賽車動力學(xué)理論與設(shè)計

一、課程介紹

《賽車動力學(xué)理論與設(shè)計》，是車輛工程和工業(yè)設(shè)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(xué)理論、性能開發(fā)目標(biāo)、底盤及動力總成設(shè)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(xué)生的知識廣度，使學(xué)生建立運用動力學(xué)原理分析性能并指導(dǎo)設(shè)計的意識、掌握汽車關(guān)鍵性能的評價指標(biāo)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(xué)生綜合運用所學(xué)知識分析復(fù)雜問題并提出解決方案的能力，為其同步學(xué)習(xí)《汽車理論》和后續(xù)學(xué)習(xí)《汽車設(shè)計》等課程奠定基礎(chǔ)，也為其今后從事汽車產(chǎn)品開發(fā)或技術(shù)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(xué)理論與設(shè)計

課程編碼

422054

英文名稱

Racecar Vehicle Dynamics Theory and Design

課程學(xué)時

28

課程學(xué)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(xué)期

第6學(xué)期

課內(nèi)實驗學(xué)時

4

適用專業(yè)

車輛工程、工業(yè)設(shè)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(shè)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(xué)大綱

1、教學(xué)目標(biāo)

1.1 教學(xué)目標(biāo)

課程內(nèi)容以賽車動力學(xué)的基本理論與設(shè)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(shù)，采取教師主題引導(dǎo)與講授的方式，著重培養(yǎng)學(xué)生解決車輛工程領(lǐng)域復(fù)雜工程問題的能力。通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)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(xué)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(guān)鍵零部件性能設(shè)計的能力。

本課程達成如下業(yè)務(wù)能力培養(yǎng)要求：

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

2. 使學(xué)生能夠基于工程相關(guān)背景知識進行合理分析與評價專業(yè)工程實踐和復(fù)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(yīng)承擔(dān)的責(zé)任。了解汽車運動的歷史沿革和發(fā)展脈絡(luò)，能夠從競技體育和工程技術(shù)兩個層面上理解賽車技術(shù)，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(lǐng)，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(xué)目標(biāo)與畢業(yè)要求指標(biāo)點對應(yīng)關(guān)系

表1 教學(xué)目標(biāo)與畢業(yè)要求指標(biāo)點對應(yīng)關(guān)系

教學(xué)目標(biāo)

畢業(yè)要求指標(biāo)點（二級）

教學(xué)目標(biāo)1：能夠應(yīng)用數(shù)學(xué)、自然科學(xué)和工程科學(xué)的基本原理，識別、表達、并通過文獻研究分析復(fù)雜工程問題，以獲得有效結(jié)論。

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

教學(xué)目標(biāo)2：能夠基于工程相關(guān)背景知識進行合理分析與評價專業(yè)工程實踐和復(fù)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(yīng)承擔(dān)的責(zé)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(fù)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(xué)要求

教師要積極備課，認真準(zhǔn)備實驗；在課堂內(nèi)進行大綱解讀，使學(xué)生清楚本課程具體的課程目標(biāo)，通過該課程的學(xué)習(xí)應(yīng)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(chǔ)理論和設(shè)計方法為核心，包括賽車專業(yè)領(lǐng)域的輪胎動力學(xué)、空氣動力學(xué)、以及底盤系統(tǒng)動力學(xué)等理論，講授賽車的結(jié)構(gòu)布置、空氣動力學(xué)裝置、懸架等底盤關(guān)鍵系統(tǒng)計、以及動力總成的設(shè)計思路及設(shè)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(guān)技術(shù)與競技規(guī)范。在開展教學(xué)工作的過程中，教師應(yīng)加強理論聯(lián)系實際，同積極將新技術(shù)、新理念引入課堂。

成績評價體系標(biāo)準(zhǔn)真實、嚴謹、公平、公正、公開，能促使學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

3、預(yù)備知識或先修課程要求

《汽車構(gòu)造》《專業(yè)綜合認知實踐》等課程。
4、教學(xué)方式

表2教學(xué)方法（與教學(xué)目標(biāo)對應(yīng)）

教學(xué)方法

教學(xué)目標(biāo)

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

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

教學(xué)目標(biāo)2使學(xué)生能夠基于工程相關(guān)背景知識進行合理分析與評價專業(yè)工程實踐和復(fù)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(yīng)承擔(dān)的責(zé)任。

5、實驗環(huán)境和設(shè)備

學(xué)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(xué)內(nèi)容及學(xué)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(xué)時）

第一節(jié)  概述

第二節(jié)  早期賽車的技術(shù)發(fā)展

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

        知識點1 兩次世界大戰(zhàn)對賽車技術(shù)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(jié)構(gòu)布置（3學(xué)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(jié)構(gòu)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(xué) （3學(xué)時）

第一節(jié)  賽車輪胎的基礎(chǔ)知識

第二節(jié)  賽車輪胎的動力學(xué)特性

第三節(jié)  賽車輪胎的應(yīng)用問題

第四節(jié) 輪胎動力學(xué)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(xué)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(xué)（2學(xué)時）

