飛機液壓助力器教學難點分析

申洋 嵇寧

摘?要：在教學中學生的學習能力是影響教學質量的重要因素，空間想象力是學習能力的重要組成部分，對飛機附件類課程學習效果影響很大。飛機液壓助力器是飛機系統中一個重要的附件，屬于機械機構類的教學內容，學生學習時困難很多。本文通過分析，得出學生學習助力器時理解力差的原因，主要為空間思維能力偏弱，并提出解決的對策。為提高此類課程的教學效果指出了一個探索的方向。

關鍵詞：空間想象力；助力器；空間思維力；配油柱塞；對策

一、概述

飛機附件類課程屬于機械機構類的課程，是應用型本科院校的專業課程。飛機附件多是機械機構類部件，結構與原理比較復雜。因此在學習時要有一定的空間想象能力。汪玉祥［1］認為“空間想象力”是人對頭腦中已有的表象進行加工、組合、重現，創造出一個整體形象的空間想象和思維的能力。王武順［2］認為空間思維能力和空間想象能力是融形象思維與抽象思維于一體的思維形式，可以運用軸側圖練習，提高空間想象力。李昕［3］認為想象就是把自己感觸到的形象和自己頭腦中的記憶儲存聯系起來，經過加工和改組，從而產生一個新形象的心理過程。楊建華［4］認為空間想象力與立體思維敏捷相關，比較法可以用來培養空間思維能力。本文主要分析在學生的空間想象能力已基本成形的情況下，如何改進教學方法，解決學生想象力偏弱、理解力偏差的問題，使得學生能夠掌握課程中的難點和要點。以飛機液壓助力器在教學中的難點為例，分析學生的理解能力，研究解決問題的方法。

二、問題

飛機操縱系統中的液壓助力器，是現代飛機操縱系統所必備的部件，是一種液壓伺服部件。其功用是對飛行員或舵機的操縱傳動的力進行放大，并且保證傳動動作的一致性，使飛行員能夠輕松地操縱飛機舵面偏轉，控制飛行姿態。助力器結構原理復雜，學生學習時會遇到如下幾個方面的問題。

（一）不理解助力器結構

助力器工作原理圖如圖1所示，是用二維工程圖畫的。學生對于圖中各零件結構不理解，想象不出其空間形狀。（1）不明白配油柱塞結構。配油柱塞是一個回轉件，表面有環形槽，中間有孔，是分配油路的關鍵零件。（2）不明白小搖臂裝配結構。小搖臂是一個連桿，有三處鉸鏈連接，傳遞傳動桿的輸入運動。在與傳動桿的連接處中間有軸銷，與殼體不連接，且移動時銷軸被殼體孔限位，移動范圍為標注有2s的間隙。（3）忽略殼體與傳動活塞為一體的零件結構。傳動活塞由前后二腔的油液驅動，推動活塞運動。傳動活塞與殼體是連成一體的，殼體上連接有小搖臂，裝有配油柱塞。傳動活塞移動，殼體也一起移動，驅動小搖臂和配油柱塞也做相應運動，這是助力器能夠進行反饋控制的重要結構。

（二）不理解助力器的工作過程

助力器的工作過程包括助力過程、持續過程和停桿過程。學生不理解的有以下幾個方面。一是對于傳動動作的輸入和輸出關系不理解。助力器核心作用是助力，同時要能夠準確及時地傳遞操縱動作。學生對桿輸入是運動，增力是液壓作用，輸出又是傳動活塞運動的關系難以理解。二是對油路中油液作用、流向搞不清，對活塞受油液作用而運動原理理解不深。三是對油路開閉過程不理解。對配油柱塞與殼體配合控制的封閉油口、打開油口動作，控制助力器傳動活塞的移動方向理解不了。

（三）不理解助力器的伺服工作機理

助力器是一個液壓伺服元件，其輸出對輸入有抑制的負反饋信號。這個原理在停桿工作過程中體現得最明顯，當停桿動作執行時，傳動活塞移動，通過殼體移動帶動小搖臂移動，使得配油柱塞相對殼體移動，減小打開的來油口和回油口，使得流入傳動活塞工作腔的液壓流量減小，從而減小傳動活塞輸出的移動直至停止。學生對于停桿過程理解得很差。

