賽車動力學理論與設計

一、課程介紹

《賽車動力學理論與設計》，是車輛工程和工業(yè)設計專業(yè)本科生的專業(yè)選修課。通過講授各類賽車的基本動力學理論、性能開發(fā)目標、底盤及動力總成設計方法、賽車駕駛技巧、以及汽車運動的歷史沿革和發(fā)展趨勢，擴展學生的知識廣度，使學生建立運用動力學原理分析性能并指導設計的意識、掌握汽車關鍵性能的評價指標和測試方法、了解汽車運動所帶來的文化現(xiàn)象與社會影響，從而鍛煉學生綜合運用所學知識分析復雜問題并提出解決方案的能力，為其同步學習《汽車理論》和后續(xù)學習《汽車設計》等課程奠定基礎，也為其今后從事汽車產(chǎn)品開發(fā)或技術研究或參與賽車運動等工作創(chuàng)造有利條件。

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.

課程基本信息

課程名稱

賽車動力學理論與設計

課程編碼

422054

英文名稱

Racecar Vehicle Dynamics Theory and Design

課程學時

28

課程學分

1.5

課程類別

專業(yè)教育課程

課程性質(zhì)

選修課

開課學期

第6學期

課內(nèi)實驗學時

4

適用專業(yè)

車輛工程、工業(yè)設計

開課單位

汽車系教研室

選用教材

無

主要參考書

[1] （日）鳩田幸夫. 王利榮譯. 汽車設計制造指南. 北京：機械工業(yè)出版社

[2] （美）W.L.Milliken. Race Car Vehicle Dynamics. 美國：SAE International

[3] （美）C.Smith. Tune to Win. 美國：Aero Publishers, Inc

制定人

王達

制定時間

2018年9月

二、教學大綱

1、教學目標

1.1 教學目標

課程內(nèi)容以賽車動力學的基本理論與設計方法為主線，融入汽車運動的歷史文化知識和競技駕駛技術，采取教師主題引導與講授的方式，著重培養(yǎng)學生解決車輛工程領域復雜工程問題的能力。通過本課程的學習，使學生了解汽車運動的發(fā)展歷程和文化現(xiàn)象，掌握賽車動力學的理論知識和實踐方法，并初步具備開展賽車某一總成或關鍵零部件性能設計的能力。

本課程達成如下業(yè)務能力培養(yǎng)要求：

1. 培養(yǎng)學生能夠綜合應用數(shù)學、自然科學和工程科學的科學原理和技術方法，通過文獻檢索與綜述研究分析車輛工程領域中復雜工程問題，以獲得有效結論的能力。理解賽車的主要性能需求，基本掌握賽車動力學的基礎理,和常見技術手段，明確賽車與普通汽車在評價指標和設計思想上的聯(lián)系和區(qū)別；綜合應用動力學原理和相關理論，對賽車某一總成或關鍵零部件展開參數(shù)設計和性能評價。

2. 使學生能夠基于工程相關背景知識進行合理分析與評價專業(yè)工程實踐和復雜工程問題解決方案對社會、健康、安全、法律以及文化的影響，并理解應承擔的責任。了解汽車運動的歷史沿革和發(fā)展脈絡，能夠從競技體育和工程技術兩個層面上理解賽車技術，進而對汽車運動所帶來的各種社會文化現(xiàn)象有一定的認識；初步掌握賽車駕駛的基本規(guī)范和操作要領，在此過程中培養(yǎng)公平競爭精神，樹立安全駕駛意識。

1.2 教學目標與畢業(yè)要求指標點對應關系

表1 教學目標與畢業(yè)要求指標點對應關系

教學目標

畢業(yè)要求指標點（二級）

教學目標1：能夠應用數(shù)學、自然科學和工程科學的基本原理，識別、表達、并通過文獻研究分析復雜工程問題，以獲得有效結論。

2.1能夠?qū)④囕v工程專業(yè)工程科學基本原理綜合運用于車輛工程領域復雜工程問題的識別與表述中。

教學目標2：能夠基于工程相關背景知識進行合理分析與評價專業(yè)工程實踐和復雜工程問題解決方案對社會、健康、安全、法律以及文化的影響，并理解應承擔的責任。

6.1能夠合理分析與評價車輛工程專業(yè)工程實踐和復雜工程問題解決方案對社會、健康、安全、法律以及文化的影響。

2、教學要求

教師要積極備課，認真準備實驗；在課堂內(nèi)進行大綱解讀，使學生清楚本課程具體的課程目標，通過該課程的學習應掌握的知識和獲得的能力；對課程內(nèi)容要融會貫通，切忌照本（幕）宣科。注重知識的拓展，并在課堂上加強思政教育。

