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文檔簡介
1、課程:汽車新技術(shù)課程論文題名:自動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的組成及其工作原理作 者: 南京理工大學(xué) 紫 金 學(xué) 院2014年 12月自動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的組成及其工作原理摘要:主要介紹寶馬主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的原理及組成、核心部件雙行星齒輪機(jī)構(gòu)及其工作模式、系統(tǒng)主要功能及其實(shí)現(xiàn)原理關(guān)鍵詞:寶馬; 主動(dòng)轉(zhuǎn)向 ;雙行星 ;齒輪機(jī)構(gòu)The composition and working principle of automatic steering systemXiang Da,Wang Jun JieAbstract:. Mainly introduces the principle and composition of BMW
2、's active steering system Core parts dual planetary gear mechanism system main function and its realization principle and its working modeKeyword: BMW; Active Steering ;Double-planet; Gear引言自從汽車發(fā)明以來,駕駛轉(zhuǎn)向的傳動(dòng)裝置通常都是固定的。換句話說,不論是在市區(qū)窄小的街道緩行或是高速公路上奔馳,方向盤與前輪的轉(zhuǎn)向角度比始終一成不變。因而這也是工程師們面臨的一個(gè)比較困難的選擇:如果采用直接轉(zhuǎn)向,駕駛
3、者在過急彎時(shí)就不需要大幅轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤,但是在高速行駛時(shí),方向盤細(xì)微的動(dòng)作都將會(huì)影響到行駛穩(wěn)定性;反過來說,轉(zhuǎn)向系統(tǒng)越是間接,車輛在高速公路上的行駛穩(wěn)定性就越高,但是必須犧牲過彎時(shí)的操控性。所以,傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)都必須在安全性與舒適性之間做出權(quán)衡。傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不論車速快慢,都采用18:1的固定傳動(dòng)比率,這表示方向盤轉(zhuǎn)向18度,車輪轉(zhuǎn)動(dòng)1度。而寶馬主動(dòng)式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的比率則在一定的范圍內(nèi),從靜止?fàn)顟B(tài)的10:1到高速時(shí)的20:1。也就是說,當(dāng)方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)半圈(180度)時(shí),車速若低,車輪就轉(zhuǎn)動(dòng)18度,車速若高,則車輪只轉(zhuǎn)動(dòng)不足9度。由此汽車主動(dòng)轉(zhuǎn)向技術(shù)開始正式應(yīng)用于中高檔車輛。也解決了安全與舒適的兼容問題。
4、但問題也在這種技術(shù)不斷發(fā)展的過程中出現(xiàn)了,汽車在曲線行駛或者緊急轉(zhuǎn)向過程中,由于離心力的作用使得汽車前、后輪達(dá)到輪胎與路面之間附著極限的先后順序有可能不同,因此汽車失去側(cè)向穩(wěn)定性時(shí)可能表現(xiàn)出不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。嚴(yán)重時(shí)后軸的側(cè)滑將發(fā)生激轉(zhuǎn)和甩尾的危險(xiǎn)工況。而前軸的側(cè)滑將失去轉(zhuǎn)向能力以及失去路徑跟蹤的能力,從而出現(xiàn)各種危險(xiǎn)工況。因此汽車能否實(shí)現(xiàn)安全轉(zhuǎn)向保持側(cè)向穩(wěn)定性是非常重要的,同時(shí)也是能否避免彎道事故發(fā)生的有效手段。在這種大的前提需求下,我們對(duì)主動(dòng)轉(zhuǎn)向技術(shù)在汽車側(cè)向穩(wěn)定性控制中的應(yīng)用展開研究。1 主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)1.1 組成寶馬主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)保留了傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的機(jī)械構(gòu)件,包括轉(zhuǎn)向盤、轉(zhuǎn)向柱、齒輪齒條轉(zhuǎn)向
