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        背門(mén)系統(tǒng)開(kāi)閉性能集成設(shè)計(jì)與計(jì)算研究

        2025-02-21 00:00:00楊邦安宋什娟王尊念周利民
        時(shí)代汽車(chē) 2025年1期

        摘 要:汽車(chē)背門(mén)系統(tǒng)的可關(guān)閉性能、可解鎖性能、可彈起性能與耐振動(dòng)異響性能是背門(mén)系統(tǒng)各零部件力學(xué)性能集成的結(jié)果,每個(gè)零件的力學(xué)參數(shù)都有一個(gè)合理的設(shè)計(jì)區(qū)間,單純地增大或減小都可能導(dǎo)致某方面的性能出現(xiàn)問(wèn)題。通過(guò)對(duì)各項(xiàng)性能進(jìn)行建模計(jì)算,并考慮公差與環(huán)境因素的影響,得到了各零部件力學(xué)參數(shù)的設(shè)計(jì)區(qū)間,精確地指導(dǎo)背門(mén)系統(tǒng)各零部件的力學(xué)參數(shù)設(shè)計(jì),有效解決了背門(mén)開(kāi)閉過(guò)程中的功能失效問(wèn)題。

        關(guān)鍵詞:背門(mén) 開(kāi)閉性能 集成設(shè)計(jì) 計(jì)算

        汽車(chē)背門(mén)系統(tǒng)的開(kāi)閉性能指的是與背門(mén)開(kāi)閉過(guò)程相關(guān)的操作感受以及功能實(shí)現(xiàn),其中操作感受分為開(kāi)啟操作力、關(guān)閉操作力、開(kāi)閉平衡角度與開(kāi)閉聲音品質(zhì)四個(gè)維度[1],功能實(shí)現(xiàn)分為可關(guān)閉性能、可解鎖性能、可彈起性能與耐振動(dòng)異響性能四個(gè)方面。目前關(guān)于背門(mén)開(kāi)閉過(guò)程中功能實(shí)現(xiàn)的研究更多地集中在背門(mén)的可關(guān)閉性能方面,對(duì)于可解鎖性能、可彈起性能與耐振動(dòng)異響性能的研究較少,對(duì)于四方面功能實(shí)現(xiàn)的集成研究更少。這四個(gè)方面的性能是背門(mén)系統(tǒng)各零部件力學(xué)性能的集成,如果為解決或優(yōu)化某一方面的性能問(wèn)題,單方向地對(duì)某一個(gè)或某幾個(gè)零件的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整,都可能導(dǎo)致其他三個(gè)方面的性能出現(xiàn)問(wèn)題。本研究從上述四方面功能實(shí)現(xiàn)的基本原理出發(fā),分別建立了力學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算分析,以四方面功能的實(shí)現(xiàn)作為約束條件,對(duì)背門(mén)系統(tǒng)各零部件的作用效果進(jìn)行了計(jì)算,得到了背門(mén)系統(tǒng)各零部件力學(xué)參數(shù)的設(shè)計(jì)區(qū)間,實(shí)現(xiàn)了背門(mén)系統(tǒng)開(kāi)閉性能的集成設(shè)計(jì)。

        1 背門(mén)系統(tǒng)可關(guān)閉性能的計(jì)算與優(yōu)化

        背門(mén)的關(guān)閉過(guò)程通常是將背門(mén)由最大開(kāi)啟位置手動(dòng)拉動(dòng)至平衡角度位置,然后自由釋放背門(mén)或在釋放瞬間順勢(shì)對(duì)背門(mén)施加一個(gè)關(guān)閉初速度推動(dòng)背門(mén)關(guān)閉。背門(mén)由最大開(kāi)度拉動(dòng)至平衡角度為關(guān)閉第一階段,過(guò)程中手動(dòng)操作力的大小與平順性取決于背門(mén)的重力以及氣彈簧的布置;背門(mén)由平衡位置關(guān)閉至上鎖位置為關(guān)閉的第二階段,如果在釋放背門(mén)瞬間需要對(duì)背門(mén)施加較大的初速度才能使背門(mén)關(guān)閉上鎖,那么直觀的關(guān)閉感受就是背門(mén)關(guān)閉困難,關(guān)閉舒適性差,因此可將關(guān)閉初速度的大小作為背門(mén)關(guān)閉舒適性的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

