林恩典

（福建省廈門電子職業(yè)中專學(xué)校福建廈門361009）

汽車變速器教學(xué)模型的構(gòu)建與應(yīng)用

林恩典

（福建省廈門電子職業(yè)中專學(xué)校福建廈門361009）

汽車變速器包括手動變速器與自動變速器。自動變速器的原理結(jié)構(gòu)是十分復(fù)雜的。為了幫助中職學(xué)生學(xué)習(xí)變速器，方便教學(xué)工作，提高教學(xué)質(zhì)量，構(gòu)建變速器的教學(xué)模型。教學(xué)模型包括了汽車變速器的主要結(jié)構(gòu)與基本原理，可突出機電一體化的特點，零件少，造價低，使用方便。

汽車變速器；教學(xué)模型；變速機構(gòu)；自動換擋；PLC控制；氣壓傳動

變速器是汽車的重要部件，包括手動變速器與自動變速器。汽車自動變速器是高技術(shù)產(chǎn)品，它集機械、電子和液壓控制于一體，結(jié)構(gòu)和原理十分復(fù)雜?！镀囎兯倨髟砼c結(jié)構(gòu)》是中等職業(yè)學(xué)校汽車維修專業(yè)的必修課，也是學(xué)生感覺最難學(xué)的一門課。職業(yè)學(xué)校培養(yǎng)技工和技師，必須重視現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的基礎(chǔ)教育。我們構(gòu)建了汽車變速器的教學(xué)模型，簡化了教學(xué)內(nèi)容和過程，方便了教學(xué)。利用教學(xué)模型，在教學(xué)中演示變速器的工作狀況，有利于增強學(xué)生的感性認(rèn)識，加深學(xué)生對變速器原理的理解和記憶，提高教學(xué)質(zhì)量。

汽車變速器主要類型有MT、AMT、AT、CVT、DSG等。其中，MT是手動控制的，其余是自動控制的。自動控制方式有電子控制、液壓控制和電液控制等。教學(xué)模型應(yīng)該反映汽車變速器的主要結(jié)構(gòu)和基本原理。教學(xué)模型應(yīng)零部件少，結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，控制程序簡短，能夠模擬汽車變速器的基本功能——變速器將引擎的動力傳遞至車輪，自動或手動改變傳動比，以適應(yīng)各種不同的工況。

MT手動變速器教學(xué)模型

圖1 MT教學(xué)模型示意圖

MT手動變速器是一種典型的手動變速器，很多汽車采用這種類型的變速器。它的教學(xué)模型簡稱為MT教學(xué)模型。該教學(xué)模型如圖1所示，輸入軸、中間軸與齒輪固定連接，輸出軸與三個齒輪非固定連接，齒輪可以繞軸轉(zhuǎn)動。軸環(huán)與輸出軸以花鍵連接。軸環(huán)可以沿著軸線方向移動，同時與輸出軸一起轉(zhuǎn)動。撥叉使軸環(huán)移動，軸環(huán)靠向齒輪的側(cè)面，側(cè)面犬齒嚙合，軸環(huán)與齒輪一起轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)動力傳遞。軸環(huán)停留的位置不同，產(chǎn)生不同的擋位，就有不同的傳動比。惰輪改變轉(zhuǎn)向，構(gòu)成倒車擋。軸環(huán)與輸入軸的齒輪接合，出現(xiàn)直接擋，效率最高。該教學(xué)模型可以實現(xiàn)三個前進(jìn)擋、一個倒車擋，簡單，直觀，學(xué)生多看幾眼就明白其中的原理。

AMT自動變速器的教學(xué)模型

圖2 AMT教學(xué)模型示意圖

在MT手動變速器的基礎(chǔ)上開發(fā)出的AMT自動變速器，有MT手動變速器結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉、維修方便、承載能力強的特點，又有自動快速換擋的功能。在上述MT教學(xué)模型的基礎(chǔ)上，制作AMT自動變速器的教學(xué)模型。它包括了汽車AMT自動變速器的主要組成部分，反映出AMT的基本工作原理。其變速機構(gòu)如圖2所示。它有三個前進(jìn)擋和一個倒車擋，有手動換擋與自動換擋兩種工作模式。

圖3 AMT模型的自動控制由路原理圖

該教學(xué)模型的自動控制電路（如圖3所示）代替汽車常用的電子控制單元（ECU）?？删幊绦蚩刂破鳎≒LC）編程使用梯形圖，易于學(xué)生理解。現(xiàn)代汽車的ECU包括計算機軟硬件、接口電路等，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功能強大，它同時控制發(fā)動機、變速器及其他裝置。直接地針對ECU進(jìn)行教學(xué)是很難的，實際上，一般的ECU是由專業(yè)公司研制生產(chǎn)的，由于商業(yè)保密的因素，ECU電路圖和控制程序等資料一般找不全。

在模型中，氣缸作為換擋執(zhí)行元件，代替汽車變速器常用的液壓油缸；電磁離合器代替汽車常用的液壓控制離合器；以氣壓傳動系統(tǒng)代替汽車的液壓傳動系統(tǒng)，力求造價低廉，裝配方便，又可以滿足教學(xué)的要求。