5、機(jī)以及轉(zhuǎn)向橫拉桿等。其最大特點(diǎn)就是在轉(zhuǎn)向盤和齒輪齒條轉(zhuǎn)向機(jī)之間的轉(zhuǎn)向柱上集成了一套雙行星齒輪機(jī)構(gòu),用于向轉(zhuǎn)向輪提供疊加轉(zhuǎn)向角1.2 核心部件結(jié)構(gòu)及其原理如圖1所示,除傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向機(jī)械構(gòu)件外,寶馬主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要包括兩大核心部件:一是一套雙行星齒輪機(jī)構(gòu),通過疊加轉(zhuǎn)向?qū)崿F(xiàn)變傳動(dòng)比功能,二是Servtronic電子伺服轉(zhuǎn)向系統(tǒng),用于實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向助力功能。駕駛員的轉(zhuǎn)向角輸入包括力矩輸入和角輸入兩部分,將共同傳遞給扭桿。其中的力矩輸入由電子伺服機(jī)構(gòu)根據(jù)車速和轉(zhuǎn)向角度進(jìn)行助力控制,而角輸入則通過由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的雙行星齒輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行轉(zhuǎn)向角疊加,經(jīng)過疊加后的總轉(zhuǎn)向角才是傳遞給齒輪齒條轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的最終轉(zhuǎn)角。與常規(guī)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)
6、的顯著差別在于,寶馬主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不僅能夠?qū)D(zhuǎn)向力矩進(jìn)行調(diào)節(jié),而且還可以對(duì)轉(zhuǎn)向角度進(jìn)行調(diào)整,使其與當(dāng)前的車速達(dá)到完美匹配。其中的總轉(zhuǎn)角G等于駕駛員轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角和伺服電機(jī)轉(zhuǎn)角之和,如公式(1)所示。式中,iD為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)總傳動(dòng)比;S為轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角;iM%為蝸輪、蝸桿傳動(dòng)比;M為電機(jī)調(diào)整角。寶馬主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的核心部件是一套集成在轉(zhuǎn)向柱上的雙行星齒輪機(jī)構(gòu),如圖2所示。這套機(jī)構(gòu)包括左右兩副行星齒輪機(jī)構(gòu),共用一個(gè)行星架進(jìn)行動(dòng)力傳遞。左側(cè)的主動(dòng)太陽輪與轉(zhuǎn)向盤相連,將轉(zhuǎn)向盤上輸入的轉(zhuǎn)向角經(jīng)由行星架傳遞給右側(cè)的行星齒輪副。而右側(cè)的行星齒輪副具有兩個(gè)轉(zhuǎn)向輸入自由度,一個(gè)是行星架傳遞的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角,另一個(gè)是由伺服電機(jī)通過一
7、個(gè)自鎖式蝸輪蝸桿驅(qū)動(dòng)的齒圈輸入,即所謂的疊加轉(zhuǎn)角輸入。右側(cè)的太陽輪作為輸出軸,其輸出的轉(zhuǎn)向角度是由轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)向角度與伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)向角度疊加得到,也就是汽車的實(shí)際轉(zhuǎn)向角度。低速時(shí),伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的行星架轉(zhuǎn)動(dòng)方向與轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動(dòng)相同,疊加后增加了實(shí)際的轉(zhuǎn)向角度,可以減少轉(zhuǎn)向力的需求。高速時(shí),伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的行星架轉(zhuǎn)動(dòng)方向與轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動(dòng)相反,疊加后減少了實(shí)際的轉(zhuǎn)向角度,轉(zhuǎn)向過程會(huì)變得更為間接,提高了汽車的穩(wěn)定性和安全性。1.3齒輪機(jī)構(gòu)工作的三種驅(qū)動(dòng)方式 a.伺服電機(jī)即渦輪固定不動(dòng)時(shí),轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角通過主動(dòng)太陽輪將動(dòng)力傳遞給雙行星齒輪機(jī)構(gòu)中間的行星架,再由從動(dòng)太陽輪輸出。與此同時(shí),前軸上的地面反力也通過相同的途徑
