汽車自動變速器變速原理教學方法探究

朱占芳

摘 要：汽車自動變速器行星齒輪機構變速原理的教學在現代汽車維修專業課程中具有典型性和代表性，本文結合教學實踐，對行星齒輪機構變速原理的教學方法進行探索，為中等職業技術學校汽車維修專業教學提供參考。

關鍵詞：職業教育 汽車自動變速器 課程教學 方法探究

汽車自動變速器行星齒輪機構變速原理的教學是汽車自動變速器課程教學的第一個難點和重點，如果行星齒輪機構的變速原理掌握不好，對液壓控制技術、電子控制技術和行星齒輪機構這三者之間的工作關系更是難以理解，因此對學習自動變速器的基本工作原理將無從談起，整個教學工作就成了空中樓閣。所以，行星齒輪機構變速原理的教學，對于教師汽車自動變速器課程教學的成功與否非常關鍵。筆者結合教學經驗，以汽車自動變速器行星齒輪機構變速原理部分的教學內容為例，就專業課的教學方法進行探索和總結，希望對中等職業技術學校汽車維修專業的汽車自動變速器課程教學起到借鑒和參考作用。

一、行星齒輪機構的變速原理的教學內容分析

自動變速器行星齒輪機構的變速原理要想取得較好的教學效果，就必須明確教學內容、重點、難點和應達到的教學目的。行星齒輪機構的變速原理對于學生來說完全是一個新的內容。它的知識點有單排行星輪系的組成（圖1）、單排行星輪系和行星輪系的簡圖、單排行星輪系的變速原理、辛普森式行星齒輪變速器變速原理等知識點。這些知識點是相互獨立又相互關聯的。行星齒輪機構的變速原理的教學重點是單排行星輪系的組成、單排行星輪系的變速原理。

圖1 行星齒輪機構外形

1-齒圈軸 2-齒圈 3-行星架 4-行星輪

5-行星輪軸 6-太陽輪 7-太陽輪軸

二、行星齒輪機構的變速原理的知識特點

作為自動變速器課程的一個重要內容，行星齒輪機構的變速原理具有基礎性的作用，它的知識體系主要表現為以下特點。

1.抽象性

行星齒輪機構的變速原理屬于自由度為2的周轉輪系。眾所周知，自由度為2的機構的運動情況是不確定的，在研究學習過程中一直是一個難以理解、抽象性很強的知識難點。

2.理論性

行星齒輪機構的變速原理，具有十分強的理論性。在推導速度傳遞特征、傳動比、可適用的擋位時，都需要有很強的數學推導能力，這在中等職業技術學校汽車維修專業課的教學中，可以說是最具理論性的部分。

3.實踐性

行星齒輪機構是由一個一個的零件構成的，我們不可忽視這種實踐性的特點。它在自動變速器上的使用也是由于實際生產生活的需要而出現的。在教學過程中，我們一定要聯系實際進行教學，切不可以只學理論，也不可以只學實踐，否則難以取得良好的實際效果。

4.思維跨越性

行星齒輪機構相對于手動變速器采用的斜齒輪傳動，他們的變速原理有很大的不同。斜齒輪傳動的變速原理相對來說非常簡單，不需要過多的推導，而行星齒輪機構的變速原理則不同，學生學習的思維方式也不同。所以在進行行星齒輪機構的變速原理的講授時，教師一定要引導學生跨越性思維想辦法克服由于斜齒輪傳動學習形成的思維定勢對學生學習造成的影響。

三、教學方法探索

靠單一的教學手段和方法完成行星齒輪機構的變速原理的教學任務是一件十分困難的事情。今天的職業技術教育，已經完全擺脫了單一課堂教學的模式，教學手段越來越結合學生和生產的實際。

1.采用實物課教學，加強教學的直觀性

實物課教學是一種直觀的教學方式，在汽車專業課程教學中應用廣泛。教師把一個物體放在手上講授，有助于學生對問題的理解。它與實踐教學相比，其不同點在于不需要過多的操作。在學生首次接觸一個部件時，教師采用實物課教學效果比較明顯。在教學過程中，教師可以讓學生認識每一個零部件的名稱、結構特點和相互間的連接關系、位置關系等。實物教學對于行星齒輪機構變速原理教學是必不可少的一種教學方式，我們在介紹行星齒輪的結構時就可以采用這種方法。

