飛機(jī)液壓助力器教學(xué)難點(diǎn)分析

申洋 嵇寧

摘?要：在教學(xué)中學(xué)生的學(xué)習(xí)能力是影響教學(xué)質(zhì)量的重要因素，空間想象力是學(xué)習(xí)能力的重要組成部分，對(duì)飛機(jī)附件類課程學(xué)習(xí)效果影響很大。飛機(jī)液壓助力器是飛機(jī)系統(tǒng)中一個(gè)重要的附件，屬于機(jī)械機(jī)構(gòu)類的教學(xué)內(nèi)容，學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)困難很多。本文通過分析，得出學(xué)生學(xué)習(xí)助力器時(shí)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(duì)策。為提高此類課程的教學(xué)效果指出了一個(gè)探索的方向。

關(guān)鍵詞：空間想象力；助力器；空間思維力；配油柱塞；對(duì)策

一、概述

飛機(jī)附件類課程屬于機(jī)械機(jī)構(gòu)類的課程，是應(yīng)用型本科院校的專業(yè)課程。飛機(jī)附件多是機(jī)械機(jī)構(gòu)類部件，結(jié)構(gòu)與原理比較復(fù)雜。因此在學(xué)習(xí)時(shí)要有一定的空間想象能力。汪玉祥［1］認(rèn)為“空間想象力”是人對(duì)頭腦中已有的表象進(jìn)行加工、組合、重現(xiàn)，創(chuàng)造出一個(gè)整體形象的空間想象和思維的能力。王武順［2］認(rèn)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(yùn)用軸側(cè)圖練習(xí)，提高空間想象力。李昕［3］認(rèn)為想象就是把自己感觸到的形象和自己頭腦中的記憶儲(chǔ)存聯(lián)系起來，經(jīng)過加工和改組，從而產(chǎn)生一個(gè)新形象的心理過程。楊建華［4］認(rèn)為空間想象力與立體思維敏捷相關(guān)，比較法可以用來培養(yǎng)空間思維能力。本文主要分析在學(xué)生的空間想象能力已基本成形的情況下，如何改進(jìn)教學(xué)方法，解決學(xué)生想象力偏弱、理解力偏差的問題，使得學(xué)生能夠掌握課程中的難點(diǎn)和要點(diǎn)。以飛機(jī)液壓助力器在教學(xué)中的難點(diǎn)為例，分析學(xué)生的理解能力，研究解決問題的方法。

二、問題

飛機(jī)操縱系統(tǒng)中的液壓助力器，是現(xiàn)代飛機(jī)操縱系統(tǒng)所必備的部件，是一種液壓伺服部件。其功用是對(duì)飛行員或舵機(jī)的操縱傳動(dòng)的力進(jìn)行放大，并且保證傳動(dòng)動(dòng)作的一致性，使飛行員能夠輕松地操縱飛機(jī)舵面偏轉(zhuǎn)，控制飛行姿態(tài)。助力器結(jié)構(gòu)原理復(fù)雜，學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)會(huì)遇到如下幾個(gè)方面的問題。

（一）不理解助力器結(jié)構(gòu)

助力器工作原理圖如圖1所示，是用二維工程圖畫的。學(xué)生對(duì)于圖中各零件結(jié)構(gòu)不理解，想象不出其空間形狀。（1）不明白配油柱塞結(jié)構(gòu)。配油柱塞是一個(gè)回轉(zhuǎn)件，表面有環(huán)形槽，中間有孔，是分配油路的關(guān)鍵零件。（2）不明白小搖臂裝配結(jié)構(gòu)。小搖臂是一個(gè)連桿，有三處鉸鏈連接，傳遞傳動(dòng)桿的輸入運(yùn)動(dòng)。在與傳動(dòng)桿的連接處中間有軸銷，與殼體不連接，且移動(dòng)時(shí)銷軸被殼體孔限位，移動(dòng)范圍為標(biāo)注有2s的間隙。（3）忽略殼體與傳動(dòng)活塞為一體的零件結(jié)構(gòu)。傳動(dòng)活塞由前后二腔的油液驅(qū)動(dòng)，推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)。傳動(dòng)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(dòng)活塞移動(dòng)，殼體也一起移動(dòng)，驅(qū)動(dòng)小搖臂和配油柱塞也做相應(yīng)運(yùn)動(dòng)，這是助力器能夠進(jìn)行反饋控制的重要結(jié)構(gòu)。

