變速器是汽車的重要部件,， 包括手動(dòng)變速器與自動(dòng)變速器。汽車自動(dòng)變速器是高技術(shù)產(chǎn)品，它集機(jī)械,、電子和液壓控制于一體,，結(jié)構(gòu)和原理十分復(fù)雜,。《汽車變速器原理與結(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zui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(jiǎn)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(qiáng)學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)，加深學(xué)生對(duì)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(dòng)控制的，其余是自動(dòng)控制的,。自動(dòng)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(jiǎn)單,，使用方便,，控制程序簡(jiǎn)短，能夠模擬汽車變速器的基本功能———變速器將引擎的動(dòng)力傳遞至車輪,，自動(dòng)或手動(dòng)改變傳動(dòng)比,，以適應(yīng)各種不同的工況。

MT 手動(dòng)變速器教學(xué)模型

MT手動(dòng)變速器是一種典型的手動(dòng)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(jiǎn)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(gè)齒輪非固定連接,，齒輪可以繞軸轉(zhuǎn)動(dòng),。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(dòng),，同時(shí)與輸出軸一起轉(zhuǎn)動(dòng),。撥叉使軸環(huán)移動(dòng),，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(dòng)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)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(dòng)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zui高。該教學(xué)模型可以實(shí)現(xiàn)三個(gè)前進(jìn)擋,、一個(gè)倒車擋,，簡(jiǎn)單,，直觀，學(xué)生多看幾眼就明白其中的原理,。

圖1 MT 教學(xué)模型示意圖

AMT 自動(dòng)變速器的教學(xué)模型

在MT 手動(dòng)變速器的基礎(chǔ)上開發(fā)出的AMT自動(dòng)變速器， 有MT手動(dòng)變速器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,、造價(jià)低廉、維修方便,、承載能力強(qiáng)的特點(diǎn)， 又有自動(dòng)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(dòng)變速器的教學(xué)模型,。它包括了汽車AMT自動(dòng)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(jī)構(gòu)如圖2所示。它有三個(gè)前進(jìn)擋和一個(gè)倒車擋,，有手動(dòng)換擋與自動(dòng)換擋兩種工作模式,。

圖2 AMT教學(xué)模型示意圖

該教學(xué)模型的自動(dòng)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?，F(xiàn)代汽車的ECU 包括計(jì)算機(jī)軟硬件、接口電路等,，結(jié)構(gòu)復(fù)雜,，功能強(qiáng)大,，它同時(shí)控制發(fā)動(dòng)機(jī),、變速器及其他裝置,。直接地針對(duì)ECU進(jìn)行教學(xué)是很難的,， 實(shí)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,。

圖3 AMT模型的自動(dòng)控制由路原理圖

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(dòng)系統(tǒng)代替汽車的液壓傳動(dòng)系統(tǒng),，力求造價(jià)低廉，裝配

方便,，又可以滿足教學(xué)的要求。

同時(shí),，直流電動(dòng)機(jī)代替汽車引擎,。PLC輸出矩形波，控制直流電動(dòng)機(jī),。改變矩形波的占空比，就能改變電機(jī)的平均工作電流,， 即改變電機(jī)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(dòng)機(jī)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(dòng),，緩慢調(diào)整W2，PLC輸出占空比連續(xù)變化的脈沖信號(hào),，電磁力逐漸加大，離合器從分離狀態(tài),，經(jīng)過“半聯(lián)動(dòng)”,，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(gè)圓孔,，隨軸轉(zhuǎn)動(dòng),。光耦合器對(duì)準(zhǔn)小孔時(shí),，輸出低電平，否則輸出高電平,。軸轉(zhuǎn)一圈，PLC計(jì)數(shù)器接收10個(gè)脈沖,。PLC 計(jì)算單位時(shí)間的脈沖數(shù)，判斷軸的轉(zhuǎn)速,。結(jié)構(gòu)原理很簡(jiǎn)單,。

圖4 AMT模型的氣壓傳動(dòng)裝置

PLC控制4個(gè)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(jī)構(gòu)（軸環(huán)等）,，實(shí)現(xiàn)換擋變速。

輸入軸與直流電動(dòng)機(jī)連接,，輸出軸與“車輪”連接。改變“車輪”的摩擦阻力,，或改變電動(dòng)機(jī)的輸出功率，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速會(huì)受影響,。通過切換變速器的擋位,，使電動(dòng)機(jī)保持在正常的工作狀態(tài),，電機(jī)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(jī)協(xié)調(diào)工作,。PLC程序的編寫是一項(xiàng)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(dòng)換擋工作模式的控制程序比較簡(jiǎn)單,。先編寫手動(dòng)操作換擋的控制程序,，調(diào)試成功后編寫自動(dòng)換擋程序。在教學(xué)的初期,，程序應(yīng)該盡量簡(jiǎn)短，能夠控制機(jī)器實(shí)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(shí)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

