虚拟现实技术在奔驰M274发动机气缸盖拆装中的应用

北京汽车技师学院 杨远满，梁海鸽，郑华磊

随着信息技术的发展，虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）技术因其具有多感知性、沉浸感、交互性、想象性等特性而被广泛应用于科研、军事、航天、医学、教育、工程技术、影视娱乐等众多领域。

在教育领域，虚拟现实技术具有广泛的作用和影响力。基于虚拟现实技术所带来的崭新的教育模式，我们的教育理念和教育方法也在随之变革，授课内容通过大量详实、生动、直观的虚拟情节来表现，寓教于乐。本文以虚拟现实技术在奔驰M274发动机气缸盖拆装中的应用为例，以期拓展虚拟现实技术在职业教育中的应用思路。

1 虚拟现实技术的概念及在汽车实训教学中的应用

虚拟现实技术是在计算机硬件发展的基础上，结合了计算机软件资源和传感器技术等形成的计算机仿真系统，具有仿真能力强、多传感交互性等特点。虚拟现实技术可以生成一个具有逼真的视觉、听觉、触觉及嗅觉等的虚拟现实环境。人们可以通过在虚拟现实环境中的交互体验，获得与真实环境中相类似的体验结果。

将虚拟现实技术应用在汽车实训教学中，能将学习内容可视化、立体化、体验化，可以让学生体验到目前的平面视频所无法感受到的教学过程，适用于汽车发动机拆装，变速器拆装等汽车实训内容。

在技工类院校或中高职院校中，发动机拆装实训是汽车维修专业或汽车制造与装配专业等汽车类相关专业的必修课。发动机拆装实训使用的多是汽油发动机，具有零件多，结构复杂等特点。为了保证汽油发动机的正常工作，在零件的拆卸和安装过程中有很多需要注意的特殊要求。例如，在拆卸气缸盖的过程中，拆卸气缸盖固定螺栓就需要按照规定的顺序，由两边到中间，交叉着分2次～3次拆卸，以保证拆卸过程中发生的形变在允许范围内；气缸盖的固定螺栓在装配时也需要按规定顺序，由中间到两边，交叉着分2次～3次装配，以保证装配过程中发生的形变在允许范围内。在汽油发动机拆装实训前，教师会跟学生详细讲解拆装顺序和拆装注意事项，并提供拆装任务工单，让学生严格按要求拆装，但在实际拆装过程中仍会出现学生不按正确顺序拆装而损坏工具或螺栓的情况。采用虚拟现实技术根据气缸盖拆装过程建立一个虚拟的拆装系统可以有效帮助学生掌握气缸盖拆装的重点和难点。学生可以通过该系统反复学习和演练拆装过程，熟悉拆装步骤后再对真实的发动机等设备进行拆装。

将虚拟现实技术应用到教学领域，是对教学模式的一种改革，不仅可以提升教学质量，还可以提高学生的学习积极性，降低事故隐患。

2 虚拟现实技术在奔驰M274发动机气缸盖拆装中的应用

我们以奔驰M274发动机气缸盖拆装为例，阐述在发动机拆装实训中引入VR技术的特点和优势。

2.1 VR技术下奔驰M274发动机气缸盖拆卸

2.1.1 虚拟环境下奔驰M274发动机气缸盖拆卸说明

学生带上VR眼镜，手持VR手柄，点击奔驰M274发动机拆装软件后进入发动机拆装虚拟环境。该虚拟环境的设计采用了我院实训车间的布局和奔驰4S店的环境因素，使学生在虚拟操作的过程中熟悉实训环境和未来的工作环境。

在虚拟环境下，待拆装的发动机旁有一块提示板（图1），提示板上有拆装步骤和使用工具提示，可以帮助初学者学习怎样正确选择和使用工具（图2）。根据提示板的提示可知，拆装奔驰M274发动机气缸盖固定螺栓需要用到扭力扳手、加长杆、E14号套筒、大转中套筒等工具。由于气缸盖结构复杂（装有进排气气门座、气门导管孔、火花塞安装孔等），要承受很大的热负荷和机械负荷，对平面度的要求很高，为保证拆卸过程中发生的形变在允许范围内，在拆卸气缸盖固定螺栓时需要按特定顺序进行（按标识从两边到中间以对角线顺序拆卸气缸盖上的10颗固定螺栓）。2.1.2 虚拟环境下奔驰M274发动机气缸盖拆卸步骤

图1 虚拟环境中的提示板

（1）在工具箱中选择合适的工具后，操作手柄靠近气缸盖上橙黄色的固定螺栓，则可以旋出该螺栓（图3、图4），按下手柄两侧的按钮可以取出螺栓，操作手柄移动到发动机旁边的桌面旁，再次按下手柄两侧的按钮，将螺栓放置在桌面上。按软件设定的顺序依次旋出气缸盖上的10颗固定螺栓，然后再旋出缸盖旁的2颗固定螺栓，并将旋出的螺栓整齐摆放在发动机旁的桌面上。