綜上所述，學生在學習助力器時，從結構認知，到工作過程，再到核心原理都出現了理解上的問題，造成了學習上的困難。

三、原因

通過分析，學生在學習中出現這類問題主要是學生的形象思維能力不夠，想象力偏弱，對于零件結構和助力器工作原理不能建立起形象的空間模型，不能想象零件和油液的運動，以致理解能力不夠。

（一）空間物體形狀思維能力弱

空間物體形狀思維能力表現在對于由平面二維圖形的線條到空間三維點線面的幾何體的建立能力。

1.空間單個物體的重構能力弱

將二維幾何圖形轉成三維空間結構時，頭腦中想象不出立體結構。助力器原理圖是用剖視圖表示結構的，圖中用不同的剖面線展示不同的零件。學生對于空間物體的重構能力弱，從線條中分不清零件的輪廓結構，構建不起空間的幾何形狀。比如配油柱塞、外筒是回轉體零件。有的學生將其看作是上下二個零件，想象不出是一個零件。

2.空間多物體之間的組合能力弱

將幾個物體聯系組合在一起，能夠想象出物體的空間關系，是對空間物體的組合能力，或者說是理解零件的裝配關系能力。這方面的能力弱，很難理解零件與零件之間的裝配關系，將兩個零件配合結構關系想象出來。例如小搖臂這個零件，學生能夠理解a點、b點的鉸接關系，小搖臂可以繞該點轉動，但是不能理解c點的結構。在c點處有限動作用。但是圖中未表示出來，只在書中用語言敘述的。對于c點的理解就需要綜合想象能力，想象出c點鉸鏈的銷軸被孔限制間隙的情形。如圖2所示，動桿與銷軸、小搖臂鉸接結構，銷軸與殼體沒有配合關系，只是在殼體的孔中移動。移動的距離可以看到有2個s大小的間隙控制，限制移動。要能夠想象到這種結構，是需要有一定的空間物體的組合能力的。

（二）空間物體運動思維能力弱

空間物體運動的思維能力，即物體在空間進行移動、轉動等機械位移的動作想象力。這方面能力弱，對于一些機械零件的移動不能夠很好地理解，對于助力器工作過程就理解差了。

助力器是一個隨動的液壓機構，即輸出隨輸入運動而運動。如圖1所示，如果傳動桿（輸入）向前（圖中為左向）移動，傳動活塞（輸出）動作就向前（左向）移動，反正亦然。而且，是傳動桿移動快則傳動活塞移動就快。傳動桿持續移動，傳動活塞就持續移動。傳動桿停止，傳動活塞就停止。如果涉及的運動要素比較多，再加上油液要素的流動，比如傳動桿——小搖臂、小搖臂——配油柱塞、傳動活塞與殼體等5個要素的運動，過程就想象不出來了。

（三）空間流體運動思維能力弱

空間流體運動思維能力，主要是指對于流動的液體，其運動狀態的理解能力。助力器的助力作用就是通過高壓油液，作用在傳動活塞上，施以液壓作用力，進行助力的。助力器中的配油柱塞主要功用是控制油路的開閉，通過配油柱塞外圓面上的環形槽與來油孔和回油孔配合，實現關閉和打開油路的作用。配油柱塞可以移動，通過移動控制油口開閉，油液流動到傳動活塞前后腔，或從前后腔流出，壓力差驅動傳動活塞移動。如圖3所示，圖a是堵住油路的，圖b是打開油路的。不少學生看不出油路打開和堵住的關系，反映對流體運動的空間想象力偏弱。

（四）空間綜合思維能力弱

空間綜合思維能力，指能夠將機械零件運動與流體運動綜合作用的理解能力，助力器的停桿工作過程，就是一個很好的綜合作用的過程。當傳動桿輸入停止，輸出傳動活塞此刻不停，傳動活塞+殼體依然運動，驅使小搖臂轉動，帶動配油柱塞移動，堵住油路，傳動活塞輸出停止。這里既有機械零件運動，又有油液流動，還有配油柱塞控制，是一個綜合的作用過程。這里的運動和油液的要素多，達到了7個之多，學生掌握不了，反映了空間綜合思維能力弱。

四、對策

要解決以上問題，就要研究多種辦法，去改變學生理解力差的情況。學生的空間想象能力是有差異的，有的學生強，有的學生弱。要想短期改變學生的空間思維能力，可能有困難。這就要想辦法，以現有的學生空間想象力，幫助學生理解助力器，解決理解能力差的問題。