8、為駕駛員提供轉(zhuǎn)向路感,這也是在不裝備主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的車輛上駕駛員對(duì)于前輪轉(zhuǎn)向的操縱過程。 b.轉(zhuǎn)向盤不動(dòng),即主動(dòng)太陽輪固定時(shí),可由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)渦輪通過行星齒輪機(jī)構(gòu)將動(dòng)力傳遞給從動(dòng)太陽輪。 c.在通常情況下,主動(dòng)太陽輪和伺服電機(jī)是共同工作的,車輪轉(zhuǎn)角是駕駛員轉(zhuǎn)向角和伺服電機(jī)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向角的疊加2 主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的功能主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的功能分類如圖3所示2.1可變轉(zhuǎn)動(dòng)比的功能如果期望橫擺角度速度太小,說明車輛的響應(yīng)相對(duì)于轉(zhuǎn)向盤輸入過于遲緩;如果期望橫擺角速度太大,則導(dǎo)致車輛反應(yīng)過快。根據(jù)相關(guān)研究,具有理想轉(zhuǎn)向特性的車輛必須滿足以下條件:a.車輛等速轉(zhuǎn)向時(shí),期望橫擺角速度必須保
9、持為一定值; b.期望橫擺角速度應(yīng)隨車速的增加而降低,且其值必須位于一定的合理范圍內(nèi)。對(duì)于普通駕駛員,該范圍為0.120.37(°)/s,對(duì)于熟練駕駛員為0.120.417(°)/s。 傳統(tǒng)的定轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比機(jī)構(gòu)顯然無法滿足上述要求,但寶馬的主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)通過疊加轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)完全能夠?qū)崿F(xiàn)。該系統(tǒng)傳動(dòng)比在1020之間,低速情況下,通過雙行星齒輪機(jī)構(gòu)伺服電機(jī)的調(diào)整角和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角同向輸入,使得系統(tǒng)的傳動(dòng)比較小,實(shí)際上是增大了駕駛員的轉(zhuǎn)向角輸入,從而獲得較大的期望橫擺角速度增益并使得轉(zhuǎn)向輕便;在中、高速情況下,伺服電機(jī)的調(diào)整角和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角反向輸入使得系統(tǒng)的傳動(dòng)比較大,實(shí)
10、際上是減小駕駛員的轉(zhuǎn)向角輸入,減小期望橫擺角速度增益,并逐步提高車輛的穩(wěn)定性。車速與轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角的關(guān)系見圖42.2轉(zhuǎn)向靈活性的功能在轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角低頻輸入的條件下(如f=0.3Hz),橫擺角速度和側(cè)向加速度對(duì)于前輪轉(zhuǎn)向角的響應(yīng)可以簡化為一階滯后環(huán)節(jié),即研究表明,Tr+Ty標(biāo)志著車輛系統(tǒng)的響應(yīng)速度,當(dāng)Tr和Ty均上升時(shí),系統(tǒng)的響應(yīng)變慢;Tr和Ty標(biāo)志轉(zhuǎn)向時(shí)的穩(wěn)態(tài)感覺,隨著該時(shí)間常數(shù)差的增加,穩(wěn)態(tài)的感覺下降。這說明駕駛員轉(zhuǎn)向角輸入與橫擺角速度、側(cè)向加速度間的相位滯后能極大地影響人-車閉環(huán)系統(tǒng)的響應(yīng)特性。通過加入諸如PD比例-微分控制等環(huán)節(jié)來補(bǔ)償相位滯后以改善人-車閉環(huán)響應(yīng)特性,可提高車輛的轉(zhuǎn)向靈活性2.
11、3橫擺角速度控制和橫擺力矩補(bǔ)償除了可變傳動(dòng)比設(shè)計(jì)外,穩(wěn)定性控制功能是寶馬主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)最大的特點(diǎn)。危險(xiǎn)工況下該系統(tǒng)通過獨(dú)立于駕駛員的轉(zhuǎn)向干預(yù)來穩(wěn)定車輛,通過主動(dòng)改變駕駛員給定的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角使得車輛響應(yīng)盡可能與理想的車輛響應(yīng)特性相一致。圖5為采用了模型跟蹤的控制策略。首先通過線性兩自由度參考模型并根據(jù)當(dāng)前駕駛員轉(zhuǎn)向角及車速計(jì)算得到期望的橫擺角速度,但期望橫擺角速度最大值又受到路面附著系數(shù)和車速V的限制,其最大值為:類似于橫擺角速度控制功能,寶馬主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)還提供了橫擺力矩補(bǔ)償功能,以提高在分離系數(shù)路面上車輛的制動(dòng)穩(wěn)定性。在該工況下,由于左、右輪上不等制動(dòng)力會(huì)產(chǎn)生繞車輛質(zhì)心的橫擺力矩,使得車輛發(fā)生制動(dòng)
