赛车动力学理论与设计

一、课程介绍

《赛车动力学理论与设计》，是车辆工程和工业设计专业本科生的专业选修课。通过讲授各类赛车的基本动力学理论、性能开发目标、底盘及动力总成设计方法、赛车驾驶技巧、以及汽车运动的历史沿革和发展趋势，扩展学生的知识广度，使学生建立运用动力学原理分析性能并指导设计的意识、掌握汽车关键性能的评价指标和测试方法、了解汽车运动所带来的文化现象与社会影响，从而锻炼学生综合运用所学知识分析复杂问题并提出解决方案的能力，为其同步学习《汽车理论》和后续学习《汽车设计》等课程奠定基础，也为其今后从事汽车产品开发或技术研究或参与赛车运动等工作创造有利条件。

Introduction

 

“Racecar Vehicle Dynamics Theory and Design” is a specialized elective course of the automotive engineering and the vehicle-body engineering undergraduate students. Through teaching the basic dynamics theory, development goals, design methods, technical routes, historical evolution and development trend of racecars, students will expand their breadth of knowledge, establish to use dynamic principles to analyze performance and guide design, grasp evaluation indicators and test methods of automobiles, understand the cultural phenomena and social influences brought by motorsports. In this course, students will use their knowledge to analyze complex problems and get the ability to make solutions. A favorable conditions will also be created for the further product R&D work or other courses by this course.

 

课程基本信息

 

二、教学大纲

1、教学目标

1.1 教学目标

课程内容以赛车动力学的基本理论与设计方法为主线，融入汽车运动的历史文化知识和竞技驾驶技术，采取教师主题引导与讲授的方式，着重培养学生解决车辆工程领域复杂工程问题的能力。通过本课程的学习，使学生了解汽车运动的发展历程和文化现象，掌握赛车动力学的理论知识和实践方法，并初步具备开展赛车某一总成或关键零部件性能设计的能力。

本课程达成如下业务能力培养要求：

1. 培养学生能够综合应用数学、自然科学和工程科学的科学原理和技术方法，通过文献检索与综述研究分析车辆工程领域中复杂工程问题，以获得有效结论的能力。理解赛车的主要性能需求，基本掌握赛车动力学的基础理,和常见技术手段，明确赛车与普通汽车在评价指标和设计思想上的联系和区别；综合应用动力学原理和相关理论，对赛车某一总成或关键零部件展开参数设计和性能评价。

2. 使学生能够基于工程相关背景知识进行合理分析与评价专业工程实践和复杂工程问题解决方案对社会、健康、安全、法律以及文化的影响，并理解应承担的责任。了解汽车运动的历史沿革和发展脉络，能够从竞技体育和工程技术两个层面上理解赛车技术，进而对汽车运动所带来的各种社会文化现象有一定的认识；初步掌握赛车驾驶的基本规范和操作要领，在此过程中培养公平竞争精神，树立安全驾驶意识。

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，认真准备实验；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。

本课程的内容以赛车的基础理论和设计方法为核心，包括赛车专业领域的轮胎动力学、空气动力学、以及底盘系统动力学等理论，讲授赛车的结构布置、空气动力学装置、悬架等底盘关键系统计、以及动力总成的设计思路及设计方法，还涵盖有汽车运动的发展历程、文化影响、以及赛车驾驶的相关技术与竞技规范。在开展教学工作的过程中，教师应加强理论联系实际，同积极将新技术、新理念引入课堂。

成绩评价体系标准真实、严谨、公平、公正、公开，能促使学生学习的积极性。

3、预备知识或先修课程要求

《汽车构造》《专业综合认知实践》等课程。
4、教学方式

表2教学方法（与教学目标对应）

5、实验环境和设备

学生车队工作室。

Formula Student赛车，汽车四轮称重装置，倾角仪，前束尺，电热箱，真空泵，驾驶模拟器等。

6、课程教学内容及学时分配

6.1课程内容

第一章  汽车运动的发展历程（3学时）

第一节  概述

第二节  早期赛车的技术发展

        第三节  近现代赛车的技术发展

        知识点1 两次世界大战对赛车技术的促进

        本章重点难点：

现代赛车的基本概念、主要分类和核心问题，理解赛车与高性能乘用车或改装车的联系与区别。

 

第二章  赛车的结构布置（3学时）

第一节  赛车的核心性能问题

第二节  赛车质心位置对性能的影响

第三节  赛车的驱动形式

本章重点难点：

赛车的结构布置要求，质心位置和驱动形式对车轮垂向载荷及整车转向特性的影响，掌握赛车弯道行驶过程的纵向力和侧向力变化规律。

 

