汽车理论典型中外教材比较研究

夏群生　李克强　宋　健　田光宇　马春生

摘要：本文在简要介绍了德、美、日三国几本典型的汽车理论教材和中国本土的汽车理论教材的基础上，比较研究了这些教材的体系结构和编写特点，对国内如何完善和使用汽车理论教材提出了若干建议。

关键词：中外教材：体系结构；比较研究

汽车理论是车辆工程类专业的必修课程和核心课程，旨在为汽车相关专业知识的学习和掌握打下坚实的基础。该课程也是其他学科的学者及汽车企业科技人员了解和应用汽车基本知识体系和结构原理的有效途径。汽车理论课程是以力学为基础，阐述汽车的行驶性能(动力性、燃油经济性、制动性、操纵稳定性、行驶平顺性以及通过性)，研究在满足这些性能要求基础上选择汽车设计参数的相关原则，并介绍如何利用现代技术提高汽车行驶性能。由于汽车理论涉及内容的综合性和复杂性，对该课程教材的体系结构和基本内容都有较高的要求。国内从事车辆工程专业教学和科研的院校师生及汽车企业的科技人员普遍感觉汽车理论课程的学习、理解及应用并非容易之事。本文在简要介绍几本典型的国外汽车理论教材与中国本土的汽车理论教材的基础上，比较研究了这些教材的体系结构和编写特点，对国内如何完善和使用汽车理论教材提出了若干建议。

一、国内外几本典型的汽车理论教材

国内外可用作汽车理论教学的典型教材主要包括：

1德国版教材

德国作为汽车工业强国及现代大学工程教育的先驱，其汽车理论相关的教材也颇具特色。汽车理论的典型教材包括《汽车动力学》、《汽车工程》系列教材所涉及的“车辆纵向动力学、横向动力学、垂向动力学”。

《汽车动力学》是由德国布伦瑞克工业大学M.米奇克教授编写的一部经典教材，在国际上具有较大的影响力。该教材的第一版是1970年出版的，2004年推出了第四版，第一、二版均有中文翻译版。该教材的基本内容包括介绍汽车的驱动和制动、车辆振动以及行驶的操纵稳定性所涉及的动力学问题。“驱动和制动”叙述了在平整路面上沿纵坐标方向的直线运动，内容涉及车轮和轮胎的基本概念、行驶阻力、汽车驱动装置特性、行驶功率和燃油经济性计算、汽车制动力分配及制动稳定性。“车辆振动”叙述了在不平整的路面上车辆被激发起的振动，特别是被激起跳动和俯仰运动。介绍了计算行驶舒适性和安全性的标准参数并讨论了悬架参数对车辆振动性能的影响。“操纵稳定性”在给出横向运动相关概念的基础上，讨论了驾驶员和车辆的相互作用、轮胎的非线性、侧滑极限下的车辆稳定性、车辆结构参数对操稳性的影响和特殊工况下的转向特性。

《汽车工程》教材是德国亚琛工业大学H.瓦伦托维茨教授编写的一部系列教材，在车辆工程领域也具有特色。H.瓦伦托维茨教授曾长期任Daimler Benz(戴姆勒奔驰)汽车公司实验开发部工程师、BMW(宝马)汽车公司悬架开发部主任工程师，具有丰富的工程实践背景、很深的学术造诣和教学经验。所编写的“车辆纵向动力学、横向动力学、垂向动力学”教材，介绍了汽车动力学的相关基础理论和典型的应用系统。以动力学为基础，分析了轮胎、转向系统、悬架等结构的建模、动力学方程及结构参数与系统动力学特性的相互关系，并提出了相关系统参数的设计准则。教材强调了理论与实际结构参数的设计方法紧密联系，具有较高的工程应用价值。

2美国版教材

可用于汽车理论教学的美国版教材主要有《车辆动力学基础》、《车辆动力学与控制》等。其中《车辆动力学基础》是由美国密西根大学T.Gillespie教授编写的一部经典教材，在国际上也具有较大的影响力，其中文版已由清华大学出版社发行。该教材以车辆动力学性能的理论分析为主，包括车辆纵向动力学(驱动工况和制动工况)、横向动力学(侧向动力学、横摆动力学和侧翻动力学)和垂向动力学(垂向动力学和俯仰动力学)等，内容丰富，自成体系。教材各部分的公式推导细致，对各类分析方法的背景介绍清晰。《车辆动力学与控制》是由美国明尼苏达大学R.Rajamani教授编写的教材，介绍了现代汽车电子控制系统设计所需要的汽车动力学和控制理论相关基础知识。主要包括汽车的纵向动力学、横向动力学和垂向动力学所涉及的轮胎基本特性和模型、行驶阻力、驱动系统、转向系统和悬架系统动力学模型及影响参数。该教材不仅系统地介绍了车辆动力学的知识，同时，结合驾驶辅助系统(自适应巡航控制ACC、车道保持系统LKS)、先进的车辆稳定性控制系统(VSC)、主动悬架(AS)等应用实例，对典型的车辆运动控制系统的动力学特性及控制方法作了较详细的介绍。