目前,， 大多數(shù)的自動(dòng)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(jī)構(gòu)（兩排行星齒輪,、兩個(gè)離合器,、兩個(gè)制動(dòng)器，如圖5 所示）,、PLC自動(dòng)控制電路和氣壓傳動(dòng)裝置。該教學(xué)模型可以模擬AT自動(dòng)換擋的過程,。

圖5 行星齒輪機(jī)構(gòu)示意圖
該教學(xué)模型有三個(gè)前進(jìn)擋（第三擋是直接擋）和一個(gè)倒車擋,。它與前述AMT教學(xué)模型有可比性和共同點(diǎn),。該教學(xué)模型采用AMT教學(xué)模型的PLC控制電路（見圖3）?？蓞⒖糀MT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(dòng)器。繼電器L3,、L4控制電磁閥，電磁閥操縱帶式制動(dòng)器的氣缸,，決定B1,、B2的制動(dòng)與釋放,。換擋執(zhí)行機(jī)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(jī)構(gòu)的輸入軸之間,，保留圖3的電磁離合器C0。

行星齒輪機(jī)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(jiǎn)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(jí)自動(dòng)變速器的教學(xué)模型

帶式無級(jí)自動(dòng)變速器

（CVT）可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)無級(jí)變速,。該CVT的教學(xué)模型包括帶式無級(jí)變速機(jī)構(gòu)和自動(dòng)控制裝置。帶式無級(jí)變速機(jī)構(gòu)如圖6所示，主要零件有主動(dòng)輪,、從動(dòng)輪、傳動(dòng)帶,、導(dǎo)塊和絲桿螺母等。主動(dòng)輪,、從動(dòng)輪是圓錐體,。導(dǎo)塊中心位置有螺母,。調(diào)速絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)， 通過螺母改變導(dǎo)塊的位置,， 導(dǎo)塊調(diào)整傳動(dòng)帶在輪上的位置，也就是調(diào)整主動(dòng)輪和從動(dòng)輪的有效工作半徑,，從而改變輸入軸與輸出軸的傳動(dòng)比,。觀察該教學(xué)模型的運(yùn)行情況,，憑借感性認(rèn)識(shí)，學(xué)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(dòng)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(dòng)帶采用橡膠材料，機(jī)構(gòu)的工作負(fù)載小,，能演示工作過程即可，容易實(shí)現(xiàn),。

圖6 帶式無級(jí)變速構(gòu)簡(jiǎn)圖

CVT教學(xué)模型的自動(dòng)控制裝置由PLC等組成,， 如圖7所示,。直流電動(dòng)機(jī)的功率控制電路,、引擎與車輪的轉(zhuǎn)速檢測(cè)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(jī)構(gòu),。C0使用直流電流控制，RC充放電路減緩接合時(shí)的沖擊,，提高機(jī)器啟動(dòng)的平順性,。PLC操縱步進(jìn)電動(dòng)機(jī),，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)絲桿螺母，螺母移動(dòng)導(dǎo)塊,，對(duì)傳動(dòng)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。zui簡(jiǎn)單的控制程序,，是及時(shí)調(diào)整傳動(dòng)帶的位置,，獲得合適的傳動(dòng)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(shí)的轉(zhuǎn)速,。簡(jiǎn)單的控制程序調(diào)試成功之后，再針對(duì)各種不同的工況,，改寫程序,，擴(kuò)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)程序運(yùn)行狀態(tài),，向?qū)W生展示自動(dòng)控制過程。

圖7 CVT 模型的自動(dòng)控制電路原理圖

雙離合器自動(dòng)變速器的教學(xué)模型

雙離合器自動(dòng)變速器（DSG）是基于MT開發(fā)的,。MT換擋時(shí)，離合器分離,，暫時(shí)脫離動(dòng)力,，影響加速和舒適感,。DSG有兩個(gè)離合器，一個(gè)離合器控制1,、2,、3 擋,，另一個(gè)離合器控制2、4,、6擋,。一個(gè)離合器接合時(shí),，另一個(gè)離合器分離；同時(shí)掛兩個(gè)擋位,，一個(gè)擋位工作，另一個(gè)做準(zhǔn)備,。在計(jì)算機(jī)控制下,，能適時(shí)切換離合器，實(shí)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(dòng)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(jiǎn)單起見,，模型只設(shè)1,、2、3,、4 擋位，沒有倒車擋,。

電磁離合器A,、B 同時(shí)分離,，空擋狀態(tài)。啟動(dòng)時(shí),，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(shí)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(xiàng)目,，學(xué)習(xí)編寫DSG 的控制程序,。

其他事項(xiàng)：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(dòng)機(jī)的功率。電機(jī)選型合適,，變速機(jī)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(hào)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,。