2015/10/27 16:07:18 面向汽车工程师的汽车发动机拆装虚拟教学设计

汽车发动机拆装是汽车与交通工程学院非常重要的实习。

发动机构造涉及机械设计、工程力学、电工电子学等基础知识的综合学习和利用。

发动机拆装实习重视探究性学习和协作性学习等现代教育理念的应用,在教学方法上以大力提倡“以学生为本,重在学生参与”,突出实践教学鲜明特色,采用层层递进的理论教学、实验教学、拆装与调试专项技能实习的多元连环教学模式,达到知识教育与综合能力培养的结合

一、开展发动机虚拟教学系统必要性

目前,发动机拆装实习还基本停留在传统教学方法上,实验实训的教学过程中存在如下问题。

由于实验设备昂贵,操作不当容易损耗,学生在拆装过程中不能严格按照规定完成实验实训。

发动机零件丢失或损坏,有些发动机设备已经不完整,课程教学中学到的知识不能在试验中得到印证,在很大程度上影响了学习效果。

随着近年来高校扩招,实验设备相对匮乏。目前,发动机拆装实习为每 7~8 个人共用一台,拆装教学时部分学生动手,部分学生参观,甚至大部分学生参观,个别学生拆装。

另外,同时参加实习学生太多,给教师现场指导带来极大不便。发动机系统比较复杂,种类很多,按照运动方式、所用燃料、冷却方式等分类可达几百种。

随着发动机技术不断更新,种类也在不断增加,而学校能提供的发动机品种有限,限制了学生了解多种机型。

教学静态死板,无法提高学生积极性。

目前,无论是发动机理论学习,还是实践拆装,学生接触的都是静态的发动机,而在实验现场仅仅是了解发动机的组成部件以及其外观,对于具体每个部件的运动功能无法了解。

随着虚拟现实(VR)技术、网络通讯技术的迅速发展,虚拟现实教育呈现出强大优势,利用 VR 技术可以有效地解决实验条件与实验效果之间的矛盾。在教学中,许多昂贵的实验、培训器材,由于受价格的限制而无法普及。

如果利用 VR 技术,在多媒体计算机上建立虚拟实验室,学生可以身临其境般地操作虚拟仪器,操作结果可以通过仪表反馈给学生,用以判断操作是否正确。

虚拟实验教学的重要研究意义在于既不消耗器材,也不受场地等外界条件限制,可重复操作,直至得出满意结果。

设计一个虚拟系统,使学生进入可视化操作界面进行模拟训练。进入实物操作前使用该系统进行模拟,缩短实际训练时间,能保证学生有充足的实验时间,达到教学要求且获得更好的教学效果。

另外,由于汽车发动机抽象难懂,学生即使拆装实物,也仅限于对发动机的静态认识。

采用先进的虚拟现实技术,建立了发动机各系统、总成、部件、零件的三维模型,制作发动机各系统、总成、部件的拆装动画和功能动画,学生对发动机有了感性认识。

通过动画,学生可以更容易理解发动机各部分的工作过程及原理。

为了提高学生工程实践能力,本文利用 VC++ 开发平台,数据库技术,基于 UG 建立了汽车发动机虚拟拆装实训教学系统。

二、发动机虚拟拆装平台构建

车辆工程专业的主干课程有汽车构造、内燃机原理、汽车制造工艺学、汽车机械工程基础等,这些课程共有 10 多个实验是有关汽车发动机的。

为满足实验的顺利开展,“汽车发动机虚拟拆装实训系统”集成了汽车发动机虚拟装配及拆卸试验模块、零部件测绘试验模块、发动机整机及零部件运动仿真实验模块等。

(一)发动机组成认识实验

该模块为满足车辆工程及相关专业低年级学生接触专业知识,可全面、详细展示有关发动机的基础知识。

该模块主要以动画或录像为主,包括详细介绍发动机工作原理以及各组成部件功能,可以根据需要回放讲授过程,或者点击查看感兴趣的部件。这样就避免了认识实习学生数量大,而教师少,大部分学生走马观花,达不到预期效果的问题,同时加强了学生学习的自主性和积极性。

(二)发动机虚拟拆装实训

在应用该模块前,如果是初次接触,学生可先观看拆卸录像,进行初步学习,避免盲目操作。该模块包括发动机虚拟装配和虚拟拆卸两部分。以虚拟拆卸为例,系统提供了拆装所用工具,以及人体手臂模块。即在选择好待拆卸零件后,用户选择相应拆卸工具(如扳手、套筒、虎钳等),工具加载后系统自动辩别工具选择是否合理(如,扳手开口是否小于螺母等),并在拆卸过程中进行干涉检查,拆卸该零件前是否有其它零件需先拆除等。

考虑发动机拆卸方法很多,系统提供了较优的拆装路线,学生动手拆装后,可点击“自动拆装”,观看拆装路线并给出拆装顺序明细。

(三)零部件测绘实训

零部件测绘是低年级车辆工程专业学生非常重要的实训。通过该实训,在加强学生掌握发动机主要零部件构造的基础上,熟悉 CAD 相关软件应用。学生根据任务可从系统中选取要测绘零件的三维模型,利用 UG 本身提供的测量工具对零部件进行测量,根据记录的测量数据,重绘零件图纸。

另外,系统提供了零部件设计手册,学生同时可以学习机械零件基本设计知识,如材料选取、校核计算等。该模块的提供避免了测绘实训过程中由于实物数量限制而造成的学生抄袭问题。

(四)运动仿真模拟实验

该模块是通过仿真动画来模拟汽车发动机工作过程的真实效果,如曲柄连杆机构的工作过程,配气机构进气门的升降等。通过运动仿真模拟实验,学生可以根据需要设定运动速度,设置从不同角度观查发动机及各部件运动过程。

(五)创新与设计

学生有较强的创新能力和动手能力,利于学习。

针对这一培养目标,在发动机实训教学中除了满足以往传统教学要求外,增加了学生自主创新实验模块。

即通过该模块学生可以将自行设计的发动机零部件增加到软件系统中,然后对零部件做运动仿真,或者将某些零部件进行改进后,和已有发动机零部件进行配合、运动仿真,验证设计是否合理。

三、软件界面设计及运行该系统采用 UG 软件建立的发动机零部件的三维模型,利用 SQL Sever2000 作为后台数据库进行存储和管理发动机零部件以及相应的运动仿真、模拟动画等文件,以 VC++ 为开发工具,MFC 进行界面设计,操作方便,界面美观。

汽车发动机虚拟拆卸实训主要包括 5 大实验系统:发动机组成认识,发动机虚拟拆装,发动机零部件测,发动机运动仿真模拟以及学生自主创新与设计。该系统基本实现发动机虚拟实验的目的。以虚拟拆装模块为例,在使用虚拟拆装模块时,可以通过鼠标或键盘的方位键来操作零件及装配工具,非常直观,且具有较高的人机交互性。

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