12、跑偏現(xiàn)象。傳統(tǒng)的!ESP電子穩(wěn)定程序通過調(diào)節(jié)4個(gè)車輪上的制動(dòng)力來使得左、右車輪的制動(dòng)力盡量相等,但以減小制動(dòng)減速度、增大制動(dòng)距離為代價(jià)。而主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)根據(jù)制動(dòng)壓力等信號(hào)計(jì)算出所需補(bǔ)償?shù)臋M擺力矩并通過調(diào)整相應(yīng)的前輪轉(zhuǎn)向角來實(shí)現(xiàn)方向調(diào)節(jié)。在這一過程中駕駛員無需對(duì)轉(zhuǎn)向盤進(jìn)行修正,減輕了駕駛員的工作負(fù)擔(dān),保持了制動(dòng)時(shí)的方向穩(wěn)定性,減小了制動(dòng)距離。通過這一技術(shù)的應(yīng)用,與傳統(tǒng)ABS/ESP相比,可使制動(dòng)距離最多減少15%。2.4穩(wěn)定性功能的擴(kuò)展底盤集成控制技術(shù)與ESP等通過制動(dòng)干預(yù)來穩(wěn)定車輛的方式相比,轉(zhuǎn)向干預(yù)具有以下優(yōu)點(diǎn):首先,轉(zhuǎn)向干預(yù)不易為駕駛員察覺,對(duì)乘坐舒適性幾乎沒有影響,而制動(dòng)干預(yù)不僅會(huì)產(chǎn)生較大
13、的制動(dòng)減速度,而且制動(dòng)時(shí)發(fā)出的噪聲也會(huì)影響乘坐舒適性;其次,轉(zhuǎn)向干預(yù)比制動(dòng)干預(yù)更加迅速,因?yàn)檗D(zhuǎn)向控制是通過伺服電機(jī)來完成的,而制動(dòng)干預(yù)必須建立油壓,這需要一定的時(shí)間;此外,轉(zhuǎn)向干預(yù)相比制動(dòng)干預(yù)能獲得更高的通過速度,從而降低在變道時(shí)由于避讓不及、與對(duì)面來車發(fā)生碰撞的可能性。 但轉(zhuǎn)向干預(yù)的缺點(diǎn)也是顯而易見的。受到原理限制,主動(dòng)轉(zhuǎn)向的穩(wěn)定性功能只適用于轉(zhuǎn)向過多的工況。該工況下通過疊加轉(zhuǎn)向減小前輪轉(zhuǎn)向角能夠減小前軸側(cè)向力,從而使得轉(zhuǎn)向過多的趨勢(shì)有所減緩;相反,在轉(zhuǎn)向不足工況下,受到輪胎非線性的限制側(cè)向力達(dá)到飽和狀態(tài),通過增大前輪轉(zhuǎn)向角的方式是很難改變車輛轉(zhuǎn)向不足的趨勢(shì)的。此外,受到轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)
14、機(jī)械布置的限制,前輪轉(zhuǎn)向角的改變量是有限的,也就是說轉(zhuǎn)向干預(yù)穩(wěn)定車輛的能力弱于制動(dòng)干預(yù),在某些極限工況下必須依賴ESP制動(dòng)干預(yù)才能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定車輛的目的。 為了充分發(fā)揮主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和ESP電子穩(wěn)定程序的優(yōu)點(diǎn),最大限度地提高車輛在極限工況下的穩(wěn)定性,將兩者功能融合在一起進(jìn)行集成控制是最為有效的方法。由ContinentalTeves公司推出的第二代ESP系統(tǒng)充分體現(xiàn)了這一思想,該系統(tǒng)可以提高車輛穩(wěn)定性、拓寬極限行駛區(qū)域、減小轉(zhuǎn)向幅度、更少產(chǎn)生由于制動(dòng)干預(yù)引起的急劇減速,從而使車輛行駛的安全性、舒適性以及駕駛樂趣得到大大提高。為了進(jìn)一步提高車輛的動(dòng)力學(xué)性能,還可以在此基礎(chǔ)上繼續(xù)引入諸如可調(diào)
15、減振器、主動(dòng)穩(wěn)定性控制和可調(diào)彈簧等電子底盤控制系統(tǒng)。圖6展示了這種車輛底盤集成控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。3同類型其他廠家的速比可變的助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)3.1奔馳的直接轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 奔馳的E級(jí)S級(jí)都搭載了“直接轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 奔馳的直接轉(zhuǎn)向系統(tǒng)就是第一種方式的典型代表, 它主要是 “齒輪齒條機(jī)構(gòu)” 的 “齒條” 上做變化, 通過特殊工藝加工齒距間隙不相等的齒條, 如圖8所示。方向盤轉(zhuǎn)向時(shí), 齒輪與齒距不相等的齒條。嚙合, 轉(zhuǎn)向比就會(huì)發(fā)生變化, 中間位置的左右兩邊齒距較密, 齒條在這一范圍內(nèi)的位移較小, 在小幅度轉(zhuǎn)向時(shí)(例如變線、 方向輕微調(diào)整時(shí)), 車輛會(huì)顯得沉穩(wěn), 而齒條兩側(cè)遠(yuǎn)端的齒距較疏, 在這個(gè)范圍內(nèi), 轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤
16、, 齒條的相對(duì)位移會(huì)變大, 所以在大幅度轉(zhuǎn)向時(shí)(如泊車、 掉頭等), 車輪會(huì)變得更加靈活。 這種技術(shù)除了對(duì)齒條的加工工藝要求比較嚴(yán)格之外, 并沒有多少“高科技” 在其中, 缺點(diǎn)在于齒比變化范圍有限, 并且不能靈活變化, 而優(yōu)勢(shì)也很明顯完全的機(jī)械結(jié)構(gòu), 可靠性較高,耐用性好, 結(jié)構(gòu)也非常簡單3.2奧迪ADS動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)從原理上講, 奧迪所使用的ADS動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(Audi Dynamic Steering)依然運(yùn)用了疊加原理, 但是使用的結(jié)構(gòu)(如圖13所示)卻與寶馬和豐田的系統(tǒng)有著天壤之別。ADS動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)系統(tǒng)的核心部件是一套以“諧波齒輪” 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為核心的電控系統(tǒng),“諧波齒輪” 是利用柔輪、 剛輪
17、和波發(fā)生器的相對(duì)運(yùn)動(dòng), 特別是柔輪的可控彈性變形(形狀改變)來實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力傳遞的。改變轉(zhuǎn)向比的原理是 “諧波傳統(tǒng)” 系 統(tǒng)的錯(cuò)齒運(yùn)動(dòng)。 連著方向盤的輸入軸與柔輪(薄型環(huán)齒圈)相連, 其內(nèi)有柔性滾珠軸承, 中心為電機(jī)驅(qū)動(dòng)的橢圓轉(zhuǎn)子, 與輸出軸相連的是外環(huán)面構(gòu)成的剛輪, 在轉(zhuǎn)子被鎖止時(shí)(電機(jī)未通電或發(fā)生故障), 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)比保持恒定。 電機(jī)驅(qū)動(dòng)中央轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí),會(huì)帶動(dòng)柔輪旋轉(zhuǎn), 當(dāng)轉(zhuǎn)子與柔輪同向旋轉(zhuǎn)時(shí), 由于柔輪的齒數(shù)比外環(huán)剛輪的齒數(shù)小,所以剛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)角度便會(huì)大于柔輪, 使轉(zhuǎn)向角度被放大, 而當(dāng)轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)時(shí), 就能夠起到縮小轉(zhuǎn)向角度的作用(如圖14所示)。相比行星齒輪系統(tǒng), 奧迪的ADS動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)
18、使用的 “諧波齒輪” 傳動(dòng)結(jié)構(gòu)有諸多優(yōu)點(diǎn): 首先是結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單, 沒有過多復(fù)雜的齒輪結(jié)構(gòu), 零件數(shù)少便于維修; 其次是這種結(jié)構(gòu)承載能力高, 傳動(dòng)比大; 再次, 它的運(yùn)轉(zhuǎn)平順, 噪音較低, 這點(diǎn)對(duì)于看重靜音的豪華車型來說非常重要; 最后, 這種結(jié)構(gòu)傳動(dòng)效率高, 且響應(yīng)速度快, 運(yùn)轉(zhuǎn)精度高。4 結(jié)束語寶馬主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)通過一組雙行星齒輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了獨(dú)立于駕駛員的轉(zhuǎn)向疊加功能,完美地解決了低速時(shí)轉(zhuǎn)向靈活輕便與高速時(shí)保持方向穩(wěn)定性的矛盾,并在此基礎(chǔ)上通過轉(zhuǎn)向干預(yù)來防止極限工況下車輛轉(zhuǎn)向過多的趨勢(shì),進(jìn)一步提高了車輛的穩(wěn)定性。同時(shí),該系統(tǒng)能方便地與其他動(dòng)力學(xué)控制系統(tǒng)進(jìn)行集成控制,為今后汽車底盤一體化控制奠定了良好的基礎(chǔ)。 參考文獻(xiàn): 1余志生.,汽車?yán)碚揗.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2
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