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本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))
開(kāi) 題 報(bào) 告
論文題目
某乘用車(chē)齒條助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)
班 級(jí)
姓 名
院(系)
導(dǎo) 師
開(kāi)題時(shí)間
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1.課題研究的目的和意義
汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作為整車(chē)構(gòu)造中重要的系統(tǒng)之一,一直是全世界汽車(chē)行業(yè)研究的重點(diǎn)。汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的好壞直接影響到汽車(chē)的駕駛舒適性、安全性和能耗,甚至影響到環(huán)境 。
轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)向器可分為齒輪齒條轉(zhuǎn)向器、蝸桿曲柄銷(xiāo)式轉(zhuǎn)向器和循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器。齒輪齒條轉(zhuǎn)向器作為最常見(jiàn)的一種轉(zhuǎn)向器,具有如下優(yōu)點(diǎn):結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,制造方便,工作可靠,使用壽命長(zhǎng),自動(dòng)回正力強(qiáng),傳動(dòng)方式是齒輪齒條直接嚙合,操縱靈敏度非常高,滑動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)阻力小,轉(zhuǎn)向輕便,轉(zhuǎn)矩傳遞性能較好,其正效率與逆效率都很高,屬于可逆式轉(zhuǎn)向器,并可安裝轉(zhuǎn)向助力機(jī)構(gòu)。
隨著汽車(chē)工業(yè)的飛速發(fā)展,人們對(duì)于汽車(chē)的要求也逐漸提高,汽車(chē)的操縱穩(wěn)定性日益受到廣泛的關(guān)注,傳統(tǒng)機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的汽車(chē)已經(jīng)不能滿(mǎn)足人們的需求,取而代之的是助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的崛起,包括液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、電液助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng),助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)已得到了廣泛的研究[1].
傳統(tǒng)機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的缺點(diǎn)非常明顯,它轉(zhuǎn)向操縱難度增大,轉(zhuǎn)向費(fèi)力,其傳動(dòng)比是固定的,即角傳遞特性無(wú)法改變,導(dǎo)致汽車(chē)的轉(zhuǎn)向響應(yīng)特性無(wú)法控制,傳動(dòng)比無(wú)法隨汽車(chē)轉(zhuǎn)向過(guò)程中的車(chē)速、側(cè)向加速度等參數(shù)的變化而進(jìn)行補(bǔ)償,駕駛員必須在轉(zhuǎn)向之前就對(duì)汽車(chē)的轉(zhuǎn)向響應(yīng)特性進(jìn)行一定的操作補(bǔ)償,這樣無(wú)形中增加了駕駛員的精神和體力負(fù)擔(dān)[1]。
助力系統(tǒng)分為液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、電液助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng),在使用中具有許多優(yōu)點(diǎn):
液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和電液助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)通過(guò)液壓力作用來(lái)推動(dòng)傳統(tǒng)機(jī)械轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng),從而減輕了駕駛員的勞動(dòng)強(qiáng)度,解決了傳統(tǒng)機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)隨著汽車(chē)質(zhì)量越大轉(zhuǎn)向越費(fèi)力的問(wèn)題,在一定程度上解決了傳統(tǒng)機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由于轉(zhuǎn)向器傳動(dòng)比固定而造成的轉(zhuǎn)向“輕便”與“靈敏”之間的矛盾。液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作可靠、技術(shù)成熟,能提供大的轉(zhuǎn)向助力,目前在部分乘用車(chē)、絕大部分商用車(chē)特別是中重型車(chē)輛上廣泛應(yīng)用[2]。
電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)很多:一是系統(tǒng)助力矩的大小由電子控制單元實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)和控制,能夠在各種行駛工況下提供最佳的助力,有效改善汽車(chē)的轉(zhuǎn)向助力特性,保證汽車(chē)在低速行駛時(shí)轉(zhuǎn)向輕便靈活,高速行駛時(shí)轉(zhuǎn)向穩(wěn)定可靠,可以很好地解決汽車(chē)轉(zhuǎn)向時(shí)輕與靈的矛盾;二是該系統(tǒng)只在轉(zhuǎn)向時(shí)電動(dòng)機(jī)才提供助力,因而能減少能量消耗;三是該系統(tǒng)取消了液壓裝置,使得其結(jié)構(gòu)更緊湊,質(zhì)量更輕,而且徹底根除了液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和電液助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中液壓油泄漏的問(wèn)題,可大大降低保修成本,減小對(duì)環(huán)境的污染;四是該系統(tǒng)由于直接由電動(dòng)機(jī)提供助力,而電動(dòng)機(jī)由蓄電池供電,因此該系統(tǒng)在發(fā)動(dòng)機(jī)熄火或出現(xiàn)故障時(shí)也能提供助力[2]。