2.采用實物試驗

實物試驗的方法是一種有效的方式，我們在講解單排行星輪系變速原理時可以采用這種方式。

教師先把學生分成幾個組，每個組都有一個單排行星輪系，然后進行以下三個實驗：一是先讓學生用手將太陽輪、齒圈和行星架三個元件中的任何一個按住不動，然后讓另外兩個元件中的一個作為主動件，用手轉動，另一個元件作為從動件，并觀察傳動情況，重點觀察轉向是相同還是相反，速度是增速還是減速。二是讓太陽輪、齒圈和行星架中的兩個元件連在一起同步運動，觀察另外一個如何運動。三是不制動也不連接在一起，讓一個元件主動，另外兩個元件從動，觀察運動關系。教師讓學生將情況記錄下來，并進行思考：如何設計制動器對元件進行制動？如何設計離合器控制動力輸入和輸出？這幾種情況能否在自動變速器上使用？可以用作什么擋位等等。

3.注重課堂教學，培養邏輯思維能力

研究和分析行星齒輪機構的變速原理，課堂教學必不可少。分析行星齒輪機構的變速原理，一般做如下推導。

圖2 單排行星輪系的變速原理

如圖2所示，設太陽輪Z1=17齒，齒圈Z2=34齒，行星架齒數等于太陽輪齒數+齒圈齒數（這里的轉化要向學生講解清楚），行星架齒數Z3= Z1+Z2=51齒。

（1）太陽輪固定，齒圈為主動件（輸入），行星架為從動件（輸出），如圖a）所示。此時，n1=0，根據試驗課可得結論：轉向相同，減速，可以用作前進低速擋，一般用作前進低二擋。

（2）齒圈固定，太陽輪為主動件（輸入），行星架為從動件（輸出），如圖c）所示。此時，n2=0，根據試驗課可得結論：轉向相同，減速，可以用作前進低速擋，一般用作前進低一擋。

（3）太陽輪固定，行星架為主動件（輸入），齒圈為從動件（輸出），如圖b）所示。此時，n1=0，根據試驗課可得結論：轉向相同，增速，可以作為前進超速擋。endprint

（4）齒圈固定，行星架為主動件（輸入），太陽輪為從動件（輸出），如圖d）所示。此時，n2=0，根據試驗課可得結論：轉向相同，增速，可以作為前進超速擋。

（5）行星架固定，太陽輪為主動件（輸入），齒圈為從動件（輸出），如圖e）所示。此時，n3=0，根據試驗可得結論：轉向旋轉方向相反，可以作為倒擋。

（6）行星架固定，齒圈為主動件（輸入），太陽輪為從動件（輸出），此種傳動旋轉方向相反且增速，在汽車上無法使用。

（7）太陽輪、齒圈和行星架三個元件中的任何二個元件連為一體轉動，則另一個元件的轉速與前二者等速同向轉動。即行星齒輪機構中所有元件（包含行星輪）之間均無相對運動，傳動比i=1。這種傳動方式用于變速器的直接擋傳動。

（8）如果太陽輪、齒圈和行星架三個元件沒有任何約束，則各元件的運動是不確定的，此時為空擋。

以上8種情況，教師可以先分析其中幾種，其余幾種由學生自己分析，然后教師再進行講解，效果會更好。

4.采用多媒體課件教學，激發學生學習興趣

教師要把傳統的以教師為中心、以課堂為中心、以書本為中心的教育方式轉變為以學生學習為中心、以強化個體實踐為中心、以信息交流為中心，變被動教育為主動教育、變應試教育為素質教育、變知識教育為智能教育。

四、行星齒輪變速原理教學過程

在對行星齒輪變速原理進行教學時，教師必須遵循緊密聯系學生實際、由淺入深、由易到難、理論和實踐相結合、理論和多媒體教學相結合、師生互動、教學和生產相結合的原則進行教學組織。如果教師不聯系學生實際，沒有科學的、合理的教學程序，將很難達到教學目的。行星齒輪變速原理教學的過程可以分為以下七個階段。

一是實物感性認識階段。在進行課堂教學之前，教師先讓學生認識實物，可以分小組，拆開自動變速器，認識簡要結構。這一階段的教學目的僅僅是感性認識，不要求很細、很深入的講解，學生只對自動變速器有一個整體認識，了解基本結構和裝配關系。

二是行星輪系識別階段。這一過程可以放在課堂教學中進行。教師將行星輪系在學生面前展示和讓學生觀察，讓學生認識行星輪系的組成、名稱等。在教學過程中，教師要讓學生仔細觀察，要求每位學生都清楚行星輪系的基本知識。

三是行星輪系實物與簡圖的轉化繪制階段。行星輪系實物與簡圖的繪制轉化是一個重要環節，它對于學生將來使用資料、研究行星輪系變速原理、分析變速器的工作、維修變速器都具有重要作用。行星輪系實物與簡圖的轉化如圖3所示。

