學以致用為目的的汽車理論教學內容組織及思考

鄒喜紅 石曉輝

摘 要 汽車理論是車輛工程專業非常重要的一門專業課，不僅理論性強，而且實用性也很強，其內容是汽車設計、汽車應用和汽車試驗的重要理論依據。文章詳細分析了汽車理論的具體內容，以汽車動力性、汽車操縱穩定性和汽車平順性中部分章節為例詳細探索了以“正確地設計汽車、合理地使用汽車、科學地試驗汽車”為教學目的組織教學內容的具體操作辦法，從而為汽車理論課程教學內容的組織提供了重要的參考。

關鍵詞 汽車理論 學以致用 設計 使用 試驗

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A

Apply Their Knowledge for the Purpose of Car Theory

Teaching Content Organization and Thinking

ZOU Xihong， SHI Xiaohui

（College of Vehicle Engineering， Chongqing University of Technology， Chongqing 400054）

Abstract "Car theory" is a very important course of vehicle engineering， not only the theory is strong， but also very practical， its content is an important theoretical basis for automotive design， automotive applications and automotive testing. Detailed analysis of the specific content of automotive theory， to vehicle dynamics， vehicle handling and stability， and in sections of the ride vehicles， for example a detailed exploration of a "properly designed car， rational use of cars， scientifically test car" for the purpose of teaching the organization's specific operational methods of teaching content， thus provides an important reference for the "car theory" organization teaching content.

Key words "car theory"； apply the knowledge； design； use； test

0 引言

一輛受歡迎的汽車必然具備“好用、好修、好造、好看”四大特點。好用和好造占主導地位，但兩者之間又是矛盾的，好用的汽車不太好造，好造的汽車不太好用。隨著汽車的使用要求的提高，必然對汽車結構提出改進， 而使得對汽車的制造水平提出新要求，只有制造水平較高，才能保證新結構的實施和應用。

“好用、好修、好造、好看”四大特點對于汽車來說可理解為“性能良好、維修方便、易于制造、美觀大方” ，對于廣大汽車消費者和用戶來說，好用是最重要的，也就是汽車性能良好是最重要的。汽車性能良好主要表現在運輸生產率高、運輸成本低、安全可靠、舒適方便。汽車理論這門課程就是為了解決汽車性能良好即汽車好用的問題。①②

汽車理論是車輛工程專業一門專業核心課程。目前，汽車理論教材普遍采用清華大學余志生主編的第五版，③內容包括七章，第一章為汽車的動力性，第二章為汽車的燃油經濟性，第三章為汽車動力裝置參數的選定，第四章為汽車的制動性，第五章為汽車的操縱穩定性，第六章為汽車的平順性，第七章為汽車的通過性。其中動力性、制動性、通過性、操縱穩定性、平順性的提高可以提高運輸生產效率；燃油經濟性提高，可以明顯降低油耗，從而降低運輸成本；制動性、平順性、操縱穩定性與安全、舒適方便地運輸密切相關。④

汽車理論的具體內容是在分析汽車運動的基本規律基礎上，以理論分析和實驗研究相結合的方法，研究汽車的主要使用性能和結構參數之間的內在聯系，分析汽車的主要使用性能的各種影響因素，從而指出正確地設計汽車，合理地使用汽車以及科學地試驗汽車的途徑。因此在教學內容上要緊緊扣住“正確地設計汽車、合理地使用汽車、科學地試驗汽車”這一目的，讓學生學了汽車理論之后能夠真正體會到如何正確地設計汽車、合理地使用汽車、科學地試驗汽車，從而達到學以致用的目的。

1 以“正確地設計汽車”這一目的組織教學內容

以第一章和第三章為例，相關計算分析都是在汽車主要參數設定后進行性能計算，為讓學生對“正確的設計汽車”有深刻的認識，能否增加有了汽車動力性參數后怎么設計汽車的主要參數呢。比如，采用一個設計實例，設計一輛增程式電動車，其主要參數如表1所示。