同時，直流電動機代替汽車引擎。PLC輸出矩形波，控制直流電動機。改變矩形波的占空比，就能改變電機的平均工作電流，即改變電機的功率。電位器W1作為油門踏板的位置傳感器，其輸出電壓為0～10伏特。軟件編程設(shè)定，矩形波的占空比與傳感器的輸出電壓值成正比。調(diào)整電位器W1，即調(diào)整電動機的輸出功率。

PLC輸出矩形波，控制電磁離合器C0的接合與分離。W2是離合器位置傳感器。矩形波的占空比與電位器W2的輸出電壓成正比。為了模仿汽車平穩(wěn)啟動，緩慢調(diào)整W2，PLC輸出占空比連續(xù)變化的脈沖信號，電磁力逐漸加大，離合器從分離狀態(tài)，經(jīng)過“半聯(lián)動”，至接合狀態(tài)。

安裝兩組光電傳感器，將輸入軸與輸出軸的轉(zhuǎn)速以脈沖的形式向PLC發(fā)送信息。光電傳感器是由光耦合器與轉(zhuǎn)盤組成的。轉(zhuǎn)盤沿圓周分布10個圓孔，隨軸轉(zhuǎn)動。光耦合器對準(zhǔn)小孔時，輸出低電平，否則輸出高電平。軸轉(zhuǎn)一圈，PLC計數(shù)器接收10個脈沖。PLC計算單位時間的脈沖數(shù)，判斷軸的轉(zhuǎn)速。結(jié)構(gòu)原理很簡單。

圖4 AMT模型的氣壓傳動裝置

PLC控制4個繼電器（L1～L4）。繼電器控制電磁閥（圖4的L11～L14）。電磁閥控制氣缸。氣缸操縱換擋機構(gòu)（軸環(huán)等），實現(xiàn)換擋變速。

輸入軸與直流電動機連接，輸出軸與“車輪”連接。改變“車輪”的摩擦阻力，或改變電動機的輸出功率，電動機的轉(zhuǎn)速會受影響。通過切換變速器的擋位，使電動機保持在正常的工作狀態(tài)，電機的轉(zhuǎn)速和工作電流被控制在規(guī)定的范圍內(nèi)。

PLC控制整機協(xié)調(diào)工作。PLC程序的編寫是一項頗具彈性的工作。該教學(xué)模型仿效汽車的“手自一體化”功能。手動換擋工作模式的控制程序比較簡單。先編寫手動操作換擋的控制程序，調(diào)試成功后編寫自動換擋程序。在教學(xué)的初期，程序應(yīng)該盡量簡短，能夠控制機器實現(xiàn)基本作業(yè)就行。隨著學(xué)生能力的提升，逐步豐富程序的內(nèi)容，或者將更高要求的編程留給學(xué)生編寫，作為研究性學(xué)習(xí)的內(nèi)容。教師須注意因材施教，合理地掌握教學(xué)的深度。

雖然AMT變速器使用的數(shù)量不多，但是，它與行星齒輪變速器的換擋原理有相似之處。AMT的知識是學(xué)生學(xué)習(xí)復(fù)雜的AT變速器的基礎(chǔ)。因此，AMT變速器教學(xué)有重要意義。

辛普森行星齒輪變速器的教學(xué)模型

圖5 行星齒輪機構(gòu)示意圖

目前，大多數(shù)的自動擋汽車使用AT變速器。AT是由液力變矩器、行星齒輪變速器和電液控制裝置等組成的。其中，行星齒輪變速器是關(guān)鍵部件。辛普森行星齒輪變速器的教學(xué)模型包含基本的辛普森行星齒輪變速機構(gòu)（兩排行星齒輪、兩個離合器、兩個制動器，如圖5所示）、PLC自動控制電路和氣壓傳動裝置。該教學(xué)模型可以模擬AT自動換擋的過程。

該教學(xué)模型有三個前進(jìn)擋（第三擋是直接擋）和一個倒車擋。它與前述AMT教學(xué)模型有可比性和共同點。該教學(xué)模型采用AMT教學(xué)模型的PLC控制電路（見圖3）。可參考AMT教學(xué)模型的控制程序，編寫該教學(xué)模型的程序。

圖5的C1、C2采用電磁離合器。圖3所示電路的繼電器L1、L2控制C1、C2的接合與分離。B1、B2采用帶式制動器。繼電器L3、L4控制電磁閥，電磁閥操縱帶式制動器的氣缸，決定B1、B2的制動與釋放。換擋執(zhí)行機構(gòu)（C1、C2、B1和B2）的狀態(tài)與變速器擋位的關(guān)系，是理解換擋變速原理的重要信息，也是編寫PLC程序的主要依據(jù)。在引擎與行星齒輪機構(gòu)的輸入軸之間，保留圖3的電磁離合器C0。

行星齒輪機構(gòu)的制作應(yīng)該考慮教學(xué)的需要，應(yīng)該采用輕便的材料，如鋁合金或塑料；結(jié)構(gòu)盡量簡單，又容易觀察；組裝和使用方便；制造精度不高，減少制作成本。

