虚拟实验系统在汽车机械工程实践教学中的应用

臧　杰，李　荣，赵雨旸，杨　兆，王瑛璞

(黑龙江工程学院 汽车与交通工程学院，黑龙江 哈尔滨 150050)



虚拟实验系统在汽车机械工程实践教学中的应用

臧杰，李荣，赵雨旸，杨兆，王瑛璞

(黑龙江工程学院 汽车与交通工程学院，黑龙江 哈尔滨 150050)

摘要：针对目前汽车机械工程实践教学中存在的问题，构建了基于UG的虚拟实验系统。教学过程中以变速器为例，利用该系统可以完成变速器结构组成认识、零部件测绘、虚拟拆装及运动仿真等实验。在此基础上，学生还可利用该虚拟系统中的零部件进行创新性实验。实践证明，实物教学结合该虚拟实验系统应用于汽车机械工程基础实践教学中，通过层次递进的实验设计、考核方式及实验结果提交的改革，可较好地培养学生团队合作精神及独立完成实验的能力，并有利于学生工程实践能力及创新能力的提高。

关键词：虚拟实验,汽车机械工程基础，实践教学

实践教学是高等教育中必不可少的教学环节。《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010～2020年)》中指出通过提高实践教学水平、加强实践教学任务、丰富创新仿真实训资源等可有效提高学生的自主学习、自主管理、自主服务和创新意识。

汽车机械工程基础是汽车类专业的一门主干基础课程，主要针对汽车零部件材料、汽车零件加工基础、汽车常用机构、汽车常用机械传动、汽车轴系零部件、极限配合与测量技术基础等进行了综合，为后续对汽车理论、汽车设计、汽车构造等深入学习奠定基础。该课程具有很强的工程性和实践性特点，因此培养学生的汽车基础知识、动手实践及创新能力是该课程的目标。众所周知，实验、实训对于提高学生的创新实践能力有着至关重要的作用，因此，加强汽车机械工程基础课程实验的建设，进行实验教学的改革非常重要。

汽车机械工程基础课程实验内容较多，涉及到材料机理及机械性能实验、汽车零部件加工实验、零部件拆装工艺实验以及零部件精度检测实验等。但由于近些年高校学生扩招造成实验场地紧张、实验设备短缺且由于课程整合学时少等因素的影响，目前开设的相关实验、实践课数量较少，占课时总数的1/7，不利于培养学生的动手实践能力及创新能力。因此，开发深度融入学科教学的虚拟仿真实训实验系统是解决上述问题的必然趋势。

1虚拟实验系统

虚拟实验是以真实实验为依据，以现代教育发展为导向，以计算机仿真技术为基础发展起来的一种新型实践教学方法。考虑到计算机已成为现代大学生必需品，将虚拟实验引入到汽车机械工程基础教学中，能有效地调动学生学习兴趣、提高学习效率、培养创新能力，同时也能切实有效地解决目前存在的场地小、设备少、资源短缺等问题。

该虚拟实验系统是建立在UG平台上的，以MFC为开发工具所建立的汽车基础实验虚拟系统[5-6]，由用户管理模块、虚拟工具库模块、虚拟零件库模块、虚拟实验操作模块、实验评定及管理模块组成，其中虚拟实验操作模块主要针对不同课程进行设置，基于该系统可以进行车辆及交通运输专业的认识实习、底盘拆装实训、汽车设计、汽车构造等实验，文章将重点介绍基于该系统的汽车机械设计虚拟实验，系统具体功能如图1所示。

图1　系统功能结构

2汽车机械工程基础虚拟实验的应用

汽车机械工程基础对于培养学生的基本技能和工程设计能力至关重要，但通过毕业设计反馈的信息说明，学生普遍存在机械制图规范性差、图纸上常缺少尺寸、形位、配合公差标注或错误标注零件制造精度、加工方法等，装配图中的连接关系、配合关系等都含糊不清。主要原因是学生在学习这些枯燥的理论同时，缺乏相应的实践训练，造成对所学相关知识不扎实、印象不深刻。为此对汽车机械工程中的实践环节进行了调整，重点培养学生汽车零部件设计结构合理、精度设计易于制造、部件中机构间相互运动正确、配合关系合理，满足功能要求，从而使得所设计汽车部件易于拆装、方便维修等，满足企业对车辆工程专业学生的基本要求。

