汽车理论

一、课程介绍

《汽车理论》是面向汽车学院车辆工程专业与工业设计本科生开设的专业教育课程必修课。通过对汽车各主要使用性能的含义、评价指标、评价方法及影响因素等知识点的讲授，使学生掌握运用动力学分析的原理建立汽车模型、并对模型进行数学推导来研究汽车运动规律的方法，具备一定的综合运用所学知识分析和解决与汽车理论相关的复杂工程问题的能力，为今后继续深造或在车辆工程及相关领域从事设计、制造、实验、科研和教学等工作打下坚实的基础。

Introduction

 

“Automotive Theory” is a specialized compulsory course for undergraduates majoring in Vehicle Engineering and Industrial Design of Auto College. By teaching the definitions, the indexes, the evaluation methods and the influence factors of vehicles’ performances, the course ensures students the ability to set up a dynamic model and study the automotive movement properties with the model. With the course taken, students will also get the ability to analyse and solve certain complex engineering problems related to Automotive Theory. And the knowledge in the course will become a solid foundation for the further study or work on the design, manufacture, test, research and teaching in automotive engineering and some related fields.

课程基本信息

 

二、教学大纲

1、教学目标

1.1 教学目标

掌握汽车使用性能的含义、评价指标、评价方法与影响因素等汽车理论专业知识；应用汽车理论专业知识建立汽车性能预测模型；应用汽车理论专业知识设计实验、分析和解释数据进而综合获得有效结论；应用汽车理论专业知识设计复杂车辆工程问题解决方案时，能够充分考虑汽车使用性能法规所涉及的试验方法与性能指标的影响。

本课程达成如下业务能力培养要求：

1. 能够掌握汽车理论知识；应用汽车理论知识设计/开发复杂车辆工程问题解决方案。

须要掌握并应用的汽车理论知识包括：

(1)汽车使用性能的概念与评价指标；

(2)基于动力学原理的汽车性能预测模型；

(3)汽车使用性能评价指标参数计算方法；

(4)人-车-路环境参数对汽车使用性能影响规律；

(5)改善汽车性能的设计和使用方面的原则和方法。

2. 能够针对复杂工程问题，应用汽车理论知识进行实验研究并获得科学有效结论。

须具备的汽车使用性能实验研究能力包括：

(1)基于汽车理论的原理和方法进行汽车动力性实验研究的能力；

(2)基于汽车理论的原理和方法进行汽车燃油经济性实验研究的能力；

(3)基于汽车理论的原理和方法进行汽车制动性实验研究的能力；

(4)基于汽车理论的原理和方法进行汽车操纵稳定性实验研究的能力；

(5)基于汽车理论的原理和方法进行汽车平顺性实验研究的能力。

3. 能够在应用汽车理论知识设计复杂车辆工程问题解决方案时，充分考虑汽车使用性能的试验方法（包括计算方法）与性能指标的影响。

(1) 汽车动力性、燃油经济性、制动性、操纵稳定性、平顺性等使用性能的计算分析方法；

(2) 汽车动力性、燃油经济性、制动性、操纵稳定性、平顺性等使用性能的实验研究方法。

1.2 教学目标与毕业要求指标点对应关系

表1 教学目标与毕业要求指标点对应关系

2、教学要求

教师要积极备课，认真准备课程实验与课程作业；在课堂内进行大纲解读，使学生清楚本课程具体的课程目标，通过该课程的学习应掌握的知识和获得的能力；对课程内容要融会贯通，切忌照本（幕）宣科。注重知识的拓展，并在课堂上加强思政教育。

