基于MATLAB软件分析汽车理论课程基本问题的应用探讨

常 成，王红霞，袁 霞

(河南工学院 车辆与交通工程学院，河南 新乡 453003)

0 引言

汽车理论课程是车辆工程专业的核心课程之一，是培养汽车工业技术人员的理论基础，该课程主要涉及高等数学和力学分析，利用数学推导得出汽车性能的影响因素，其内容较为抽象，计算过程相对复杂，部分计算过程难于理解，导致学生在学习过程中兴趣不高，造成实际教学效果并不理想。因此，如何让学生掌握汽车理论问题研究的思路和方法，同时能深刻理解不同车辆在各种路面上行驶过程的不同表现，如何设计将会使其性能更加优良，这些均是汽车理论课程教学中较难解决的问题。杜峰等[1]研究了将AVL/Cruise仿真软件引入汽车理论实验教学的可行性，探讨了该软件对学生学习的帮助和实际教学效果。张京明等[2]围绕汽车理论课程的特点，根据课程安排、教学内容和考核方式，探讨了汽车理论的教学方法。时晓杰等[3]提出了基于ADAMS/Car软件辅助教学，以汽车的制动性为例介绍了ADAMS/Car在汽车理论教学中的应用，提高了教学效果。

MATLAB软件作为一款科学计算软件已广泛应用于汽车工业领域，其强大的数学计算功能和直观的图像可视化功能已被广大科研人员和高校师生所接受。本文以MATLAB软件为工具，探讨分析该工具在汽车理论课堂教学的应用效果。

1 汽车理论课程知识体系

汽车理论课程以运动学和动力学为基础，分析阐述了汽车动力性、汽车燃油经济性、动力装置参数选定方法、汽车制动性、汽车操纵稳定性、汽车平顺性和汽车通过性等内容[4]。课程各章节讲授内容主要包括：性能评价指标、评价方法、受力分析、结合数学模型进行性能分析以及相关性能的测试试验。

2 传统教学模式探讨

在传统汽车理论课堂教学中，多以板书或电子课件为教学素材，结合数学表达式进行分析和探究[5]。所采用的相关实例通常为某一固定参数或单一变量的性能表现，主要是依靠教师情景描述加深学生对知识的理解。学生主要是以听为主，授课过程学生很少或是基本没有参与互动，这样很难在课堂中对较为复杂的数学模型充分掌握和透彻理解。

3 MATLAB软件在课程中的应用

MATLAB是一个可视化的计算程序，它具有功能强大、使用简单等特点，被广泛应用在科学运算领域里。MATLAB软件可以方便的进行数学建模、数据分析以及数值计算，软件除了利用编程语言建立模型，还可以利用软件中的可视化仿真工具Simulink进行模块图形化建模[6]。在汽车理论课程的教学中使用MATLAB软件，可以方便的完成复杂数据的计算，同时也可以利用仿真工具Simulink进行仿真分析和求解。这些计算和分析的结果都可以通过MATLAB提供的可视化手段呈现给学生，有助于清晰地阐释抽象概念，并系统掌握仿真复杂的分析计算过程。

在汽车理论课程第一章分析汽车动力性时，使用汽车驱动力—行驶阻力平衡图对动力性的指标进行分析是一个关键点，其行驶方程式为

(1)

上式表明了汽车行驶时驱动力与外界阻力之间的相互关系。当发动机的转速特性、变速器传动比、主减速比、传动效率、车轮半径、空气阻力系数、汽车迎风面积以及汽车质量等参数初步确定后，便可利用此公式分析汽车在性能良好的典型路面上的行驶能力及确定汽车可能达到的最高车速、加速能力和爬坡的能力。