3日本版教材

作为汽车工业强国之一的日本，也有较多的可用于汽车理论教学的教材，包括《汽车运动与控制》、《汽车性能与试验》、《车辆系统的动力学与控制》等。日本神奈川工科大学安部正人教授编写的《汽车运动与控制》是一部经典的汽车理论教材，在描述车辆运动与控制的基本概念基础上，介绍了轮胎力学、车辆基础运动、在具有外界干扰下的车辆运动、转向系与车辆运动的关系、复杂条件下的车辆运动与控制等。《汽车性能与试验》是由日本大学景山克三教授监修、日本五十铃汽车公司技术人员执笔的专业基础书籍，在描述汽车运动受力的基础上，介绍了汽车各种行驶性能(动力性、制动性、舒适性、经济性和使用可靠性)以及汽车相关性能的试验和评价方法。《车辆系统的动力学与控制》是日本东京农工大学永井正夫教授编写的教材，在统一描述包括汽车在内的移动机械的运动与控制基本知识的基础上，分别针对汽车、铁道车辆、磁悬浮车辆、移动机器人的运动控制问题，介绍了相关系统的动力学系统建模、分析及性能控制。

4中国本土教材

汽车工业作为中国的支柱产业在国民经济中占据重要位置，汽车工程高等教育不断发展，汽车理论作为车辆工程类专业的必修课程和核心课程，其课程建设得到了极大重视。典型的中国本土教材是由清华大学余志生教授主编的《汽车理论》，自1981年正式出版以来，已出第四版，最近将推出第五版，在国内具有较大的影响力。该教材以力学为基础，阐述汽车的行驶性能(动力性、燃油经济性、制动性、操纵稳定性、行驶平顺性以及通过性)，介绍在满足这些性能要求基础上选择汽车设计参数的相关原则以及如何利用现代技术提高汽车相关行驶性能。

二、國内外教材的比较分析

由于国内外汽车工程教育存在着教学计划和侧重点等不同之处，汽车理论相关教材在体系结构和编写特点上也存在不同。

1体系结构比较

德国教材的编排往往形成了固定的体系，通常将知识点非常有条理的分为纵向、垂向和横向动力学三个部分，结构非常清晰。与中国教材将汽车结构、汽车设计作为两门另外的课程不同，德国的汽车结构和汽车设计知识是融入汽车理论的学习中的，这让学生能够更好地

理解如何设计汽车以及结构印证理论的要点。但是，由于汽车结构和设计知识的添加对教材本身知识体系结构具有一定的破坏性，如何能够减小这种破坏，德国教材似乎也做得不好。另一方面，由于这种对汽车结构和设计的学习往往是理论性质的，学生往往只知道理论，而对真实汽车结构和设计知识难以深刻理解。

美国教材在体系安排上与德国教材颇为相似，但在知识安排上又类似于中国教材。美国的汽车理论教材重视动力学的理论，有的美国汽车理论教材中除了安排了动力学相关知识的学习外，还安排了一些延展学科的学习，包括车辆动力学参数估计等，而这些知识的学习无一例外都是需要较深的理论背景的。在这一点上，美国教材应该说处理得比较好，因此，美国教材往往在理论体系上是最为完备的。但这也导致美国的教材知识点相当多，学生接受理解起来难度较大，甚至在学习过程中容易丧失主观能动性去思考和发现问题。

日本教材在体系上是以汽车的行驶性能为对象，在介绍相关基本知识(车辆坐标系、轮胎力学等)的基础上，通常将知识点非常有条理地分为动力性、经济性、制动性、操稳性及平顺性几个部分，结构也比较清晰。但日本的教材较多的是以汽车操纵稳定性为重点的横向动力学分析和控制内容，对汽车其他行驶性能，诸如汽车振动、驱动和制动的动力学分析和控制问题关注不够。日本的汽车理论教材本身也是以汽车动力学纯粹理论和性能试验方法为主，较少涉及汽车结构和汽车设计的内容，使教材的结构体系显得较简洁和清晰。易于学生学习理解和系统总结。