        1.1 背門(mén)系統(tǒng)可關(guān)閉性能計(jì)算模型的建立

        背門(mén)關(guān)閉的第二階段是一個(gè)能量轉(zhuǎn)換過(guò)程,此過(guò)程中背門(mén)重心降低,重力勢(shì)能釋放與關(guān)閉初動(dòng)能一同推動(dòng)背門(mén)關(guān)閉上鎖,過(guò)程中阻礙背門(mén)關(guān)閉的耗能因素可分為三類(lèi),第一類(lèi)是氣彈簧、密封條、緩沖塊的壓縮耗能以及鎖體與鎖扣的嚙合耗能,第二類(lèi)是背門(mén)鉸鏈運(yùn)動(dòng)端與固定端的摩擦耗能,第三類(lèi)是車(chē)艙內(nèi)空氣壓縮以及密封條泡管內(nèi)空氣壓縮的氣壓阻效應(yīng)耗能[2-3]。在背門(mén)關(guān)閉的第二階段要實(shí)現(xiàn)背門(mén)能夠關(guān)閉上鎖,需滿足以下能量轉(zhuǎn)換條件。

        重力做功+初動(dòng)能≥壓縮耗能+摩擦耗能+氣壓阻耗能

        1.2 背門(mén)關(guān)閉過(guò)程中氣壓阻效應(yīng)耗能的計(jì)算分析

        目前關(guān)于背門(mén)氣彈簧、密封條、緩沖塊與鎖體等零件壓縮耗能的計(jì)算以及背門(mén)鉸鏈摩擦耗能的計(jì)算研究較多,計(jì)算與測(cè)試方法也較為成熟,此處不再贅述。關(guān)于車(chē)艙氣壓阻效應(yīng)耗能的計(jì)算,目前主流的計(jì)算模型是將車(chē)艙簡(jiǎn)化為一個(gè)長(zhǎng)方體盒子,將氣體泄漏面積分為固定泄漏與可變泄漏兩部分,固定泄漏包括車(chē)身固有的密封泄漏與排氣口泄漏,可變泄漏包括背門(mén)關(guān)閉過(guò)程中不同開(kāi)度的背門(mén)開(kāi)口泄漏[4]。因車(chē)艙氣壓阻效應(yīng)耗能的大小與整車(chē)密封性能的好壞、背門(mén)開(kāi)口線的大小、車(chē)身排氣口的布置與大小以及座椅布局等一系列復(fù)雜的影響因素有關(guān),采用上述簡(jiǎn)化模型的計(jì)算結(jié)果與氣壓阻效應(yīng)的實(shí)際影響效果相差很大。此外,密封條泡管的氣壓阻效應(yīng)耗能與密封條的截面形狀、壓縮方向以及排氣孔的位置與數(shù)量等復(fù)雜因素有關(guān),采用簡(jiǎn)化模型的計(jì)算結(jié)果同樣與實(shí)際作用效果差別較大。

        1.3 背門(mén)關(guān)閉過(guò)程中氣壓阻效應(yīng)耗能的測(cè)試研究

        因氣壓阻效應(yīng)對(duì)背門(mén)關(guān)閉過(guò)程的影響機(jī)理復(fù)雜,目前沒(méi)有對(duì)于車(chē)艙氣壓阻效應(yīng)與密封條氣壓阻效應(yīng)耗能的直接測(cè)試方法。針對(duì)氣壓阻效應(yīng)耗能計(jì)算準(zhǔn)確性差以及無(wú)有效方法直接測(cè)試其大小的問(wèn)題,設(shè)計(jì)了一種等效替換的測(cè)試方法,通過(guò)可測(cè)量參數(shù)計(jì)算間接得到氣壓阻效應(yīng)消耗能的大小,并通過(guò)數(shù)據(jù)擬合對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行相應(yīng)的系數(shù)加權(quán),使得氣壓阻效應(yīng)耗能的計(jì)算準(zhǔn)確性得到了有效提升,其中車(chē)艙氣壓阻效應(yīng)耗能的測(cè)試原理如下[5]。

