汽车变速器教学模型的构建与应用

林恩典

（福建省厦门电子职业中专学校福建厦门361009）

汽车变速器教学模型的构建与应用

林恩典

（福建省厦门电子职业中专学校福建厦门361009）

汽车变速器包括手动变速器与自动变速器。自动变速器的原理结构是十分复杂的。为了帮助中职学生学习变速器，方便教学工作，提高教学质量，构建变速器的教学模型。教学模型包括了汽车变速器的主要结构与基本原理，可突出机电一体化的特点，零件少，造价低，使用方便。

汽车变速器；教学模型；变速机构；自动换挡；PLC控制；气压传动

变速器是汽车的重要部件，包括手动变速器与自动变速器。汽车自动变速器是高技术产品，它集机械、电子和液压控制于一体，结构和原理十分复杂。《汽车变速器原理与结构》是中等职业学校汽车维修专业的必修课，也是学生感觉最难学的一门课。职业学校培养技工和技师，必须重视现代工业技术的基础教育。我们构建了汽车变速器的教学模型，简化了教学内容和过程，方便了教学。利用教学模型，在教学中演示变速器的工作状况，有利于增强学生的感性认识，加深学生对变速器原理的理解和记忆，提高教学质量。

汽车变速器主要类型有MT、AMT、AT、CVT、DSG等。其中，MT是手动控制的，其余是自动控制的。自动控制方式有电子控制、液压控制和电液控制等。教学模型应该反映汽车变速器的主要结构和基本原理。教学模型应零部件少，结构简单，使用方便，控制程序简短，能够模拟汽车变速器的基本功能——变速器将引擎的动力传递至车轮，自动或手动改变传动比，以适应各种不同的工况。

MT手动变速器教学模型

图1 MT教学模型示意图

MT手动变速器是一种典型的手动变速器，很多汽车采用这种类型的变速器。它的教学模型简称为MT教学模型。该教学模型如图1所示，输入轴、中间轴与齿轮固定连接，输出轴与三个齿轮非固定连接，齿轮可以绕轴转动。轴环与输出轴以花键连接。轴环可以沿着轴线方向移动，同时与输出轴一起转动。拨叉使轴环移动，轴环靠向齿轮的侧面，侧面犬齿啮合，轴环与齿轮一起转动，实现动力传递。轴环停留的位置不同，产生不同的挡位，就有不同的传动比。惰轮改变转向，构成倒车挡。轴环与输入轴的齿轮接合，出现直接挡，效率最高。该教学模型可以实现三个前进挡、一个倒车挡，简单，直观，学生多看几眼就明白其中的原理。

AMT自动变速器的教学模型

图2 AMT教学模型示意图

在MT手动变速器的基础上开发出的AMT自动变速器，有MT手动变速器结构简单、造价低廉、维修方便、承载能力强的特点，又有自动快速换挡的功能。在上述MT教学模型的基础上，制作AMT自动变速器的教学模型。它包括了汽车AMT自动变速器的主要组成部分，反映出AMT的基本工作原理。其变速机构如图2所示。它有三个前进挡和一个倒车挡，有手动换挡与自动换挡两种工作模式。

图3 AMT模型的自动控制由路原理图

该教学模型的自动控制电路（如图3所示）代替汽车常用的电子控制单元（ECU）。可编程序控制器（PLC）编程使用梯形图，易于学生理解。现代汽车的ECU包括计算机软硬件、接口电路等，结构复杂，功能强大，它同时控制发动机、变速器及其他装置。直接地针对ECU进行教学是很难的，实际上，一般的ECU是由专业公司研制生产的，由于商业保密的因素，ECU电路图和控制程序等资料一般找不全。

在模型中，气缸作为换挡执行元件，代替汽车变速器常用的液压油缸；电磁离合器代替汽车常用的液压控制离合器；以气压传动系统代替汽车的液压传动系统，力求造价低廉，装配方便，又可以满足教学的要求。

