软件仿真技术在汽车理论教学中的应用实践

杜 峰，关志伟，刘春辉

（天津职业技术师范大学汽车与交通学院，天津 300222）

软件仿真技术在汽车理论教学中的应用实践

杜 峰，关志伟，刘春辉

（天津职业技术师范大学汽车与交通学院，天津 300222）

为了克服汽车理论教学中实验课程难以完全开展的不足，提出了利用计算机仿真模拟技术来促进教学实验改革的建议。针对课程的特点，研究了将AVL/Cruise仿真软件引入汽车理论实验教学的可行性，探讨了软件可实现的功能、对学生学习的帮助程度以及实际的教学效果。实践证明：该仿真平台能够增加汽车专业学生的学习积极性，提高学生对汽车理论的认识水平和理解深度，适合在汽车专业汽车理论课程的实验教学中推广应用。

Cruise仿真；汽车理论；动力性；经济性；教学实验

据中国汽车工业协会统计分析，我国汽车产销已连续五年蝉联全球第一，成为汽车第一生产大国。但相关数据也表明，我国的民族品牌汽车仍然存在着自主研发能力弱、核心技术缺乏、专业人才匮乏、自主创新与持续创新的基础差等诸多问题，这表明我国离真正的世界汽车强国仍有巨大差距。其中，汽车从业人员数量偏少、知识陈旧、整体技术素质较低是造成我国汽车产业落后的主要原因之一。为了改善这种情况，开设车辆专业的各个高校及职业院校有必要作出如下应对:增加汽车专业学生的招生量，加大对汽车从业人员的技术培训；紧跟国际汽车技术发展新趋势，不断更新专业教学内容；采取理论与实践并举，动脑与动手相结合的教学举措等[1-2]。对于汽车专业学生而言，《汽车理论》与《发动机原理》是2门非常重要的专业核心课程，学好这2门课程，对于学生在今后工作中的工程实践、科学研究、创新设计具有非常重要的作用，也决定了学生今后在本专业领域的发展。但这2门理论课程都具有学起来抽象难懂、教起来手段单一的教学特点，课程中涉及到不少公式及其分析推导过程，仍需要板书演算方能达到最好的效果，而不像其他专业课程那样可以采用挂图、动画、视频等多媒体辅助教学手段[3]。此外，这2门课程还需要学生具有较强的理论基础，譬如《理论力学》、《高等数学》及《工程热力学》等前期专业基础课的知识储备。针对以上课程特点，为了提高教学效果，最有效的措施便是加大汽车试验的力度，通过学生的亲身操作与数据采集，来直观地体现车辆各种性能变化与设计参数之间的对应关系，解释车辆实际行驶过程中所遇到的不同现象等。但受到各学校试验条件的限制以及基于安全性等方面的考虑，汽车试验在院校理论教学中普遍展开还有难度。这种情况下，采用车辆动力学仿真分析软件AVL/Cruise进行计算机仿真模拟来帮助学生加深课堂知识与试验结果的理解便是一种非常有效的辅助教学方法，尤其是对于将来要直接从事车辆设计与制造工作的车辆工程专业的学生，则意义更为深远。本文对AVL/Cruise仿真软件引入汽车理论实践教学的可行性进行了分析，并探讨了该软件在实际教学中可实现的功能以及实际教学效果。

1 AVL/Cruise整车仿真软件的功能简介

Cruise是奥地利李斯特内燃机及测试设备公司开发的研究汽车动力性、燃油经济性、排放性能及制动性能的仿真分析软件，其模块化建模理念使用户可以方便地建立各种不同结构形式的车辆模型，并采用完善的求解器保证计算的快速性。Cruise仿真平台通过其便捷通用的模型元件、直观易懂的数据管理系统以及基于工程应用开发设计的建模流程和软件接口，已经成功地在整车生产商和零部件供应商之间搭建起了沟通的桥梁。

在产品设计的初期阶段，利用Cruise软件进行车辆性能的仿真分析，很容易达到车辆系统开发的3方面目标:找到符合客户需求的车辆不同性能间的“最佳平衡”；寻求满足设计要求的不同系统和零部件之间的“合理组合”；实现开发过程中所需开发时间和开发成本的“有效降低”。概括而言，Cruise软件具有如下功能[4]:①对车辆的基本性能进行分析和评价；②对车辆动力传动系统进行匹配及参数优化（发动机、变速器、轮胎的选型及匹配优化）；③对概念性新车进行评价（如:纯电动汽车、混合动力车、燃料电池车等）；④先进动力传动系统的分析评价（自动变速器换挡控制策略的生成及优化等）；⑤车辆零部件子系统的特性分析；⑥复杂条件下的车辆性能研究（包括“软件在环”直到“硬件在环”的实验测试等）。