第三章  赛车的轮胎动力学 （3学时）

第一节  赛车轮胎的基础知识

第二节  赛车轮胎的动力学特性

第三节  赛车轮胎的应用问题

第四节 轮胎动力学特性对整车特性的影响

本章重点难点：

赛车轮胎在纵向和侧向的动力学特性，理解斜交轮胎和子午线轮胎的性能差异，掌握轮胎滑移率、侧偏角和侧偏刚度的定义，掌握轮胎垂向载荷对侧偏刚度的影响，理解典型轮胎的纵向力-滑移率曲线、侧偏力-侧偏角曲线和自回正力矩-侧偏角曲线。

 

第四章  赛车的空气动力学（2学时）

第一节  赛车空气动力学的基础知识

第二节 负升力装置的结构形式

第三节 气动性能与整车的匹配设计

本章重点难点：

赛车常用空气动力学装置的结构和原理，气动性能与赛车整车的性能匹配方法，能够根据给定的气动性能参数和风圧中心位置计算车轮的垂向载荷分布，了解负升力翼的失速现象以及避免失速的方法。

 

第五章  赛车的底盘设计（4学时）

第一节  赛车悬架的运动学设计

        第二节  赛车悬架的刚度特性

        第三节  赛车悬架的阻尼特性

第四节  转向系统的几何设计

第五节  制动系统的设计

本章重点难点：

理解赛车悬架、转向、制动三大底盘系统的性能指标、设计依据、以及性能设计和参数设计的基本方法；理解车轮定位参数、侧倾中心、悬架线刚度、悬架侧倾角刚度、临界阻尼、阻尼比、阿克曼几何等汽车底盘基本概念；了解几何抗俯仰结构、可调横向稳定杆、第三弹簧、互联减震器、制动力分配调节装置等赛车常用设计的原理和作用。

 

第六章  赛车的动力总成设计（3学时）

第一节  赛车发动机

第二节  赛车变速器

第三节  限滑差速器

第四节  新能源赛车的动力总成

本章重点难点：

理解赛车对发动机输出特性的主要需求，掌握提升发动机动力性能的主要方法；理解限滑差速器锁紧系数的定义，能够绘制赛车的理想驱动力供应特性曲线、计算在限滑差速器作用下的整车横摆力矩；了解各种新能源赛车的结构特点和工作原理

 

第七章  赛车的驾驶与安全（2学时）

第一节  赛车的驾驶技巧

        第二节  赛车的安全装备

        本章重点难点：

了解赛车在过弯、制动、加速、挡位控制等过程中涉及的技术动作，理解其目的和原理；了解赛车服、头盔、手臂束缚带等车手装备的重要作用，以及防滚架、多点式安全带、Halo装置等车载安全装备的用途。

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	地点	考核 形式
1	42205401	大学生方程式赛车整体认知： 参观并简单拆装我校学生车队近年的大学生方程式赛车成品，了解其设计思想、技术特点、主要性能，结合具体设计理解赛车动力学的有关理论知识。	演示性	2	大学生方程式赛车（燃油或电动赛车），常用工具；	学生车队实验室	实验表现和实验报告
2	42205402	碳纤维结构件成型工艺实践： 以碳纤维预浸布真空热压工艺，加工一块碳纤维-铝蜂窝层合板，从而了解复合材料的成型工艺和性能特点。	综合性	2	电热箱，真空泵，平板模具，碳纤维预浸布，铝蜂窝，辅料；	学生车队实验室	实验表现和实验报告
3	42205403	垂向载荷分配与车轮定位参数调整： 以我校学生车队近年的大学生方程式赛车成品为示例，学习赛车垂向载荷分配、车轮外倾角、车轮前束的测定与调整方法，并进行实际操作。	综合性	2	大学生方程式赛车（燃油或电动），汽车四轮称重装置，倾角仪，前束尺；	学生车队实验室	实验表现和实验报告
4	42205404	稳态转向特性认知与赛车驾驶模拟器实践： 学生使用赛车驾驶模拟器，在稳态回转工况下，体会不同转向特性所对应的现象；同时，在模拟器中对悬架刚度、车轮定位参数、胎压等项目进行调整，观察赛车转向特性的变化规律。	设计性	2	驾驶模拟系统，图形工作站。	学生车队工作室	实验表现和实验报告

 

 

 

 

 

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）课程作业

采用百分制。由教师根据两次作业的实际完成情况，给出成绩。

（2）课程实验

打分采用百分制。课程实验成绩包括：现场操作成绩（40分）、实验报告成绩（60分）最终实验成绩按照五分制给定。优≥90、90>良≥80、80>中≥70、70>及格≥60、不及格＜60

表7 课程实验评分标准

（3）成绩评定

本课程考核性质为考查，综合考虑作业、实践实验的表现确定总成绩，成绩分为优秀、良好、中等、合格和不合格五个等级，计算公式如下：

总成绩=课程作业1（35%）+课程作业2（35%）+实践实验（30%）。

无实验成绩，总成绩为不及格。