表1 主要設計參數

第一步，需要計算電機參數，首先是電機的功率需要取多大才能滿足動力性參數呢，這就需要用到動力性中發動機功率的選擇問題，為同時滿足最高車速和最大爬坡度，則需要分別進行計算，當滿足最高車速時，車輛在平直的路面上勻速行駛，只有滾動阻力和空氣阻力，則可以應用教材（3-1）式即式（1）計算達到最高車速需要的功率；當滿足最大爬坡度時，由于坡度阻力不能忽略，因此按式（2）計算滿足最大爬坡度時的功率：

所以

按10km/h車速爬最大坡度需要的功率為：

所以

因此，驅動電機功率 = （，） = 33.141（kW），取35kW。

第二步，需要對輪邊最大轉矩進行估算，初取輪胎半徑 = 400mm。

若是4輪驅動，單輪驅動轉矩為1420.8/4=355.2（N.m）

第三步，對驅動電機（電動機）轉矩轉速進行估算，初取傳動系最小傳動比 = 3.6，則驅動電機轉矩為：

驅動電機轉速為 = = = 3342，取3500rpm，

此時對應車速為： = = 140>100km/h，滿足動力性要求。

第四步，可以根據式（3）計算電池總能量，然后進行電池的選擇。

= （3）

實際上，這樣的設計例子可以方便地在網絡上進行下載，通過這樣的例程，讓學生深刻體會怎么著手去設計汽車的動力性，從而達到“正確地設計汽車”這一目的。

2 以“合理地使用汽車”這一目的組織教學內容

汽車理論中實際上各個章節都與汽車使用息息相關，而用戶本身最關心的油耗、安全相關的理論在教材中占了很大比例，如第二章汽車的燃油經濟性、第四章汽車的制動性和第五章汽車的操縱穩定性，這幾章對于如何合理地使用汽車提供了大量的理論基礎，例如對于汽車的操縱穩定性，主要就是研究汽車實際轉向行駛軌跡與駕駛員期望轉向行駛軌跡之間的差異，對于新駕駛員，往往覺得汽車老是不按自己預想的軌跡來行駛，總是不斷在修正方向盤，既感覺車輛不可控，同時自己也感到非常緊張。因此，為解決合理地駕駛汽車，可以以汽車最終的轉向效果來組織教學內容。由于輪胎是彈性體、再加上懸架等各大系統的影響，汽車實際最終轉向時的實際轉向效果由四部分組成，即：

汽車最終的轉向效果 = 駕駛員的意圖 + 彈性側偏角 + 側傾轉向角 + 變形轉向角。

因此，操縱穩定性部分內容主要就是汽車最終轉向效果的四部分。

2.1 駕駛員的意圖

當路面出現彎道時，駕駛員出現轉向意圖，第一反應就是打方向盤，就會得到一個前輪轉角，同時汽車會產生一橫擺角速度，汽車簡化模型如圖1所示，此時橫擺角速度與前輪轉角之間的關系如式（4）所示。

圖1 駕駛員轉向意圖簡化模型

圖2 考慮彈性側偏特性簡化模型

因此，這部分內容重點組織駕駛員執行轉向意圖后人—車閉環系統如何表征、描述和評價。

2.2 彈性側偏角

彈性側偏角應該是操縱穩定性中最終轉向效果的最重要部分，在課程中的內容也是最重要部分。要掌握彈性側偏角，首先從輪胎側偏特性著手，在輪胎側偏特性作用下，輪胎會產生彈性側偏轉向，從而產生側偏轉向角，此時汽車也會產生一橫擺角速度，此時汽車簡化模型如圖2所示，穩態橫擺角速度與前輪轉角之間的關系如式（5）所示。

= （5）

因此，這部分內容重點組織輪胎彈性側偏特性及側偏角的產生、側偏特性的影響因素、考慮輪胎側偏特性的線性二自由度模型前輪角階躍輸入下的響應，重點包括穩態響應和瞬態響應。穩態響應部分重點討論轉向半徑、轉向靈敏度、穩定性因素、特征車速或臨界車速、前后輪側偏角絕對值之差、轉向半徑比、靜態儲備系數這7個表征穩態響應的參數如何表征穩態響應及穩態響應的量；瞬態響應重點圍繞響應的顯性解、顯性解穩定收斂的條件及響應品質展開。