同时，直流电动机代替汽车引擎。PLC输出矩形波，控制直流电动机。改变矩形波的占空比，就能改变电机的平均工作电流，即改变电机的功率。电位器W1作为油门踏板的位置传感器，其输出电压为0～10伏特。软件编程设定，矩形波的占空比与传感器的输出电压值成正比。调整电位器W1，即调整电动机的输出功率。

PLC输出矩形波，控制电磁离合器C0的接合与分离。W2是离合器位置传感器。矩形波的占空比与电位器W2的输出电压成正比。为了模仿汽车平稳启动，缓慢调整W2，PLC输出占空比连续变化的脉冲信号，电磁力逐渐加大，离合器从分离状态，经过“半联动”，至接合状态。

安装两组光电传感器，将输入轴与输出轴的转速以脉冲的形式向PLC发送信息。光电传感器是由光耦合器与转盘组成的。转盘沿圆周分布10个圆孔，随轴转动。光耦合器对准小孔时，输出低电平，否则输出高电平。轴转一圈，PLC计数器接收10个脉冲。PLC计算单位时间的脉冲数，判断轴的转速。结构原理很简单。

图4 AMT模型的气压传动装置

PLC控制4个继电器（L1～L4）。继电器控制电磁阀（图4的L11～L14）。电磁阀控制气缸。气缸操纵换挡机构（轴环等），实现换挡变速。

输入轴与直流电动机连接，输出轴与“车轮”连接。改变“车轮”的摩擦阻力，或改变电动机的输出功率，电动机的转速会受影响。通过切换变速器的挡位，使电动机保持在正常的工作状态，电机的转速和工作电流被控制在规定的范围内。

PLC控制整机协调工作。PLC程序的编写是一项颇具弹性的工作。该教学模型仿效汽车的“手自一体化”功能。手动换挡工作模式的控制程序比较简单。先编写手动操作换挡的控制程序，调试成功后编写自动换挡程序。在教学的初期，程序应该尽量简短，能够控制机器实现基本作业就行。随着学生能力的提升，逐步丰富程序的内容，或者将更高要求的编程留给学生编写，作为研究性学习的内容。教师须注意因材施教，合理地掌握教学的深度。

虽然AMT变速器使用的数量不多，但是，它与行星齿轮变速器的换挡原理有相似之处。AMT的知识是学生学习复杂的AT变速器的基础。因此，AMT变速器教学有重要意义。

辛普森行星齿轮变速器的教学模型

图5 行星齿轮机构示意图

目前，大多数的自动挡汽车使用AT变速器。AT是由液力变矩器、行星齿轮变速器和电液控制装置等组成的。其中，行星齿轮变速器是关键部件。辛普森行星齿轮变速器的教学模型包含基本的辛普森行星齿轮变速机构（两排行星齿轮、两个离合器、两个制动器，如图5所示）、PLC自动控制电路和气压传动装置。该教学模型可以模拟AT自动换挡的过程。

该教学模型有三个前进挡（第三挡是直接挡）和一个倒车挡。它与前述AMT教学模型有可比性和共同点。该教学模型采用AMT教学模型的PLC控制电路（见图3）。可参考AMT教学模型的控制程序，编写该教学模型的程序。

图5的C1、C2采用电磁离合器。图3所示电路的继电器L1、L2控制C1、C2的接合与分离。B1、B2采用带式制动器。继电器L3、L4控制电磁阀，电磁阀操纵带式制动器的气缸，决定B1、B2的制动与释放。换挡执行机构（C1、C2、B1和B2）的状态与变速器挡位的关系，是理解换挡变速原理的重要信息，也是编写PLC程序的主要依据。在引擎与行星齿轮机构的输入轴之间，保留图3的电磁离合器C0。