Cruise软件具有以下特点[4]:①采用模块化建模理念，早期建模阶段所需参数较少，车辆模型的搭建过程简捷易懂，在短时间内可以便捷地改变车辆结构布置形式，且伴随开发过程的不断深入，整个模型会不断完善。②内置有大量电气部件，可以用于电动汽车设计开发，也可以快速便捷地将传统车辆改变为混合动力汽车。③可以快速实现先进的动力传动概念（AMT、DCT，…），便于车辆控制系统的开发和研究。④软件提供与Oracle系统的接口，方便进行数据管理。⑤内置大量的计算任务，可以进行多元件多任务的匹配优化计算等。

在汽车专业的教学中，Cruise的典型应用是在车辆传动系和发动机的开发过程中，用于计算和优化车辆的燃油经济性、排放性和车辆的动力性（原地起步加速能力、超车加速能力）、变速箱速比、制动性能以及为应力计算和传动系的振动生成载荷谱等等。这些内容涉及汽车构造、汽车理论等核心课程的重点内容，是本科学生必须掌握的专业知识。如果通过学习实践，学生能够利用Cruise软件熟练搭建整车模型，正确选择车辆各项仿真参数，合理设定求解目标并顺利完成解算任务，对相关计算数据或图表给出合理的解释与分析，对于学生熟悉汽车构造、加深对车辆动力学及各种性能的理解有很大帮助。

2 AVL/Cruise仿真软件在教学中的应用实例

汽车的动力性与燃油经济性是汽车最重要的2个基本性能，动力性决定了汽车的平均行驶速度，决定着汽车运输效率的高低；燃油经济性决定着车辆使用成本的多少，尤其是在能源日益紧张的今天则更为重要。但动力性与经济性在车辆设计中是一对矛盾，为了增加动力性，就要选择更大功率的发动机，从而造成燃油经济性的恶化[5]。现代车辆设计中，通常会在设计前期通过计算对车辆动力装置和传动系统进行匹配优化，采用性能折衷的方法来同时兼顾二者的基本要求，即在保证动力性基本要求的前提下，尽可能增加变速器挡位数，并优化其传动比，以达到节能减排的目的[6]。下面列举一个利用Cruise软件进行车辆动力装置与传动系统优化匹配的具体实例，该实例对帮助学生加深理解《汽车理论》课程前3章的内容有非常重要的作用。

实例选用一中型轿车，为获得合理的动力性与经济性，分别选用了1种发动机、2种5挡手动变速器（各挡速比不同）、3种主减速器（速比分别为i0=2.85、3和3.75），总计6种动力传动装置的组合，而仿真分析的目的则是从这6种组合中优选出最佳的匹配。

利用Cruise软件最终建立的整车模型如图1所示。整车及发动机相关参数如表1所示，所选2种变速器的传动比如表2所示。通过在软件中进行任务设置和矩阵仿真计算，最终可得到各项性能仿真结果如表3所示。2种性能仿真曲线实例如图2和图3所示。

图1 Cruise搭建的手动前驱中型轿车模型

表1 整车及发动机参数

表2 手动变速器2种方案传动比

表3 车辆性能Cruise仿真结果

从表3中可以看出，若单纯追求动力性，则A-3.75与B-3.75的传动系统匹配相对比较理想。如果希望汽车的最高车速、超车加速能力（最高挡60km/h→140 km/h）与爬坡能力都强一些，则可选A-3.75的组合；若希望车辆的原地起步加速能力（0→vmax）、超车加速能力与爬坡能力都不错的话，则可选B-3.75的组合。若单从经济性角度而言，在3种车速下，各种匹配的等速行驶油耗差别都不大，再参考循环行驶工况的油耗，则B-2.85的组合最为理想。如果动力性与经济性两方面都要兼顾，即在保证动力性的前提下，希望车辆的经济性要尽量好，则在A-3.75与B-3.75的两种组合中，只能选B-3.75的组合。通过上述分析可以看出，针对车辆设计中追求的目标不同，通过仿真计算可以给设计者提供技术支持与数据支撑。如果再结合专业知识，针对各项数据详细分析其形成因素，必然会加深对理论学习的理解，增进其工程设计经验。

图2 原地起步连续换挡加速曲线

图3 循环工况油耗曲线

从以上仿真实例可以看出，Cruise软件的学习难度小、上手快，是一种非常适合本科生快速掌握的分析软件，它可以帮助学生深入理解汽车发动机及整车的各种理论特性、性能指标与控制策略等，这使原本比较枯燥的理论教学通过数字仿真实验的方式变得形象、生动和直观，提高了学生的学习兴趣，拓展了学生处理实际问题的技能，为车辆专业的毕业生在今后从事该领域设计研究工作打下了良好的基础，而对于那些立志于考研深造的同学也有极大的帮助。

同样，教师如果在《汽车理论》或《发动机原理》的教学中，利用该软件建模来表达复杂的汽车结构、力学模型和理论特性，并通过实时改变参数得到不同的结果来方便地了解各参数的影响规律（尤其是发动机的各种特性、不同动力传动系统的匹配效果以及换挡控制规律等），则能够帮助学生对本专业的相关内容理解掌握得更加深入透彻。

