常 成，王紅霞，袁 霞

(河南工學(xué)院 車輛與交通工程學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453003)

0 引言

汽車?yán)碚撜n程是車輛工程專業(yè)的核心課程之一，是培養(yǎng)汽車工業(yè)技術(shù)人員的理論基礎(chǔ)，該課程主要涉及高等數(shù)學(xué)和力學(xué)分析，利用數(shù)學(xué)推導(dǎo)得出汽車性能的影響因素，其內(nèi)容較為抽象，計(jì)算過(guò)程相對(duì)復(fù)雜，部分計(jì)算過(guò)程難于理解，導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中興趣不高，造成實(shí)際教學(xué)效果并不理想。因此，如何讓學(xué)生掌握汽車?yán)碚搯?wèn)題研究的思路和方法，同時(shí)能深刻理解不同車輛在各種路面上行駛過(guò)程的不同表現(xiàn)，如何設(shè)計(jì)將會(huì)使其性能更加優(yōu)良，這些均是汽車?yán)碚撜n程教學(xué)中較難解決的問(wèn)題。杜峰等[1]研究了將AVL/Cruise仿真軟件引入汽車?yán)碚搶?shí)驗(yàn)教學(xué)的可行性，探討了該軟件對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)的幫助和實(shí)際教學(xué)效果。張京明等[2]圍繞汽車?yán)碚撜n程的特點(diǎn)，根據(jù)課程安排、教學(xué)內(nèi)容和考核方式，探討了汽車?yán)碚摰慕虒W(xué)方法。時(shí)曉杰等[3]提出了基于ADAMS/Car軟件輔助教學(xué)，以汽車的制動(dòng)性為例介紹了ADAMS/Car在汽車?yán)碚摻虒W(xué)中的應(yīng)用，提高了教學(xué)效果。

MATLAB軟件作為一款科學(xué)計(jì)算軟件已廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)領(lǐng)域，其強(qiáng)大的數(shù)學(xué)計(jì)算功能和直觀的圖像可視化功能已被廣大科研人員和高校師生所接受。本文以MATLAB軟件為工具，探討分析該工具在汽車?yán)碚撜n堂教學(xué)的應(yīng)用效果。

1 汽車?yán)碚撜n程知識(shí)體系

汽車?yán)碚撜n程以運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)，分析闡述了汽車動(dòng)力性、汽車燃油經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力裝置參數(shù)選定方法、汽車制動(dòng)性、汽車操縱穩(wěn)定性、汽車平順性和汽車通過(guò)性等內(nèi)容[4]。課程各章節(jié)講授內(nèi)容主要包括：性能評(píng)價(jià)指標(biāo)、評(píng)價(jià)方法、受力分析、結(jié)合數(shù)學(xué)模型進(jìn)行性能分析以及相關(guān)性能的測(cè)試試驗(yàn)。

2 傳統(tǒng)教學(xué)模式探討

在傳統(tǒng)汽車?yán)碚撜n堂教學(xué)中，多以板書或電子課件為教學(xué)素材，結(jié)合數(shù)學(xué)表達(dá)式進(jìn)行分析和探究[5]。所采用的相關(guān)實(shí)例通常為某一固定參數(shù)或單一變量的性能表現(xiàn)，主要是依靠教師情景描述加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解。學(xué)生主要是以聽(tīng)為主，授課過(guò)程學(xué)生很少或是基本沒(méi)有參與互動(dòng)，這樣很難在課堂中對(duì)較為復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型充分掌握和透徹理解。

3 MATLAB軟件在課程中的應(yīng)用

MATLAB是一個(gè)可視化的計(jì)算程序，它具有功能強(qiáng)大、使用簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在科學(xué)運(yùn)算領(lǐng)域里。MATLAB軟件可以方便的進(jìn)行數(shù)學(xué)建模、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算，軟件除了利用編程語(yǔ)言建立模型，還可以利用軟件中的可視化仿真工具Simulink進(jìn)行模塊圖形化建模[6]。在汽車?yán)碚撜n程的教學(xué)中使用MATLAB軟件，可以方便的完成復(fù)雜數(shù)據(jù)的計(jì)算，同時(shí)也可以利用仿真工具Simulink進(jìn)行仿真分析和求解。這些計(jì)算和分析的結(jié)果都可以通過(guò)MATLAB提供的可視化手段呈現(xiàn)給學(xué)生，有助于清晰地闡釋抽象概念，并系統(tǒng)掌握仿真復(fù)雜的分析計(jì)算過(guò)程。

在汽車?yán)碚撜n程第一章分析汽車動(dòng)力性時(shí)，使用汽車驅(qū)動(dòng)力—行駛阻力平衡圖對(duì)動(dòng)力性的指標(biāo)進(jìn)行分析是一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，其行駛方程式為

(1)

上式表明了汽車行駛時(shí)驅(qū)動(dòng)力與外界阻力之間的相互關(guān)系。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速特性、變速器傳動(dòng)比、主減速比、傳動(dòng)效率、車輪半徑、空氣阻力系數(shù)、汽車迎風(fēng)面積以及汽車質(zhì)量等參數(shù)初步確定后，便可利用此公式分析汽車在性能良好的典型路面上的行駛能力及確定汽車可能達(dá)到的最高車速、加速能力和爬坡的能力。

