宋亞偉 高艷超 楊春艷 范博
(上汽通用五菱汽車(chē)股份有限公司,柳州 545007)
位移相關(guān)減振器的阻尼優(yōu)化設(shè)計(jì)
宋亞偉 高艷超 楊春艷 范博
(上汽通用五菱汽車(chē)股份有限公司,柳州 545007)
提出了一種簡(jiǎn)單有效的位移相關(guān)減振器開(kāi)槽段阻尼優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。利用關(guān)鍵速度點(diǎn)的阻尼力對(duì)減振器阻尼曲線(xiàn)進(jìn)行簡(jiǎn)化,對(duì)減振器開(kāi)槽段關(guān)鍵速度點(diǎn)處的阻尼力進(jìn)行仿真優(yōu)化,獲得了理想的減振器開(kāi)槽段阻尼特性曲線(xiàn)。將減振器在目標(biāo)車(chē)后懸架進(jìn)行了實(shí)車(chē)試驗(yàn),結(jié)果表明,該位移相關(guān)減振器對(duì)目標(biāo)車(chē)的乘坐舒適性有明顯改善,驗(yàn)證了阻尼優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的有效性與實(shí)用性。
傳統(tǒng)減振器的阻尼力僅與速度相關(guān),位移相關(guān)減振器的阻尼力不僅與速度有關(guān),而且受位移影響。位移相關(guān)減振器有多種形式,如旁通槽式[1]、液壓限位式[2]、葉片式[3]。旁通槽式位移相關(guān)減振器在傳統(tǒng)被動(dòng)式減振器的工作缸內(nèi)壁加工旁通槽實(shí)現(xiàn)減振器阻尼特性隨位移變化而變化,尤其適用于一些載荷變化很大的車(chē)輛。Choon-Tae Lee和Byung-Young Moon提出一種表征位移相關(guān)減振器動(dòng)力學(xué)特性的數(shù)學(xué)模型,該模型將位移相關(guān)減振器分為軟阻尼和硬阻尼2個(gè)區(qū)域,并通過(guò)在軟、硬阻尼區(qū)設(shè)定過(guò)渡區(qū)模擬實(shí)際減振器特性[4]。孫勝利根據(jù)減振器結(jié)構(gòu)和工作原理,把旁通槽式位移相關(guān)減振器抽象為等效的液壓傳動(dòng)系統(tǒng),應(yīng)用Adams/Hydraulics建立其動(dòng)力學(xué)模型,模型仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合,對(duì)典型工況的仿真表明,旁通槽式位移相關(guān)減振器能夠改善車(chē)輛乘坐舒適性和安全性[5]。
某目標(biāo)MPV車(chē)型空載和滿(mǎn)載情況下,后軸載荷變化很大,原車(chē)減振器阻尼設(shè)計(jì)很好地滿(mǎn)足滿(mǎn)載情況的乘坐舒適性,但對(duì)于空載情況,后軸減振器阻尼偏大,導(dǎo)致乘坐舒適性較差。為了提高空載時(shí)的乘坐舒適性,在軸荷變化較大的后懸架采用位移相關(guān)減振器,使得減振器在滿(mǎn)載情況下阻尼特性與原車(chē)保持不變,而在空載情況下減振器阻尼變小。本文對(duì)該位移相關(guān)減振器的阻尼特性進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。對(duì)減振器阻尼曲線(xiàn)進(jìn)行簡(jiǎn)化,以關(guān)鍵速度點(diǎn)的阻尼力描述減振器阻尼特性,建立二自由度車(chē)輛振動(dòng)模型對(duì)減振器開(kāi)槽段關(guān)鍵速度點(diǎn)的阻尼力進(jìn)行了仿真優(yōu)化。基于優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行減振器試制并將減振器應(yīng)用于目標(biāo)車(chē)輛進(jìn)行實(shí)車(chē)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明,該位移相關(guān)減振器對(duì)目標(biāo)車(chē)輛的乘坐舒適性有明顯改善。