（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(xù)過程和停桿過程。學(xué)生不理解的有以下幾個(gè)方面。一是對(duì)于傳動(dòng)動(dòng)作的輸入和輸出關(guān)系不理解。助力器核心作用是助力，同時(shí)要能夠準(zhǔn)確及時(shí)地傳遞操縱動(dòng)作。學(xué)生對(duì)桿輸入是運(yùn)動(dòng)，增力是液壓作用，輸出又是傳動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)的關(guān)系難以理解。二是對(duì)油路中油液作用、流向搞不清，對(duì)活塞受油液作用而運(yùn)動(dòng)原理理解不深。三是對(duì)油路開閉過程不理解。對(duì)配油柱塞與殼體配合控制的封閉油口、打開油口動(dòng)作，控制助力器傳動(dòng)活塞的移動(dòng)方向理解不了。

（三）不理解助力器的伺服工作機(jī)理

助力器是一個(gè)液壓伺服元件，其輸出對(duì)輸入有抑制的負(fù)反饋信號(hào)。這個(gè)原理在停桿工作過程中體現(xiàn)得最明顯，當(dāng)停桿動(dòng)作執(zhí)行時(shí)，傳動(dòng)活塞移動(dòng)，通過殼體移動(dòng)帶動(dòng)小搖臂移動(dòng)，使得配油柱塞相對(duì)殼體移動(dòng)，減小打開的來油口和回油口，使得流入傳動(dòng)活塞工作腔的液壓流量減小，從而減小傳動(dòng)活塞輸出的移動(dòng)直至停止。學(xué)生對(duì)于停桿過程理解得很差。

綜上所述，學(xué)生在學(xué)習(xí)助力器時(shí)，從結(jié)構(gòu)認(rèn)知，到工作過程，再到核心原理都出現(xiàn)了理解上的問題，造成了學(xué)習(xí)上的困難。

三、原因

通過分析，學(xué)生在學(xué)習(xí)中出現(xiàn)這類問題主要是學(xué)生的形象思維能力不夠，想象力偏弱，對(duì)于零件結(jié)構(gòu)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(yùn)動(dòng)，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(xiàn)在對(duì)于由平面二維圖形的線條到空間三維點(diǎn)線面的幾何體的建立能力。

1.空間單個(gè)物體的重構(gòu)能力弱

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

2.空間多物體之間的組合能力弱

將幾個(gè)物體聯(lián)系組合在一起，能夠想象出物體的空間關(guān)系，是對(duì)空間物體的組合能力，或者說是理解零件的裝配關(guān)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(guān)系，將兩個(gè)零件配合結(jié)構(gòu)關(guān)系想象出來。例如小搖臂這個(gè)零件，學(xué)生能夠理解a點(diǎn)、b點(diǎn)的鉸接關(guān)系，小搖臂可以繞該點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，但是不能理解c點(diǎn)的結(jié)構(gòu)。在c點(diǎn)處有限動(dòng)作用。但是圖中未表示出來，只在書中用語言敘述的。對(duì)于c點(diǎn)的理解就需要綜合想象能力，想象出c點(diǎn)鉸鏈的銷軸被孔限制間隙的情形。如圖2所示，動(dòng)桿與銷軸、小搖臂鉸接結(jié)構(gòu)，銷軸與殼體沒有配合關(guān)系，只是在殼體的孔中移動(dòng)。移動(dòng)的距離可以看到有2個(gè)s大小的間隙控制，限制移動(dòng)。要能夠想象到這種結(jié)構(gòu)，是需要有一定的空間物體的組合能力的。

