226；西安航空学院高等教育教学改革研究项目

作者简介：申洋（1993— ），男，汉族，江苏丹阳人，硕士，助理实验员，研究方向：力学。