虛擬現實技術在奔馳M274發動機氣缸蓋拆裝中的應用

北京汽車技師學院 楊遠滿，梁海鴿，鄭華磊

隨著信息技術的發展，虛擬現實（Virtual Reality，簡稱VR）技術因其具有多感知性、沉浸感、交互性、想象性等特性而被廣泛應用于科研、軍事、航天、醫學、教育、工程技術、影視娛樂等眾多領域。

在教育領域，虛擬現實技術具有廣泛的作用和影響力。基于虛擬現實技術所帶來的嶄新的教育模式，我們的教育理念和教育方法也在隨之變革，授課內容通過大量詳實、生動、直觀的虛擬情節來表現，寓教于樂。本文以虛擬現實技術在奔馳M274發動機氣缸蓋拆裝中的應用為例，以期拓展虛擬現實技術在職業教育中的應用思路。

1 虛擬現實技術的概念及在汽車實訓教學中的應用

虛擬現實技術是在計算機硬件發展的基礎上，結合了計算機軟件資源和傳感器技術等形成的計算機仿真系統，具有仿真能力強、多傳感交互性等特點。虛擬現實技術可以生成一個具有逼真的視覺、聽覺、觸覺及嗅覺等的虛擬現實環境。人們可以通過在虛擬現實環境中的交互體驗，獲得與真實環境中相類似的體驗結果。

將虛擬現實技術應用在汽車實訓教學中，能將學習內容可視化、立體化、體驗化，可以讓學生體驗到目前的平面視頻所無法感受到的教學過程，適用于汽車發動機拆裝，變速器拆裝等汽車實訓內容。

在技工類院校或中高職院校中，發動機拆裝實訓是汽車維修專業或汽車制造與裝配專業等汽車類相關專業的必修課。發動機拆裝實訓使用的多是汽油發動機，具有零件多，結構復雜等特點。為了保證汽油發動機的正常工作，在零件的拆卸和安裝過程中有很多需要注意的特殊要求。例如，在拆卸氣缸蓋的過程中，拆卸氣缸蓋固定螺栓就需要按照規定的順序，由兩邊到中間，交叉著分2次～3次拆卸，以保證拆卸過程中發生的形變在允許范圍內；氣缸蓋的固定螺栓在裝配時也需要按規定順序，由中間到兩邊，交叉著分2次～3次裝配，以保證裝配過程中發生的形變在允許范圍內。在汽油發動機拆裝實訓前，教師會跟學生詳細講解拆裝順序和拆裝注意事項，并提供拆裝任務工單，讓學生嚴格按要求拆裝，但在實際拆裝過程中仍會出現學生不按正確順序拆裝而損壞工具或螺栓的情況。采用虛擬現實技術根據氣缸蓋拆裝過程建立一個虛擬的拆裝系統可以有效幫助學生掌握氣缸蓋拆裝的重點和難點。學生可以通過該系統反復學習和演練拆裝過程，熟悉拆裝步驟后再對真實的發動機等設備進行拆裝。

將虛擬現實技術應用到教學領域，是對教學模式的一種改革，不僅可以提升教學質量，還可以提高學生的學習積極性，降低事故隱患。

2 虛擬現實技術在奔馳M274發動機氣缸蓋拆裝中的應用

我們以奔馳M274發動機氣缸蓋拆裝為例，闡述在發動機拆裝實訓中引入VR技術的特點和優勢。

2.1 VR技術下奔馳M274發動機氣缸蓋拆卸

2.1.1 虛擬環境下奔馳M274發動機氣缸蓋拆卸說明

學生帶上VR眼鏡，手持VR手柄，點擊奔馳M274發動機拆裝軟件后進入發動機拆裝虛擬環境。該虛擬環境的設計采用了我院實訓車間的布局和奔馳4S店的環境因素，使學生在虛擬操作的過程中熟悉實訓環境和未來的工作環境。

在虛擬環境下，待拆裝的發動機旁有一塊提示板（圖1），提示板上有拆裝步驟和使用工具提示，可以幫助初學者學習怎樣正確選擇和使用工具（圖2）。根據提示板的提示可知，拆裝奔馳M274發動機氣缸蓋固定螺栓需要用到扭力扳手、加長桿、E14號套筒、大轉中套筒等工具。由于氣缸蓋結構復雜（裝有進排氣氣門座、氣門導管孔、火花塞安裝孔等），要承受很大的熱負荷和機械負荷，對平面度的要求很高，為保證拆卸過程中發生的形變在允許范圍內，在拆卸氣缸蓋固定螺栓時需要按特定順序進行（按標識從兩邊到中間以對角線順序拆卸氣缸蓋上的10顆固定螺栓）。2.1.2 虛擬環境下奔馳M274發動機氣缸蓋拆卸步驟

圖1 虛擬環境中的提示板

（1）在工具箱中選擇合適的工具后，操作手柄靠近氣缸蓋上橙黃色的固定螺栓，則可以旋出該螺栓（圖3、圖4），按下手柄兩側的按鈕可以取出螺栓，操作手柄移動到發動機旁邊的桌面旁，再次按下手柄兩側的按鈕，將螺栓放置在桌面上。按軟件設定的順序依次旋出氣缸蓋上的10顆固定螺栓，然后再旋出缸蓋旁的2顆固定螺栓，并將旋出的螺栓整齊擺放在發動機旁的桌面上。