        在測(cè)試車(chē)輛裝配完整的狀態(tài)下,開(kāi)啟乘客艙的四個(gè)側(cè)開(kāi)門(mén)至最大開(kāi)度,此狀態(tài)下乘客艙為完全敞開(kāi)狀態(tài),可認(rèn)為背門(mén)關(guān)閉上鎖過(guò)程中無(wú)車(chē)艙氣體壓縮,此狀態(tài)下無(wú)車(chē)艙氣壓阻效應(yīng)耗能,記錄此狀態(tài)下自由釋放背門(mén)可關(guān)閉至全鎖位置的最小背門(mén)開(kāi)度如圖1中開(kāi)度1所示。關(guān)閉所有乘客艙側(cè)開(kāi)門(mén)至全鎖位置,并上升四門(mén)車(chē)窗玻璃至全閉位置,此狀態(tài)下背門(mén)關(guān)閉過(guò)程中乘客艙產(chǎn)生氣體壓縮,氣壓阻效應(yīng)對(duì)背門(mén)關(guān)閉產(chǎn)生能量消耗,記錄此狀態(tài)下自由釋放背門(mén)可關(guān)閉至全鎖位置的最小背門(mén)開(kāi)度如圖1中開(kāi)度2所示。

        在上述兩個(gè)不同的背門(mén)開(kāi)度下,背門(mén)密封條、緩沖塊、鎖體等壓縮對(duì)背門(mén)關(guān)閉的能量消耗無(wú)變化,背門(mén)重力勢(shì)能的差值為背門(mén)氣彈簧耗能差值與車(chē)艙氣壓阻效應(yīng)耗能之和,可得背門(mén)關(guān)閉過(guò)程中車(chē)艙氣壓阻效應(yīng)消耗能大小為:

        式中m為背門(mén)總成質(zhì)量,△h為開(kāi)度1與開(kāi)度2位置背門(mén)重心高度變化量,l1為開(kāi)度1位置的氣彈簧行程,F(xiàn)1為l1位置的氣彈簧壓縮力,l2為開(kāi)度2位置的氣彈簧行程,F(xiàn)2為l2位置的氣彈簧壓縮力。采用相同的測(cè)試方法,記錄有無(wú)背門(mén)密封條兩種狀態(tài)下背門(mén)可關(guān)閉至全鎖位置的最小開(kāi)度,通過(guò)計(jì)算可得背門(mén)密封條泡管氣壓阻效應(yīng)對(duì)背門(mén)關(guān)閉過(guò)程的耗能大小。

        1.4 背門(mén)系統(tǒng)關(guān)閉舒適性的優(yōu)化方法

        要優(yōu)化背門(mén)系統(tǒng)的關(guān)閉舒適性,減小背門(mén)的關(guān)閉初速度,可從三方面入手,一是減小密封條、緩沖塊等零部件的壓縮荷重以減小關(guān)閉過(guò)程的壓縮消耗能;二是通過(guò)優(yōu)化密封條泡管的排氣孔數(shù)量與設(shè)計(jì)位置以減小密封條泡管的氣壓阻效應(yīng)消耗能;三是在操作舒適性的可調(diào)區(qū)間內(nèi)通過(guò)調(diào)整背門(mén)氣彈簧的布置增大背門(mén)的平衡角度,以增大關(guān)閉過(guò)程中背門(mén)的重力勢(shì)能釋放。