汽車(chē)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在經(jīng)歷了長(zhǎng)足的發(fā)展后已得到了整個(gè)汽車(chē)行業(yè)的認(rèn)可和應(yīng)用,在GB7258-2004 中專(zhuān)門(mén)規(guī)定:車(chē)輛轉(zhuǎn)向軸最大設(shè)計(jì)軸荷大于4 000 kg時(shí),必須采用轉(zhuǎn)向助力裝置。由此可見(jiàn),助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的重要性和必要性[3]。
綜上所述,助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有明顯優(yōu)勢(shì),而齒輪齒條轉(zhuǎn)向器是最常用、優(yōu)點(diǎn)突出的轉(zhuǎn)向器,齒條助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的助力單元可靈活固定于齒條各處,方便整車(chē)布置,同時(shí)降低了齒數(shù)比即降低了轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,可以提供優(yōu)良轉(zhuǎn)向特性。所以對(duì)齒條助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究意義重大。
2.國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
2.1助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀
至今,汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)經(jīng)歷了傳統(tǒng)機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、電液助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 4 個(gè)發(fā)展階段,未來(lái)則可能向線(xiàn)控動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展。目前汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)正處在液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、電液助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)向電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展的過(guò)渡階段。
電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是20世紀(jì)80年代初期提出來(lái)的,并首先在微型轎車(chē)上得到了應(yīng)用。1988年2月日本鈴木公司首次在其Carvo車(chē)上裝備了Koyo公司研發(fā)的轉(zhuǎn)向柱助力式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng),隨后還用在了其Alto車(chē)上;1990年,日本Honda公司也在運(yùn)動(dòng)型轎車(chē)NSX上采用了自主研發(fā)的齒條助力式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng),從此揭開(kāi)了電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向在汽車(chē)上應(yīng)用的歷史[1]。
隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展,EPS技術(shù)日趨完善。其應(yīng)用范圍已經(jīng)從最初的微型轎車(chē)向更大型轎車(chē)和商用客車(chē)方向發(fā)展。同時(shí)EPS的助力形式也從低速范圍向全速范圍內(nèi)助力發(fā)展,并且其控制形式和功能也將進(jìn)一步加強(qiáng)。日本早期的EPS僅僅在低速和停車(chē)時(shí)提供助力,還能在高速時(shí)提高汽車(chē)的操縱穩(wěn)定性。如鈴木公司裝備的Wagon R+車(chē)上的EPS系統(tǒng)是一個(gè)負(fù)載—路面—車(chē)速感應(yīng)型的助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。Delphi為Punto車(chē)開(kāi)發(fā)的EPS屬于全速范圍助力型,并且首次設(shè)置了兩個(gè)開(kāi)關(guān),其中一個(gè)用于郊區(qū),另一個(gè)用于市區(qū)和停車(chē)。當(dāng)車(chē)速大于70km/h后,則不同開(kāi)關(guān)所執(zhí)行設(shè)置的程序是一樣的,以保證高速時(shí)有合適的路感。市區(qū)型還和油門(mén)有關(guān),使得在踩油門(mén)加速和踩油門(mén)減速時(shí),轉(zhuǎn)向更平滑。
美國(guó)的Delphi汽車(chē)公司最新推出的電子伺服前輪轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng),取消了駕駛員和汽車(chē)前輪的機(jī)械連接,取消了傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向柱、轉(zhuǎn)向軸和齒輪齒條等機(jī)械結(jié)構(gòu),而由轉(zhuǎn)矩傳感器、速度傳感器、控制器、電動(dòng)機(jī)和減速機(jī)構(gòu)等組成。但它仍采用轉(zhuǎn)向盤(pán)(必要時(shí)也可改用操縱手柄),通過(guò)電動(dòng)機(jī)向駕駛員提供路面反饋。該轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以說(shuō)代表了EPS目前發(fā)展得最高水平[1-2]。
目前,助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)零件在很大程度上依賴(lài)進(jìn)口,幾個(gè)主要的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)供應(yīng)商有TRW,JTEKT,Delphi,ZF Lenksysteme,Thyssenkrupp Automotive,他們各自在不同的轉(zhuǎn)向產(chǎn)品領(lǐng)域中成為領(lǐng)導(dǎo)廠(chǎng)商[4]。
