汽車振動學基礎及應用課程教學實踐

朱成偉　喻曹豐　汪選要　靳華偉　楊秀淼

摘 要：乘員舒適性是衡量汽車舒適度的重要指標，汽車振動學課程是研究乘車舒適性的核心課程。以安徽理工大學車輛工程專業(yè)人才培養(yǎng)為例，研究汽車振動學課程教學實踐環(huán)節(jié)及存在的問題，從優(yōu)化理論教學、強調實踐教學和綜合考核等方面實施了課程教學改革，為車輛工程專業(yè)高質量人才培養(yǎng)提供參考。

關鍵詞：汽車振動學 教學改革 案例教學 實踐教學

1 引言

現(xiàn)代汽車技術朝著智能化、電動化、網(wǎng)聯(lián)化、共享化方向發(fā)展[1， 2]，人們對汽車智能化和電動化汽車的舒適性要求不斷提高[3]，而汽車振動學是研究汽車舒適性的核心課程，因此，加強汽車振動學課程建設與實踐對培養(yǎng)學生提升汽車新“四化”快速發(fā)展具有至關重要的意義[4]。

在車輛工程領域中，汽車振動學是智能車平順性、電控懸架、產(chǎn)品開發(fā)等領域的重要工具，極大縮短了汽車產(chǎn)品的開發(fā)周期和研發(fā)成本。因此，學習汽車振動學課程且熟練利用振動學理論解決汽車平順性和舒適性工程實際問題的能力是車輛工程人才培養(yǎng)體系重要任務。

為提高汽車振動學課程的授課效果，同時針對專業(yè)認證要求，本文根據(jù)自身授課過程和心得體會，結合學生學習情況，優(yōu)化理論教學，強調實踐教學，更新教學內(nèi)容，創(chuàng)新實踐培養(yǎng)環(huán)節(jié)，重構汽車振動學理論教學與實踐教學，提升學生利用振動學理論分析解決車輛工程振動問題的能力，服務安徽省十大新興產(chǎn)業(yè)[5]。

2 汽車振動學課程教學中的問題剖析

2.1 理論課環(huán)節(jié)

汽車振動學課程理論矩陣分析、隨機理論、理論力學、彈性力學、結構力學、數(shù)值計算、控制方法等多門課程的知識，學科交叉性強，對于車輛工程專業(yè)的本科生來講，將數(shù)學方法應用到汽車振動學課程上時，造成學生知其然不知其所以然的學習狀態(tài)，學生反應理論推導體系性不強，與實際工程不知如何結合，理論知識晦澀難懂，工程應用能力欠缺，學習積極性不高。

2.2 實踐教學環(huán)節(jié)

高校限制于實際情況和學生安全考慮，不開設汽車平順性試驗課程，學生只學習汽車振動學理論知識，不了解汽車振動試驗標準和相關特性分析；部分高校開設的平順性實踐課，主要是用仿真軟件分析汽車振動特性，主要是機械式模仿教材案例，缺乏汽車平順性道路實踐經(jīng)驗和數(shù)據(jù)采集處理能力，不能理論與實際相結合提出合理的解決方案。

2.3 課程考核環(huán)節(jié)

課程考核涉及學生切身利益和反應學習效果，汽車振動學課程具有理論性和實踐性都很強的特點，考核辦法不宜僅采用傳統(tǒng)卷面考核，同時，卷面考核無法反應學生的課程實踐與汽車平順性測試和數(shù)據(jù)分析的能力，而僅通過汽車平順性試驗考核辦法無法反應學生理論知識掌握情況，學生培養(yǎng)效果不佳。

3 課程教學改革

3.1 理論教學改革

提煉主干內(nèi)容。汽車振動學是汽車理論課程群中平順性專題的核心課程。課時為32學時，課程理論部分為前十章，最后兩章的軟件分析作為學生的課下作業(yè)。凝練課程主要內(nèi)容，主要分為三大專題，其一為多自由度振動理論；其二為隨機振動理論；其三為汽車減振技術。提出矩陣式課程知識體系，如圖1所示。理論授課過程：從單自由度自由振動系統(tǒng)到二自由度振動系統(tǒng)至多自由度振動系統(tǒng)；其次，通過路面激勵模型引入隨機振動理論和發(fā)動機振動機理，延伸隨機激勵下人體對振動的反應；最后，為了抑制振動引出減振技術。通過矩陣式課程理論教學方法，提高學生課程整體性和系統(tǒng)性。

課程案例教學。將案例教學法融入課堂，通過對某型汽車振動案例進行展開講解汽車多自由度振動系統(tǒng)。如圖2所示將汽車單自由度振動系統(tǒng)。講解汽車單自由度振動模型時，用MATLAB軟件進行編程分析其模型的幅頻特性與相頻特性特性曲線。

從單自由度振動的幅頻特性和相頻特性分析汽車車身振動特性；進一步將單自由度振動系統(tǒng)擴展到二自由度振動系統(tǒng)，繼而得到汽車二自由度模型，如圖3所示。