旁通槽式位移相關(guān)減振器的結(jié)構(gòu)如圖1所示,工作缸旁通槽以?xún)?nèi)區(qū)域?yàn)檐涀枘崽匦詤^(qū),旁通槽以外區(qū)域?yàn)橛沧枘崽匦詤^(qū)。此外,為防止活塞由軟阻尼特性區(qū)運(yùn)動(dòng)到硬阻尼特性區(qū)產(chǎn)生阻尼力的突變,在軟、硬阻尼特性區(qū)之間開(kāi)設(shè)了一段過(guò)渡區(qū)[4]。目標(biāo)車(chē)輛空載時(shí),活塞在旁通槽內(nèi)的軟阻尼特性區(qū)運(yùn)動(dòng),增加了若干油液旁通支路,減振器阻尼力較小,車(chē)輛行駛舒適性提高;目標(biāo)車(chē)輛滿(mǎn)載時(shí),活塞在旁通槽外的硬阻尼特性區(qū)振動(dòng),位移相關(guān)減振器阻尼特性與原車(chē)減振器阻尼基本相同,阻尼力較大,能夠保證車(chē)輛的行駛安全性[5]。
圖1 位移相關(guān)減振器工作原理示意
典型的減振器阻尼力-速度特性如圖2所示,分為低速區(qū)、過(guò)渡區(qū)和高速區(qū)[6],有開(kāi)閥點(diǎn)和最大開(kāi)閥點(diǎn)2個(gè)速度轉(zhuǎn)折點(diǎn)。圖3所示為目標(biāo)車(chē)輛后懸架減振器阻尼特性曲線(xiàn),由試驗(yàn)曲線(xiàn)曲率變化確定拉伸行程開(kāi)閥點(diǎn)、拉伸行程最大開(kāi)閥點(diǎn)、拉伸行程高速點(diǎn)、壓縮行程開(kāi)閥點(diǎn)、壓縮行程最大開(kāi)閥點(diǎn)、壓縮行程高速點(diǎn)及其對(duì)應(yīng)阻尼力。
圖2 典型減振器阻尼力-速度特性(伸張行程)
本文研究的位移相關(guān)減振器軟、硬阻尼特性之間的過(guò)渡區(qū)很短,可以將其阻尼特性簡(jiǎn)化描述為開(kāi)槽區(qū)和非開(kāi)槽區(qū)2種阻尼特性的切換。因此可以將開(kāi)槽區(qū)和非開(kāi)槽區(qū)的阻尼特性分別用原點(diǎn)、拉伸行程開(kāi)閥點(diǎn)、拉伸行程最大開(kāi)閥點(diǎn)、拉伸行程高速點(diǎn)、壓縮行程開(kāi)閥點(diǎn)、壓縮行程最大開(kāi)閥點(diǎn)、壓縮行程高速點(diǎn)7個(gè)關(guān)鍵速度點(diǎn)的阻尼力簡(jiǎn)化表示,這樣就可以將位移相關(guān)減振器阻尼特性?xún)?yōu)化簡(jiǎn)化為開(kāi)槽段關(guān)鍵速度點(diǎn)的阻尼力優(yōu)化問(wèn)題。
圖3 目標(biāo)車(chē)原車(chē)后減振器阻尼特性曲線(xiàn)
本文在進(jìn)行位移相關(guān)減振器的優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí),選用了二自由度車(chē)輛振動(dòng)模型,如圖4所示。該模型對(duì)整車(chē)進(jìn)行了一定的簡(jiǎn)化,認(rèn)為車(chē)輛前、后懸架系統(tǒng)的垂向振動(dòng)相互獨(dú)立,左、右懸架系統(tǒng)的振動(dòng)完全相同。它能夠反映車(chē)身和車(chē)輪的振動(dòng)響應(yīng)特性,比較接近懸架的真實(shí)振動(dòng)情況。此外,該模型所需的參數(shù)較少,提高了系統(tǒng)的計(jì)算速度。
圖4 1/4車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型
應(yīng)用拉格朗日方程推導(dǎo)模型中的車(chē)身和車(chē)輪二自由度的振動(dòng)方程:
式中,L為系統(tǒng)動(dòng)勢(shì);T為系統(tǒng)動(dòng)能;V為系統(tǒng)勢(shì)能;D為系統(tǒng)耗散能;Zi為第i個(gè)剛體的廣義坐標(biāo)(Z1、Z2分別為車(chē)輪、車(chē)身垂向位移);Ms為簧載質(zhì)量;Mus為非簧載質(zhì)量;Cs為懸架阻尼系數(shù);Ks為懸架剛度;Kt為輪胎剛度;q為路面的不平激勵(lì)。
將式(2)~式(5)代入式(1)并將方程組改寫(xiě)為矩陣形式:
路面不平度作為車(chē)輛垂向振動(dòng)的主要輸入,其模型精度直接影響了車(chē)輛模型的仿真精度。本文應(yīng)用快速傅里葉逆變換(IFFT)法模擬路面隨機(jī)激勵(lì),基本思想是根據(jù)路面時(shí)域功率譜密度,求出頻譜的幅值和隨機(jī)相位,然后通過(guò)傅里葉逆變換得到路面不平度的時(shí)域信號(hào)[7]。
路面不平度通??醋魇瞧椒€(wěn)的、各態(tài)歷經(jīng)的零均值的隨機(jī)過(guò)程[8]。根據(jù)GB/T 7031-2005《機(jī)械振動(dòng) 道路路面譜 測(cè)量數(shù)據(jù)報(bào)告》,通常采用功率譜密度來(lái)表達(dá)不同粗糙程度的路面,路面空間功率譜密度為:
當(dāng)車(chē)輛以速度V行駛時(shí),路面隨機(jī)激勵(lì)的時(shí)間功率譜密度Gq(f)與路面不平度空間功率譜密度Gq(n)的關(guān)系為:
式中,n為空間頻率;n0=0.1 m-1為參考空間頻率;Gq(n0)為路面不平度系數(shù),即頻率n0對(duì)應(yīng)的路面功率譜密度;W為頻率指數(shù),一般取W=2。
由式(8)可知,當(dāng)已知路面等級(jí)、行駛車(chē)速的情況下,給定離散頻率fk,能夠得到前一半采樣點(diǎn)的路面不平度的時(shí)間功率譜密度的分段表達(dá)式[9]:
式中,Gq(fk)為離散時(shí)間功率譜密度;N為離散采樣點(diǎn)數(shù);Nl為空間頻率下限;Nu為空間頻率上限。
由離散傅里葉變換公式推導(dǎo),得到路面不平度的頻譜幅值與離散時(shí)間功率譜密度之間的關(guān)系:
理論上,隨機(jī)路面不平激勵(lì)的頻譜可表示為:
式中,X(k)為路面隨機(jī)激勵(lì)頻譜;|X(k) |為頻譜幅值;Δf為采樣頻率間隔;φk為頻譜的相位,為[0,2π]均勻分布的隨機(jī)變量。
對(duì)復(fù)數(shù)序列X(k)(k=1,2,…,N)進(jìn)行傅里葉逆變換,得到單輪路面不平度的時(shí)域信號(hào):
在平順性?xún)?yōu)化過(guò)程中,通過(guò)一味地降低車(chē)身垂向加速度來(lái)提升車(chē)輛平順性會(huì)導(dǎo)致懸架阻尼偏小、懸架動(dòng)行程和輪胎動(dòng)載荷過(guò)大,從而導(dǎo)致車(chē)輛的操縱穩(wěn)定性變差。因此,在對(duì)車(chē)輛平順性進(jìn)行優(yōu)化的同時(shí),也要將懸架動(dòng)行程和輪胎動(dòng)載荷控制在合理范圍內(nèi),以保證車(chē)輛的操縱穩(wěn)定性和行駛安全。為了防止懸架運(yùn)動(dòng)過(guò)程中撞擊上、下限位塊,應(yīng)保證懸架動(dòng)行程的標(biāo)準(zhǔn)差σfd小于1/3倍的懸架限位行程[fd],這樣可以將懸架撞擊限位塊的概率控制在0.3%以下。輪胎的相對(duì)動(dòng)載ζ定義為輪胎運(yùn)動(dòng)過(guò)程中車(chē)輪作用于路面的動(dòng)載荷Ft與作用于路面的靜載荷G的比值,當(dāng)ζ≥1時(shí),車(chē)輪將跳離地面,車(chē)輛失去路面附著能力,影響車(chē)輛的行駛安全。因此,應(yīng)確保輪胎相對(duì)動(dòng)載的均方根值σζ小于1/3,以保證輪胎不跳離地面的概率在99.85%以上[10]。
