學(xué)以致用為目的的汽車理論教學(xué)內(nèi)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(yè)非常重要的一門專業(yè)課，不僅理論性強，而且實用性也很強，其內(nèi)容是汽車設(shè)計、汽車應(yīng)用和汽車試驗的重要理論依據(jù)。文章詳細分析了汽車理論的具體內(nèi)容，以汽車動力性、汽車操縱穩(wěn)定性和汽車平順性中部分章節(jié)為例詳細探索了以“正確地設(shè)計汽車、合理地使用汽車、科學(xué)地試驗汽車”為教學(xué)目的組織教學(xué)內(nèi)容的具體操作辦法，從而為汽車理論課程教學(xué)內(nèi)容的組織提供了重要的參考。

關(guān)鍵詞 汽車理論 學(xué)以致用 設(shè)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(dǎo)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的實施和應(yīng)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(xiàn)在運輸生產(chǎn)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(yè)一門專業(yè)核心課程。目前，汽車理論教材普遍采用清華大學(xué)余志生主編的第五版，③內(nèi)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(jīng)濟性，第三章為汽車動力裝置參數(shù)的選定，第四章為汽車的制動性，第五章為汽車的操縱穩(wěn)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(wěn)定性、平順性的提高可以提高運輸生產(chǎn)效率；燃油經(jīng)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(wěn)定性與安全、舒適方便地運輸密切相關(guān)。④

汽車理論的具體內(nèi)容是在分析汽車運動的基本規(guī)律基礎(chǔ)上，以理論分析和實驗研究相結(jié)合的方法，研究汽車的主要使用性能和結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的內(nèi)在聯(lián)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(shè)計汽車，合理地使用汽車以及科學(xué)地試驗汽車的途徑。因此在教學(xué)內(nèi)容上要緊緊扣住“正確地設(shè)計汽車、合理地使用汽車、科學(xué)地試驗汽車”這一目的，讓學(xué)生學(xué)了汽車理論之后能夠真正體會到如何正確地設(shè)計汽車、合理地使用汽車、科學(xué)地試驗汽車，從而達到學(xué)以致用的目的。

1 以“正確地設(shè)計汽車”這一目的組織教學(xué)內(nèi)容

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

表1 主要設(shè)計參數(shù)

第一步，需要計算電機參數(shù)，首先是電機的功率需要取多大才能滿足動力性參數(shù)呢，這就需要用到動力性中發(fā)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(dāng)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(yīng)用教材（3-1）式即式（1）計算達到最高車速需要的功率；當(dāng)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(qū)動電機功率 = （，） = 33.141（kW），取35kW。

第二步，需要對輪邊最大轉(zhuǎn)矩進行估算，初取輪胎半徑 = 400mm。

若是4輪驅(qū)動，單輪驅(qū)動轉(zhuǎn)矩為1420.8/4=355.2（N.m）

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

驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速為 = = = 3342，取3500rpm，

此時對應(yīng)車速為： = = 140>100km/h，滿足動力性要求。

第四步，可以根據(jù)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(shè)計例子可以方便地在網(wǎng)絡(luò)上進行下載，通過這樣的例程，讓學(xué)生深刻體會怎么著手去設(shè)計汽車的動力性，從而達到“正確地設(shè)計汽車”這一目的。

2 以“合理地使用汽車”這一目的組織教學(xué)內(nèi)容

汽車理論中實際上各個章節(jié)都與汽車使用息息相關(guān)，而用戶本身最關(guān)心的油耗、安全相關(guān)的理論在教材中占了很大比例，如第二章汽車的燃油經(jīng)濟性、第四章汽車的制動性和第五章汽車的操縱穩(wěn)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(chǔ)，例如對于汽車的操縱穩(wěn)定性，主要就是研究汽車實際轉(zhuǎn)向行駛軌跡與駕駛員期望轉(zhuǎn)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(yù)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(zhuǎn)向效果來組織教學(xué)內(nèi)容。由于輪胎是彈性體、再加上懸架等各大系統(tǒng)的影響，汽車實際最終轉(zhuǎn)向時的實際轉(zhuǎn)向效果由四部分組成，即：