根據(jù)圖3所示汽車振動二自由度模型得到其微分方程，推導得到汽車車身加速度、相對動載和懸架動擾度對路面速度幅頻特性。學生通過軟件編程仿真汽車二自由度振動的幅頻特性，并以分布式驅動電動汽車為例，簧下質量增加來分析二階共振峰值前移的負效應；為了使學生更好理解汽車減振技術，通過改變阻尼參數(shù)分析幅頻特性變化規(guī)律，得到如圖4-圖6所示。

通過學生對汽車振動特性建模、編程與仿真等步驟，使學生深入理解力學模型和幅頻特性，改變相關參數(shù)能夠使學生分析其變化規(guī)律，培養(yǎng)學生理論與實際相結合的能力。

3.2 課程實踐教學

優(yōu)化課程實踐內(nèi)容，提高學生理論和工程能力，汽車振動學課程開設學生實踐教學環(huán)節(jié)，單位配備東華測試公司的汽車平順性測試系統(tǒng)包括軟件與硬件系統(tǒng)。按照GB/T 4970-2009《汽車平順性試驗方法》中推薦試驗方法，讓學生開車上路操作汽車平順測試。實踐教學過程如7所示。

圖7表示為汽車振動學實踐教學內(nèi)容和流程。實踐教學為汽車振動道路試驗即汽車平順性試驗。本課程實踐環(huán)節(jié)條件有江淮汽車試驗平臺和東華測試數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)各一套。首先，需要向學校保衛(wèi)處申請汽車試驗用道路，設置交通標識；其次，讓學生分組便于實際操作，并課下學習采集和數(shù)據(jù)處理軟件；然后，汽車平順性道路試驗設備安裝及試驗，包括傳感器與路障布置、軟硬件通訊等，采集不同速度下汽車不同位置的振動加速度信息；最后，讓學生對采集到的測試數(shù)據(jù)進行振動分析并評價舒適性。學生通過課程實踐環(huán)節(jié)培養(yǎng)，提高了對汽車振動學的認識和理解，培養(yǎng)了學生利用汽車振動理論解決工程實踐問題的能力。

3.3 課程考核

為了綜合考查學生對汽車振動學課程的學習效果，優(yōu)化課程考核辦法，該課程采用理論知識卷面考試、上車實際操作和數(shù)據(jù)處理與分析三大部分進行考核。（1）理論考查占比40%；（2）上車實操占比30%；（3）數(shù)據(jù)處理與分析占比30%。理論知識考查從某型汽車振動問題出發(fā)，考查學生對汽車振動學的理解和汽車振動力學模型的構建并求解的能力，尤其是二自由度、四自由度及七自由度車輛振動數(shù)學模型；上車實際操作是考查學生對汽車振動測試和數(shù)據(jù)采集能力，掌握汽車振動傳感器的標定與安裝、軟件操作、信號采集、行駛路線等知識；數(shù)據(jù)處理及分析考查學生對汽車振動采集數(shù)據(jù)的后處理和振動特性分析的能力，掌握汽車平順性和舒適性的評價方法，以及振動信號的功率譜、概率密度函數(shù)、均方根值等處理方法。

4 結語

針對汽車振動學課程中存在理論知識、實踐教學、課時優(yōu)化、綜合考核等問題，本文從優(yōu)化理論教學、強調實踐教學和綜合考查等三個方面入手，提出了基于案例教學法和實踐教學的汽車振動學課程教學改革方案。學生通過汽車振動學教學方案的培養(yǎng)，提升了學生利用振動理論解決汽車平順性和舒適性問題的能力，優(yōu)化了課程體系，對車輛工程專業(yè)人才培養(yǎng)具有重要意義。

基金項目：2022年度高等學校省級質量工程項目“車輛工程專業(yè)服務安徽省新能源汽車與智能網(wǎng)聯(lián)汽車產(chǎn)業(yè)”（2022sdxx010）;安徽省高等學校省級質量工程項目“提升車輛工程專業(yè)服務新能源汽車和智能網(wǎng)聯(lián)汽車產(chǎn)業(yè)”（2021fwxxcy013）；2022年度高等學校省級質量工程項目（2022xsxx049）; 2022年省級研究生教育教學改革研究項目（2022jyjxggyj272）；安徽省教育廳科研項目（2023AH051184）；安徽理工大學引進人才科研啟動基金（2021yyrc22；13210572）；安徽理工大學青年科學研究基金項目（QNZD2021-07， QNZD2021-04）。

參考文獻：

[1]國務院辦公廳. 新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021—2035年）[Z]. 2020–10–20.

[2]王曉娟. 中國新能源汽車的發(fā)展現(xiàn)狀及未來展望[J]. 時代汽車，2022，（04）：107-108.

[3]王輝. 新能源汽車產(chǎn)業(yè)背景下的車輛工程專業(yè)人才培養(yǎng)變革[J]. 汽車教育，2022， 375（3）：32-33.

[4]陳一哲，范宏德，王輝，等.針對新能源汽車人才需求的教學模式分析與改革[J]. 高教學刊，2023，9（20）：8-11.

[5]潘家保，張榮蕓，王建平，等. 車輛工程專業(yè)人才培養(yǎng)模式探索與實踐[J].池州學院學報，2023，37（03）：136-139.