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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產品，它集機械、電子和液壓控制于一體，結構和原理十分復雜。《汽車變速器原理與結構》是中等職業學校汽車維修專業的必修課，也是學生感覺zui難學的一門課。職業學校培養技工和技師，必須重視現代工業技術的基礎教育。我們構建了汽車變速器的教學模型，簡化了教學內容和過程，方便了教學。利用教學模型，在教學中演示變速器的工作狀況，有利于增強學生的感性認識，加深學生對變速器原理的理解和記憶，提高教學質量。
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。教學模型應該反映汽車變速器的主要結構和基本原理。教學模型應零部件少，結構簡單，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，以適應各種不同的工況。
MT 手動變速器教學模型
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。它的教學模型簡稱為MT教學模型。該教學模型如圖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，齒輪可以繞軸轉動。軸環與輸出軸以花鍵連接。軸環可以沿著軸線方向移動，同時與輸出軸一起轉動。撥叉使軸環移動，軸環靠向齒輪的側面，側面犬齒嚙合，軸環與齒輪一起轉動，實現動力傳遞。軸環停留的位置不同，產生不同的擋位，就有不同的傳動比。惰輪改變轉向，構成倒車擋。軸環與輸入軸的齒輪接合，出現直接擋，效率zui高。該教學模型可以實現三個前進擋、一個倒車擋，簡單，直觀，學生多看幾眼就明白其中的原理。
圖1 MT 教學模型示意圖
AMT 自動變速器的教學模型
在MT 手動變速器的基礎上開發出的AMT自動變速器， 有MT手動變速器結構簡單、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教學模型的基礎上，制作AMT自動變速器的教學模型。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。其變速機構如圖2所示。它有三個前進擋和一個倒車擋，有手動換擋與自動換擋兩種工作模式。
圖2 AMT教學模型示意圖
該教學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）。可編程序控制器（PLC）編程使用梯形圖，易于學生理解。現代汽車的ECU 包括計算機軟硬件、接口電路等，結構復雜，功能強大，它同時控制發動機、變速器及其他裝置。直接地針對ECU進行教學是很難的， 實際上， 一般的ECU是由專業公司研制生產的， 由于商業保密的因素，ECU電路圖和控制程序等資料一般找不全。
圖3 AMT模型的自動控制由路原理圖
在模型中，氣缸作為換擋執行元件，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；以氣壓傳動系統代替汽車的液壓傳動系統，力求造價低廉，裝配
方便，又可以滿足教學的要求。
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。軟件編程設定，矩形波的占空比與傳感器的輸出電壓值成正比。調整電位器W1，即調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。為了模仿汽車平穩啟動，緩慢調整W2，PLC輸出占空比連續變化的脈沖信號，電磁力逐漸加大，離合器從分離狀態，經過“半聯動”，至接合狀態。
安裝兩組光電傳感器，將輸入軸與輸出軸的轉速以脈沖的形式向PLC發送信息。光電傳感器是由光耦合器與轉盤組成的。轉盤沿圓周分布10個圓孔，隨軸轉動。光耦合器對準小孔時，輸出低電平，否則輸出高電平。軸轉一圈，PLC計數器接收10個脈沖。PLC 計算單位時間的脈沖數，判斷軸的轉速。結構原理很簡單。
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（軸環等），實現換擋變速。
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，電機的轉速和工作電流被控制在規定的范圍內。
PLC控制整機協調工作。PLC程序的編寫是一項頗具彈性的工作。該教學模型仿效汽車的“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，調試成功后編寫自動換擋程序。在教學的初期，程序應該盡量簡短，能夠控制機器實現基本作業就行。隨著學生能力的提升，逐步豐富程序的內容，或者將更高要求的編程留給學生編寫，作為研究性學習的內容。教師須注意因材施教，合理地掌握教學的深度。
雖然AMT變速器使用的數量不多，但是，它與行星齒輪變速器的換擋原理有相似之處。AMT的知識是學生學習復雜的AT變速器的基礎。因此，AMT變速器教學有重要意義。
辛普森行星齒輪變速器的教學模型
目前， 大多數的自動擋汽車使用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鍵部件。辛普森行星齒輪變速器的教學模型包含基本的辛普森行星齒輪變速機構（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。該教學模型可以模擬AT自動換擋的過程。
圖5 行星齒輪機構示意圖
該教學模型有三個前進擋（第三擋是直接擋）和一個倒車擋。它與前述AMT教學模型有可比性和共同點。該教學模型采用AMT教學模型的PLC控制電路（見圖3）。可參考AMT教學模型的控制程序，編寫該教學模型的程序。
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。換擋執行機構（C1、C2、B1 和B2）的狀態與變速器擋位的關系，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。在引擎與行星齒輪機構的輸入軸之間，保留圖3的電磁離合器C0。
行星齒輪機構的制作應該考慮教學的需要，應該采用輕便的材料，如鋁合金或塑料；結構盡量簡單，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模型
帶式無級自動變速器
（CVT）可以實現連續無級變速。該CVT的教學模型包括帶式無級變速機構和自動控制裝置。帶式無級變速機構如圖6所示，主要零件有主動輪、從動輪、傳動帶、導塊和絲桿螺母等。主動輪、從動輪是圓錐體。導塊中心位置有螺母。調速絲桿轉動， 通過螺母改變導塊的位置， 導塊調整傳動帶在輪上的位置，也就是調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。觀察該教學模型的運行情況，憑借感性認識，學生能夠理解工作原理。CVT的變速性能*，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。該教學模型的傳動帶采用橡膠材料，機構的工作負載小，能演示工作過程即可，容易實現。
圖6 帶式無級變速構簡圖
CVT教學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。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操縱步進電動機，步進電動機驅動絲桿螺母，螺母移動導塊，對傳動帶進行定位。控制過程由PLC的程序管理。編寫PLC程序從基本要求做起，然后逐步完善。zui簡單的控制程序，是及時調整傳動帶的位置，獲得合適的傳動比，使引擎的轉速接近額定轉速。額定轉速是引擎正常工作時的轉速。簡單的控制程序調試成功之后，再針對各種不同的工況，改寫程序，擴大功能，優化控制效果。PLC使用梯形圖程序，可用筆記本電腦實時監測程序運行狀態，向學生展示自動控制過程。
圖7 CVT 模型的自動控制電路原理圖
雙離合器自動變速器的教學模型
雙離合器自動變速器（DSG）是基于MT開發的。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，另一個做準備。在計算機控制下，能適時切換離合器，實現快速換擋。DSG 的教學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 的內容。電磁離合器的外圈與齒輪固定連接，內圈與中間軸固定連接。為簡單起見，模型只設1、2、3、4 擋位，沒有倒車擋。
電磁離合器A、B 同時分離，空擋狀態。啟動時，離合器B 接合，1 擋工作；離合器A 分離，2 擋準備。提速后，離合器A 接合，2 擋工作；離合器B 分離，電腦根據即時的工況選擇3 擋或1 擋做準備。以此類推。
學生學習AMT 的PLC 編程后，可以作為研究性學習項目，學習編寫DSG 的控制程序。
其他事項：制作車輪摩擦阻力的調整裝置。根據負載大小，
確定直流電動機的功率。電機選型合適，變速機構和控制電路正常，教學模型才能正常使用。
汽車變速器結構緊湊，零件多，組裝后難于觀察，拆開后看不出所以然。而變速器教學模型形象、直觀，看得到，摸得著，教學效果甚佳。汽車變速器的型號很多，不同廠家的產品結構差異明顯，但基本原理是相同的。
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