基于UE4的變速箱虛擬仿真實驗設(shè)計

摘 要：文章針對汽車手動變速箱對場地空間及設(shè)備數(shù)需求較高，同時變速箱結(jié)構(gòu)沉重復(fù)雜，在實際操作中不易展示，利用Unreal Engine 4軟件搭建一個集零部件介紹與訓(xùn)練的變速箱虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)。該虛擬仿真教學(xué)可激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，使實驗教學(xué)更加安全可靠，環(huán)節(jié)更為可控，知識點展示更為清晰。

關(guān)鍵詞：UE4 變速器 虛擬仿真實驗

1 緒論

車輛工程專業(yè)知識體系中，汽車構(gòu)造是一門關(guān)于汽車的構(gòu)成與功能、工作原理與技術(shù)性能、整車匹配與品牌車型的專業(yè)課程，是奠定專業(yè)基礎(chǔ)的核心課程[1]。該課程強調(diào)理論與實踐的緊密結(jié)合，以幫助學(xué)生深入了解汽車結(jié)構(gòu)，強化實操能力[2]。近年來，新能源汽車智能化和網(wǎng)聯(lián)化給汽車產(chǎn)業(yè)帶來了新的增長點。汽車產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展和技術(shù)升級給汽車專業(yè)人才培養(yǎng)，尤其是高素質(zhì)人才的培養(yǎng)帶來前所未有的挑戰(zhàn)[3-4]。因此，隨著科技的飛速發(fā)展，計算機技術(shù)、仿真技術(shù)以及通信技術(shù)日益成熟，其在車輛實驗教學(xué)中發(fā)揮著愈加顯著的作用。

Unreal Engine 4作為一款成熟的3D引擎，以強大的畫面渲染和方便的藍(lán)圖編程通過眾多項目考驗，征服了市場。它通過創(chuàng)建虛擬實驗環(huán)境，使學(xué)生能夠在沒有實際實驗設(shè)備的情況下進(jìn)行實驗操作和數(shù)據(jù)收集。虛擬仿真實驗具有時間和空間的靈活性，能夠提供安全、經(jīng)濟和可重復(fù)的實驗環(huán)境，因此在教育領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[5]。

2 實驗教學(xué)內(nèi)容設(shè)計

本系統(tǒng)是手動變速器相關(guān)課程的交互式虛擬仿真實驗平臺，實驗教師在正常教學(xué)展示任務(wù)中，可用此軟件配合教學(xué)，也可在教學(xué)任務(wù)完成后引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，實現(xiàn)不同層面的教學(xué)及實踐訓(xùn)練。實驗針對變速箱總成，涉及變速器構(gòu)造及工作原理，變速器拆裝順序，掌握三軸式手動變速器的構(gòu)成、工作原理及動力傳遞過程。

2.1 變速器認(rèn)知及工作原理

變速器由第一軸，第二軸，倒擋軸，變速器殼等部件共同組成。同三維展示圖對應(yīng)仿真環(huán)境下的零件分布，在此基礎(chǔ)上認(rèn)知各零部件主要結(jié)構(gòu)及功能。

變速器三維展示：包括變速箱殼體，換檔裝置，第一軸，第二軸，中間軸，倒擋軸等。展示相對位置關(guān)系。如圖１所示。

該教學(xué)內(nèi)容可以使學(xué)生清楚直觀地了解該變速器的構(gòu)成。當(dāng)學(xué)生將鼠標(biāo)移動到零件上時，該部位輪廓會高亮顯示，并且顯示零件名稱、作用。

2.2 變速器拆裝步驟說明

（1）拆下變速器后蓋。（2）上下殼體分離。（3）將第一軸和第二軸分開。（4）拆下三、四檔花鍵轂卡環(huán)，取下花鍵轂和三檔從動齒輪及同步器鎖環(huán)。（5）取出后端支撐軸承。（6）取下五檔從動輪卡環(huán)，后端軸承，取下五檔從動輪及同步器。（7）拆卸中間支撐軸承。（8）分別拆卸一擋從動齒輪，一、二檔同步器，二檔從動輪。

該教學(xué)內(nèi)容要求學(xué)生深度認(rèn)知變速器各部件知識點，能夠獨立按照順序完成變速器的仿真拆裝操作。

2.3 變速器理論知識考核

該部分教學(xué)內(nèi)容考查學(xué)生對變速器基礎(chǔ)知識掌握的程度，考卷一般以選擇題構(gòu)成，要求學(xué)生對變速器的作用及功能有全面的掌握。