本課程的內(nèi)容以賽車的基礎理論和設計方法為核心，包括賽車專業(yè)領域的輪胎動力學、空氣動力學、以及底盤系統(tǒng)動力學等理論，講授賽車的結構布置、空氣動力學裝置、懸架等底盤關鍵系統(tǒng)計、以及動力總成的設計思路及設計方法，還涵蓋有汽車運動的發(fā)展歷程、文化影響、以及賽車駕駛的相關技術與競技規(guī)范。在開展教學工作的過程中，教師應加強理論聯(lián)系實際，同積極將新技術、新理念引入課堂。

成績評價體系標準真實、嚴謹、公平、公正、公開，能促使學生學習的積極性。

3、預備知識或先修課程要求

《汽車構造》《專業(yè)綜合認知實踐》等課程。
4、教學方式

表2教學方法（與教學目標對應）

教學方法

教學目標

教學方法包括：理論部分以課堂講授為主，配以適當?shù)挠懻摚捎枚嗝襟w授課。實驗以演示教學、實踐教學為主。

教學目標1培養(yǎng)學生能夠應用數(shù)學、自然科學和工程科學的基本原理，識別、表達、并通過文獻研究分析復雜工程問題，以獲得有效結論的能力。

教學目標2使學生能夠基于工程相關背景知識進行合理分析與評價專業(yè)工程實踐和復雜工程問題解決方案對社會、健康、安全、法律以及文化的影響，并理解應承擔的責任。

5、實驗環(huán)境和設備

學生車隊工作室。

Formula Student賽車，汽車四輪稱重裝置，傾角儀，前束尺，電熱箱，真空泵，駕駛模擬器等。

6、課程教學內(nèi)容及學時分配

6.1課程內(nèi)容

第一章  汽車運動的發(fā)展歷程（3學時）

第一節(jié)  概述

第二節(jié)  早期賽車的技術發(fā)展

        第三節(jié)  近現(xiàn)代賽車的技術發(fā)展

        知識點1 兩次世界大戰(zhàn)對賽車技術的促進

        本章重點難點：

現(xiàn)代賽車的基本概念、主要分類和核心問題，理解賽車與高性能乘用車或改裝車的聯(lián)系與區(qū)別。

第二章  賽車的結構布置（3學時）

第一節(jié)  賽車的核心性能問題

第二節(jié)  賽車質(zhì)心位置對性能的影響

第三節(jié)  賽車的驅(qū)動形式

本章重點難點：

賽車的結構布置要求，質(zhì)心位置和驅(qū)動形式對車輪垂向載荷及整車轉(zhuǎn)向特性的影響，掌握賽車彎道行駛過程的縱向力和側(cè)向力變化規(guī)律。

第三章  賽車的輪胎動力學 （3學時）

第一節(jié)  賽車輪胎的基礎知識

第二節(jié)  賽車輪胎的動力學特性

第三節(jié)  賽車輪胎的應用問題

第四節(jié) 輪胎動力學特性對整車特性的影響

本章重點難點：

賽車輪胎在縱向和側(cè)向的動力學特性，理解斜交輪胎和子午線輪胎的性能差異，掌握輪胎滑移率、側(cè)偏角和側(cè)偏剛度的定義，掌握輪胎垂向載荷對側(cè)偏剛度的影響，理解典型輪胎的縱向力-滑移率曲線、側(cè)偏力-側(cè)偏角曲線和自回正力矩-側(cè)偏角曲線。

第四章  賽車的空氣動力學（2學時）

第一節(jié)  賽車空氣動力學的基礎知識

第二節(jié) 負升力裝置的結構形式

第三節(jié) 氣動性能與整車的匹配設計

本章重點難點：

賽車常用空氣動力學裝置的結構和原理，氣動性能與賽車整車的性能匹配方法，能夠根據(jù)給定的氣動性能參數(shù)和風圧中心位置計算車輪的垂向載荷分布，了解負升力翼的失速現(xiàn)象以及避免失速的方法。

第五章  賽車的底盤設計（4學時）

第一節(jié)  賽車懸架的運動學設計

        第二節(jié)  賽車懸架的剛度特性

        第三節(jié)  賽車懸架的阻尼特性

第四節(jié)  轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的幾何設計

第五節(jié)  制動系統(tǒng)的設計

本章重點難點：

理解賽車懸架、轉(zhuǎn)向、制動三大底盤系統(tǒng)的性能指標、設計依據(jù)、以及性能設計和參數(shù)設計的基本方法；理解車輪定位參數(shù)、側(cè)傾中心、懸架線剛度、懸架側(cè)傾角剛度、臨界阻尼、阻尼比、阿克曼幾何等汽車底盤基本概念；了解幾何抗俯仰結構、可調(diào)橫向穩(wěn)定桿、第三彈簧、互聯(lián)減震器、制動力分配調(diào)節(jié)裝置等賽車常用設計的原理和作用。