圖3 行星輪系實物與簡圖的轉化

1-太陽輪 2-齒圈 3-行星架 4-行星輪

在教學中，教師要講清楚行星輪系零件的位置關系和簡化原則，使學生能讀懂并繪制簡圖。簡圖可以使用計算機繪制，也可以在黑板上進行繪制。教師在繪制簡圖時，要求學生一起繪制。在學生掌握繪制簡圖方法的基礎上，我們還要把相關學習內容的簡圖做一些介紹，以便讓學生掌握更多的識圖能力。

四是單排行星輪系的變速原理分析推導過程階段（如前所述）。

五是辛普森式行星齒輪變速原理分析階段。辛普森式行星齒輪自動變速器中的行星齒輪變速器一般是采用2～3排行星齒輪機構傳動，其各擋傳動比就是根據上述單排行星齒輪機構傳動的特點進行合理組合得到的。在這部分內容的教學中，我們要根據中等職業技術教育的特點，充分體現“必需、夠用”的原則。筆者認為，如果過多地從理論推導上去講授，一是學生學習興趣不高，二是學生學習起來難度很大。在課堂教學中，教師要根據學生的接受程度進行取舍。首先要教會學生分析如圖3所示的簡圖，然后會讀辛普森式三速行星齒輪變速器的工作規律表（表），重點要結合辛普森式三速行星齒輪變速器的工作規律表（表），并將各元件與擋位之間的關系搞清楚。其次只要結合圖3掌握各個擋位的動力傳遞原理就可以了。如表1，我們結合圖3，讓學生掌握各個擋位離合器、制動器、單向離合器的工作情況，并能夠分析圖3中各個擋位的動力傳遞路線。

表 辛普森式三速行星齒輪變速器的工作規律

選擋桿 擋位 離合器 制動器 單向離合器

C1 C2 B2 B3 F1

D 1擋 ○ ○

2擋 ○ ○

3擋 ○ ○

R 倒擋 ○ ○

S L 或2 1 1擋 ○ ○

2擋 ○ ○

注：○——接合、制動或鎖止。

六是知識的拓展階段。行星輪系、液壓控制系統和電控系統之間的關系和其他行星輪系變速及擋位的方法屬于知識拓展內容。我們在處理這些內容的過程中，要多采用掛圖、資料進行教學。要引導學生利用資料、實物進行學習，尤其要學會自學，開闊視野。

七是實踐動手能力訓練階段。在完成課堂理論課程教學后，教師安排實踐動手能力訓練，將學生分成小組進行自動變速器的拆裝和分析。在這個教學過程中，教師要讓每個學生都有動手的機會，并且要安排學習任務，要激發學生進行自主學習，養成主動性學習的良好習慣。

（作者單位：北京市市政管理學校）endprint

（4）齒圈固定，行星架為主動件（輸入），太陽輪為從動件（輸出），如圖d）所示。此時，n2=0，根據試驗課可得結論：轉向相同，增速，可以作為前進超速擋。

（5）行星架固定，太陽輪為主動件（輸入），齒圈為從動件（輸出），如圖e）所示。此時，n3=0，根據試驗可得結論：轉向旋轉方向相反，可以作為倒擋。

（6）行星架固定，齒圈為主動件（輸入），太陽輪為從動件（輸出），此種傳動旋轉方向相反且增速，在汽車上無法使用。

（7）太陽輪、齒圈和行星架三個元件中的任何二個元件連為一體轉動，則另一個元件的轉速與前二者等速同向轉動。即行星齒輪機構中所有元件（包含行星輪）之間均無相對運動，傳動比i=1。這種傳動方式用于變速器的直接擋傳動。

（8）如果太陽輪、齒圈和行星架三個元件沒有任何約束，則各元件的運動是不確定的，此時為空擋。

以上8種情況，教師可以先分析其中幾種，其余幾種由學生自己分析，然后教師再進行講解，效果會更好。

4.采用多媒體課件教學，激發學生學習興趣

教師要把傳統的以教師為中心、以課堂為中心、以書本為中心的教育方式轉變為以學生學習為中心、以強化個體實踐為中心、以信息交流為中心，變被動教育為主動教育、變應試教育為素質教育、變知識教育為智能教育。

四、行星齒輪變速原理教學過程

在對行星齒輪變速原理進行教學時，教師必須遵循緊密聯系學生實際、由淺入深、由易到難、理論和實踐相結合、理論和多媒體教學相結合、師生互動、教學和生產相結合的原則進行教學組織。如果教師不聯系學生實際，沒有科學的、合理的教學程序，將很難達到教學目的。行星齒輪變速原理教學的過程可以分為以下七個階段。