（一）解決空間物體思維能力弱的方法

（1）分解零件。要解決空間物體思維能力弱，就要減少學生想象的空間物體數量，將助力器分解，分解成幾個零件圖。如圖4所示，分解出來配油柱塞、小搖臂和傳動活塞—殼體等零件。在圖4a中指出配油柱塞的環形槽、配合表面、中間孔等關鍵結構；在圖4b中指出小搖臂與哪里的結構連接。在圖4c中指出殼體—傳動活塞的油路、配合表面、連接孔等結構。這樣單獨的零件結構表面少、線條少，學生容易想象出空間結構，增強了學生對零件結構的理解能力。

（2）局部放大。對于不好理解的裝配結構，可以采用放大圖和局部剖視圖等方法，如圖2所示對于小搖臂的關鍵結構進行剖視展示。對于另一些結構，如配油柱塞與殼體油路配合的油口部位，可以采用局部放大加油路流向指示的方法，強調此處的關鍵之處，便于學生理解。如圖3所示，圖a中，配油柱塞位于中立位置，油路堵住，來油和回油與前后腔油路不通。圖b中，配油柱塞右移，油路打開，來油和后腔連通，油路箭頭表示來油流到后腔去。回油與前腔油路溝通，油路箭頭表示前腔油液流到回油油路中。

（3）增加零件配合關系的概念。學生空間物體組合能力弱，對于配油柱塞與殼體孔配合關系理解差。應該根據孔軸配合關系方面，即強化孔軸的間隙配合、過渡配合和過盈配合的概念，增加學生的理解能力。

（二）解決空間物體運動和流體運動思維能力弱的方法

（1）對于運動與力的關系，用“四兩撥千斤”的俗語解釋，加強液壓力的作用解釋，通過示例講解，促進液壓作用力與活塞運動關系的理解。

（2）制作動畫，強化對運動過程的理解。制作從中立狀態，到助力工作過程，以及停桿過程等各個工作過程的動畫，使學生對零件運動和油液流體運動有形象的認識，有動的概念。在動畫中，用不同的顏色代表油液的流動。各種零件的動作，也能夠展示清楚。這樣就彌補物體和流體運動想象力弱的短板，是很好的辦法。

（3）通過傳動系統簡圖，理解傳動桿與傳動活塞的運動關系，進而理解隨動的概念。

（三）解決空間綜合思維能力弱的方法

對于助力器的空間綜合思維，就是要將零件運動與油液流動多種運動結合起來。可以提取出其動作的參數，采用框圖的辦法，使學生能夠理解伺服的概念。如圖5所示，傳動桿輸出到傳動活塞帶動殼體運動，反饋給小搖臂，使其對配油柱塞的輸入就會減少，直至停止運動。通過框圖展示的伺服控制原理中的反饋機理，就能夠比較好理解停桿的工作過程。

結語

飛機附件類教學，經常會遇到復雜的附件，需要講解復雜的工作原理。學生在學習這些原理時經常會遇到困難。這些困難的原因是多方面的，其中一方面原因就是學生形象思維能力偏弱，對于復雜的結構和工作原理，缺乏空間物體形狀和運動的想象思維能力。

我們通過深刻分析原因，找出解決問題的方法。對于空間想象思維能力弱，可以通過分解、局部放大、強化配合、制作動畫、繪制簡圖框圖和補強短板知識等方法，幫助學生想象各種復雜的工作原理，解決學生理解力差的問題。

學生在學習專業課程中，由于自身能力的差異，會存在各種各樣的問題。面對問題要積極地認真分析，找出原因補齊短板，才能夠切實提高教學效果，使學生有效地掌握所學內容，提高教學質量。

參考文獻：

［1］汪玉祥，王會林.化工制圖空間想象力的培養方法［J］.化學工程與裝備，2016（12）：299300.

［2］王武順.培養空間想象力的一種有效手段［J］.職教通訊，1998（4）：3133.

［3］李昕.談制圖教學中空間想象力的培養［J］.中國校外教育（理論），2007（03）：26.

［4］楊建華，張玉杰.“機械制圖”教學中空間想象力的培養［J］.煙臺職業學院學報，2021，16（01）：6668.

基金項目：西安航空學院校級課題資助項目，編號：2019KY1226；西安航空學院高等教育教學改革研究項目

作者簡介：申洋（1993—?），男，漢族，江蘇丹陽人，碩士，助理實驗員，研究方向：力學。