第一節(jié)  賽車空氣動力學(xué)的基礎(chǔ)知識

第二節(jié) 負升力裝置的結(jié)構(gòu)形式

第三節(jié) 氣動性能與整車的匹配設(shè)計

本章重點難點：

賽車常用空氣動力學(xué)裝置的結(jié)構(gòu)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(fēng)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(shè)計（4學(xué)時）

第一節(jié)  賽車懸架的運動學(xué)設(shè)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(shè)計

第五節(jié)  制動系統(tǒng)的設(shè)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(biāo)、設(shè)計依據(jù)、以及性能設(shè)計和參數(shù)設(shè)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(jié)構(gòu)、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(shè)計的原理和作用。

第六章  賽車的動力總成設(shè)計（3學(xué)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(yīng)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(jié)構(gòu)特點和工作原理

第七章  賽車的駕駛與安全（2學(xué)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(shù)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(xué)內(nèi)容與教學(xué)目標(biāo)對應(yīng)關(guān)系

表3 教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)目標(biāo)對應(yīng)關(guān)系

教學(xué)內(nèi)容

教學(xué)目標(biāo)

理論課程內(nèi)容

（第1章、第7章）

教學(xué)目標(biāo)2使學(xué)生能夠基于工程相關(guān)背景知識進行合理分析與評價專業(yè)工程實踐和復(fù)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(yīng)承擔(dān)的責(zé)任。

理論課程內(nèi)容

（第2章~第6章）

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

實驗課程內(nèi)容

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

 7、實驗項目內(nèi)容、學(xué)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(xué)時

分配

主要儀器

設(shè)   備

地點

考核

形式

1

42205401

大學(xué)生方程式賽車整體認知：

參觀并簡單拆裝我校學(xué)生車隊近年的大學(xué)生方程式賽車成品，了解其設(shè)計思想、技術(shù)特點、主要性能，結(jié)合具體設(shè)計理解賽車動力學(xué)的有關(guān)理論知識。

演示性

2

大學(xué)生方程式賽車（燃油或電動賽車），常用工具；

學(xué)生車隊實驗室

實驗表現(xiàn)和實驗報告

2

42205402

碳纖維結(jié)構(gòu)件成型工藝實踐：

以碳纖維預(yù)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(fù)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(yù)浸布，鋁蜂窩，輔料；

學(xué)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(xué)生車隊近年的大學(xué)生方程式賽車成品為示例，學(xué)習(xí)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(xué)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(xué)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(xué)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(yīng)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(shè)計性

2

駕駛模擬系統(tǒng)，圖形工作站。

學(xué)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(biāo)準(zhǔn)

8.1考核方法

表5考核方法（與教學(xué)目標(biāo)對應(yīng)）

考核方法

教學(xué)目標(biāo)

1、針對學(xué)習(xí)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(xué)目標(biāo)1培養(yǎng)學(xué)生能夠綜合應(yīng)用數(shù)學(xué)、自然科學(xué)和工程科學(xué)的科學(xué)原理和技術(shù)方法，通過文獻檢索與綜述研究分析車輛工程領(lǐng)域中復(fù)雜工程問題，以獲得有效結(jié)論的能力。

教學(xué)目標(biāo)2使學(xué)生能夠基于工程相關(guān)背景知識進行合理分析與評價專業(yè)工程實踐和復(fù)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(yīng)承擔(dān)的責(zé)任。

8.2考核標(biāo)準(zhǔn)

表6 考核標(biāo)準(zhǔn)

考核方式

教學(xué)目標(biāo)

評價標(biāo)準(zhǔn)

0~59

60~69

70~79

80-89

90~100

課程作業(yè)

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

不能綜合應(yīng)用運用正確的數(shù)學(xué)、工程科學(xué)方法進行分析計算，結(jié)論錯誤。

運用較正確的數(shù)學(xué)、工程科學(xué)方法進行分析計算，結(jié)論不夠準(zhǔn)確。

基本能運用正確的數(shù)學(xué)、工程科學(xué)方法進行分析計算，結(jié)論基本準(zhǔn)確。

運用正確的數(shù)學(xué)、工程科學(xué)方法進行分析計算，結(jié)論準(zhǔn)確。

熟練運用正確的數(shù)學(xué)、工程科學(xué)方法進行分析計算，結(jié)論準(zhǔn)確。

使學(xué)生能夠基于工程相關(guān)背景知識進行合理分析與評價專業(yè)工程實踐和復(fù)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(yīng)承擔(dān)的責(zé)任。

不查閱相關(guān)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(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)

現(xiàn)場操作考核標(biāo)準(zhǔn)（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(dǎo)下操作儀器，溝通協(xié)作能力一般，實驗現(xiàn)場記錄較為準(zhǔn)確。

實驗規(guī)劃得當(dāng)，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(zhǔn)確。

實驗報告考核標(biāo)準(zhǔn)（60分）

工整性（15分）

完整性（15分）

準(zhǔn)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(zhǔn)確，數(shù)據(jù)處理計算錯誤，結(jié)果不可信，數(shù)據(jù)圖表錯誤或表達不科學(xué)。

實驗數(shù)據(jù)記錄準(zhǔn)確，數(shù)據(jù)處理計算完整、準(zhǔn)確，結(jié)果可信，數(shù)據(jù)圖表準(zhǔn)確、表達合理。

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

對實驗結(jié)果進行合理、準(zhǔn)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(guān)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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