行星齿轮机构的制作应该考虑教学的需要，应该采用轻便的材料，如铝合金或塑料；结构尽量简单，又容易观察；组装和使用方便；制造精度不高，减少制作成本。

带式无级自动变速器的教学模型

图6 带式无级变速构简图

带式无级自动变速器（CVT）可以实现连续无级变速。该CVT的教学模型包括带式无级变速机构和自动控制装置。带式无级变速机构如图6所示，主要零件有主动轮、从动轮、传动带、导块和丝杆螺母等。主动轮、从动轮是圆锥体。导块中心位置有螺母。调速丝杆转动，通过螺母改变导块的位置，导块调整传动带在轮上的位置，也就是调整主动轮和从动轮的有效工作半径，从而改变输入轴与输出轴的传动比。观察该教学模型的运行情况，凭借感性认识，学生能够理解工作原理。CVT的变速性能优越，但是使用CVT的汽车不多。原因是传动带的承载能力和耐用性难以满足要求，使用成本比较高。该教学模型的传动带采用橡胶材料，机构的工作负载小，能演示工作过程即可，容易实现。

图7 CVT模型的自动控制电路原理图

CVT教学模型的自动控制装置由PLC等组成，如图7所示。直流电动机的功率控制电路、引擎与车轮的转速检测电路均与上述AMT的电路相同。电磁离合器C0连接引擎与变速机构。C0使用直流电流控制，RC充放电路减缓接合时的冲击，提高机器启动的平顺性。PLC操纵步进电动机，步进电动机驱动丝杆螺母，螺母移动导块，对传动带进行定位。控制过程由PLC的程序管理。编写PLC程序从基本要求做起，然后逐步完善。最简单的控制程序，是及时调整传动带的位置，获得合适的传动比，使引擎的转速接近额定转速。额定转速是引擎正常工作时的转速。简单的控制程序调试成功之后，再针对各种不同的工况，改写程序，扩大功能，优化控制效果。PLC使用梯形图程序，可用笔记本电脑实时监测程序运行状态，向学生展示自动控制过程。

图8 DSG教学模型示意图

双离合器自动变速器的教学模型

双离合器自动变速器（DSG）是基于MT开发的。MT换挡时，离合器分离，暂时脱离动力，影响加速和舒适感。DSG有两个离合器，一个离合器控制1、2、3挡，另一个离合器控制2、4、6挡。一个离合器接合时，另一个离合器分离；同时挂两个挡位，一个挡位工作，另一个做准备。在计算机控制下，能适时切换离合器，实现快速换挡。DSG的教学模型及电路原理分别如图8、图9所示。气压传动部分参考AMT的内容。电磁离合器的外圈与齿轮固定连接，内圈与中间轴固定连接。为简单起见，模型只设1、2、3、4挡位，没有倒车挡。

图9 DSG模型的自动控制电路原理图

电磁离合器A、B同时分离，空挡状态。启动时，离合器B接合，1挡工作；离合器A分离，2挡准备。提速后，离合器A接合，2挡工作；离合器B分离，电脑根据即时的工况选择3挡或1挡做准备。以此类推。

学生学习AMT的PLC编程后，可以作为研究性学习项目，学习编写DSG的控制程序。

其他事项:制作车轮摩擦阻力的调整装置。根据负载大小，确定直流电动机的功率。电机选型合适，变速机构和控制电路正常，教学模型才能正常使用。

汽车变速器结构紧凑，零件多，组装后难于观察，拆开后看不出所以然。而变速器教学模型形象、直观，看得到，摸得着，教学效果甚佳。汽车变速器的型号很多，不同厂家的产品结构差异明显，但基本原理是相同的。上述教学模型的构建，主要考虑教学需要和制作方便，仅供参考。

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G712

A

1672-5727（2012）12-0081-03

林恩典（1956—），男，福建省厦门电子职业中专学校讲师，工程师，主要从事《电子线路实验》、《PLC原理与应用》、《汽车机械基础》、《汽车发动机结构与维修》和《汽车变速器结构与维修》等课程的教学。