在汽車(chē)電子技術(shù)快速發(fā)展得市場(chǎng)狀況下,未來(lái)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)以EPS系統(tǒng)的市場(chǎng)前景最為看好。2008年日本新上市的乘用車(chē)中約70%裝配了EPS,歐洲市場(chǎng)約為50%,北美市場(chǎng)約為25%,而我國(guó)則不足10%。EPS代表未來(lái)助力轉(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展方向,將作為標(biāo)準(zhǔn)件裝備到汽車(chē)上,并將在助力轉(zhuǎn)向領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位,特別是電動(dòng)汽車(chē)將構(gòu)成未來(lái)汽車(chē)發(fā)展的主體,這給EPS帶來(lái)了更加廣闊的應(yīng)用前景。
電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展,一方面需要開(kāi)發(fā)可靠性高、成本低的傳感器,另一方面需要開(kāi)發(fā)滿(mǎn)足助力要求、駕駛?cè)耸孢m性要求且低成本的助力電動(dòng)機(jī)。此外,如何設(shè)計(jì)合理的控制策略以保證電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能、穩(wěn)定性以及可靠性,保證駕駛?cè)双@得良好的路感,使系統(tǒng)能與整車(chē)上其他控制子系統(tǒng)相互通信協(xié)調(diào)工作以實(shí)現(xiàn)整車(chē)綜合控制,是今后研究的重點(diǎn),而更多的先進(jìn)控制策略,如人工智能控制方法等,將應(yīng)用于電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制中[5]。
2.2 轉(zhuǎn)向器國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀
2.2.1 國(guó)外情況
現(xiàn)代汽車(chē)中常用的轉(zhuǎn)向器有循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器、蝸桿曲柄指銷(xiāo)式轉(zhuǎn)向器、齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器等。在全球汽車(chē)廠(chǎng)家中,汽車(chē)循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器占市場(chǎng)份額接近一半,齒條齒輪式轉(zhuǎn)向器占市場(chǎng)份額接近百分之四十,蝸桿曲柄指銷(xiāo)式轉(zhuǎn)向器占市場(chǎng)份額超過(guò)百分之十,其它轉(zhuǎn)向器在市場(chǎng)上基本消失。美國(guó)和日本都非常重視使用循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器,它們使用的比重都已超過(guò)百分之九十。日本的公共汽車(chē)基本全部使用循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器,大、中型貨車(chē)也大部分使用循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器,微型貨車(chē)循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器大約百分之六十五左右,齒條齒輪式轉(zhuǎn)向器的使用已經(jīng)超過(guò)百分三十五。而歐洲對(duì)齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的使用和發(fā)展非常重視,在中、小、微型客車(chē)中,齒條齒輪式轉(zhuǎn)向器使用比重已經(jīng)超過(guò)一半,有些國(guó)家甚至達(dá)到百分之九十以上。 國(guó)外對(duì)汽車(chē)轉(zhuǎn)向器進(jìn)行了大力研發(fā)和設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了汽車(chē)轉(zhuǎn)向器專(zhuān)業(yè)化設(shè)計(jì)、制造、加工和生產(chǎn),大大提高了轉(zhuǎn)向器的質(zhì)量和效益。在日本NSK公司的轉(zhuǎn)向器就以質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的優(yōu)勢(shì)占領(lǐng)了本國(guó)市場(chǎng),并逐步銷(xiāo)售全世界。德國(guó)ZF轉(zhuǎn)向器公司是一個(gè)專(zhuān)門(mén)生產(chǎn)轉(zhuǎn)向器的大公司,從上世紀(jì)五十年代開(kāi)始生產(chǎn)轉(zhuǎn)向器到現(xiàn)在每年生產(chǎn)轉(zhuǎn)向器幾百萬(wàn)臺(tái)。另外美國(guó)德?tīng)柛9荆?guó)BURMAN公司都是非常著名的轉(zhuǎn)向器生產(chǎn)公司,每年都會(huì)生產(chǎn)許多各種型號(hào)的轉(zhuǎn)向器。國(guó)外轉(zhuǎn)向器專(zhuān)業(yè)化設(shè)計(jì)、制造、加工和生產(chǎn)已成為一種趨勢(shì),能夠使轉(zhuǎn)向器質(zhì)優(yōu)價(jià)廉,實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn),快速占領(lǐng)國(guó)際市場(chǎng)[6-7]。
2.2.2國(guó)內(nèi)情況
在我國(guó)汽車(chē)使用的轉(zhuǎn)向器中,上世紀(jì)解放汽車(chē)和東風(fēng)汽車(chē)使用蝸桿曲柄指銷(xiāo)式轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)向器,現(xiàn)在解放汽車(chē)和東風(fēng)汽車(chē)也已經(jīng)開(kāi)始使用循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器,其它汽車(chē)大都使用齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器和循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器。由于齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器在小型車(chē)上具有很多其他轉(zhuǎn)向器無(wú)可替代的優(yōu)點(diǎn),我國(guó)也在大量生產(chǎn)齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器并在小型貨車(chē)及家庭轎車(chē)使用中得到飛速發(fā)展。例如我國(guó)第一汽車(chē)集團(tuán)公司在中日合作的項(xiàng)目上使用的就是齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器。還有其他本田、奧迪、桑塔納、夏利等轎車(chē),以及南京依維柯、柳州五菱等小型貨車(chē),均使用的是齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器。雖然國(guó)內(nèi)齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器有一定發(fā)展,但生產(chǎn)效率低,成本高。只有專(zhuān)業(yè)化設(shè)計(jì),流水線(xiàn)生產(chǎn),才能提高生產(chǎn)效率,降低生產(chǎn)成本,在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上占有一席之地[6-7]。