图3 可旋出的橙黄色螺栓

图4 将手柄靠近橙色螺栓并按下手柄按键取下螺栓

（2）拆卸完气缸盖固定螺栓后，将手柄靠近气缸盖，气缸盖整体呈橙黄色（图5），同时按下手柄两侧的按钮，可取下气缸盖（图6）。转动手柄观察气缸盖各个面的结构（图7、图8），包括进排气门，火花塞孔等，然后将气缸盖摆放到桌面的适当位置。

图5 气缸盖变成橙黄色

图6 操作手柄抓取气缸盖

图7 气缸盖水平面

图8 气缸盖侧面

（3）为防止旋出的螺栓丢失，应按照提示将旋出的螺栓全部装回原位。桌面上拆下的12颗螺栓中有一颗颜色会变蓝（图9），同时在气缸盖上有一个栓孔会变蓝，用手柄靠近变蓝的螺栓，然后按下手柄两侧的按钮拾起螺栓，并将螺栓对准气缸盖上蓝色的栓孔，轻轻甩动手柄，螺栓就会被安装到栓孔内（图10）。运用同样的方法，依次装回12颗螺栓，以免装错。

图9 需按顺序装回的螺栓变成蓝色

图10 甩动手柄将螺栓装回

（4）将手柄靠近气缸垫，气缸垫会呈橙黄色（图11），同时按下手柄两侧的按钮，取下气缸垫（图12）。转动手柄观察气缸垫正反面的结构，然后将其摆放到桌面的适当位置。

（5）至此，气缸盖拆卸完成（图13）。

图11 手柄靠近气缸垫时气缸垫变橙黄色

图12 取下气缸垫

图13 气缸盖拆卸完成

2.2 VR技术下奔驰M274发动机气缸盖的装配

2.2.1 虚拟环境下奔驰M274发动机气缸盖装配说明

在虚拟环境下，待拆装的发动机旁有一块提示板，提示学生已进入气缸盖装配情境。此时安装气缸垫的位置呈现出蓝色的气缸垫轮廓（图14），提示学生安装气缸垫。同样的，提示板上也会出现怎样正确安装气缸盖的提示（图15），怎样对气缸盖上的固定螺栓施加扭力，扭力标准是什么，以及安装气缸盖所用到的工具等提示信息。

图14 气缸垫安装位置

2.2.2 虚拟环境下奔驰M274发动机气缸盖安装步骤

（1）将手柄靠近桌面上的气缸垫，当气缸垫变成橙黄色时，按下手柄按钮拿起气缸垫，将气缸垫正面朝上对准缸体上的气缸垫轮廓，轻轻甩动手柄，缸垫即被安装到正确位置。

图15 气缸盖安装位置提示

（2）将手柄靠近桌面上的气缸盖，当气缸盖变成橙黄色时，按下手柄两侧按钮拿起气缸盖。将气缸盖的正面朝上对准缸体上的气缸盖轮廓，轻轻甩动手柄，将气缸盖装回原位。

（3）按提示板的提示，使用扭力扳手、加长杆、E14号套筒、大转中套筒，按从中间到两边的顺序交叉给气缸盖固定螺栓施加扭力。

（4）气缸盖安装完成。

3 总结

虚拟现实技术在发动机相关部件拆装教学中的应用，给学生带来了全新的体验感，激发了学生的好奇心和求知欲，激发学生自主学习能力，有效提高学生的学习兴趣和学习效率；能够帮助学生把理论知识与实际操作结合在一起，提升学生的实践动手能力，有效提升实训教学质量。

在VR环境下进行气缸盖的拆装，拆装环境中有发动机，有拆装工具，有工作平台，有提示板，气缸盖上固定螺栓的正确拆装顺序是预先设定好的，学生只能按照提示步骤进行拆装，如果打乱顺序，操作将无法继续进行，这样就会强化学生记忆，使学生在潜移默化中掌握正确的操作规程。学生能够针对自己的薄弱环节进行训练，真正体现了学生的主体地位，从而提高学习质量。学生通过VR实训后，掌握了正确的拆装方法和拆装注意事项，再进行发动机气缸盖实体拆装时，会显著减少因没有掌握拆装要领而导致实训设备损坏情况，提高学习效率和实训设备的使用效率。此外，软件资源具有可复制性，可重复使用，还可完善升级，相对于购置昂贵的奔驰发动机，教学成本大幅降低。因此，将虚拟现实技术与职业教育相结合具有划时代的意义。