（二）空間物體運(yùn)動(dòng)思維能力弱

空間物體運(yùn)動(dòng)的思維能力，即物體在空間進(jìn)行移動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)等機(jī)械位移的動(dòng)作想象力。這方面能力弱，對(duì)于一些機(jī)械零件的移動(dòng)不能夠很好地理解，對(duì)于助力器工作過程就理解差了。

助力器是一個(gè)隨動(dòng)的液壓機(jī)構(gòu)，即輸出隨輸入運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)。如圖1所示，如果傳動(dòng)桿（輸入）向前（圖中為左向）移動(dòng)，傳動(dòng)活塞（輸出）動(dòng)作就向前（左向）移動(dòng)，反正亦然。而且，是傳動(dòng)桿移動(dòng)快則傳動(dòng)活塞移動(dòng)就快。傳動(dòng)桿持續(xù)移動(dòng)，傳動(dòng)活塞就持續(xù)移動(dòng)。傳動(dòng)桿停止，傳動(dòng)活塞就停止。如果涉及的運(yùn)動(dòng)要素比較多，再加上油液要素的流動(dòng)，比如傳動(dòng)桿——小搖臂、小搖臂——配油柱塞、傳動(dòng)活塞與殼體等5個(gè)要素的運(yùn)動(dòng)，過程就想象不出來了。

（三）空間流體運(yùn)動(dòng)思維能力弱

空間流體運(yùn)動(dòng)思維能力，主要是指對(duì)于流動(dòng)的液體，其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)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(dòng)活塞上，施以液壓作用力，進(jìn)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(huán)形槽與來油孔和回油孔配合，實(shí)現(xiàn)關(guān)閉和打開油路的作用。配油柱塞可以移動(dòng)，通過移動(dòng)控制油口開閉，油液流動(dòng)到傳動(dòng)活塞前后腔，或從前后腔流出，壓力差驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)活塞移動(dòng)。如圖3所示，圖a是堵住油路的，圖b是打開油路的。不少學(xué)生看不出油路打開和堵住的關(guān)系，反映對(duì)流體運(yùn)動(dòng)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?qū)C(jī)械零件運(yùn)動(dòng)與流體運(yùn)動(dòng)綜合作用的理解能力，助力器的停桿工作過程，就是一個(gè)很好的綜合作用的過程。當(dāng)傳動(dòng)桿輸入停止，輸出傳動(dòng)活塞此刻不停，傳動(dòng)活塞+殼體依然運(yùn)動(dòng)，驅(qū)使小搖臂轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)配油柱塞移動(dòng)，堵住油路，傳動(dòng)活塞輸出停止。這里既有機(jī)械零件運(yùn)動(dòng)，又有油液流動(dòng)，還有配油柱塞控制，是一個(gè)綜合的作用過程。這里的運(yùn)動(dòng)和油液的要素多，達(dá)到了7個(gè)之多，學(xué)生掌握不了，反映了空間綜合思維能力弱。

四、對(duì)策

要解決以上問題，就要研究多種辦法，去改變學(xué)生理解力差的情況。學(xué)生的空間想象能力是有差異的，有的學(xué)生強(qiáng)，有的學(xué)生弱。要想短期改變學(xué)生的空間思維能力，可能有困難。這就要想辦法，以現(xiàn)有的學(xué)生空間想象力，幫助學(xué)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(xué)生想象的空間物體數(shù)量，將助力器分解，分解成幾個(gè)零件圖。如圖4所示，分解出來配油柱塞、小搖臂和傳動(dòng)活塞—?dú)んw等零件。在圖4a中指出配油柱塞的環(huán)形槽、配合表面、中間孔等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)；在圖4b中指出小搖臂與哪里的結(jié)構(gòu)連接。在圖4c中指出殼體—傳動(dòng)活塞的油路、配合表面、連接孔等結(jié)構(gòu)。這樣單獨(dú)的零件結(jié)構(gòu)表面少、線條少，學(xué)生容易想象出空間結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了學(xué)生對(duì)零件結(jié)構(gòu)的理解能力。