第六章  賽車的動力總成設計（3學時）

第一節(jié)  賽車發(fā)動機

第二節(jié)  賽車變速器

第三節(jié)  限滑差速器

第四節(jié)  新能源賽車的動力總成

本章重點難點：

理解賽車對發(fā)動機輸出特性的主要需求，掌握提升發(fā)動機動力性能的主要方法；理解限滑差速器鎖緊系數(shù)的定義，能夠繪制賽車的理想驅(qū)動力供應特性曲線、計算在限滑差速器作用下的整車橫擺力矩；了解各種新能源賽車的結構特點和工作原理

第七章  賽車的駕駛與安全（2學時）

第一節(jié)  賽車的駕駛技巧

        第二節(jié)  賽車的安全裝備

        本章重點難點：

了解賽車在過彎、制動、加速、擋位控制等過程中涉及的技術動作，理解其目的和原理；了解賽車服、頭盔、手臂束縛帶等車手裝備的重要作用，以及防滾架、多點式安全帶、Halo裝置等車載安全裝備的用途。

6.2教學內(nèi)容與教學目標對應關系

表3 教學內(nèi)容與教學目標對應關系

教學內(nèi)容

教學目標

理論課程內(nèi)容

（第1章、第7章）

教學目標2使學生能夠基于工程相關背景知識進行合理分析與評價專業(yè)工程實踐和復雜工程問題解決方案對社會、健康、安全、法律以及文化的影響，并理解應承擔的責任。

理論課程內(nèi)容

（第2章~第6章）

教學目標1培養(yǎng)學生能夠應用數(shù)學、自然科學和工程科學的基本原理，識別、表達、并通過文獻研究分析復雜工程問題，以獲得有效結論的能力。

實驗課程內(nèi)容

教學目標1培養(yǎng)學生能夠應用數(shù)學、自然科學和工程科學的基本原理，識別、表達、并通過文獻研究分析復雜工程問題，以獲得有效結論的能力。

 7、實驗項目內(nèi)容、學時分配、實驗小組

表4實驗項目一覽表

序號

實驗項目

內(nèi)容提要

實驗類型

學時

分配

主要儀器

設   備

地點

考核

形式

1

42205401

大學生方程式賽車整體認知：

參觀并簡單拆裝我校學生車隊近年的大學生方程式賽車成品，了解其設計思想、技術特點、主要性能，結合具體設計理解賽車動力學的有關理論知識。

演示性

2

大學生方程式賽車（燃油或電動賽車），常用工具；

學生車隊實驗室

實驗表現(xiàn)和實驗報告

2

42205402

碳纖維結構件成型工藝實踐：

以碳纖維預浸布真空熱壓工藝，加工一塊碳纖維-鋁蜂窩層合板，從而了解復合材料的成型工藝和性能特點。

綜合性

2

電熱箱，真空泵，平板模具，碳纖維預浸布，鋁蜂窩，輔料；

學生車隊實驗室

實驗表現(xiàn)和實驗報告

3

42205403

垂向載荷分配與車輪定位參數(shù)調(diào)整：

以我校學生車隊近年的大學生方程式賽車成品為示例，學習賽車垂向載荷分配、車輪外傾角、車輪前束的測定與調(diào)整方法，并進行實際操作。

綜合性

2

大學生方程式賽車（燃油或電動），汽車四輪稱重裝置，傾角儀，前束尺；

學生車隊實驗室

實驗表現(xiàn)和實驗報告

4

42205404

穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性認知與賽車駕駛模擬器實踐：

學生使用賽車駕駛模擬器，在穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)工況下，體會不同轉(zhuǎn)向特性所對應的現(xiàn)象；同時，在模擬器中對懸架剛度、車輪定位參數(shù)、胎壓等項目進行調(diào)整，觀察賽車轉(zhuǎn)向特性的變化規(guī)律。