通过课堂理论教学，结合课程实验和课程作业，使学生掌握汽车理论的知识，具备分析与解决车辆工程领域复杂工程问题、并充分考虑相关问题的能力。

成绩评价体系标准真实、严谨、公平、公正、公开，能促进学生学习的积极性。

3、预备知识或先修课程要求

《高等数学》，《理论力学》，《汽车构造》等课程。
4、教学方式

表2教学方法（与教学目标对应）

教学方法	教学目标
理论知识部分，以课堂讲授为主，辅以自主学习和问题讨论；课程实验采取综合性实验和设计性实验方式；课程作业采取自主完成的独立大作业方式。	教学目标1：能够掌握汽车理论知识；应用汽车理论知识设计/开发复杂车辆工程问题解决方案。
	教学目标2：能够针对复杂工程问题，应用汽车理论知识进行实验研究并获得科学有效结论。
	教学目标3：能够在应用汽车理论知识设计复杂车辆工程问题解决方案时，充分考虑汽车使用性能的试验方法（包括计算方法）与性能指标的影响。

5、实验环境和设备

安全、平整、开阔的实验道路和符合技术标准要求的实验室。具体仪器、设备，详见表4。

6、课程教学内容及学时分配

6.1课程内容

0、大纲解读。

向学生解读教学大纲，帮助学生理解课程目标（应掌握知识与具备能力）及其达成途径（课堂授课、课程作业与课程实验），并帮助学生建立课程学习、课程考核与各项能力达成之间的关系；引导学生在课程学习中自查学习行为，调整学习方法并达成学习效果。

