基于CarSim軟件仿真的汽車理論課程教學方法探索

摘要：《汽車理論》作為車輛相關專業核心課程，教學難度較大，傳統的教學方法以PPT展示及講解為主。借助現代化的計算機輔助技術，將車輛專業動力學軟件CarSim引入課堂教學，以車輛行駛滾動阻力教學為例，結合軟件仿真與理論知識點授課，能夠有效提高教學效果，培養學生綜合能力。研究結論為《汽車理論》課程教學方法提供了新的思路和可靠的實踐方案。

關鍵詞：《汽車理論》；CarSim；仿真教學

中圖分類號：G712" " " "收稿日期：2024-12-20" " " " DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2025.04.031

Exploration of Teaching Method for Automotive Theory Course Based on CarSim Software Simulation

Qiu Jianbin" Zheng Jiaqiu" He Qian" Zhong Lei

Chengdu Technological University，Chengdu 611730，China

Abstract：As a core course in vehicle related majors，Automotive Theory is difficult to teach， and traditional teaching methods mainly rely on PPT presentation and explanation. This paper utilizes modern computer-aided technology to introduce the vehicle dynamics software CarSim into classroom teaching. Taking the teaching of vehicle rolling resistance as an example， combined with software simulation and theoretical knowledge points， it can effectively improve teaching effectiveness and cultivate students' comprehensive abilities. Research couclusions can provided new ideas and reliable practical solutions for the teaching methods of the course Automotive Theory.

Key words：Automotive theory course;CarSim；Simulation teaching

1 前言

《汽車理論》課程作為車輛工程及相關專業核心課程，授課內容主要涵蓋汽車動力性、燃油經濟性、制動性、操縱穩定性以及平順性等模塊。傳統的授課方式主要依托教材、教學PPT等工具及方法，對于學生而言很難快速掌握相關理論基礎[1]。因此，有必要在教學方法、教學工具等方面作出探索創新，以達到更高的教學質量及學習效果，許多學者也開展了形式多樣的教學方法改革，既有成績，也有不足[2-4]。本文為提高《汽車理論》課程的教學效果，利用CarSim軟件建立基于圖形用戶界面（GUI）的汽車動力學仿真模型。一方面在軟件中根據自己的要求設置相應的參數，直觀清晰地查看相應的響應情況，加深對知識點的理解；另一方面，該輔助軟件也能激發學生的學習興趣，提高學生的主觀能動性，從而達到較好的教學效果。

2 CarSim仿真軟件介紹

CarSim是由Mechanical Simulation Corporation開發的專門用于車輛動力學性能仿真的軟件[5]。CarSim可以準確模擬各種車輛的動態性能，包括乘用車、卡車、公交車和競賽車等不同類型，軟件采用圖形化的用戶交互界面，如圖1所示。

CarSim可以模擬汽車在不同道路條件下的動力學表現，例如模擬車輛懸掛系統的動態響應，包括懸掛剛度、減震器性能等方面的影響；模擬不同類型的路面條件，以評估車輛在不同路況下的性能表現；模擬駕駛員的行為操作，以評估駕駛員對車輛性能的影響；模擬車輛在碰撞情況下的動態響應；評估車輛的穩定性，以提供安全性參考；評估車輛的燃油效率，以幫助優化車輛設計和駕駛策略；還通過模擬不同車輛參數和配置的影響，幫助優化車輛的性能[6]。CarSim被廣泛運用于汽車工程領域的設計、驗證和優化過程中，CarSim的優勢在于其高精度的車輛動態行為模擬能力，以及與其他軟件（如Simulink）的簡便集成，這使得它在車輛系統研究與開發領域起著重要作用。

3 基于CarSim軟件的建模仿真

利用CarSim進行汽車理論相關模擬實驗要先收集車輛參數，再建立車輛模型，包括車輛的動力系統、傳動系統、懸掛系統等。根據車輛參數設置車輛的初始狀態，設定車輛的行駛條件，最后設定仿真時間及條件，進行仿真分析。以汽車行駛過程中滾動阻力分析為例，傳統的教學方式難以將汽車行駛滾動阻力的影響因素及關系清晰表達。

利用CarSim軟件進行汽車行駛滾動阻力的仿真分析，通過模擬車輛在不同行駛條件下的動力系統輸出和車輛的運動狀態，得到汽車的滾動阻力數據和分析結果。本次設計首先通過CarSim軟件收集了仿真結果的數據，包括輸入參數、輸出結果以及其他相關信息;再利用Matlab繪制圖表、圖形和統計圖表等可視化工具，將數據可視化，以便更直觀地理解數據之間的關系和趨勢。根據數據分析的結果，解釋仿真結果的含義，結合教材內容進行講解。