3. 本課題的研究?jī)?nèi)容及技術(shù)方案
3.1對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算
(1)對(duì)轉(zhuǎn)向系方案進(jìn)行選擇,包括轉(zhuǎn)向盤(pán)、轉(zhuǎn)向軸、轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向梯形的方案選擇;(2)確定轉(zhuǎn)向系的主要參數(shù),對(duì)轉(zhuǎn)向系的主要參數(shù)——傳動(dòng)比和計(jì)算載荷等進(jìn)行計(jì)算;(3)設(shè)計(jì)齒輪齒條轉(zhuǎn)向器:確定齒輪齒條轉(zhuǎn)向器的輸出形式和整車(chē)布置,對(duì)其工作原理進(jìn)行研究,對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì),包括速比計(jì)算、螺旋角對(duì)其影響的分析、齒條齒面形狀分析、軸承選擇;(4)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向梯形:分析轉(zhuǎn)向梯形的理論特性,確定轉(zhuǎn)向梯形的布置形式,對(duì)轉(zhuǎn)向梯形的尺寸進(jìn)行初步確認(rèn),最后對(duì)梯形進(jìn)行校核。
3.2 對(duì)轉(zhuǎn)向梯形進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)
對(duì)轉(zhuǎn)向梯形數(shù)學(xué)模型進(jìn)行推導(dǎo),分析理想的左右轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角關(guān)系和實(shí)際的左右轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角的關(guān)系,對(duì)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)和約束條件進(jìn)行確定,最后對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行分析并進(jìn)行虛擬樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證分析[8].
3.3三維建模
用Catia建立轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向梯形完整的三維實(shí)體模型,并用CAD繪制工程圖。
3.4 有限元分析
基于有限元分析軟件ANSYS對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行建模和計(jì)算分析,并通過(guò)假設(shè)改進(jìn)方案對(duì)比,找到進(jìn)一步優(yōu)化方法[9]。
4. 本設(shè)計(jì)的特色
(1)在轉(zhuǎn)向梯形優(yōu)化設(shè)計(jì)中,進(jìn)行虛擬樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證分析,建立了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)模型,系統(tǒng)尺寸、位置參數(shù)采用優(yōu)化后的參數(shù),對(duì)優(yōu)化結(jié)果的有效性進(jìn)行驗(yàn)證。
(2)在有限元分析中,采用有限元分析軟件ANSYS,它能與多數(shù)CAD軟件接口,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換,如Creo, NASTRAN, Alogor, I-DEAS, AutoCAD等, 是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的高級(jí)CAE工具之一。
5. 進(jìn)度安排
第1~3周:搜集資料,撰寫(xiě)開(kāi)題報(bào)告;
第4~8周:確定總體方案,進(jìn)行轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算;
第9~11周:對(duì)轉(zhuǎn)向梯形進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì);
第12~15周:三維實(shí)體建模,繪制二維工程圖;
第16~17周:撰寫(xiě)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文;
第18周:準(zhǔn)備答辯。
6. 參考文獻(xiàn)
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[2]黃安華、卜憲衛(wèi):淺談汽車(chē)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 農(nóng)業(yè)裝備與車(chē)輛工程期刊 2010.01
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[4]萬(wàn)福新、陳惠卿:汽車(chē)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)及其對(duì)油品的要求 中國(guó)汽車(chē)工程學(xué)會(huì)燃料與潤(rùn)滑油分會(huì)第13屆年會(huì)論文集 2008.10
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[6]陳益良:齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器簡(jiǎn)介 汽車(chē)與配件期刊 2006.06
[7]王國(guó)營(yíng):汽車(chē)齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器參數(shù)化設(shè)計(jì)分析與研究 沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 2013.02
[8]高東升:汽車(chē)轉(zhuǎn)向梯形的優(yōu)化設(shè)計(jì) 汽車(chē)技術(shù)期刊 2006.01
[9]侯范曉、黎先飛、唐毅:基于A(yíng)NSYS的某仿真駕駛模擬器轉(zhuǎn)向系有限元分析 科學(xué)與技術(shù)期刊 2011.05
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