中国教材在体系安排上与日本教材相似，是以汽车的行驶性能为知识阐述对象，描述与其相关的动力学知识，同时介绍了在满足这些性能要求基础上选择汽车设计参数的相关原则以及如何利用现代技术提高汽车相关行驶性能。由于有汽车实验学、汽车构造和汽车设计等相关课程体系的支撑，中国的汽车理论教材内容包括了较深入地介绍汽车动力学的知识及汽车理论在工程实际中的应用实例。但中国教材在微观体系的内容方面试图包含尽量多的相关知识，而有些内容限于篇幅限制难以给出足够详细的解释，对没有工程经验的学生稍显困难。

2编写特点比较

德国教材的编写特点为：(1)体系严谨，条理清晰。按不同的问题划分为三卷：第一卷，给出车辆运动中的基本概念，着重描述车辆驱动与制动的过程；第二卷，考虑不平路面引起的垂直振动；第三卷，讨论车辆曲线行驶以及直线行驶的方向偏离问题。(2)剥丝去茧，由浅入深。这在体系安排中已经得到很好的体现，从第一卷到第三卷，作者由最基本的不考虑环境干扰的汽车动力学问题，逐渐考虑路面不平度的影响，再至引入侧向风的影响。又如在描述车辆操纵性的第三卷中，作者从简单的线性模型入手，提出反映汽车操纵性的特征参数，然后再引入非线性轮胎特性的影响，并对附着极限附近的操稳性进行讨论。这种层层深入的章节安排既抓住了汽车动力学的数学本质，又反映其作为工程问题的全貌。(3)面向学生，两头兼顾。作者在编写时主要面向系统学习汽车动力学的大学生，但同时也兼顾了只想了解局部内容的读者的需求。因此作者在教材本身完整体系的基础上，尽可能使读者只通过读某一节就能了解尽可能多的东西，而不必翻阅前后的提示。在编写教材的过程中，德国教材注重培养学生建立模型分析问题的能力，这是和其他国家教材最大的区别之一。在德国的教材中，分析任何一个问题的过程都往往和该领域问题的发展趋势相结合的。一般都首先建立简单模型，反映简单现象，然后逐步加入其他条件，再分析相关内容。这种方法有助于学生更为直观地了解车辆动力学发展的趋势。(4)单位规范，标注统一。与美国教材中大多使用英制单位不同，德国教材在题例及图表中均采用了国际单位制，这样更方便了非英制国家学生的学习。

美国教材的编写特点为：(1)课程的理论性强，知识涵盖面广。教材以车辆动力学性能的理论分析为主，包括车辆纵向动力学(驱动工况和制动工况)、横向动力学(侧向动力学、横摆动力学和侧翻动力学)和垂向动力学(垂向动力学和俯仰动力学)等，内容丰富，自成体系。课程各部分的公式推导细致，对各类分析方法的背景介绍清晰。(2)理论分析方法与工程分析方法相结合。每一章节，介绍理论分析方法之后，都有相应的工程应用示例，辅助学生理解所学的理论知识。而且，教材还介绍了最近几十年内车辆性能工程分析方法。尽管部分知识对理论研究帮助不大，但有助于进入工业界的学生尽快融入企业开发活动。(3)介绍了大量汽车技术术语的标准定义。受商业因素的影响，早期的汽车研发活动是相对封闭的。这种状况直接导致国家与国家之间，甚至企业与企业之间的许多汽车技术术语是互不通用的。美国教材依托SAE体系对大量汽车技术术语进行了介绍，澄清了许多模糊的术语定义。这对学生掌握通用的汽车术语定义，进行有效、准确的技术交流非常有帮助。

日本教材的特点为：(1)车辆动力学知识和控制应用的介绍并重。教材不仅系统地介绍了轮胎力学、车辆横向动力学等知识，同时，结合ABS和VSC等实例，对车辆动力学的控制应用也作了相当多的阐述。这种教学方法便于学生掌握车辆动力学的应用背景，有针对性地了解车辆动力学的待研究问题。(2)同一研究问题下，对各类见解和观点兼容并包。在教材所述内容中，不仅包括作者对车辆动力学的理解与见解，也涵盖其他研究人员的不同思想和研究内容。这种教材的编写方法，有利于启发学生的发散思维，激发学生的创造性。(3)结合当前的研究热点，介绍车辆动力学和控制的最新学术进展，直接将学生引导至汽车动力学应用研究领域的前沿。教材包含许多最新的车辆动力学研究热点，如底盘集成控制、预测稳定性控制等领域。通过前沿学术课题的介绍，引导学习者了解本领域的热点问题，缩短了学习者进入工程应用研究阶段的时间。