在本次設計模擬中，采用的實驗車型是E級-SUV車型，如圖2所示。

影響汽車行駛滾動阻力的因素主要有汽車質量、接觸面的摩擦力以及輪胎尺寸。因此，把汽車質量、路面的摩擦力，以及輪胎尺寸作為變量，仿真分析汽車滾動阻力變化關系，如表1所示，其他數據設定保持一致。

3.1 汽車質量與滾動阻力影響分析

圖3為汽車質量與滾動阻力關系圖。分析圖3得知，汽車的質量與汽車行駛時的滾動阻力成正比，汽車的質量越大，則汽車行駛時的滾動阻力越大。這是因為物體的質量增加會導致物體的慣性增加，從而需要更大的力來克服阻力。

3.2 路面摩擦力與滾動阻力影響分析

圖4為路面摩擦因數與滾動阻力的關系圖。可以看出，當路面的摩擦因數增大時，滾動阻力也會增大。這是因為路面摩擦力會使物體在滾動時受到更大的阻力，從而增加滾動阻力的大小。相反，當路面的摩擦因數減小時，滾動阻力也會減小。

3.3 輪胎尺寸與滾動阻力影響分析

圖5為輪胎尺寸與滾動阻力的關系圖。可以看出，一般情況下，汽車輪胎半徑越大可能滾動阻力越大。半徑越大意味著與地面接觸面的縱向尺寸也越大，垂向合力與輪心的偏距可能也會越大。相較于汽車質量以及路面摩擦力來說，汽車輪胎半徑大小對于汽車行駛阻力的影響并不明顯。

利用CarSim軟件進行仿真實驗﹐不僅使原本比較枯燥的理論教學變得形象生動、直觀易解，鍛煉學生對理論知識的活學活用﹐而且使學生結合專業知識的學習學會軟件的使用方法﹐拓寬了學生的專業技能，提高了學生的學習興趣，激發了學生的學習熱情，增強了學生處理實際問題的能力，進一步提高了學生的學習積極性和工程應用能力。

4 基于CarSim仿真的教學效果

4.1 綜合成績比較

為準確評價在《汽車理論》課程教學中引入CarSim軟件進行仿真實驗后的教學效果，課程組在總結學生作業完成情況﹑理論考核情況的基礎上，對教學中的不同授課對象與教學環節進行科學、準確的評價分析。對學生的學習成績進行綜合評分，各部分成績占比如圖6所示，取最終兩組學生考核成績平均值比較，結果如2所示。數據顯示，基于CarSim軟件混合式教學模式班的成績高于傳統教學班，因此混合式教學模式的教學效果更好。

4.2 畢設效果

筆者所在學院課程組教師在車輛工程專業及汽車服務工程專業畢業生的畢業設計環節中，選取了部分學生利用CarSim軟件進行車輛性能仿真、動力系統匹配及傳動裝置參數選取等方面的課題進行研究，多名學生在畢業答辯中取得優異成績。

5 結語

結合計算機仿真軟件的優勢，將《汽車理論》課程中抽象難懂的知識點借助CarSim軟件圖形化的用戶交互及仿真界面生動直觀的表達，對仿真輸出結果進行分析，結合教材理論知識點講解。結果表明，基于CarSim軟件仿真的《汽車理論》課程教學有助于提高課堂教學效果，提高學生對知識點的理解和掌握運用，能夠有效提高學生學習成績及綜合能力，培養學生對專業領域研究的興趣和基礎。

參考文獻：

[1]郝慧榮，張慧杰，吉平，等.基于思維導圖和MATLAB仿真實驗的“汽車理論”混合式教學模式[J].實驗室科學，2019，22（4）：91-94.

[2]彭晗，張延博，劉佳慧.基于OPBL和OLBL的汽車理論混合教學模式研究[J].中國教育信息化，2018（6）：41-43.

[3]趙冉.汽車理論課程教學改革的探索[J].大學教育，2017（10）：63-65.

[4]李美華，姜莉，劉征，等.項目教學法在汽車理論課程教學中的應用[J].內燃機與配件，2018（21）：249-250.

[5]黃曉明，劉澤宇，洪正強.基于CarSim仿真軟件的匝道路面摩擦系數研究[J].重慶交通大學學報（自然科學版），2023，42（9）：27-35.

[6]黃曉明，洪正強.基于CarSim軟件的道路安全評價技術的現狀與展望[J].重慶交通大學學報（自然科學版），2022，41（10）：1-6.

作者簡介：

邱健斌，男，1995年生，助教，研究方向為智能網聯汽車、道路交通安全。

何倩（通訊作者），女，1996年生，助教，研究方向為旋轉機械故障診斷。