圖3 可旋出的橙黃色螺栓

圖4 將手柄靠近橙色螺栓并按下手柄按鍵取下螺栓

（2）拆卸完氣缸蓋固定螺栓后，將手柄靠近氣缸蓋，氣缸蓋整體呈橙黃色（圖5），同時按下手柄兩側的按鈕，可取下氣缸蓋（圖6）。轉動手柄觀察氣缸蓋各個面的結構（圖7、圖8），包括進排氣門，火花塞孔等，然后將氣缸蓋擺放到桌面的適當位置。

圖5 氣缸蓋變成橙黃色

圖6 操作手柄抓取氣缸蓋

圖7 氣缸蓋水平面

圖8 氣缸蓋側面

（3）為防止旋出的螺栓丟失，應按照提示將旋出的螺栓全部裝回原位。桌面上拆下的12顆螺栓中有一顆顏色會變藍（圖9），同時在氣缸蓋上有一個栓孔會變藍，用手柄靠近變藍的螺栓，然后按下手柄兩側的按鈕拾起螺栓，并將螺栓對準氣缸蓋上藍色的栓孔，輕輕甩動手柄，螺栓就會被安裝到栓孔內（圖10）。運用同樣的方法，依次裝回12顆螺栓，以免裝錯。

圖9 需按順序裝回的螺栓變成藍色

圖10 甩動手柄將螺栓裝回

（4）將手柄靠近氣缸墊，氣缸墊會呈橙黃色（圖11），同時按下手柄兩側的按鈕，取下氣缸墊（圖12）。轉動手柄觀察氣缸墊正反面的結構，然后將其擺放到桌面的適當位置。

（5）至此，氣缸蓋拆卸完成（圖13）。

圖11 手柄靠近氣缸墊時氣缸墊變橙黃色

圖12 取下氣缸墊

圖13 氣缸蓋拆卸完成

2.2 VR技術下奔馳M274發動機氣缸蓋的裝配

2.2.1 虛擬環境下奔馳M274發動機氣缸蓋裝配說明

在虛擬環境下，待拆裝的發動機旁有一塊提示板，提示學生已進入氣缸蓋裝配情境。此時安裝氣缸墊的位置呈現出藍色的氣缸墊輪廓（圖14），提示學生安裝氣缸墊。同樣的，提示板上也會出現怎樣正確安裝氣缸蓋的提示（圖15），怎樣對氣缸蓋上的固定螺栓施加扭力，扭力標準是什么，以及安裝氣缸蓋所用到的工具等提示信息。

圖14 氣缸墊安裝位置

2.2.2 虛擬環境下奔馳M274發動機氣缸蓋安裝步驟

（1）將手柄靠近桌面上的氣缸墊，當氣缸墊變成橙黃色時，按下手柄按鈕拿起氣缸墊，將氣缸墊正面朝上對準缸體上的氣缸墊輪廓，輕輕甩動手柄，缸墊即被安裝到正確位置。

圖15 氣缸蓋安裝位置提示

（2）將手柄靠近桌面上的氣缸蓋，當氣缸蓋變成橙黃色時，按下手柄兩側按鈕拿起氣缸蓋。將氣缸蓋的正面朝上對準缸體上的氣缸蓋輪廓，輕輕甩動手柄，將氣缸蓋裝回原位。

（3）按提示板的提示，使用扭力扳手、加長桿、E14號套筒、大轉中套筒，按從中間到兩邊的順序交叉給氣缸蓋固定螺栓施加扭力。

（4）氣缸蓋安裝完成。

3 總結

虛擬現實技術在發動機相關部件拆裝教學中的應用，給學生帶來了全新的體驗感，激發了學生的好奇心和求知欲，激發學生自主學習能力，有效提高學生的學習興趣和學習效率；能夠幫助學生把理論知識與實際操作結合在一起，提升學生的實踐動手能力，有效提升實訓教學質量。

在VR環境下進行氣缸蓋的拆裝，拆裝環境中有發動機，有拆裝工具，有工作平臺，有提示板，氣缸蓋上固定螺栓的正確拆裝順序是預先設定好的，學生只能按照提示步驟進行拆裝，如果打亂順序，操作將無法繼續進行，這樣就會強化學生記憶，使學生在潛移默化中掌握正確的操作規程。學生能夠針對自己的薄弱環節進行訓練，真正體現了學生的主體地位，從而提高學習質量。學生通過VR實訓后，掌握了正確的拆裝方法和拆裝注意事項，再進行發動機氣缸蓋實體拆裝時，會顯著減少因沒有掌握拆裝要領而導致實訓設備損壞情況，提高學習效率和實訓設備的使用效率。此外，軟件資源具有可復制性，可重復使用，還可完善升級，相對于購置昂貴的奔馳發動機，教學成本大幅降低。因此，將虛擬現實技術與職業教育相結合具有劃時代的意義。