（2）局部放大。對(duì)于不好理解的裝配結(jié)構(gòu)，可以采用放大圖和局部剖視圖等方法，如圖2所示對(duì)于小搖臂的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行剖視展示。對(duì)于另一些結(jié)構(gòu)，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(qiáng)調(diào)此處的關(guān)鍵之處，便于學(xué)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?；赜团c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(guān)系的概念。學(xué)生空間物體組合能力弱，對(duì)于配油柱塞與殼體孔配合關(guān)系理解差。應(yīng)該根據(jù)孔軸配合關(guān)系方面，即強(qiáng)化孔軸的間隙配合、過渡配合和過盈配合的概念，增加學(xué)生的理解能力。

（二）解決空間物體運(yùn)動(dòng)和流體運(yùn)動(dòng)思維能力弱的方法

（1）對(duì)于運(yùn)動(dòng)與力的關(guān)系，用“四兩撥千斤”的俗語解釋，加強(qiáng)液壓力的作用解釋，通過示例講解，促進(jìn)液壓作用力與活塞運(yùn)動(dòng)關(guān)系的理解。

（2）制作動(dòng)畫，強(qiáng)化對(duì)運(yùn)動(dòng)過程的理解。制作從中立狀態(tài)，到助力工作過程，以及停桿過程等各個(gè)工作過程的動(dòng)畫，使學(xué)生對(duì)零件運(yùn)動(dòng)和油液流體運(yùn)動(dòng)有形象的認(rèn)識(shí)，有動(dòng)的概念。在動(dòng)畫中，用不同的顏色代表油液的流動(dòng)。各種零件的動(dòng)作，也能夠展示清楚。這樣就彌補(bǔ)物體和流體運(yùn)動(dòng)想象力弱的短板，是很好的辦法。

（3）通過傳動(dòng)系統(tǒng)簡圖，理解傳動(dòng)桿與傳動(dòng)活塞的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，進(jìn)而理解隨動(dòng)的概念。

（三）解決空間綜合思維能力弱的方法

對(duì)于助力器的空間綜合思維，就是要將零件運(yùn)動(dòng)與油液流動(dòng)多種運(yùn)動(dòng)結(jié)合起來?？梢蕴崛〕銎鋭?dòng)作的參數(shù)，采用框圖的辦法，使學(xué)生能夠理解伺服的概念。如圖5所示，傳動(dòng)桿輸出到傳動(dòng)活塞帶動(dòng)殼體運(yùn)動(dòng)，反饋給小搖臂，使其對(duì)配油柱塞的輸入就會(huì)減少，直至停止運(yùn)動(dòng)。通過框圖展示的伺服控制原理中的反饋機(jī)理，就能夠比較好理解停桿的工作過程。

結(jié)語

飛機(jī)附件類教學(xué)，經(jīng)常會(huì)遇到復(fù)雜的附件，需要講解復(fù)雜的工作原理。學(xué)生在學(xué)習(xí)這些原理時(shí)經(jīng)常會(huì)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(xué)生形象思維能力偏弱，對(duì)于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和工作原理，缺乏空間物體形狀和運(yùn)動(dòng)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(duì)于空間想象思維能力弱，可以通過分解、局部放大、強(qiáng)化配合、制作動(dòng)畫、繪制簡圖框圖和補(bǔ)強(qiáng)短板知識(shí)等方法，幫助學(xué)生想象各種復(fù)雜的工作原理，解決學(xué)生理解力差的問題。

學(xué)生在學(xué)習(xí)專業(yè)課程中，由于自身能力的差異，會(huì)存在各種各樣的問題。面對(duì)問題要積極地認(rèn)真分析，找出原因補(bǔ)齊短板，才能夠切實(shí)提高教學(xué)效果，使學(xué)生有效地掌握所學(xué)內(nèi)容，提高教學(xué)質(zhì)量。

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基金項(xiàng)目：西安航空學(xué)院校級(jí)課題資助項(xiàng)目，編號(hào)：2019KY1226；西安航空學(xué)院高等教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目

作者簡介：申洋（1993—?），男，漢族，江蘇丹陽人，碩士，助理實(shí)驗(yàn)員，研究方向：力學(xué)。