2.4 實驗擴展性

本實驗為汽車底盤實訓(xùn)課中的一個實驗，而基于Unreal Engine引擎，創(chuàng)建一整個虛擬的汽車底盤實訓(xùn)環(huán)境，包括汽車底盤模型、實訓(xùn)場地等，按照教學(xué)大綱，設(shè)計不同的子實驗，例如汽車轉(zhuǎn)向器同拆裝、驅(qū)動橋拆裝、剎車系統(tǒng)的檢查等。

3 虛擬實驗平臺的實現(xiàn)

3.1 軟件平臺設(shè)計

根據(jù)變速器仿真實驗的架構(gòu)，系統(tǒng)分為賬號登陸模塊、主菜單、實驗?zāi)K、子實驗?zāi)K。主菜單為變速器整體拆解、去殼。分實驗內(nèi)容根據(jù)變速器第一軸、第二軸、中間軸分為各子模塊。

各實驗單獨成為關(guān)卡，關(guān)卡之間通過菜單切換及返回，根據(jù)之前的虛擬仿真實驗測試，在此單獨子實驗操作時增加重新拆解選項，學(xué)生通過控制臺操作出錯時可以選擇重新開始，通過藍(lán)圖編程實現(xiàn)設(shè)計功能。如圖：

3.2 教學(xué)內(nèi)容流程設(shè)計

經(jīng)實際教學(xué)班課程教學(xué)，根據(jù)學(xué)生反饋修改，本教學(xué)實驗一共分為四個步驟。首先依舊是傳統(tǒng)實物教學(xué)階段，虛擬仿真教學(xué)在學(xué)生直觀感知實際事物的基礎(chǔ)上進(jìn)行效果更好。當(dāng)實物展示結(jié)束后，教師使用虛擬仿真軟件，引導(dǎo)學(xué)生開始自主學(xué)習(xí)操作，教師演示軟件系統(tǒng)的登錄，以及虛擬拆裝過程，同時講解操作方法，注意事項。最后為學(xué)生練習(xí)，練習(xí)結(jié)束后，在仿真軟件里完成該課程考核。

教師演示階段，演示虛擬仿真系統(tǒng)流程為：登錄賬號進(jìn)入系統(tǒng)→手動變速器總裝配實驗→選定下一級實驗（如輸入軸拆裝）→輸入軸零件介紹→展示同步器、鎖環(huán)等零件功能介紹，同步器工作原理等。教師在演示過程中，提醒學(xué)生可以通過移動鼠標(biāo)選定零件而高亮顯示該零件功能及作用，自主操作時，遇到課程知識點，可以隨時移動鼠標(biāo)至該零件，尋求提示。同時應(yīng)強調(diào)以及各零件尤其是換擋機構(gòu)、同步器及正確裝配順序，如果拆裝時出錯卡住，可以點擊返回，回到上一級菜單的同時裝配流程會刷新，此時可以重新操作。

學(xué)生練習(xí)階段，登錄自己的學(xué)號、在實驗平臺上進(jìn)行練習(xí)，賬號將被記錄用于最后考核評分，同時學(xué)生可將操作過程中的問題反饋給教師。完成全部練習(xí)可參加考核，考核內(nèi)容為規(guī)定時間內(nèi)正確裝配完變速器，同時完成變速器相關(guān)知識的試題。

評價及反思，教師總結(jié)實驗過程中易出現(xiàn)的問題，回顧知識要點，再次梳理變速器拆解相關(guān)知識。同時歡迎學(xué)生對虛擬實驗課程進(jìn)行評價，提出意見及建議。

3.3 具體虛擬實驗功能

本實驗互動如下：

（1）學(xué)生進(jìn)入系統(tǒng)后在登錄界面輸入自己的學(xué)號進(jìn)入實驗場景。

（2）在空白處按住鼠標(biāo)左鍵不放同時拖拽，實現(xiàn)主視角的旋轉(zhuǎn)。

（3）在模型上按住鼠標(biāo)左鍵不放同時拖拽，實現(xiàn)模型的旋轉(zhuǎn)。

（4）通過滾動鼠標(biāo)滾輪實現(xiàn)視口縮放。

（5）移動鼠標(biāo)，當(dāng)光標(biāo)懸停在零件上時，該部件輪廓高亮顯示，同時出現(xiàn)的名稱，功能介紹。

（6）使用鼠標(biāo)對單個零件模型進(jìn)行點擊拖拽可移動零件，進(jìn)行交互拆裝。

（7）設(shè)置刷新、返回按鈕，可以返回上級菜單，或者刷新所有模型回原位。

4 虛擬實驗的實現(xiàn)