綜上所述,優(yōu)化目標(biāo)為車(chē)身垂向振動(dòng)的加權(quán)加速度均方根值與相應(yīng)行駛工況占比的乘積之和最小,相應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)為:
式中,λi為不同工況占比;Gai(f)為不同工況下的車(chē)身垂向加速度時(shí)間歷程的功率譜密度;W(f)為垂直方向的頻率加權(quán)函數(shù)。
優(yōu)化的約束條件為:
根據(jù)前文對(duì)減振器阻尼特性的簡(jiǎn)化,為得到最優(yōu)的減振器阻尼特性,只需對(duì)減振器開(kāi)槽段關(guān)鍵點(diǎn)的阻尼力值進(jìn)行優(yōu)化?;谝呀⒌亩杂啥溶?chē)輛動(dòng)力學(xué)模型和隨機(jī)路面輸入模型,利用MATLAB中的Optimization Tool優(yōu)化工具箱,采用多島遺傳算法[11]對(duì)開(kāi)槽段關(guān)鍵點(diǎn)阻尼力進(jìn)行優(yōu)化,其中優(yōu)化的初值取為目標(biāo)車(chē)原減振器的關(guān)鍵點(diǎn)阻尼力值。
該位移相關(guān)減振器旨在提高目標(biāo)車(chē)空載時(shí)的乘坐舒適性,考察目標(biāo)車(chē)的日常行駛狀態(tài),共選取了空載狀態(tài)下的3種常用行駛工況進(jìn)行開(kāi)槽段阻尼特性的優(yōu)化設(shè)計(jì)。表1中給出了目標(biāo)車(chē)的3種常用行駛工況及不同等級(jí)路面行駛條件下的工況占比。
表1 目標(biāo)車(chē)的行駛工況
表2為二自由度車(chē)輛模型參數(shù),表3為優(yōu)化變量的初值及優(yōu)化結(jié)果,從優(yōu)化結(jié)果可以看出,開(kāi)槽段減振器拉伸和壓縮行程阻尼力相對(duì)于原車(chē)減振器阻尼力均降低。
表2 目標(biāo)車(chē)二自由度模型參數(shù)
通過(guò)脹形工裝設(shè)備在減振器工作缸上加工3個(gè)均勻分布、面積基本相同的旁通槽,使得在旁通槽總橫截面積不變的情況下,工作缸的局部變形相對(duì)較小,缸筒的強(qiáng)度能夠滿(mǎn)足減振器的使用需求。經(jīng)過(guò)幾輪試制,加工后的旁通槽總長(zhǎng)度約為55 mm,單個(gè)旁通槽的等效節(jié)流面積約為1.0 mm2。表3所示為通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)獲得的開(kāi)槽段阻尼特性與優(yōu)化結(jié)果的對(duì)比,由表3中臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)與優(yōu)化數(shù)據(jù)可知,減振器各關(guān)鍵速度點(diǎn)的阻尼力與仿真結(jié)果相差均在10%以?xún)?nèi),可以認(rèn)為開(kāi)槽段的實(shí)際阻尼特性基本與優(yōu)化結(jié)果一致。
為了驗(yàn)證位移相關(guān)減振器在實(shí)車(chē)上的效果,將樣件安裝于目標(biāo)車(chē)后懸架,開(kāi)展平順性試驗(yàn)。選定3種典型隨機(jī)路面,即鵝卵石路、比利時(shí)路和高速路,分別采用3種車(chē)速進(jìn)行試驗(yàn)。
表3 優(yōu)化變量初值、優(yōu)化結(jié)果及與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比
按照GB/T 4970—2009《汽車(chē)平順性試驗(yàn)方法》的要求,將加速度傳感器安裝在試驗(yàn)車(chē)的固定位置,本文中將加速度傳感器安裝在前、后排座椅坐墊、靠背和地板處。表4~表6分別為3種典型路面工況下原目標(biāo)車(chē)和裝有位移相關(guān)減振器的試驗(yàn)車(chē)的試驗(yàn)結(jié)果以及使用改進(jìn)后減振器的整車(chē)平順性仿真結(jié)果。