1、能够掌握汽车理论知识。

第一章  汽车的动力性（8学时）

第一节  概述

知识点1 汽车理论导言

知识点2 汽车动力性的含义与评价指标

知识点3 评价指标的灵活性

第二节  汽车驱动动力学分析

知识点1 汽车的驱动力

知识点2 驱动力的影响因素

知识点3 滚动阻力与滚动阻力系数

知识点4 空气阻力

知识点5 坡度阻力与道路阻力

知识点6 旋转质量换算系数的推导

知识点7 汽车的真实受力分析与受力平衡方程

知识点8 汽车的功率平衡

第三节  汽车动力性的分析计算方法

知识点1 用于动力性分析的曲线图

知识点2 最高车速的求解

知识点3 加速时间的计算和处理

知识点4 爬坡度图与最大爬坡度的精确解

第四节  附着问题

知识点1 汽车行驶的附着条件与附着率

知识点2 一般工况下的车轮地面法向力

知识点3 作用在驱动轮上的地面切向力

知识点4 加速爬坡时的附着率分析

知识点5 高速行驶时的附着率分析

本章重点、难点：汽车一般工况的受力分析；汽车行驶方程式的建立；利用受力平衡和功率平衡思想计算动力性评价指标；附着率与附着系数的关系、典型工况的附着率计算。

第二章  汽车的燃油经济性（3学时）

第一节  概述

知识点1 燃油经济性的含义和评价指标

知识点2 燃油经济性的评价工况

第二节  汽车燃油经济性的分析计算方法

知识点1 万有特性与负荷特性

知识点2 不同工况燃油消耗量的计算

知识点3 燃油经济性的影响因素

知识点4 设计方面提高燃油经济性的途径

知识点5 使用方面提高燃油经济性的途径

第三节 电动汽车动力性和能量经济性评价方法

知识点1 电动汽车的基本分类和性能特点

知识点2 电动汽车的动力性基本评价方法

知识点3 电动汽车的能量经济性基本评价方法

本章重点、难点：燃油消耗量与功率平衡的关系；典型工况燃油消耗量的计算；汽车燃油经济性的影响因素与提高途径。

第三章  汽车动力装置的特性设计和参数选取 （3学时）

第一节  发动机特性和重要参数的确定

知识点1 最大功率的选取

知识点2 油耗特性的讨论

第二节  传动系传动比的确定

知识点1 传动系匹配功能概述

知识点2 传动比数目和间隔

知识点3 最大传动比和最小传动比的选取

第三节  换挡规律分析

知识点1 动力性换挡规律

知识点2 燃油经济性换挡规律

本章重点、难点：利用预期车速和比功率初选发动机功率；最小传动比与汽车动力性、燃油经济性的关系；最大传动比的考虑因素；传动系挡位数目和数值的确定原理。

第四章  汽车的制动性（8学时）

第一节  汽车制动性的含义和评价指标

知识点1 含义与评价指标

第二节  制动力分析

知识点1 制动器制动力、地面制动力与附着力

知识点2 地面附着系数的变化

第三节  制动效能的评价

知识点1 制动过程分析

知识点2 制动距离及其影响因素

知识点3 制动减速度

第四节  制动时汽车方向稳定性的研究

知识点1 汽车的制动跑偏及其影响因素

知识点2 制动时侧滑与失去转向能力

第五节  前、后轮制动器制动力的分配对汽车制动性的影响

知识点1 车轮抱死次序的讨论

知识点2 β线

知识点3 轴荷转移与I曲线

知识点4 同步附着系数及其影响因素

知识点5 f线组与r线组

知识点6 利用制动力变化曲线分析制动过程

知识点7 利用附着系数与制动效率、相关法规

知识点8 制动器制动力的调节

第六节 抗制动衰退的性能

知识点1 抗制动衰退性能

本章重点、难点： 制动器制动力、地面制动力和附着力的关系；附着力（变化规律）的不同理解；制动距离的计算和影响因素；汽车制动时失去方向稳定性的原因；分析制动力分配合理性的几种曲线（组）及其运用；利用附着系数与制动效率；热稳定性问题。

第五章  汽车的操纵稳定性（14学时）

第一节  概述

知识点1 基本概念和主要研究内容

知识点2 评价指标体系

知识点3 研究模型与评价方法

知识点4 理想的转向运动关系

第二节  轮胎的侧偏特性

知识点1 侧偏现象

知识点2 侧偏特性

知识点3 侧偏特性的影响因素

第三节  线性二自由度汽车模型的建立

知识点1 物理模型的简化

知识点2 微分方程的推导

知识点3 汽车系统输入与响应特性的定义

第四节  线性二自由度汽车模型的稳态响应特性

知识点1 稳态响应的数学描述

知识点2 稳态响应的三种类型、基本表述

知识点3 稳态响应的其他表述方法与评价参数

第五节  线性二自由度汽车模型的瞬态响应特性和频率响应特性

知识点1 非稳态响应的基本数学模型

知识点2 瞬态响应的稳定条件

知识点3 瞬态响应品质的评价

知识点4 频率响应特性简介

知识点5 利用频率响应特性评价汽车的操纵稳定性

第六节  对线性二自由度汽车模型的修正

知识点1 总论

知识点2 侧倾与侧倾轴线

知识点2 侧倾力矩

知识点3 侧倾角刚度

知识点4轮胎地面法向力的变化对汽车操纵稳定性的影响

知识点5车轮外倾角的改变对汽车操纵稳定性的影响

知识点6轮胎地面纵向力的变化对汽车操纵稳定性的影响

第七节  对线性二自由度汽车模型的补充

知识点1 侧倾转向

知识点2 侧倾干涉转向

知识点3 变形转向

知识点4 回正力矩的影响

第八节  路感与侧翻

知识点1 路感

知识点2 侧翻

本章重点、难点：汽车操纵稳定性的含义和研究内容；典型行驶工况与驾驶员输入特性；轮胎的侧偏特性及影响因素；线性二自由度汽车模型的建立；利用线性二自由度汽车模型评价汽车的稳态响应；瞬态响应和频率响应特性；对线性二自由度汽车模型的修正；对线性二自由度汽车模型的补充。

第六章  汽车的平顺性（9学时）

第一节  综述

知识点1 平顺性的定义、研究内容和研究方法

知识点2 平顺性的振动响应量

知识点3基于试验标准的平顺性的评价方法

第二节  路面激励的统计特性

知识点1 路面不平度及其空间频率的功率谱密度

知识点2 时间频率的谱密度

知识点3 速度谱和加速度谱

第三节  单质量系统模型的平顺性分析

知识点1振动响应量的定量计算的基本原理

知识点2 振动系统的简化

知识点3 单质量系统的数学模型、固有频率和阻尼比

知识点4 振动响应量的功率谱密度分析

知识点5 悬架系统参数的选取

第四节  其他振动模型的平顺性分析

知识点1 双质量系统的数学模型

知识点2 响应量均方根值计算的基本原理与流程

知识点3 车辆系统参数对平顺性振动响应量的影响

知识点4 三质量系统的平顺性分析

知识点5 电控悬架简介

本章重点、难点：平顺性的系统分析方法；基于试验方法的平顺性评价；路面谱；汽车振动系统逐级简化的条件；振动响应量的定量计算原理；以单质量系统模型评价汽车的平顺性；多质量模型的传递特性；汽车参数对平顺性的影响趋势。