3 AVL/Cruise仿真软件在教学中的实施效果

3.1 考试成绩统计

课程组已连续3届在《汽车理论》教学过程中有意识地引导学生使用AVL/Cruise仿真软件来加深理解并完成课程作业。为了准确评价引入Cruise软件后的教学实验效果，课程组在总结学生作业完成情况、理论考核情况的基础上，对3届学生最终综合考核成绩进行统计分析，结果如表4所示。

表4 《汽车理论》考核成绩统计 %

从表4可以看出，3届学生成绩中的“优、良”所占比例在逐年上升，而“中”在逐年下降，第2与第3届学生成绩“差”的比例基本持平，但相对第1届都有大幅下降。学生成绩优良率的逐年增长一方面体现了教师在指导学生使用Cruise软件方面的经验越来越丰富，更重要的是体现了该软件对帮助学生理解汽车的基本理论与各项性能确实起到了明显的作用。第2届相对于第1届学生中“差”成绩比例的下降，也表明该软件对一些学习中基础薄弱、理解困难但学习努力的学生起到了辅助作用，促进了他们对该门课程的认知水平。至于第2与第3届中“差”成绩比例基本相同，这是由每届学生中总有部分学生学习不努力造成的。3.2 学生调查统计

为了准确评价引入软件仿真代替实验教学的效果，课程组对第3届学习该门课程的班级进行了问卷调查。结果表明:认为这种教学模式有利于思维能力提高的学生占87.7%，认为理解能力有提高的占89.1%，认为实践能力有提高的占92.4%，模式认可度占94.2%。这些数据说明学生对采用Cruise仿真平台来替代《汽车理论》部分实验教学的模式给予了充分肯定。

3.3 毕业设计统计

课程组老师在2届车辆工程专业毕业生的毕业设计环节中，也有意识地选取了部分学生从事利用Cruise软件进行车辆性能仿真、动力系统匹配、传动装置参数选取以及电动车设计等方面的研究课题。这些课题更接近于工厂中的实际项目，真正能起到练兵、提高工程技能的效果。据统计，2届中共有8名学生选择了这方面的课题，最终有6名同学的毕业论文取得优良以上成绩。这8名同学中有4人参加了当年的研究生入学考试，专业课都选取《汽车理论》这门课程，最终有3名学生顺利升入了不同的高校得以继续深造。虽然统计人数比较少，但从这8名学生的学习效果看，使用Cruise软件确实对《汽车理论》课程的学习起到了较明显的帮助作用。

4 结束语

通过上述分析和实践结果证明，与其他车辆动力学仿真软件相比，AVL/Cruise软件更易于本科生学习使用。利用它进行虚拟仿真实验，能够克服实验人员、场地设备等条件的限制，加深学生对《汽车理论》课程中的动力性、经济性、操纵稳定性和平顺性等实验的理解水平，提高学生的学习积极性。对于教师教学而言，该仿真平台难度适中，非常适合在本科实验教学中推广应用。调查结果也证明，利用AVL/Cruise软件仿真平台来替代《汽车理论》教学中的部分实验内容，可以增强学生学习该门课程的积极性，提高其自主学习能力，改善学生的思维能力与实践能力。无论对优秀生、中等生还是落后生的学习都能起到帮助作用，辅助学习效果显著。

［1］张学军，王锁萍.全面改革实验教学培养学生创新能力[J].实验室研究与探索，2005，24（1）:4-6．

［2］朱礼贵，王永凯.汽车专业理论与实践教学一体化改革[J].黑龙江交通科技，2011（5）:80.

［3］隗寒冰，李军.基于AVL/Cruise仿真平台的汽车理论实验教学改革研究[J].科技信息，2010（29）:584-585.

［4］朱鹏飞，赵文杰，许宏云.基于CRUISE纯电动汽车匹配计算与仿真[J].新能源汽车，2012（9）:11-15.

［5］余志生.汽车理论[M].5版.北京:机械工业出版社，2012．

［6］倪计民，陈源.MATLAB软件在汽车动力传动系匹配计算中的应用[J].上海汽车，2003（1）:24-27.

Application practice of software simulation in course teaching of automotive theory

DU Feng，GUAN Zhi-wei，LIU Chun-hui
（School of Automobile and Transportation,Tianjin University of Technology and Education，Tianjin 300222，China）

In order to overcome the lack of experimental courses in the teaching of autmobile theory,the computer simulation techniques is proposed to promote the reform of experimental teaching reform.Accrding to the teaching practice features of automobile theory course,the possibility of introducing the AVL/Cruise software into the experimental teaching of automobile theory is studied,the software functions,the helping degree to students and the actual teaching effectiveness are also discussed.Practice proves that this simulation platform can be used to increase learning motivation of students,improve the level of awareness and the depth of understanding to automobile theory,and is suitable for application in the undergraduate experimental teaching.

cruise simulation;automobile theory;dynamic performance;economy;teaching experiment

G712；U46

A

2095－0926（2015）02－0058－05

2015-04-21

杜 峰（1970—），男，副教授，博士，研究方向为汽车理论与汽车试验技术.