汽车振动学基础及应用课程教学实践

朱成伟　喻曹丰　汪选要　靳华伟　杨秀淼

摘 要：乘员舒适性是衡量汽车舒适度的重要指标，汽车振动学课程是研究乘车舒适性的核心课程。以安徽理工大学车辆工程专业人才培养为例，研究汽车振动学课程教学实践环节及存在的问题，从优化理论教学、强调实践教学和综合考核等方面实施了课程教学改革，为车辆工程专业高质量人才培养提供参考。

关键词：汽车振动学 教学改革 案例教学 实践教学

1 引言

现代汽车技术朝着智能化、电动化、网联化、共享化方向发展[1， 2]，人们对汽车智能化和电动化汽车的舒适性要求不断提高[3]，而汽车振动学是研究汽车舒适性的核心课程，因此，加强汽车振动学课程建设与实践对培养学生提升汽车新“四化”快速发展具有至关重要的意义[4]。

在车辆工程领域中，汽车振动学是智能车平顺性、电控悬架、产品开发等领域的重要工具，极大缩短了汽车产品的开发周期和研发成本。因此，学习汽车振动学课程且熟练利用振动学理论解决汽车平顺性和舒适性工程实际问题的能力是车辆工程人才培养体系重要任务。

为提高汽车振动学课程的授课效果，同时针对专业认证要求，本文根据自身授课过程和心得体会，结合学生学习情况，优化理论教学，强调实践教学，更新教学内容，创新实践培养环节，重构汽车振动学理论教学与实践教学，提升学生利用振动学理论分析解决车辆工程振动问题的能力，服务安徽省十大新兴产业[5]。

2 汽车振动学课程教学中的问题剖析

2.1 理论课环节

汽车振动学课程理论矩阵分析、随机理论、理论力学、弹性力学、结构力学、数值计算、控制方法等多门课程的知识，学科交叉性强，对于车辆工程专业的本科生来讲，将数学方法应用到汽车振动学课程上时，造成学生知其然不知其所以然的学习状态，学生反应理论推导体系性不强，与实际工程不知如何结合，理论知识晦涩难懂，工程应用能力欠缺，学习积极性不高。

2.2 实践教学环节

高校限制于实际情况和学生安全考虑，不开设汽车平顺性试验课程，学生只学习汽车振动学理论知识，不了解汽车振动试验标准和相关特性分析；部分高校开设的平顺性实践课，主要是用仿真软件分析汽车振动特性，主要是机械式模仿教材案例，缺乏汽车平顺性道路实践经验和数据采集处理能力，不能理论与实际相结合提出合理的解决方案。

2.3 课程考核环节

课程考核涉及学生切身利益和反应学习效果，汽车振动学课程具有理论性和实践性都很强的特点，考核办法不宜仅采用传统卷面考核，同时，卷面考核无法反应学生的课程实践与汽车平顺性测试和数据分析的能力，而仅通过汽车平顺性试验考核办法无法反应学生理论知识掌握情况，学生培养效果不佳。

3 课程教学改革

3.1 理论教学改革

提炼主干内容。汽车振动学是汽车理论课程群中平顺性专题的核心课程。课时为32学时，课程理论部分为前十章，最后两章的软件分析作为学生的課下作业。凝练课程主要内容，主要分为三大专题，其一为多自由度振动理论；其二为随机振动理论；其三为汽车减振技术。提出矩阵式课程知识体系，如图1所示。理论授课过程：从单自由度自由振动系统到二自由度振动系统至多自由度振动系统；其次，通过路面激励模型引入随机振动理论和发动机振动机理，延伸随机激励下人体对振动的反应；最后，为了抑制振动引出减振技术。通过矩阵式课程理论教学方法，提高学生课程整体性和系统性。

课程案例教学。将案例教学法融入课堂，通过对某型汽车振动案例进行展开讲解汽车多自由度振动系统。如图2所示将汽车单自由度振动系统。讲解汽车单自由度振动模型时，用MATLAB软件进行编程分析其模型的幅频特性与相频特性特性曲线。

从单自由度振动的幅频特性和相频特性分析汽车车身振动特性；进一步将单自由度振动系统扩展到二自由度振动系统，继而得到汽车二自由度模型，如图3所示。

根据图3所示汽车振动二自由度模型得到其微分方程，推导得到汽车车身加速度、相对动载和悬架动扰度对路面速度幅频特性。学生通过软件编程仿真汽车二自由度振动的幅频特性，并以分布式驱动电动汽车为例，簧下质量增加来分析二阶共振峰值前移的负效应；为了使学生更好理解汽车减振技术，通过改变阻尼参数分析幅频特性变化规律，得到如图4-图6所示。