第七章  汽车的通过性（1学时）

第一节  概述

知识点1 通过性的含义、研究内容与特点

第二节 几何通过性

知识点1 与几何通过性有关的车辆参数

本章重点、难点：通过性的定义和评价指标体系。

2、能够将汽车理论知识应用于设计/开发复杂车辆工程问题解决方案，并能够考虑汽车使用性能的计算方法与性能指标的影响。

(1)具备基于汽车理论的原理和方法进行汽车动力性分析计算的能力

教学内容：运用汽车受力平衡方程及驱动力-行驶阻力平衡图等求解汽车动力性评价指标，包括最高车速、加速时间、最大爬坡度。

(2)具备基于汽车理论的原理和方法进行汽车燃油经济性分析计算的能力

教学内容：能够运用汽车功率平衡方程式及发动机燃油经济特性求解汽车等速工况和循环工况的燃油经济性。

(3)具备基于汽车理论的原理和方法进行汽车制动性分析计算的能力

教学内容：能够运用制动工况下汽车受力分析平衡方程求解汽车制动距离，绘制制动效率曲线、制动力分配曲线和利用附着系数曲线；能够运用制动效率曲线分析汽车的制动效率；能够运用利用附着系数曲线、制动力分配曲线分析制动的方向稳定性。

(4)具备基于汽车理论的原理和方法进行汽车操纵稳定性分析计算的能力

教学内容：能够运用线性二自由度汽车动力学模型的运动微分方程，求解汽车稳态响应和瞬态响应参数，绘制横摆角速度增益曲线，计算横摆系统频率响应特性参数。

(5)具备基于汽车理论的原理和方法进行汽车平顺性分析计算的能力

教学内容：能够运用汽车振动系统动力学方程求解车身加速度、悬架动挠度、车轮—地面相对动载的功率谱密度和均方根等平顺性评价指标。

3、能够将汽车理论知识应用于设计/开发复杂车辆工程问题解决方案，并能够考虑汽车使用性能的试验方法与性能指标的影响。

(1)具备基于汽车理论的原理和方法进行汽车动力性实验研究的能力

教学内容：

1) 汽车驱动特性实验：进行底盘测功机上的驱动特性实验。学生参与车辆在转鼓上的定位和调整，冷却、安全保障机构的设置，测试汽车驱动轮输出转矩随车速的变化规律、汽车驱动轮驱动转矩（驱动力）与变速器档位的关系。

2) 汽车动力性实验：进行道路上的动力性实验。学生参与GPS非接触速度仪的安装与测试系统连接，进行汽车动力性能评价指标的测试、绘制汽车动力性能曲线并计算结果。

(2)具备基于汽车理论的原理和方法进行汽车燃油经济性实验研究的能力

教学内容：

1) 汽车燃油经济性实验：学生设计实验方案，在教师指导下独立完成汽车整车道路燃料经济性实验。进行百公里燃油消耗量的计算和绘制百公里油耗特性曲线。分析影响汽车燃油经济性的主要因素和实验中出现的其他问题。

(3)具备基于汽车理论的原理和方法进行汽车制动性实验研究的能力

教学内容：

1) 汽车制动性实验：学生参与实验车的测速仪器安装和踏板力计的安装；进行汽车冷态制动性能实验，由学生进行实验工况设计、实验数据记录、实验数据处理和分析。

(4)具备基于汽车理论的原理和方法进行汽车操纵稳定性实验研究的能力

教学内容

1) 汽车操纵稳定性实验：实验教师与学生共同进行汽车操纵稳定性实验。学生参与实验车的GPS非接触速度仪、汽车操纵稳定性测试仪和转向力角仪的安装及圆周行驶轨迹的预设。由学生进行实验数据记录和结果分析，进行固定转向盘转角的稳态回转实验，评价汽车的稳态转向特性。