2.3 側傾轉向角和變形轉向角

側傾轉向角和變形轉向角部分主要是汽車在使用過程中，由于轉彎，車輪跳動等導致汽車產生側傾運動，側傾后車輪載荷會產生轉移，相關機構會產運動和變形，使外傾角和前束等發生變化，不僅影響彈性側偏角，而且還會額外產生側傾轉向角和變形轉向角，而這部分內容重點抓住在彈性轉向角基礎上進行修正（加加減減）。這部分重點討論汽車如何產生側傾，如何得到側傾角，產生側傾后對彈性側偏角的影響、產生側傾后各機構的運動和變形情況等，從而分析側偏角的加加減減。

3 以“科學地試驗汽車”這一目的組織教學內容

汽車理論講述的各大性能的分析和評價數據都必須要通過測量和試驗得到，而在進行汽車相關性能試驗時，必須有相關理論作指導，因此在組織教學內容時可以重點突出科學地試驗汽車為目的展開。比如，以汽車平順性試驗為例，對于平順性試驗主要包括汽車振動系統中各部件振動參數（固有頻率和阻尼比等）的測量試驗和振動輸出的測量試驗，前者試驗數據主要用于對振動系統的設計、優化和驗證，后者試驗數據主要用于平順性的分析和評價。

3.1 汽車振動系統中各部件參數的測量試驗

汽車振動系統中各部件參數主要包括懸架固有頻率、懸架阻尼比、車輪固有頻率、車輪阻尼比等，若對這些參數進行正確測量，就需要制定正確的測量方法、采用正確的測量設備，其相關的理論基礎就是汽車振動系統模型和固有頻率和阻尼比等參數對振動系統特性的影響，教學內容可以圍繞這些重點展開。如汽車懸架系統部分固有頻率和阻尼比的測量，正是用到單質量和雙質量系統的自由振動衰減曲線（圖3）進行測量和計算的。

圖3 懸架系統衰減振動曲線

圖4 人體坐姿三點十二軸受振模型

另外，汽車振動系統中各部件參數的測量試驗往往在室內臺架上進行，這就會涉及到室內試驗臺架的設計和選擇問題，在設計或選擇試驗臺時，就會涉及到試驗臺激振輸入的選擇，這時就會用到路面不平度的統計特征相關理論知識，首先要清楚路面不平度輸入的頻率和幅值的范圍，清楚汽車振動系統的固有頻率，才會合理選擇激振器的頻率和振幅量程，因此，這部分內容可以重點圍繞典型路面不平度統計特征分析方面進行。

3.2 汽車振動響應輸出的測量試驗

對于汽車振動響應輸出的測量試驗主要在室外道路上進行，其主要內容就是測量傳感器的選取及測點布置，測量參數的設置和測量路面，以及測量數據的分析等。比如平順性評價道路試驗中，必須緊緊圍繞人體對振動的反應和平順性評價方法進行，首先要知道圖4所示人體坐姿三點十二軸受振模型才能正確布置和安裝傳感器，熟悉平順性評價方法才能正確選取傳感器、測量參數、數據分析方法等。

4 結論

一輛受歡迎的汽車必然具備“好用、好修、好造、好看”四大特點，而汽車理論正好是為了解決用戶最關注的汽車性能良好即汽車好用的問題。本文以汽車理論中的部分章節為例，詳細探索了以“正確地設計汽車、合理地使用汽車、科學地試驗汽車”為教學目的組織教學內容的具體操作辦法，旨在拋磚引玉，為汽車理論教學的實用性探索出一種新方法。

注釋

① 何光里.汽車運用工程師手冊.人民交通出版社，1993.

② 高延齡.汽車運用工程.人民交通出版社，2004.

③ 余志生主編.汽車理論.機械工業出版社，2010.7.

④ 張京明，崔智全，劉清河，周遐余.提高汽車理論教學效果的方法研究.教學研究，2013.36（3）：72-74.