本课程开设于大学第2学期，考虑到学生对专业知识了解有限，因此选用由组成零部件常见且种类较全(包含轴、齿轮、花键、键、轴承、箱体等)、结构相对简单的变速器为例，构建汽车机械工程基础虚拟实验系统。利用该系统可进行大量的模拟实验，因此本系统对汽车机械工程基础的教学和学生的能力培养都有非常重要的作用。

2.1变速器零部件认识实验

对于刚刚接触专业知识的大学一年级学生，其中极大一部分对汽车结构组成没有感性认识，通过该模块，学生可以了解汽车变速器的组成结构，功能原理、零部件之间的配合方式等。另外该模块还提供给学生变速器关键零部件的建模方法，学生可以自学进行练习，在认识零部件的过程中，也锻炼相应的机械制图能力。该实验开展以课堂引入为辅，学生利用课余时间自行完成为主进行。课上讲解变速器的工作原理、零部件的组成、零件之间的配合方式、连接关系等。课下学生抽取业余时间利用该虚拟实验系统，自行查看各零部件结构、三维模型信息、二维模型的公差标注等内容，根据实验要求并在线提交变速器认识实验报告。图2为变速器零部件认识实验模块，该模块包含常见几类变速器零部件的模型信息。

2.2变速器零部件计算机辅助测绘实验

在汽车零部件的设计及维修过程中，为降低成本、提高质量和效率，必须要考虑零件的通用性。而汽车机械工程基础是基于卓越计划对车辆工程专业进行课程整合的结果，其中互换性和测量是该课程的重要组成部分。针对本部分实践教学，我们开设了变速器零部件测绘实验。本实验主要目的是让学生熟练掌握常用测量工具的使用、提高零部件绘图技能、合理进行零部件精度标注等[7-8]。

首先学生分组分别对指定的轴类、齿轮类及箱体类零件进行实物测量，然后根据任务中给出的部件配合要求及零件尺寸、形状及位置精度等要求，利用UG软件建立其零件图、装配图，标注相应的零件尺寸公差、形位公差以及配合公差等。考虑到实物数量的有效性，对于同组同学，为避免部分学生偷懒、抄袭行为，结合实物，在变速器零部件库中指定同类虚拟零部件，学生可利用UG本身的测量模块，对虚拟零件进行测绘，图3就是为利用该模块对变速器壳体进行测量的实例。

图2　变速器零部件模型库

图3　变速器箱体测量及投影

通过测量各部分数据并记录，利用所测量数据按一定比列要求学生绘制新的三维模型。通过该实验的开展，学生可将虚拟零件同实物进行对比，利用UG的投影、剖面等功能，来查看不同角度、不同剖面的CAD图和实物之间的关系，锻炼学生的三维想象能力。该虚拟实验的开设，使得每个学生自主完成一套机构的测绘，培养学生理论联系实际的能力和自主学习能力，达到虚实结合的目的。

2.3变速器零部件拆装实验

装配工艺分析是“汽车机械工程基础”课程中的重要组成部分。在学习汽车零部件的材料选取、模型绘制、加工工艺等基础上，进一步学习汽车部件中各零件之间的配合关系及安装方法、顺序等[9-10]。

为提高该实验的效率，学生在实验前，自由安排时间到虚拟实验室观看拆装实验的视频，包括拆装工具的选取和使用，变速器各零部件结构、组成及拆装顺序等。实验课上，实验教师先现场演示加深学生印象，做到虚实结合。考虑到变速器种类及数量有限，学生数量较多，无法做到人人动手。因此，在分组实物拆装前，每个小组给定变速器类型后，先以变速器零部件库中的变速器三维模型为操作对象，进行虚拟拆装。