中国教材的特点为：(1)博采众长，西为中用。参考了德、美、日等国家教材中的经典内容，结合中国的汽车工业发展的实际情况进行了选择与修改，适合中国国情。(2)基于传统，紧跟时代。既介绍了传统汽车理论的基本知识，又介绍了近年来诸如新能源汽车等新的技术发展。(3)理论为主，注重实践。在汽车理论基本知识的基础上，介绍了相关的工程应用以及实验操作，紧密联系实际。

三、教材完善及使用的建议

由于汽車理论涉及内容的综合性和复杂性，以及汽车技术的不断发展，对该课程教材的体系结构和基本内容有较高的要求，国内从事车辆工程专业教学和科研的院校师生及汽车企业的科技人员在汽车理论课程的学习、理解及应用过程中，有时会出现困难。上述国内外典型的汽车理论教材，均存在一些不足之处。现就我国车辆工程高等教育的实际情况，对国内汽车理论教材的完善和使用提出以下建议。

1注意教材与技术专著的不同之处

汽车理论课程是定位于车辆工程的通用专业课，其内容既包括汽车动力学的基础知识，又涉及汽车的重要使用性能，同时还是探索汽车高新技术和设计汽车新型结构的重要基础。所以与普通的基础理论教材注重于基本概念、基本理论和基本应用的介绍不同，汽车理论教材还涉及许多与汽车动力学性能相关的应用新技术介绍，这与汽车工程领域的技术专著往往存在有交叉之处。而汽车理论所涉及的动力学基本知识是以阐述汽车行驶过程的动力学性能方式被介绍，同时由于现代科技的发展，在汽车动力学与控制相关方面有许多的学术研究论文和技术专著；另一方面，该教材的对象主要是针对学生和其他汽车工程領域的初学者，而非汽车动力学技术的研究者，故汽车理论教材在结构体系上应注意教材与技术专著的不同之处，明确其作为专业教材的定位和所涉及内容宽广的特点，建立清晰简洁的教材体系结构。

2强调理论与工程应用、传统与现代的结合

根据汽车理论课程的定位，汽车理论教材的内容应是以力学为基础，阐述汽车的行驶性能(动力性、燃油经济性、制动性、操纵稳定性、行驶平顺性以及通过性)。汽车理论课程所涉及的动力学基本知识亦在大学物理、工程力学等教材中提及，属于传统重要的知识点，也是课程深化内容的基础。而汽车的行驶性能随着现代社会的发展和其他科学技术的进步，是不断在变化的，所以汽车理论教材须强调理论与工程应用、传统与现代的结合。国内的汽车理论教材形成了自己的一些固有优势，在知识的广度和深度上下了工夫，对于一些国外教材未曾涉猎，而实际生产设计过程中经常出现的内容作了详细的介绍，内容非常丰富，而且兼顾了理论和实际，这是值得肯定的。但国内外的汽车理论教材编写过程中普遍存在教材使用的数据偏旧、更新速度较慢、新技术介绍不够系统等问题，在教材的传统性和现代性的有机结合方面有待于进一步完善。

3处理好汽车理论与其他专业课程内容的关系

国内汽车理论教材的内容不仅仅是以力学为基础，阐述汽车的行驶性能，同时还介绍了研究在满足这些性能要求基础上选择部分汽车设计参数的相关原则，以及如何利用现代技术提高汽车行驶性能的方法。而国内的车辆工程专业课程体系中，单独设置了与汽车理论相关的汽车结构、汽车设计、发动机原理、汽车实验学等课程，因此与国外汽车理论教材相比，国内教材的体系规划相对容易，有利于教材突出重点、简化篇幅，但现有的教材在处理好汽车理论与其他专业课程内容的关系方面，仍有待改善的地方。在教材的内容设置时，应注意与相关课程内容的关系，既要有衔接又不能有重复或表述不一致之处。在课程的开设时间顺序上亦应有合理的安排，否则将增加学习难度，降低教材使用的合理性。

四、结语

1汽车理论教材涉及内容具有综合性和复杂性，教材建设是一个持续的过程。

2国内外典型的汽车理论教材在体系结构和编写特点方面均有不同，各有长处和不足之处。

3国内汽车理论教材在完善和使用时应在区分教材与技术专著的不同之处、强调理论与工程应用、传统与现代的结合以及处理好汽车理论与其他专业课程内容的关系等方面加以注意。