以往的教學(xué)中只能按照課本中給出的某種車型的驅(qū)動(dòng)力—行駛阻力平衡圖曲線來(lái)分析該車型在不同擋位下的驅(qū)動(dòng)力以及汽車所能達(dá)到的最高車速示意圖。在這種教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生只能定性的看到某一種車型的動(dòng)力性評(píng)價(jià)指標(biāo)參數(shù)情況，而不能直觀看到當(dāng)某個(gè)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)對(duì)汽車動(dòng)力性將產(chǎn)生怎樣的影響。因此，學(xué)生對(duì)動(dòng)力性的理解也就停留在抽象的數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)中，而對(duì)汽車行駛阻力的變化沒(méi)有深層次的認(rèn)知，在后續(xù)的課程內(nèi)容學(xué)習(xí)中也會(huì)越發(fā)難以理解。

將MATLAB軟件引入汽車?yán)碚撜n堂中，在講授該部分內(nèi)容之前預(yù)先在該軟件中建立相應(yīng)的車輛模型，在講授過(guò)程中通過(guò)調(diào)整車輛的某些參數(shù)或者路面的某些參數(shù)，可以得到不同的驅(qū)動(dòng)力—行駛阻力平衡圖、汽車爬坡度圖以及汽車加速度倒數(shù)曲線圖等動(dòng)力性相關(guān)數(shù)據(jù)圖。例如，通過(guò)汽車驅(qū)動(dòng)力—行駛阻力平衡圖可獲得不同參數(shù)下汽車所能達(dá)到的最高車速，某汽車基本參數(shù)如表1所示。

表1 某汽車基本參數(shù)表

將MATLAB軟件程序中的相關(guān)參數(shù)設(shè)定為表1中的數(shù)據(jù)，作出汽車驅(qū)動(dòng)力—行駛阻力平衡圖，如圖1所示。其中，實(shí)線為各擋位節(jié)氣門全開(kāi)時(shí)對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)力變化曲線，虛線(Ff1+Fw1)為該汽車滾動(dòng)阻力與空氣阻力疊加后的行駛阻力曲線，該虛線與5擋驅(qū)動(dòng)力曲線的交點(diǎn)即為當(dāng)前汽車的最高車速。

圖1 某汽車驅(qū)動(dòng)力—行駛阻力平衡圖

為使學(xué)生清晰直觀的看出某參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，對(duì)該車最高車速等參數(shù)的影響。將汽車的總質(zhì)量改為5 000 kg，其他參數(shù)不變，得到當(dāng)前汽車的滾動(dòng)阻力與空氣阻力疊加后的行駛阻力曲線，如圖1中虛線(Ff2+Fw2)所示?？擅黠@看出，汽車質(zhì)量增加后，滾動(dòng)阻力增大，且增加的程度與汽車車速無(wú)關(guān)，導(dǎo)致汽車最高車速降低。與此相類似，通過(guò)改變多種不同的汽車參數(shù)，比如汽車爬坡度圖和汽車加速度倒數(shù)曲線圖等均會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，依據(jù)相關(guān)曲線評(píng)價(jià)多種參數(shù)汽車的動(dòng)力性能，以此加深學(xué)生對(duì)動(dòng)力性評(píng)價(jià)指標(biāo)的理解。在這個(gè)過(guò)程中，學(xué)生與教師可以充分互動(dòng)，不再是學(xué)生聽(tīng)和教師講的單一模式，學(xué)生可以根據(jù)自己的想法設(shè)置參數(shù)，并預(yù)測(cè)汽車動(dòng)力性相關(guān)曲線的變化趨勢(shì)。通過(guò)MATLAB的圖形顯示功能，使學(xué)生對(duì)汽車動(dòng)力性的理解更加深刻，增強(qiáng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和探究的能力。

利用MATLAB軟件強(qiáng)大的數(shù)據(jù)計(jì)算、分析、處理，可以方便快捷的完成汽車動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性、制動(dòng)性等在內(nèi)的汽車各種性能的計(jì)算，除此之外，MATLAB軟件中的Simulink可視化仿真工具還可進(jìn)行復(fù)雜過(guò)程的仿真分析。利用MATLAB/Simulink軟件可以直觀的看到數(shù)學(xué)模型中的各參數(shù)及其關(guān)系式，可直接在圖形化模塊中改變參數(shù)。以表1中的汽車參數(shù)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模，對(duì)應(yīng)最高車速時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩取149.5 N·m，根據(jù)公式(1)建立MATLAB/Simulink模型如圖2所示。

圖2 MATLAB/Simulink汽車最高車速模型

將該模型中相關(guān)模塊參數(shù)設(shè)定為表1中的汽車參數(shù)，經(jīng)仿真計(jì)算后得到當(dāng)前汽車的最高車速為116.9 km·h-1，這與前文中利用MATLAB編程作圖所得結(jié)果相同。但采用MATLAB/Simulink可視化仿真工具所建模型相對(duì)清晰，可較為方便的改變相關(guān)參數(shù)值，相對(duì)容易操作。由此可知，將MATLAB/Simulink引入到汽車?yán)碚摰恼n堂教學(xué)中，可以將難以理解的抽象數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)化為參數(shù)可變的可視化仿真模型。

4 結(jié)論

在汽車?yán)碚撜n堂教學(xué)中使用MATLAB軟件作為輔助工具，有助于學(xué)生加深對(duì)各種抽象數(shù)學(xué)模型的理解，除此之外，學(xué)生還可以根據(jù)課上所建模型的思路和方法，課下利用MATLAB軟件對(duì)課上所學(xué)知識(shí)進(jìn)行復(fù)習(xí)和拓展，增強(qiáng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和探究的能力。相對(duì)于傳統(tǒng)的教學(xué)方式，學(xué)生學(xué)習(xí)汽車?yán)碚摰呐d趣得到充分激發(fā)、學(xué)習(xí)積極性得以提高，使學(xué)生全面理解要提升汽車性能在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)該考慮的因素，同時(shí)也為其畢業(yè)后的設(shè)計(jì)研發(fā)工作打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。