虚拟装配过程中，学生可直接将库中的零部件加载到虚拟装配环境中，利用UG的Assembly功能模块，添加装配约束进行虚拟装配[11]。实验过程中，还可利用虚拟工具来模拟实际拆装所用的工具。例如对于扳手类工具，其操作过程中要进行旋转，虚拟操作过程中也要对扳手零件进行旋转，以便察看是否有扳手的操作空间，以及模拟拧紧螺栓的过程中是否会同其他零部件发生冲突等。虚拟拆装过程中，学生对零部件的拆装顺序由系统自动记录，虚拟拆装完成后，通过提交该记录，系统自动判断利用该顺序拆装，是否存在静态干涉或运动干涉等问题，若存在，表明顺序不正确，给出警告，并提示哪里出错，根据提示学生自主去发现并解决问题。虚拟拆装实验可进行多次，形成多种拆装方案，且同一小组不同同学也可生成多种拆装方案。在进行实物拆装之前，小组成员可针对不同方案进行讨论、通过分析比较找出一个或几个较合理的拆装序列。通过虚拟拆装操作，完全掌握变速器拆装要领，小组成员结合虚拟拆装序列，进行实物拆装，在学习变速器虚拟拆装的同时，验证不同拆装序列在指导实际拆装中的区别，找出用时最少、使用工具最少、最省力等的序列。图4为变速器装配流程。

图4　变速器装配流程

图5为变速器装配实例，学生可先从变速器零件库中选择零件直接加入装配环境，并且在装配过程中需要根据实际情况选取工具库中相应的工具进行装配模拟，以查看实际装配中是否存在装配工具无法操作的问题。拆卸即同上述过程相反，通过变速器虚拟拆装实习，学生能够清晰直观地查看变速器组成、结构以及拆装过程中工具的选用，且该操作可无限次重复，多次练习后，再结合实物进行拆装，可有效缩短拆装时间，且避免实物操作不当的损坏，有效提高实践效率。

图5　变速器装配实例

2.4变速器机构运动仿真实验

在“静态”学习变速器的基础上，通过利用UG的Motion模块，来学习变速器各零部件之间的相对运动，以学习变速器的工作原理、各零部件在工作过程中的相对运动情况、是否由于设计或安装不合理而导致运动过程中存在干涉以及各零件工作过程中的速度及受力情况等[12-13]。

结合2.2中的零部件测绘实验，学生进行运动仿真实验。实验进行前，学生要先利用该实验模块的帮助模块，首先通过视频查看变速器工作过程中正确的运动形式，然后利用帮助模块自行学习UG运动仿真，结合自己建立的装配模型，正确确定运动部件，即创建连杆(UG运动仿真中所有运动的零件创建为连杆，包括正确定义该零件的材料、质量特性、初始速度等)。针对连接件，要正确设定运动副类型，运动副的正确创建与否直接决定着运动仿真成败，也直接反映变速器机械设计的合理与否。上述过程完成后，还需要正确定义驱动类型，针对变速器实际工作特点，一般在输入轴选定发动机额定转速作为恒定驱动，来查看各档位输出轴转速。图6为变速器运动仿真。

图6　变速器运动仿真

另外该实验模块还提供学生一些简单的运动机构模型，学生通过该模块的学习，利用这些模型进行简单的运动仿真来查看机构在运动仿真构成中是否存在运动干涉等问题，从而来验证机械设计课中的一些典型机构设计，真正做到理论联系实际，知识的前后衔接。

2.5创新实验

虚拟实验室的建立，不仅给学生提供了更加丰富的实践资源，而且进行创新实验过程中，不会由于实验设计不当而造成零部件损坏等经济损失，虚拟零部件可同时无限使用，也不会造成实验过程中由于原材料不足而使得学生无法连续完成创新想法，打消其创新的积极性[14-15]。总之，虚拟实验室的建立及开放，给学生创造了宽松的创新学习氛围，为培养学生的创新及实践能力奠定了坚实的基础。

为激发学生自主参与创新实验，课程考核中规定，创新实验作为附加实验，占成绩的10%。在完成上述必修实验的基础上，学生可结合自身的特点、兴趣及课余时间，结合工程实际，利用该系统进行创新性实验。例如学生可利用零部件库中的各种轴、齿轮、连杆、滑块、轴承等常用零件发挥自己的想像力、结合机械设计原理搭建机构，运用所学装配、运动仿真等模块，来验证自己的想法。