表4 鵝卵石路試驗(yàn)結(jié)果 g
表5 比利時(shí)路試驗(yàn)結(jié)果 g
表6 高速路試驗(yàn)結(jié)果 g
由表4~表6可知,試驗(yàn)車(chē)前、后排座椅處的加權(quán)加速度均方根值均有所降低,由于位移相關(guān)減振器安裝在后懸架,后排座椅處的加權(quán)加速度均方根值降低更顯著。應(yīng)用改進(jìn)后減振器的整車(chē)平順性仿真結(jié)果與實(shí)車(chē)試驗(yàn)結(jié)果基本一致,同時(shí)表明仿真車(chē)輛模型及減振器模型具有較高的準(zhǔn)確性。實(shí)車(chē)試驗(yàn)表明,將位移相關(guān)減振器阻尼特性簡(jiǎn)化為開(kāi)槽段關(guān)鍵速度點(diǎn)的阻尼力優(yōu)化問(wèn)題是合理有效的,利用該方法所開(kāi)發(fā)的位移相關(guān)減振器能夠提高車(chē)輛空載時(shí)的乘坐舒適性。
本文將位移相關(guān)減振器阻尼特性簡(jiǎn)化為開(kāi)槽段關(guān)鍵速度點(diǎn)的阻尼力優(yōu)化問(wèn)題,通過(guò)仿真優(yōu)化的手段對(duì)開(kāi)槽段阻尼特性進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。將優(yōu)化后的減振器安裝于目標(biāo)車(chē)后懸架進(jìn)行了實(shí)車(chē)試驗(yàn),結(jié)果表明,該位移相關(guān)減振器提高了車(chē)輛的平順性,驗(yàn)證了本文對(duì)位移相關(guān)減振器阻尼特性設(shè)計(jì)的有效性與合理性。
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Damping Optimization of Displacement-Dependent Shock Absorber
Song Yawei,Gao Yanchao,Yang Chunyan,Fan bo
(SAIC-GM Wuling Automobile Co.,Ltd.,Liuzhou 545007)
This paper presents a simple but efficient method to design the slot section damping characteristic of displacement-dependent shock absorber.The damping characteristic of shock absorber is briefly described by the force of a set of key velocity points.The damping force of key velocity points are optimized by simulation to get the desired slot section damping characteristic.The displacement-dependent shock absorber are trial-manufactured based on the optimization result and assembled to the test vehicle.Experiment is carried out on the vehicle,and the experiment results indicate that the displacement-dependent shock absorber can improve the ride comfort of this vehicle significantly,which also validates the effectiveness and practicality of the method proposed in this paper.