一是實物感性認識階段。在進行課堂教學之前，教師先讓學生認識實物，可以分小組，拆開自動變速器，認識簡要結構。這一階段的教學目的僅僅是感性認識，不要求很細、很深入的講解，學生只對自動變速器有一個整體認識，了解基本結構和裝配關系。

二是行星輪系識別階段。這一過程可以放在課堂教學中進行。教師將行星輪系在學生面前展示和讓學生觀察，讓學生認識行星輪系的組成、名稱等。在教學過程中，教師要讓學生仔細觀察，要求每位學生都清楚行星輪系的基本知識。

三是行星輪系實物與簡圖的轉化繪制階段。行星輪系實物與簡圖的繪制轉化是一個重要環節，它對于學生將來使用資料、研究行星輪系變速原理、分析變速器的工作、維修變速器都具有重要作用。行星輪系實物與簡圖的轉化如圖3所示。

圖3 行星輪系實物與簡圖的轉化

1-太陽輪 2-齒圈 3-行星架 4-行星輪

在教學中，教師要講清楚行星輪系零件的位置關系和簡化原則，使學生能讀懂并繪制簡圖。簡圖可以使用計算機繪制，也可以在黑板上進行繪制。教師在繪制簡圖時，要求學生一起繪制。在學生掌握繪制簡圖方法的基礎上，我們還要把相關學習內容的簡圖做一些介紹，以便讓學生掌握更多的識圖能力。

四是單排行星輪系的變速原理分析推導過程階段（如前所述）。

五是辛普森式行星齒輪變速原理分析階段。辛普森式行星齒輪自動變速器中的行星齒輪變速器一般是采用2～3排行星齒輪機構傳動，其各擋傳動比就是根據上述單排行星齒輪機構傳動的特點進行合理組合得到的。在這部分內容的教學中，我們要根據中等職業技術教育的特點，充分體現“必需、夠用”的原則。筆者認為，如果過多地從理論推導上去講授，一是學生學習興趣不高，二是學生學習起來難度很大。在課堂教學中，教師要根據學生的接受程度進行取舍。首先要教會學生分析如圖3所示的簡圖，然后會讀辛普森式三速行星齒輪變速器的工作規律表（表），重點要結合辛普森式三速行星齒輪變速器的工作規律表（表），并將各元件與擋位之間的關系搞清楚。其次只要結合圖3掌握各個擋位的動力傳遞原理就可以了。如表1，我們結合圖3，讓學生掌握各個擋位離合器、制動器、單向離合器的工作情況，并能夠分析圖3中各個擋位的動力傳遞路線。

表 辛普森式三速行星齒輪變速器的工作規律

選擋桿 擋位 離合器 制動器 單向離合器

C1 C2 B2 B3 F1

D 1擋 ○ ○

2擋 ○ ○

3擋 ○ ○

R 倒擋 ○ ○

S L 或2 1 1擋 ○ ○

2擋 ○ ○

注：○——接合、制動或鎖止。

六是知識的拓展階段。行星輪系、液壓控制系統和電控系統之間的關系和其他行星輪系變速及擋位的方法屬于知識拓展內容。我們在處理這些內容的過程中，要多采用掛圖、資料進行教學。要引導學生利用資料、實物進行學習，尤其要學會自學，開闊視野。

七是實踐動手能力訓練階段。在完成課堂理論課程教學后，教師安排實踐動手能力訓練，將學生分成小組進行自動變速器的拆裝和分析。在這個教學過程中，教師要讓每個學生都有動手的機會，并且要安排學習任務，要激發學生進行自主學習，養成主動性學習的良好習慣。

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（4）齒圈固定，行星架為主動件（輸入），太陽輪為從動件（輸出），如圖d）所示。此時，n2=0，根據試驗課可得結論：轉向相同，增速，可以作為前進超速擋。

（5）行星架固定，太陽輪為主動件（輸入），齒圈為從動件（輸出），如圖e）所示。此時，n3=0，根據試驗可得結論：轉向旋轉方向相反，可以作為倒擋。

（6）行星架固定，齒圈為主動件（輸入），太陽輪為從動件（輸出），此種傳動旋轉方向相反且增速，在汽車上無法使用。

（7）太陽輪、齒圈和行星架三個元件中的任何二個元件連為一體轉動，則另一個元件的轉速與前二者等速同向轉動。即行星齒輪機構中所有元件（包含行星輪）之間均無相對運動，傳動比i=1。這種傳動方式用于變速器的直接擋傳動。