帶式無級自動變速器的教學(xué)模型

圖6 帶式無級變速構(gòu)簡圖

帶式無級自動變速器（CVT）可以實現(xiàn)連續(xù)無級變速。該CVT的教學(xué)模型包括帶式無級變速機構(gòu)和自動控制裝置。帶式無級變速機構(gòu)如圖6所示，主要零件有主動輪、從動輪、傳動帶、導(dǎo)塊和絲桿螺母等。主動輪、從動輪是圓錐體。導(dǎo)塊中心位置有螺母。調(diào)速絲桿轉(zhuǎn)動，通過螺母改變導(dǎo)塊的位置，導(dǎo)塊調(diào)整傳動帶在輪上的位置，也就是調(diào)整主動輪和從動輪的有效工作半徑，從而改變輸入軸與輸出軸的傳動比。觀察該教學(xué)模型的運行情況，憑借感性認(rèn)識，學(xué)生能夠理解工作原理。CVT的變速性能優(yōu)越，但是使用CVT的汽車不多。原因是傳動帶的承載能力和耐用性難以滿足要求，使用成本比較高。該教學(xué)模型的傳動帶采用橡膠材料，機構(gòu)的工作負(fù)載小，能演示工作過程即可，容易實現(xiàn)。

圖7 CVT模型的自動控制電路原理圖

CVT教學(xué)模型的自動控制裝置由PLC等組成，如圖7所示。直流電動機的功率控制電路、引擎與車輪的轉(zhuǎn)速檢測電路均與上述AMT的電路相同。電磁離合器C0連接引擎與變速機構(gòu)。C0使用直流電流控制，RC充放電路減緩接合時的沖擊，提高機器啟動的平順性。PLC操縱步進(jìn)電動機，步進(jìn)電動機驅(qū)動絲桿螺母，螺母移動導(dǎo)塊，對傳動帶進(jìn)行定位?？刂七^程由PLC的程序管理。編寫PLC程序從基本要求做起，然后逐步完善。最簡單的控制程序，是及時調(diào)整傳動帶的位置，獲得合適的傳動比，使引擎的轉(zhuǎn)速接近額定轉(zhuǎn)速。額定轉(zhuǎn)速是引擎正常工作時的轉(zhuǎn)速。簡單的控制程序調(diào)試成功之后，再針對各種不同的工況，改寫程序，擴大功能，優(yōu)化控制效果。PLC使用梯形圖程序，可用筆記本電腦實時監(jiān)測程序運行狀態(tài)，向?qū)W生展示自動控制過程。

圖8 DSG教學(xué)模型示意圖

雙離合器自動變速器的教學(xué)模型

雙離合器自動變速器（DSG）是基于MT開發(fā)的。MT換擋時，離合器分離，暫時脫離動力，影響加速和舒適感。DSG有兩個離合器，一個離合器控制1、2、3擋，另一個離合器控制2、4、6擋。一個離合器接合時，另一個離合器分離；同時掛兩個擋位，一個擋位工作，另一個做準(zhǔn)備。在計算機控制下，能適時切換離合器，實現(xiàn)快速換擋。DSG的教學(xué)模型及電路原理分別如圖8、圖9所示。氣壓傳動部分參考AMT的內(nèi)容。電磁離合器的外圈與齒輪固定連接，內(nèi)圈與中間軸固定連接。為簡單起見，模型只設(shè)1、2、3、4擋位，沒有倒車擋。

圖9 DSG模型的自動控制電路原理圖

電磁離合器A、B同時分離，空擋狀態(tài)。啟動時，離合器B接合，1擋工作；離合器A分離，2擋準(zhǔn)備。提速后，離合器A接合，2擋工作；離合器B分離，電腦根據(jù)即時的工況選擇3擋或1擋做準(zhǔn)備。以此類推。

學(xué)生學(xué)習(xí)AMT的PLC編程后，可以作為研究性學(xué)習(xí)項目，學(xué)習(xí)編寫DSG的控制程序。

其他事項:制作車輪摩擦阻力的調(diào)整裝置。根據(jù)負(fù)載大小，確定直流電動機的功率。電機選型合適，變速機構(gòu)和控制電路正常，教學(xué)模型才能正常使用。

汽車變速器結(jié)構(gòu)緊湊，零件多，組裝后難于觀察，拆開后看不出所以然。而變速器教學(xué)模型形象、直觀，看得到，摸得著，教學(xué)效果甚佳。汽車變速器的型號很多，不同廠家的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)差異明顯，但基本原理是相同的。上述教學(xué)模型的構(gòu)建，主要考慮教學(xué)需要和制作方便，僅供參考。

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G712

A

1672-5727（2012）12-0081-03

林恩典（1956—），男，福建省廈門電子職業(yè)中專學(xué)校講師，工程師，主要從事《電子線路實驗》、《PLC原理與應(yīng)用》、《汽車機械基礎(chǔ)》、《汽車發(fā)動機結(jié)構(gòu)與維修》和《汽車變速器結(jié)構(gòu)與維修》等課程的教學(xué)。