        2 背門(mén)系統(tǒng)耐振動(dòng)異響性能的計(jì)算與優(yōu)化

        2.1 背門(mén)系統(tǒng)耐振動(dòng)異響性能計(jì)算模型的建立

        車(chē)輛在顛簸路面行駛時(shí),由于路面的顛簸激勵(lì)易導(dǎo)致背門(mén)相對(duì)車(chē)身發(fā)生振動(dòng),進(jìn)而導(dǎo)致鎖體與鎖扣之間發(fā)生磕碰異響。如圖2所示,作為車(chē)身的一部分,背門(mén)通過(guò)鉸鏈與車(chē)身連接,關(guān)閉狀態(tài)下處于以鉸鏈為旋轉(zhuǎn)軸,背門(mén)鎖、密封條、氣彈簧、緩沖塊以及限位塊約束下的力矩平衡,如果背門(mén)系統(tǒng)的支撐力矩不足以克服背門(mén)的重力力矩與顛簸產(chǎn)生的慣性力矩,背門(mén)會(huì)相對(duì)車(chē)身發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng),帶動(dòng)背門(mén)鎖與鎖扣發(fā)生磕碰異響[6]。因此,要消除背門(mén)在顛簸路面的振動(dòng)異響,背門(mén)系統(tǒng)的約束力需滿足以下條件:

        其中MACC為密封條、緩沖塊、氣彈簧等支撐零件以鉸鏈為旋轉(zhuǎn)軸對(duì)背門(mén)的支撐力矩, LG為背門(mén)的重力力臂,a為背門(mén)因顛簸產(chǎn)生的振動(dòng)加速度。

        2.2 背門(mén)系統(tǒng)耐振動(dòng)異響性能的優(yōu)化方法

        要提高背門(mén)系統(tǒng)的耐振動(dòng)異響性能,可從三個(gè)方面解決,一是通過(guò)模態(tài)分析對(duì)背門(mén)的固有頻率、車(chē)身固有頻率以及整車(chē)在各種工況下的激勵(lì)頻率進(jìn)行匹配,避免背門(mén)因顛簸發(fā)生共振,以減小顛簸產(chǎn)生的振動(dòng)加速度;二是從鎖體結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方面入手,通過(guò)設(shè)計(jì)鏤空的包塑層減小磕碰聲音的響度,或者在鎖體的嚙合位置設(shè)計(jì)緩沖塊對(duì)鎖扣進(jìn)行約束;三是通過(guò)提高密封條與緩沖塊等零件的支撐力,或在密封條泡管內(nèi)局部增加橡膠管或設(shè)計(jì)中部緩沖塊以增大系統(tǒng)支撐力矩MACC。

        3 背門(mén)系統(tǒng)可解鎖性能的計(jì)算與優(yōu)化

        3.1 背門(mén)系統(tǒng)可解鎖性能計(jì)算模型的建立

        如圖3所示,背門(mén)關(guān)閉狀態(tài)下處于以鉸鏈為固定軸,背門(mén)鎖、密封條、氣彈簧、緩沖塊以及限位塊約束下的力矩平衡,其中背門(mén)自身重力以及背門(mén)鎖與鎖扣之間的拉力提供了背門(mén)在圖3所示視圖下順時(shí)針?lè)较虻男D(zhuǎn)力矩,背門(mén)緩沖塊、氣彈簧與密封條等支撐零件提供了背門(mén)在圖3所示視圖下逆時(shí)針?lè)较虻男D(zhuǎn)力矩,背門(mén)鎖與背門(mén)鎖扣之間的拉力可表示為:

        式中LLATCH為背門(mén)鎖體與鎖扣之間拉力以鉸鏈軸線為旋轉(zhuǎn)軸的作用力臂。

        3.2 背門(mén)系統(tǒng)反力對(duì)鎖體解鎖性能的影響計(jì)算

        如圖4所示,背門(mén)鎖棘輪與棘爪在上鎖嚙合狀態(tài)下,拉力FLATCH通過(guò)鎖扣施加于鎖體棘輪,棘輪處于以棘輪旋轉(zhuǎn)軸為軸線的力矩平衡狀態(tài):

        式中Fn為棘輪與棘爪之間的嚙合壓力,Ln1與Ln2分別為Fn與FLATCH以棘輪旋轉(zhuǎn)軸為軸線的力臂,ML為棘輪回位彈簧以棘輪旋轉(zhuǎn)軸為軸線的回位力矩。

        根據(jù)滑動(dòng)摩擦力公式可得棘輪與棘爪之間的滑動(dòng)摩擦力為:

        式中μ為棘輪與棘爪之間的滑動(dòng)摩擦因數(shù)。由公式4、公式5與公式6可知,鎖體棘輪與棘爪之間的嚙合壓力Fn與滑動(dòng)摩擦力f的大小均取決于背門(mén)系統(tǒng)支撐力矩MACC的大小,密封條與緩沖塊等零件的支撐力增大勢(shì)必導(dǎo)致鎖體棘輪與棘爪之間的嚙合壓力Fn與滑動(dòng)摩擦力f的增大。

        如圖5所示,在背門(mén)鎖電機(jī)推動(dòng)棘爪旋轉(zhuǎn)解鎖的過(guò)程中,解鎖扭矩ME需克服棘爪回位彈簧的扭矩MZ以及棘爪與棘輪嚙合面壓力Fn與摩擦力f的作用扭矩才能實(shí)現(xiàn)解鎖,背門(mén)系統(tǒng)的可解鎖條件為:解鎖力矩>嚙合力矩+摩擦力矩+彈簧力矩,[7]即:

        式中Ln為棘爪與棘輪嚙合面壓力Fn以棘爪旋轉(zhuǎn)軸為軸線的力臂,Lf為滑動(dòng)摩擦力f以棘爪旋轉(zhuǎn)軸為軸線的力臂,MZ為棘爪回位彈簧以棘爪旋轉(zhuǎn)軸為軸線的回位力矩。

        3.3 背門(mén)系統(tǒng)可解鎖性能的優(yōu)化方法

        當(dāng)背門(mén)系統(tǒng)支撐力矩MACC增大,導(dǎo)致背門(mén)鎖與鎖扣之間的拉力FLATCH增大,電機(jī)解鎖扭矩ME不足以克服棘爪回位彈簧的扭矩與棘爪棘輪嚙合面壓力Fn以及摩擦力f的作用扭矩時(shí),解鎖條件無(wú)法滿足,則電機(jī)驅(qū)動(dòng)解鎖失效。為解決解鎖失效的問(wèn)題,可從兩方面解決,一是提高鎖體電機(jī)的解鎖力矩ME,二是調(diào)整減小密封條、緩沖塊以及密封條泡管內(nèi)橡膠管等零部件對(duì)背門(mén)的支撐力,使鎖扣與所體之間的拉力FLATCH小于鎖體可解鎖的極限背壓力。

        4 背門(mén)系統(tǒng)可彈起性能的計(jì)算與優(yōu)化

        背門(mén)解鎖后,鎖機(jī)構(gòu)的棘爪釋放棘輪,若此時(shí)背門(mén)系統(tǒng)的支撐力矩與棘輪回位彈簧對(duì)背門(mén)的支撐力矩之和不足以克服背門(mén)的重力力矩將背門(mén)彈起并保持在完全解鎖位置,在棘爪回位彈簧的作用下,背門(mén)鎖棘輪與棘爪重新嚙合上鎖,導(dǎo)致背門(mén)無(wú)法開(kāi)啟[7]。

        4.1 背門(mén)系統(tǒng)可彈起性能計(jì)算模型的建立

        如圖6所示為背門(mén)解鎖后的受力分析,背門(mén)可彈起并保持在完全解鎖位置的條件為:

        式中,F(xiàn)s為背門(mén)鎖棘輪釋放后,棘輪回位彈簧作用于鎖扣的彈力,MACC為背門(mén)在完全解鎖位置的系統(tǒng)反力。

        4.2 背門(mén)系統(tǒng)可彈起性能的優(yōu)化方法

        要解決背門(mén)解鎖后彈起失效的問(wèn)題,需調(diào)整增大密封條與緩沖塊的支撐力,尤其是上部靠近鉸鏈軸線位置的支撐力,因?yàn)樵谕耆怄i位置,背門(mén)下端的密封條與緩沖塊已與背門(mén)脫離接觸??蓮娜矫娼鉀Q,一是設(shè)計(jì)變截面密封條結(jié)構(gòu),在靠近鉸鏈軸線區(qū)域采用較大壓縮量或較大系統(tǒng)反力的密封條;二是在靠近鉸鏈軸線區(qū)域的密封條泡管內(nèi)增加橡膠管支撐結(jié)構(gòu),或者設(shè)計(jì)中部緩沖塊;三是在鎖體位置設(shè)計(jì)大干涉量的彈起結(jié)構(gòu),以增大背門(mén)在完全解鎖位置的系統(tǒng)反力MACC。