4.1 用戶界面登陸

通過添加控件藍(lán)圖來創(chuàng)建一個UI主界面。

在UI主界面中添加canvas panel（畫布面板），設(shè)置為登錄界面。再拖入文字塊及文字輸入框。添加控件藍(lán)圖及藍(lán)圖結(jié)構(gòu)體，此步驟可以導(dǎo)入教學(xué)班學(xué)生學(xué)號，通過判斷事件是否配對成功來確認(rèn)登陸，此步驟可以確定學(xué)生信息。如圖：

4.2 主菜單

主菜單的功能是進(jìn)行各實驗之間的跳轉(zhuǎn)，本次實驗的重置，包括變速器整體認(rèn)知，輸入軸（第一軸）拆裝，輸出軸拆裝，換擋機構(gòu)拆裝。實驗可以隨時重置刷新，以及切換其他實驗。

進(jìn)入UI主界面（控件藍(lán)圖），在控件藍(lán)圖中添加Uniform Grid Panel（統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)面板），并修改為合適的尺寸。在Uniform Grid Panel（統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)面板）中添加Button（按鈕）并填充整個網(wǎng)絡(luò)面板，在按鈕上添加文字。即可完成一個菜單選項的繪制。

設(shè)計好布局之后，若要令其顯示在實驗關(guān)卡內(nèi)，需要在另一個關(guān)卡藍(lán)圖使用 Create Widget（創(chuàng)建控件）和 Add to Viewport（添加視口）節(jié)點調(diào)用它。

4.3 操作與反饋機制設(shè)計

使用者可以通過控制臺模塊的配合，通過拖拽鼠標(biāo)來控制變速器零部件的移動，以及零件自身的轉(zhuǎn)動，拆卸時零件移動一定距離即判定成功，并開始下一步操作；安裝時零件移動到規(guī)定位置系統(tǒng)會提示成功，并開始下一步操作，直到使用者根據(jù)系統(tǒng)提示完成所有的拆裝操作。當(dāng)使用者完成所有操作時，系統(tǒng)會有完成實驗的提示，等待操作者進(jìn)行下一步操作，操作者可以選擇返回或者重置命令。

通過鼠標(biāo)點擊鼠標(biāo)抓取、釋放網(wǎng)格體：

（1）創(chuàng)建一個藍(lán)圖Actor，添加一個BoxCollision組件作為觸發(fā)器。

（2）將BoxCollision組件的“碰撞預(yù)設(shè)”（?Collision Preset）?設(shè)置為“BlockAll”（所有）。調(diào)整BoxCollision組件的大小，?以確保它能夠覆蓋你想要被抓取零件的整個區(qū)域。

（3）設(shè)置“Line Trace By Channel”自定義事件，創(chuàng)建用戶控件獲取鼠標(biāo)焦點，通過事件（抓取/釋放）將零件的所有權(quán)（?Ownership）?轉(zhuǎn)移給控制器，?或者將零件附加（?Attach）?到玩家的鼠標(biāo)上。

4.4 軟件打包設(shè)置

根據(jù)軟件自帶的功能選擇，可以將項目打包至windows客戶端或者手機移動端（Android/iOS）。打包完成的安裝包軟件，可以上傳至網(wǎng)絡(luò)，供學(xué)生自由下載至多種通信設(shè)備上，隨時進(jìn)行練習(xí)。

5 結(jié)論

隨著國家教育數(shù)字化戰(zhàn)略行動，虛擬仿真實驗教學(xué)課程受到了國家的高度重視，本實驗為汽車底盤構(gòu)造實驗課程的手動變速器課程，提出了變速器虛擬拆裝的總體思路和詳細(xì)方案，建立從變速器功能認(rèn)知至運行原理的一套實驗教學(xué)系統(tǒng)。按照“能實不虛，已虛補實”的思路，同時針對我校實際情況，在教學(xué)過程中，將實驗室教學(xué)和虛擬仿真教學(xué)相結(jié)合，優(yōu)先進(jìn)行實物教學(xué)及講解，達(dá)到“虛從實來”。用虛擬仿真教學(xué)實現(xiàn)實驗不具備或難以實現(xiàn)的部分教學(xué)，達(dá)到“已虛補實”，學(xué)生將不在受場地，時間，臺套數(shù)約束的進(jìn)行基礎(chǔ)實驗課程。同時使實驗室現(xiàn)有設(shè)備價值最大化，最終讓學(xué)生對車輛變速系統(tǒng)形成系統(tǒng)、深入的認(rèn)識。

本實驗基于Unreal Engine引擎，具有高度擴展性，此項目僅包含手動變速器拆裝一個教學(xué)模塊，未來此系統(tǒng)將能整合所有由此引擎制作的虛擬仿真項目。

基金項目：江蘇省高等教育協(xié)會高校實驗室研究委員會課題“汽車手動變速箱虛擬仿真實驗建設(shè)”（GS2022BZZ35）。

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