桂林航天工業(yè)學院汽車與交通工程學院 封 進

汽車理論是我國高校汽車類本科專業(yè)的核心課程，主要學習汽車動力性、經(jīng)濟性、制動性、操縱穩(wěn)定性、平順性和通過性等基本性能、評價方法和計算方法，通過研究汽車行駛規(guī)律和動力學特性，分析使用特性與結(jié)構參數(shù)之間的內(nèi)在聯(lián)系，掌握汽車主要使用性能及其影響因素以及相關參數(shù)基本匹配方法，從而提供合理設計和正確使用汽車的理論依據(jù)。汽車理論課程內(nèi)容是汽車設計、汽車試驗學等應用類型課程的基礎，在整個專業(yè)課程體系中起到重要的承上啟下的作用，也是學生在行業(yè)內(nèi)可持續(xù)發(fā)展的關鍵課程。

汽車理論課程知識面廣、理論性強，涉及大量數(shù)學公式推導，本科生在學習過程中往往感覺比較抽象，難以理解。同時理論與實踐聯(lián)系緊密，采用傳統(tǒng)教學，不僅課堂教學效果欠佳，學生跟不上教學進度，課堂互動開展不深，更難以進一步地對知識進行應用。教學中合理采用計算機仿真技術，不僅能提高學生的學習興趣和教學效果，更能提高學生的工程實踐能力。

汽車理論課程的主要內(nèi)容是通過分析汽車動力學規(guī)律、性能參數(shù)對汽車性能進行評價，課程的實踐能力培養(yǎng)主要指學生對汽車動力學性能模型的建立、解算，性能參數(shù)的獲取及分析，因此學生實踐能力的培養(yǎng)主要體現(xiàn)在計算機仿真技術的應用上。

本文以清華大學余志生老師主編的《汽車理論》第六版為例，通過“汽車動力性”“汽車動力裝置參數(shù)選定”和“汽車操縱穩(wěn)定性”三個代表性章節(jié)的內(nèi)容，介紹汽車理論內(nèi)容與計算機仿真技術相結(jié)合培養(yǎng)學生工程實踐能力的具體實施。

一、汽車動力性

汽車動力性部分的教學目標是要求學生掌握汽車動力性評價指標及計算方法，能夠建立汽車基本的行駛方程，并通過作圖法進一步獲得汽車的最高車速、加速時間和最大爬坡度等動力性評價指標，然后對影響因素做進一步的分析。

汽車動力性仿真計算軟件較多，考慮對學生實踐能力訓練的循序漸進，應選擇通用性好、普及率高、易于上手的計算機仿真軟件進行實踐訓練入門，例如EXCEL、MATLAB、AVL_CRUISE 等。EXCEL 雖然是一款電子表格工具，但其擁有強大的計算功能和圖表生成功能，通過輸入公式進行計算，可以得到汽車動力性計算的圖形化結(jié)果。MATLAB 作為一款專業(yè)計算軟件，同樣具備強大的編程和繪圖能力，學生可以根據(jù)汽車行駛方程編制程序，也可以設計GUI 用戶界面，通過輸入車輛參數(shù)進行仿真計算。兩種工具均能直觀地表征車輛參數(shù)與動力性結(jié)果的關聯(lián)關系，生成圖表，便于對理論知識的理解。EXCEL 適合大部分學生快速上手，MATLAB 則適合之前受過相關訓練或接受能力較強的學生。AVL_CRUISE 是一款主要用于汽車動力性、經(jīng)濟性以及排放性仿真的軟件，采用圖形化交互建模環(huán)境，只需設置好相應參數(shù)即可進行仿真計算并獲得汽車動力性指標，可以方便看到參數(shù)變化對結(jié)果的影響。但由于計算算法由軟件集成，對使用者而言該軟件只是一個黑箱，不利于學生對計算方法的理解。

以MATLAB 為仿真手段進行汽車動力性內(nèi)容的實踐能力訓練過程為例，首先參照教學內(nèi)容建立汽車行駛方程，對汽車行駛方程進行編程，仿真計算并輸出圖形，得到汽車驅(qū)動力圖、加速度倒數(shù)曲線圖、汽車的爬坡度圖、汽車功率平衡圖等。對程序做進一步編寫，還可獲取汽車最高車速、加速時間和最大爬坡度等動力性指標，直觀地反映出汽車的動力性，尤其是各檔位的動力特性。同時通過調(diào)整程序參數(shù)改變汽車動力性，能夠幫助學生掌握汽車動力性的影響因素及趨勢，MATLAB 的數(shù)值計算方法還可以加深對本章重點內(nèi)容汽車行駛方程的理解。

通過使用MATLAB 解決汽車動力性指標計算，可以初步培養(yǎng)學生使用現(xiàn)代工具解決復雜工程問題的能力，也為學生工程化思維的建立打下基礎。

二、汽車動力裝置參數(shù)選定

該部分教學內(nèi)容是綜合考慮汽車動力性和經(jīng)濟性因素，對汽車動力系統(tǒng)參數(shù)進行優(yōu)化設計，包括發(fā)動機功率、變速器速比及檔位數(shù)、主減速器速比等參數(shù)，屬于對前面動力性和經(jīng)濟性兩個章節(jié)的總結(jié)和應用，有較強的實踐應用意義。由于汽車動力系統(tǒng)的優(yōu)化設計過程中計算工作量比較大，例如C 曲線的獲得，需要對不同的主傳動比下汽車的加速時間和工況條件下百公里油耗進行計算，采用傳統(tǒng)理論計算方法較為困難，難以實施完整的案例教學，必須通過計算機仿真技術開展輔助教學，以培養(yǎng)學生的工程能力。