        5 背門(mén)系統(tǒng)開(kāi)閉性能的集成分析

        5.1 背門(mén)系統(tǒng)開(kāi)閉性能調(diào)整矩陣的建立

        通過(guò)上述背門(mén)系統(tǒng)可關(guān)閉性能、可解鎖性能、可彈起性能與耐振動(dòng)異響性能的原理與計(jì)算分析可知,這四個(gè)方面性能的實(shí)現(xiàn)是背門(mén)系統(tǒng)所有零部件力學(xué)性能集成的結(jié)果,并且各性能之間相互關(guān)聯(lián),相互影響,每個(gè)零件的力學(xué)參數(shù)都有一個(gè)合理的設(shè)計(jì)區(qū)間,單方向增大或減小都可能導(dǎo)致某方面性能出現(xiàn)問(wèn)題,各零部件力學(xué)參數(shù)對(duì)各項(xiàng)性能影響的調(diào)整矩陣如表1所示。

        背門(mén)可關(guān)閉性能與可解鎖性能對(duì)密封條與緩沖塊等零件的調(diào)整需求是減小其壓縮荷重,而耐振動(dòng)異響性能與可彈起性能對(duì)密封條與緩沖塊等零件的調(diào)整需求是增大其壓縮荷重,這四方面性能約束了背門(mén)各零部件力學(xué)參數(shù)的上限值 與下限值。

        5.2 背門(mén)系統(tǒng)開(kāi)閉性能計(jì)算公差分析

        此外,計(jì)算過(guò)程中還需考慮公差與環(huán)境的影響,第一,是單件的制造公差,如密封條與緩沖塊的壓縮荷重公差以及氣彈簧的輸出力公差;第二,是系統(tǒng)的裝配公差,如密封間隙尺寸公差以及鉸鏈軸線的位置公差;第三是車(chē)輛駐坡角度對(duì)背門(mén)重力力臂的影響;第四是雪載情況下背門(mén)質(zhì)量的變化影響;第五是電池電量變化對(duì)背門(mén)鎖電機(jī)解鎖力的影響;第六是環(huán)境溫度變化對(duì)密封條、緩沖塊以及氣彈簧力值的影響。

        5.3 背門(mén)系統(tǒng)零部件力學(xué)參數(shù)區(qū)間輸出

        通過(guò)上述四方面性能目標(biāo)的約束,以及考慮公差與環(huán)境因素的影響后,計(jì)算可得背門(mén)系統(tǒng)各零部件的力學(xué)參數(shù)設(shè)計(jì)區(qū)間,形成如圖7所示的零部件力學(xué)參數(shù)設(shè)計(jì)區(qū)間曲線圖,精確地指導(dǎo)背門(mén)系統(tǒng)各零部件的力學(xué)參數(shù)設(shè)計(jì),解決背門(mén)開(kāi)閉過(guò)程中的功能實(shí)現(xiàn)問(wèn)題。

        6 結(jié)論

        汽車(chē)背門(mén)系統(tǒng)的可關(guān)閉性能、可解鎖性能、可彈起性能與耐振動(dòng)異響性能是背門(mén)系統(tǒng)各零部件力學(xué)性能集成的結(jié)果,按照各零部件力學(xué)參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行設(shè)計(jì),可能導(dǎo)致某一方面的功能實(shí)現(xiàn)出現(xiàn)問(wèn)題,需通過(guò)更改設(shè)計(jì)參數(shù)反復(fù)驗(yàn)證進(jìn)行調(diào)整。本研究從系統(tǒng)集成的角度對(duì)各項(xiàng)功能實(shí)現(xiàn)過(guò)程進(jìn)行建模計(jì)算,并考慮公差與環(huán)境因素的影響,得到了各零部件力學(xué)參數(shù)的設(shè)計(jì)區(qū)間,精確地指導(dǎo)系統(tǒng)內(nèi)各零部件的設(shè)計(jì),有效解決了背門(mén)開(kāi)閉過(guò)程中的功能失效問(wèn)題。

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