通过学生对汽车振动特性建模、编程与仿真等步骤，使学生深入理解力学模型和幅频特性，改变相关参数能够使学生分析其变化规律，培养学生理论与实际相结合的能力。

3.2 课程实践教学

优化课程实践内容，提高学生理论和工程能力，汽车振动学课程开设学生实践教学环节，单位配备东华测试公司的汽车平顺性测试系统包括软件与硬件系统。按照GB/T 4970-2009《汽车平顺性试验方法》中推荐试验方法，让学生开车上路操作汽车平顺测试。实践教学过程如7所示。

图7表示为汽车振动学实践教学内容和流程。实践教学为汽车振动道路试验即汽车平顺性试验。本课程实践环节条件有江淮汽车试验平台和东华测试数据采集与分析系统各一套。首先，需要向学校保卫处申请汽车试验用道路，设置交通标识；其次，让学生分组便于实际操作，并课下学习采集和数据处理软件；然后，汽车平顺性道路试验设备安装及试验，包括传感器与路障布置、软硬件通讯等，采集不同速度下汽车不同位置的振动加速度信息；最后，让学生对采集到的测试数据进行振动分析并评价舒适性。学生通过课程实践环节培养，提高了对汽车振动学的认识和理解，培养了学生利用汽车振动理论解决工程实践问题的能力。

3.3 课程考核

为了综合考查学生对汽车振动学课程的学习效果，优化课程考核办法，该课程采用理论知识卷面考试、上车实际操作和数据处理与分析三大部分进行考核。（1）理论考查占比40%；（2）上车实操占比30%；（3）数据处理与分析占比30%。理论知识考查从某型汽车振动问题出发，考查学生对汽车振动学的理解和汽车振动力学模型的构建并求解的能力，尤其是二自由度、四自由度及七自由度车辆振动数学模型；上车实际操作是考查学生对汽车振动测试和数据采集能力，掌握汽车振动传感器的标定与安装、软件操作、信号采集、行驶路线等知识；数据处理及分析考查学生对汽车振动采集数据的后处理和振动特性分析的能力，掌握汽车平顺性和舒适性的评价方法，以及振动信号的功率谱、概率密度函数、均方根值等处理方法。

4 结语

针对汽车振动学课程中存在理论知识、实践教学、课时优化、综合考核等问题，本文从优化理论教学、强调实践教学和综合考查等三个方面入手，提出了基于案例教学法和实践教学的汽车振动学课程教学改革方案。学生通过汽车振动学教学方案的培养，提升了学生利用振动理论解决汽车平顺性和舒适性问题的能力，优化了课程体系，对车辆工程专业人才培养具有重要意义。

基金项目：2022年度高等学校省级质量工程项目“车辆工程专业服务安徽省新能源汽车与智能网联汽车产业”（2022sdxx010）;安徽省高等学校省级质量工程项目“提升车辆工程专业服务新能源汽车和智能网联汽车产业”（2021fwxxcy013）；2022年度高等学校省级质量工程项目（2022xsxx049）; 2022年省级研究生教育教学改革研究项目（2022jyjxggyj272）；安徽省教育厅科研项目（2023AH051184）；安徽理工大学引进人才科研启动基金（2021yyrc22；13210572）；安徽理工大学青年科学研究基金项目（QNZD2021-07， QNZD2021-04）。

参考文献：

[1]国务院办公厅. 新能源汽车产业发展规划（2021—2035年）[Z]. 2020–10–20.

[2]王晓娟. 中国新能源汽车的发展现状及未来展望[J]. 时代汽车，2022，（04）：107-108.

[3]王辉. 新能源汽车产业背景下的车辆工程专业人才培养变革[J]. 汽车教育，2022， 375（3）：32-33.

[4]陈一哲，范宏德，王辉，等.针对新能源汽车人才需求的教学模式分析与改革[J]. 高教学刊，2023，9（20）：8-11.

[5]潘家保，张荣芸，王建平，等. 车辆工程专业人才培养模式探索与实践[J].池州学院学报，2023，37（03）：136-139.