以往的教学中只能按照课本中给出的某种车型的驱动力—行驶阻力平衡图曲线来分析该车型在不同挡位下的驱动力以及汽车所能达到的最高车速示意图。在这种教学过程中，学生只能定性的看到某一种车型的动力性评价指标参数情况，而不能直观看到当某个参数发生变化时对汽车动力性将产生怎样的影响。因此，学生对动力性的理解也就停留在抽象的数学公式推导中，而对汽车行驶阻力的变化没有深层次的认知，在后续的课程内容学习中也会越发难以理解。

将MATLAB软件引入汽车理论课堂中，在讲授该部分内容之前预先在该软件中建立相应的车辆模型，在讲授过程中通过调整车辆的某些参数或者路面的某些参数，可以得到不同的驱动力—行驶阻力平衡图、汽车爬坡度图以及汽车加速度倒数曲线图等动力性相关数据图。例如，通过汽车驱动力—行驶阻力平衡图可获得不同参数下汽车所能达到的最高车速，某汽车基本参数如表1所示。

表1 某汽车基本参数表

将MATLAB软件程序中的相关参数设定为表1中的数据，作出汽车驱动力—行驶阻力平衡图，如图1所示。其中，实线为各挡位节气门全开时对应的驱动力变化曲线，虚线(Ff1+Fw1)为该汽车滚动阻力与空气阻力叠加后的行驶阻力曲线，该虚线与5挡驱动力曲线的交点即为当前汽车的最高车速。

图1 某汽车驱动力—行驶阻力平衡图

为使学生清晰直观的看出某参数发生变化时，对该车最高车速等参数的影响。将汽车的总质量改为5 000 kg，其他参数不变，得到当前汽车的滚动阻力与空气阻力叠加后的行驶阻力曲线，如图1中虚线(Ff2+Fw2)所示。可明显看出，汽车质量增加后，滚动阻力增大，且增加的程度与汽车车速无关，导致汽车最高车速降低。与此相类似，通过改变多种不同的汽车参数，比如汽车爬坡度图和汽车加速度倒数曲线图等均会发生相应的变化，依据相关曲线评价多种参数汽车的动力性能，以此加深学生对动力性评价指标的理解。在这个过程中，学生与教师可以充分互动，不再是学生听和教师讲的单一模式，学生可以根据自己的想法设置参数，并预测汽车动力性相关曲线的变化趋势。通过MATLAB的图形显示功能，使学生对汽车动力性的理解更加深刻，增强学生自主学习和探究的能力。

利用MATLAB软件强大的数据计算、分析、处理，可以方便快捷的完成汽车动力性、燃油经济性、制动性等在内的汽车各种性能的计算，除此之外，MATLAB软件中的Simulink可视化仿真工具还可进行复杂过程的仿真分析。利用MATLAB/Simulink软件可以直观的看到数学模型中的各参数及其关系式，可直接在图形化模块中改变参数。以表1中的汽车参数进行动力学建模，对应最高车速时发动机的转矩取149.5 N·m，根据公式(1)建立MATLAB/Simulink模型如图2所示。

图2 MATLAB/Simulink汽车最高车速模型

将该模型中相关模块参数设定为表1中的汽车参数，经仿真计算后得到当前汽车的最高车速为116.9 km·h-1，这与前文中利用MATLAB编程作图所得结果相同。但采用MATLAB/Simulink可视化仿真工具所建模型相对清晰，可较为方便的改变相关参数值，相对容易操作。由此可知，将MATLAB/Simulink引入到汽车理论的课堂教学中，可以将难以理解的抽象数学模型转化为参数可变的可视化仿真模型。

4 结论

在汽车理论课堂教学中使用MATLAB软件作为辅助工具，有助于学生加深对各种抽象数学模型的理解，除此之外，学生还可以根据课上所建模型的思路和方法，课下利用MATLAB软件对课上所学知识进行复习和拓展，增强学生自主学习和探究的能力。相对于传统的教学方式，学生学习汽车理论的兴趣得到充分激发、学习积极性得以提高，使学生全面理解要提升汽车性能在设计过程中应该考虑的因素，同时也为其毕业后的设计研发工作打下坚实基础。