3实验报告提交及成绩考核

课程考核不仅能反映学生对所学知识的掌握程度，而且能有效提高学生学习的积极性，是整个课程必不可缺的环节。课程评价标准从原来理论课成绩占60%，实验40%，改为各占50%，在上第一次课便向学生公布课程的考核方式，从而引导学生重视实验。且对于实验部分，创新实验占总实验成绩的20%。原来实验成绩所占课程比例较少，且仅仅通过实验报告和出勤两方面来考核，而实验报告有统一的格式和评分标准，调研发现，学生在完成实验报告的过程中存在严重的抄袭现象，因此这种评价方式很难考查到学生对实验内容的掌握程度，而对于学生的创新能力更是无从评价。

图7　虚拟实训系统

虚拟实验系统的用户分为3类：学生、实验教师及管理员。学生通过注册登陆该虚拟实验系统后，根据实验教师的教学安排，进行实验操作。针对《汽车机械工程基础》课程教学大纲和教学目的，该课程实验采用层次递进法。即学生没有完成上级实验，无权操作下级实验(例如：若没参加零部件测绘实验，便无法进行虚拟拆装及运动仿真实验，如图7所示，只有上级实验完成，下个实验才有权参与，否则该实验不可操作)，通过这种方法确保所有涉及学生都积极参加所有实验。由于虚拟实验系统，不受实物短缺等影响，实验教师可针对每个实验，给每个学生分配不同参数，这样可有效避免抄袭现象。学生在实验操作完成后，可直接下载实验报告，填写实验报告后直接在线提交，或将操作的实验结果进行提交。实验教师登陆系统后，可直接下载或打开学生的实验报告进行评阅，并将评阅成绩提交系统。该系统的实现除能提高教师的工作效率，还能实现无纸化的考试功能，对于学生的实验过程及报告都保存于系统数据库中，因此能更加有效且完善保存教学资料，也有利于后续教学评估专家的考察。教师可以根据专业、班级或单个学生进行实验批阅，以零部件测绘实验为例，教师可以下载实验报告、三维模型及CAD图纸，针对存在的问题形成问题文档，在提交成绩时一并提交(该文档可以没有)，实验报告批阅流程及操作界面如图8、9所示。

图8　成绩批阅流程

图9　教师批阅实验报告

4结束语

在“汽车机械工程基础”实践教学环节中，通过引入虚拟实验系统，有效解决了目前存在的实验设备不足及型号受限、实验场地紧缺及学生不能根据自己时间合理安排实验等问题。通过层次递进的实验设置以及创新实验的开展，在培养学生动手能力的过程中，还有效提高学生的创新能力。随着网

络的普及，后续将开发虚拟实验系统植入网络课程平台，便可进一步加强汽车机械工程基础实验课的教学效果。

参考文献

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[责任编辑：路晓鸽]

Application of virtual training system to the automobile mechanical engineering experimental teaching

ZANG Jie，LI Rong，ZHAO Yuyang，YANG Zhao，WANG Yingpu

(College of Automobile and Traffic Engineering,Heilongjiang Institute of Technology,Harbin 150001,China)

Abstract：According to the problem in the experimental teaching of the automobile mechanical engineering,the virtual training system based on UG,is developed.Transmission is used as example in the experimental teaching.All of the experiments can be finished based on the virtual training system,such as constructor of the transmission,virtual measuring of the components,assembly and disassembly and simulation of motion.And students can finish the innovational experiment based on the virtual system.During the experimental teaching,object teaching is combined with virtual teaching,of which all the experiments are designed stage-progressively,and assessment methods and the form of the experimental results are reformed.So the result proves that the spirit of teamwork and the independent ability are improved and the students’ability of engineering practice and innovation are trained.

Key words：virtual experiment; automobile mechanical engineering; experimental teaching

DOI:10.19352/j.cnki.issn1671-4679.2016.03.015

收稿日期：2015-10-30

基金项目：黑龙江省高等教育教学改革项目(JG2013010475),黑龙江省规划办重点课题(GBB1212047)

作者简介：臧杰(1963-)，女，教授，研究方向：汽车节能与排放控制.

中图分类号：G640

文献标识码：A

文章编号：1671-4679(2016)03-0057-06