設計性

2

駕駛模擬系統(tǒng)，圖形工作站。

學生車隊工作室

實驗表現(xiàn)和實驗報告

8、考核要求、考核方式及成績評定標準

8.1考核方法

表5考核方法（與教學目標對應）

考核方法

教學目標

1、針對學習效果進行考核。

2、考核方式：課程作業(yè)、實驗操作。

3、考核依據(jù)：課程作業(yè)、實驗報告。

教學目標1培養(yǎng)學生能夠綜合應用數(shù)學、自然科學和工程科學的科學原理和技術方法，通過文獻檢索與綜述研究分析車輛工程領域中復雜工程問題，以獲得有效結論的能力。

教學目標2使學生能夠基于工程相關背景知識進行合理分析與評價專業(yè)工程實踐和復雜工程問題解決方案對社會、健康、安全、法律以及文化的影響，并理解應承擔的責任。

8.2考核標準

表6 考核標準

考核方式

教學目標

評價標準

0~59

60~69

70~79

80-89

90~100

課程作業(yè)

培養(yǎng)學生能夠綜合應用數(shù)學、自然科學和工程科學的科學原理和技術方法，通過文獻檢索與綜述研究分析車輛工程領域中復雜工程問題，以獲得有效結論的能力。

不能綜合應用運用正確的數(shù)學、工程科學方法進行分析計算，結論錯誤。

運用較正確的數(shù)學、工程科學方法進行分析計算，結論不夠準確。

基本能運用正確的數(shù)學、工程科學方法進行分析計算，結論基本準確。

運用正確的數(shù)學、工程科學方法進行分析計算，結論準確。

熟練運用正確的數(shù)學、工程科學方法進行分析計算，結論準確。

使學生能夠基于工程相關背景知識進行合理分析與評價專業(yè)工程實踐和復雜工程問題解決方案對社會、健康、安全、法律以及文化的影響，并理解應承擔的責任。

不查閱相關資料，不了解汽車運動與社會文化間的相互影響。

查閱資料較少，很少了解汽車運動與社會文化間的相互影響。

能基本說清楚汽車運動的基本分類和發(fā)展歷程。

能說清楚汽車運動的基本分類和發(fā)展歷程。

能準確闡述汽車運動的分類及歷史發(fā)展，非常清晰地表述汽車運動和社會文化的相互影響。

8.3成績評定

（1）課程作業(yè)

采用百分制。由教師根據(jù)兩次作業(yè)的實際完成情況，給出成績。

（2）課程實驗

打分采用百分制。課程實驗成績包括：現(xiàn)場操作成績（40分）、實驗報告成績（60分）最終實驗成績按照五分制給定。優(yōu)≥90、90>良≥80、80>中≥70、70>及格≥60、不及格＜60

表7 課程實驗評分標準

現(xiàn)場操作考核標準（40分）

0-9分

10-19分

20-29分

30-40分

不聽從老師指揮，不配合實驗組工作，干擾實驗進程。

實驗規(guī)劃較差，在老師多次督促下能夠操作儀器，溝通協(xié)作能力較差，實驗現(xiàn)場記錄潦草。

實驗規(guī)劃較好，能夠在老師指導下操作儀器，溝通協(xié)作能力一般，實驗現(xiàn)場記錄較為準確。

實驗規(guī)劃得當，過程銜接緊密，能夠主動操作儀器，溝通協(xié)作能力較強，實驗現(xiàn)場記錄詳細、準確。

實驗報告考核標準（60分）

工整性（15分）

完整性（15分）

準確性（20分）

創(chuàng)新性（10分）

0分

15分

0分

15分

0分

20分

0分

10分

不采用專用實驗報告用紙，字跡潦草，難以辨認。

采用專用實驗報告用紙，字跡清楚，報告整潔。

缺少必要的報告項目，項目內(nèi)容有缺失

包含全部必要項目，各項目內(nèi)容完整。

實驗數(shù)據(jù)記錄不準確，數(shù)據(jù)處理計算錯誤，結果不可信，數(shù)據(jù)圖表錯誤或表達不科學。

實驗數(shù)據(jù)記錄準確，數(shù)據(jù)處理計算完整、準確，結果可信，數(shù)據(jù)圖表準確、表達合理。

沒有對數(shù)據(jù)結果進行科學、正確的分析討論，沒有考慮相關因素。

對實驗結果進行合理、準確的誤差分析，討論實驗工況與理論模型的差異，充分考慮相關因素。

（3）成績評定

本課程考核性質(zhì)為考查，綜合考慮作業(yè)、實踐實驗的表現(xiàn)確定總成績，成績分為優(yōu)秀、良好、中等、合格和不合格五個等級，計算公式如下：

總成績=課程作業(yè)1（35%）+課程作業(yè)2（35%）+實踐實驗（30%）。

無實驗成績，總成績?yōu)椴患案瘛?/p>

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