考慮動力性和經(jīng)濟性進行動力系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化設計的計算機仿真技術較多，比較著名的有GT-Suit、AVL_CRUISE、CarSim 等。上述軟件都是基于汽車行駛方程和燃油經(jīng)濟性計算方法，采用模塊化的建模方式，應用交互式圖形用戶界面調(diào)整車輛參數(shù)，操作簡單方便，適用性強，都能夠較方便地實現(xiàn)各類車型的動力性和經(jīng)濟性仿真需求。而AVL_CRUISE具有較方便的矩陣計算功能，更適合在汽車動力系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化設計的仿真計算。例如，利用AVL_CRUISE 進行主減速比參數(shù)優(yōu)化設計，首先采用拖拽的方式將車輛各模塊從系統(tǒng)的模塊庫中拖入用戶界面，單個進行參數(shù)修改，模塊連接建立整車模型。在建立好工作任務、設置需要的工作循環(huán)后，可以根據(jù)主減速器速比范圍設置多個主傳動比進行矩陣，從而獲得燃油經(jīng)濟性-加速時間曲線（C 曲線），提供主傳動比參數(shù)選擇。

采用AVL_CRUISE 進行汽車動力系統(tǒng)優(yōu)化設計，進而完成汽車動力裝置參數(shù)選定，不僅讓學生又掌握一種工程應用手段，培養(yǎng)解決復雜工程問題的能力，加深學生對動力性和經(jīng)濟性的概念與計算方法的認識，更進一步培養(yǎng)了學生對汽車設計中性能參數(shù)指標相互制約的理解，以及汽車設計即是追求高性價比的設計理念。

三、汽車操縱穩(wěn)定性

“汽車操縱穩(wěn)定性”部分教學內(nèi)容較多，包括線性二自由度模型、操穩(wěn)性與汽車懸架、轉(zhuǎn)向系、傳動系的關系等，知識的難度進一步加深。應用工具的選擇上不僅有MATLAB 等通用軟件，還包括ADMAS、CarSim 等眾多業(yè)界流行的汽車動力學專業(yè)軟件。ADMAS 有專門的汽車模塊，方便快速建立數(shù)字樣機對汽車包括操穩(wěn)性在內(nèi)的多個性能指標進行仿真分析。CarSim 也是一款解決車輛動力學問題的軟件，可以實現(xiàn)動力性、經(jīng)濟性、操穩(wěn)性等汽車基本性能的仿真分析。軟件采用圖形用戶界面實施建模，所有的參數(shù)設置和調(diào)整均在圖形界面完成，上手相對簡單?！捌嚥倏v穩(wěn)定性”部分的理論深度進一步加強，考慮一般本科生夠用即可的學習要求，可以對該部分數(shù)學模型建立過程不做要求，而著重對性能影響因素及趨勢進行分析，在計算機仿真技術的學習上應結(jié)合行業(yè)應用習慣，可以分別采用ADMAS 和CarSim 進行相應工程訓練。

線性二自由度汽車模型對前輪角輸入的響應是汽車操縱穩(wěn)定性的重點和難點內(nèi)容，參數(shù)之間相互關聯(lián)，對汽車操縱穩(wěn)定性的影響不夠直觀，理論建模與結(jié)果分析相對困難。采用CarSim 進行建模分析可以較好地解決這個問題。CarSim 采用參數(shù)化建模，可以通過系統(tǒng)參數(shù)設置和特性曲線完成車輛定義。仿真結(jié)果可以通過動畫或者汽車操縱穩(wěn)定性參數(shù)的特性曲線進行表達，幫助學生掌握操縱穩(wěn)定性評價各個指標的變化規(guī)律，從而厘清汽車操縱穩(wěn)定性的設計思路。

“汽車操縱穩(wěn)定性與懸架的關系”屬于“汽車操縱穩(wěn)定性”一章的重點教學內(nèi)容，主要掌握懸架對汽車操縱穩(wěn)定性的影響。這部分內(nèi)容的工程實踐訓練上，適合采用多體動力學軟件ADMAS 作為手段，ADMAS 包含了一系列的汽車專用模塊，可以直接調(diào)用模塊后修改參數(shù)完成建模工作。然后進行相應工況的運動仿真分析，并進行各參數(shù)靈敏度分析和優(yōu)化，實現(xiàn)懸架硬點及安裝參數(shù)的最優(yōu)。同時可以根據(jù)仿真計算輸出直觀地得到參數(shù)變化與操穩(wěn)性能的關聯(lián)關系，加深懸架對操縱穩(wěn)定性影響的理解。

汽車理論課程具有知識面廣、理論性強、理論與實踐結(jié)合緊密等特點，課程教學與改革重點應聚焦在“知識、能力、素質(zhì)”三方面培養(yǎng)上，力求學生掌握車輛性能相關理論知識，培養(yǎng)解決車輛制造領域復雜工程問題的能力。教學內(nèi)容合理采用計算機仿真技術，可以提高學生對知識的理解程度，進一步培養(yǎng)學生解決車輛工程領域復雜工程問題的能力，提升工程實踐能力。