（8）如果太陽輪、齒圈和行星架三個元件沒有任何約束，則各元件的運動是不確定的，此時為空擋。

以上8種情況，教師可以先分析其中幾種，其余幾種由學生自己分析，然后教師再進行講解，效果會更好。

4.采用多媒體課件教學，激發學生學習興趣

教師要把傳統的以教師為中心、以課堂為中心、以書本為中心的教育方式轉變為以學生學習為中心、以強化個體實踐為中心、以信息交流為中心，變被動教育為主動教育、變應試教育為素質教育、變知識教育為智能教育。

四、行星齒輪變速原理教學過程

在對行星齒輪變速原理進行教學時，教師必須遵循緊密聯系學生實際、由淺入深、由易到難、理論和實踐相結合、理論和多媒體教學相結合、師生互動、教學和生產相結合的原則進行教學組織。如果教師不聯系學生實際，沒有科學的、合理的教學程序，將很難達到教學目的。行星齒輪變速原理教學的過程可以分為以下七個階段。

一是實物感性認識階段。在進行課堂教學之前，教師先讓學生認識實物，可以分小組，拆開自動變速器，認識簡要結構。這一階段的教學目的僅僅是感性認識，不要求很細、很深入的講解，學生只對自動變速器有一個整體認識，了解基本結構和裝配關系。

二是行星輪系識別階段。這一過程可以放在課堂教學中進行。教師將行星輪系在學生面前展示和讓學生觀察，讓學生認識行星輪系的組成、名稱等。在教學過程中，教師要讓學生仔細觀察，要求每位學生都清楚行星輪系的基本知識。

三是行星輪系實物與簡圖的轉化繪制階段。行星輪系實物與簡圖的繪制轉化是一個重要環節，它對于學生將來使用資料、研究行星輪系變速原理、分析變速器的工作、維修變速器都具有重要作用。行星輪系實物與簡圖的轉化如圖3所示。

圖3 行星輪系實物與簡圖的轉化

1-太陽輪 2-齒圈 3-行星架 4-行星輪

在教學中，教師要講清楚行星輪系零件的位置關系和簡化原則，使學生能讀懂并繪制簡圖。簡圖可以使用計算機繪制，也可以在黑板上進行繪制。教師在繪制簡圖時，要求學生一起繪制。在學生掌握繪制簡圖方法的基礎上，我們還要把相關學習內容的簡圖做一些介紹，以便讓學生掌握更多的識圖能力。

四是單排行星輪系的變速原理分析推導過程階段（如前所述）。

五是辛普森式行星齒輪變速原理分析階段。辛普森式行星齒輪自動變速器中的行星齒輪變速器一般是采用2～3排行星齒輪機構傳動，其各擋傳動比就是根據上述單排行星齒輪機構傳動的特點進行合理組合得到的。在這部分內容的教學中，我們要根據中等職業技術教育的特點，充分體現“必需、夠用”的原則。筆者認為，如果過多地從理論推導上去講授，一是學生學習興趣不高，二是學生學習起來難度很大。在課堂教學中，教師要根據學生的接受程度進行取舍。首先要教會學生分析如圖3所示的簡圖，然后會讀辛普森式三速行星齒輪變速器的工作規律表（表），重點要結合辛普森式三速行星齒輪變速器的工作規律表（表），并將各元件與擋位之間的關系搞清楚。其次只要結合圖3掌握各個擋位的動力傳遞原理就可以了。如表1，我們結合圖3，讓學生掌握各個擋位離合器、制動器、單向離合器的工作情況，并能夠分析圖3中各個擋位的動力傳遞路線。

表 辛普森式三速行星齒輪變速器的工作規律

選擋桿 擋位 離合器 制動器 單向離合器

C1 C2 B2 B3 F1

D 1擋 ○ ○

2擋 ○ ○

3擋 ○ ○

R 倒擋 ○ ○

S L 或2 1 1擋 ○ ○

2擋 ○ ○

注：○——接合、制動或鎖止。

六是知識的拓展階段。行星輪系、液壓控制系統和電控系統之間的關系和其他行星輪系變速及擋位的方法屬于知識拓展內容。我們在處理這些內容的過程中，要多采用掛圖、資料進行教學。要引導學生利用資料、實物進行學習，尤其要學會自學，開闊視野。

七是實踐動手能力訓練階段。在完成課堂理論課程教學后，教師安排實踐動手能力訓練，將學生分成小組進行自動變速器的拆裝和分析。在這個教學過程中，教師要讓每個學生都有動手的機會，并且要安排學習任務，要激發學生進行自主學習，養成主動性學習的良好習慣。

（作者單位：北京市市政管理學校）endprint