汽車最終的轉(zhuǎn)向效果 = 駕駛員的意圖 + 彈性側(cè)偏角 + 側(cè)傾轉(zhuǎn)向角 + 變形轉(zhuǎn)向角。

因此，操縱穩(wěn)定性部分內(nèi)容主要就是汽車最終轉(zhuǎn)向效果的四部分。

2.1 駕駛員的意圖

當(dāng)路面出現(xiàn)彎道時，駕駛員出現(xiàn)轉(zhuǎn)向意圖，第一反應(yīng)就是打方向盤，就會得到一個前輪轉(zhuǎn)角，同時汽車會產(chǎn)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(zhuǎn)角之間的關(guān)系如式（4）所示。

圖1 駕駛員轉(zhuǎn)向意圖簡化模型

圖2 考慮彈性側(cè)偏特性簡化模型

因此，這部分內(nèi)容重點組織駕駛員執(zhí)行轉(zhuǎn)向意圖后人—車閉環(huán)系統(tǒng)如何表征、描述和評價。

2.2 彈性側(cè)偏角

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

= （5）

因此，這部分內(nèi)容重點組織輪胎彈性側(cè)偏特性及側(cè)偏角的產(chǎn)生、側(cè)偏特性的影響因素、考慮輪胎側(cè)偏特性的線性二自由度模型前輪角階躍輸入下的響應(yīng)，重點包括穩(wěn)態(tài)響應(yīng)和瞬態(tài)響應(yīng)。穩(wěn)態(tài)響應(yīng)部分重點討論轉(zhuǎn)向半徑、轉(zhuǎn)向靈敏度、穩(wěn)定性因素、特征車速或臨界車速、前后輪側(cè)偏角絕對值之差、轉(zhuǎn)向半徑比、靜態(tài)儲備系數(shù)這7個表征穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的參數(shù)如何表征穩(wěn)態(tài)響應(yīng)及穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的量；瞬態(tài)響應(yīng)重點圍繞響應(yīng)的顯性解、顯性解穩(wěn)定收斂的條件及響應(yīng)品質(zhì)展開。

2.3 側(cè)傾轉(zhuǎn)向角和變形轉(zhuǎn)向角

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

3 以“科學(xué)地試驗汽車”這一目的組織教學(xué)內(nèi)容

汽車理論講述的各大性能的分析和評價數(shù)據(jù)都必須要通過測量和試驗得到，而在進行汽車相關(guān)性能試驗時，必須有相關(guān)理論作指導(dǎo)，因此在組織教學(xué)內(nèi)容時可以重點突出科學(xué)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(tǒng)中各部件振動參數(shù)（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(shù)據(jù)主要用于對振動系統(tǒng)的設(shè)計、優(yōu)化和驗證，后者試驗數(shù)據(jù)主要用于平順性的分析和評價。

3.1 汽車振動系統(tǒng)中各部件參數(shù)的測量試驗

汽車振動系統(tǒng)中各部件參數(shù)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(shù)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(shè)備，其相關(guān)的理論基礎(chǔ)就是汽車振動系統(tǒng)模型和固有頻率和阻尼比等參數(shù)對振動系統(tǒng)特性的影響，教學(xué)內(nèi)容可以圍繞這些重點展開。如汽車懸架系統(tǒng)部分固有頻率和阻尼比的測量，正是用到單質(zhì)量和雙質(zhì)量系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)中各部件參數(shù)的測量試驗往往在室內(nèi)臺架上進行，這就會涉及到室內(nèi)試驗臺架的設(shè)計和選擇問題，在設(shè)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(tǒng)計特征相關(guān)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(tǒng)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(nèi)容可以重點圍繞典型路面不平度統(tǒng)計特征分析方面進行。

3.2 汽車振動響應(yīng)輸出的測量試驗

對于汽車振動響應(yīng)輸出的測量試驗主要在室外道路上進行，其主要內(nèi)容就是測量傳感器的選取及測點布置，測量參數(shù)的設(shè)置和測量路面，以及測量數(shù)據(jù)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(yīng)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(shù)、數(shù)據(jù)分析方法等。

4 結(jié)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(guān)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(jié)為例，詳細探索了以“正確地設(shè)計汽車、合理地使用汽車、科學(xué)地試驗汽車”為教學(xué)目的組織教學(xué)內(nèi)容的具體操作辦法，旨在拋磚引玉，為汽車理論教學(xué)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(yè)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(xué)效果的方法研究.教學(xué)研究，2013.36（3）：72-74.