(5)具备基于汽车理论的原理和方法进行汽车平顺性实验研究的能力

教学内容

1) 汽车平顺性实验：了解“压电传感器-前置放大器-数据采集仪”系统的工作原理和信号的转换流程。进行路面随机输入的平顺性行驶实验，由学生设计实验方案，进行传感器的布置、实验工况监测和加速度信号的记录，并作频域分析与计算。绘制车速特性曲线。分析影响汽车平顺性的主要因素和实验中出现的其他问题。

6.2教学内容与教学目标对应关系

表3 教学内容与教学目标对应关系

7、实验项目内容、学时分配、实验小组

表4实验项目一览表

序号	实验项目	内容提要	实验 类型	学时 分配	主要仪器 设   备	实验 地点	考核 形式
1	汽车驱动特性实验	进行底盘测功机上的驱动性能实验。学生参与车辆在转鼓上的定位和调整，冷却、安全保障机构的设置，测试汽车驱动轮输出扭矩随车速的变化规律、汽车驱动轮驱动力与变速器档位的关系。	综合性	1	底盘测功机、实验车	汽车性能实验室	现场操作和实验报告
2	汽车动力性实验	进行道路上的动力性试验。学生参与GPS非接触速度仪的安装与测试系统连接，进行汽车动力性能评价指标的测试、绘制汽车动力性能曲线与结果计算。	综合性	1	GPS非接触速度仪、实验车、综合气象观测仪。	室外道路	现场操作和实验报告
3	汽车燃油经济性实验	教师演示与学生动手结合，学生独立完成汽车整车道路燃料经济性实验。进行百公里燃油消耗量的计算和绘制百公里油耗特性曲线。分析影响汽车燃油经济型的主要因素。	设计性	2	电喷流量计、GPS非接触速度仪，实验车、综合气象观测仪。	室外道路	设计方案、现场操作和实验报告
4	汽车制动性实验	进行制动性试验。学生参与实验车的测速仪器安装和踏板力计的安装；进行汽车冷态制动性能实验，由学生进行实验工况设计、实验数据记录、实验数据处理和分析。	综合	1	GPS非接触速度仪 、踏板力计 、实验车 、综合气象观测仪	室外道路	现场操作和实验报告
5	汽车操纵稳定性实验	实验教师与学生共同进行汽车操纵稳定性实验。学生参与实验车的GPS非接触速度仪、汽车操纵稳定性测试仪和转向力角仪的安装及圆周行驶轨迹的预设。由学生进行实验数据记录和结果分析，进行汽车操纵稳定性稳态回转实验，评价汽车的稳态转向特性。	综合	1	GPS非接触速度仪、汽车操纵稳定性测试仪、转向力角仪度仪、方向盘锁止装置、实验车	室外道路	现场操作和实验报告
6	汽车平顺性实验	了解“压电传感器-前置放大器-数据采集仪”系统的工作原理和信号的转换流程。进行路面随机输入的平顺性行驶实验，由学生进行传感器的布置、实验工况监测和加速度信号记录，并作频域分析与计算。绘制车速特性曲线。	设计	2	SD-1409加速度传感器、SD-5A电荷放大器、数据采集分析系统、实验车	室外道路	设计方案、现场操作和实验报告

 

8、考核要求、考核方式及成绩评定标准

8.1考核方法

表5考核方法（与教学目标对应）

8.2考核标准

表6 考核标准

8.3成绩评定

（1）期末考试

采用百分制。由教师根据标准答案评阅，给出成绩。

（2）课程实验

采用百分制。课程实验成绩包括：现场操作成绩（40分）、实验报告成绩（60分）

表7 《汽车理论》课程实验评分标准

（3）课程作业

采用百分制。由教师根据参考答案评阅，给出成绩。

（4）成绩评定

采用百分制。总评成绩=期末考试成绩×70%+课程实验成绩×15%+课程作业成绩×15%。