Displacement-dependent shock absorber;Damping force optimizing;Ride comfort;Ride comfort test
位移相關(guān)減振器 阻尼力優(yōu)化 乘坐舒適性 平順性試驗(yàn)
U463.33+5.1
A
1000-3703(2017)11-0050-05
(責(zé)任編輯斛 畔)
修改稿收到日期為2017年5月20日。
熱烈慶?!镀?chē)技術(shù)》首次入選中國(guó)科學(xué)引文數(shù)據(jù)庫(kù)(CSCD)
2017年4月21日,中國(guó)科學(xué)院文獻(xiàn)情報(bào)中心網(wǎng)站正式公布了中國(guó)科學(xué)引文數(shù)據(jù)庫(kù)2017~2018年度來(lái)源期刊遴選結(jié)果,由長(zhǎng)春汽車(chē)研究所(中國(guó)一汽技術(shù)中心)和中國(guó)汽車(chē)工程學(xué)會(huì)主辦的《汽車(chē)技術(shù)》首次入選中國(guó)科學(xué)引文數(shù)據(jù)庫(kù),并進(jìn)入核心庫(kù)。
此前,《汽車(chē)技術(shù)》已入選為中國(guó)科技核心期刊(ISTIC)、RCCSE中國(guó)核心學(xué)術(shù)期刊(A)、《中國(guó)科技期刊引證報(bào)告(核心版)》統(tǒng)計(jì)源期刊,被《中文核心期刊要目總覽》、中國(guó)學(xué)術(shù)期刊綜合評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)庫(kù)(CAJCED)、中國(guó)核心期刊(遴選)數(shù)據(jù)庫(kù)、俄羅斯《文摘雜志》(AJ)收錄。至此,《汽車(chē)技術(shù)》已進(jìn)入我國(guó)自然科學(xué)領(lǐng)域幾乎所有相關(guān)的核心期刊源和重要數(shù)據(jù)庫(kù)的收錄系統(tǒng)。
中國(guó)科學(xué)引文數(shù)據(jù)庫(kù)(Chinese Science Citation Database,CSCD)于1989年創(chuàng)建,由國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)和中國(guó)科學(xué)院共同資助、中國(guó)科學(xué)院文獻(xiàn)情報(bào)中心編制出版。作為我國(guó)第一個(gè)引文數(shù)據(jù)庫(kù),其在基本結(jié)構(gòu)、選刊原則、期刊篩選等方面與美國(guó)的科學(xué)引文索引(Science Citation Index,SCI)接軌,被譽(yù)為“中國(guó)的SCI”。CSCD已在我國(guó)科研院所及高等學(xué)校的課題查新、基金資助、項(xiàng)目評(píng)估、成果申報(bào)、人才選拔以及文獻(xiàn)計(jì)量與評(píng)價(jià)研究等多方面作為權(quán)威文獻(xiàn)檢索工具獲得廣泛應(yīng)用。
CSCD來(lái)源期刊每?jī)赡赍噙x一次。2017~2018年度CSCD收錄來(lái)源期刊1229種,分為核心庫(kù)和擴(kuò)展庫(kù)兩部分,其中核心庫(kù)來(lái)源期刊共885種,是各學(xué)科領(lǐng)域中具有權(quán)威性和代表性的核心期刊。
此次入選CSCD核心庫(kù),表明《汽車(chē)技術(shù)》的學(xué)術(shù)水平和影響力進(jìn)一步提升,獲得了科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域?qū)<业母叨日J(rèn)可。編輯部將繼續(xù)努力在傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)高效動(dòng)力系統(tǒng)、輕量化、低阻力領(lǐng)域,新能源汽車(chē)和互聯(lián)智能汽車(chē)技術(shù)領(lǐng)域大力吸收優(yōu)質(zhì)稿源,歡迎高等院校師生、研發(fā)工程技術(shù)人員、技術(shù)管理人員及相關(guān)人員不吝賜稿,共同為我國(guó)汽車(chē)工程技術(shù)創(chuàng)新能力的提升貢獻(xiàn)力量。