车行天下自制“鬣蜥”原子车鉴赏-爬车网
车行天下自制“鬣蜥”原子车鉴赏
　　在化学中，原子是组成物质的最基本粒子。在汽车世界里也有自己的“原子”—它是一种简单至极的汽车，被称之为极简主义艺术品。严格来说，原子跑车是一种超级车，即一种产量相对于其他车型较少的、性能接近于赛车的跑车。虽然原子跑车的外观和性能更接近于赛车，但超级车也通常都是按照上路标准而设计的。　　创造眼前这台名为“鬣蜥”的原子车团队是车行天下俱乐部的四位年轻人，敢想、敢做、敢拼的形象给所有人留下了很深的印象。曾经问过他们，是什么原因让他们打造一款原子跑车，首席技师沈师傅简单直接地回答我，“跑车梦，速度梦。自己买不起，那就自己做一个”。如此干脆、简单且执着的答复令人出乎意料。但也正是因为拥有了最纯粹的梦想，他们才能锲而不舍地完成了速度梦想。　　当然手工打造原子跑车不像组装汽车模型一样简单，从图纸、设计、用料、切割、打磨、拼装、试验，根据实地测试还得重新调试更改，每一道工序不能马虎更不能省略，甚至还得不停的重复。“鬣蜥”整车长3600mm，宽2170mm，高1100mm，最小离地间隙80mm，自重600kg。车架采用57mm的拉力赛级无缝钢管焊接而成，车身在保证高强度的同时降低整车重量，悬挂采用支点摇臂式悬挂系统，具有F1赛车特有的悬挂系统优点。整体支撑顶杆是关节轴承与减震器和车架连接，底盘高低可根据路况调校，最大可调离地距离为8mm。制动系统为四轮碟刹，刹车总泵带真空助力，在车速达每小时60公里时刹车距离不超过10米。轮胎采用高速赛道轮胎，行驶稳定，刹车性能更好。　　发动机采用了福特的2.4L发动机，最大功率130匹，0~100公里加速仅需6秒以内，相匹配的是5挡手动变速箱。进、排气做了一站式改装，进气采用冬菇头，在缩短排气管长度的基础上改装了两个排气出口，使发动机动力输出爆发力更强。　　车行天下的小伙子们说，全力打造出的“鬣蜥”仅仅是开始，后面还要打造更多款车辆。据了解，他们已经开始着手打造一款适用于沙漠、山地等复杂地形的车辆。希望他们第二辆车能够早一点问世，让全世界都知道中国也有一群疯狂热衷于汽车的粉丝！
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FSAE 赛车车架结构优化和轻量化
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&FSAE&赛车车架结构优化和轻量化周永光，阳林，吴发亮，邓仲卿（510006&广东省广州市广东工业大学机电工程学院）［摘要］&车架是赛车的安装载体，所占赛车整备质量百分比很大。本文首先建立广东工业大学第一届FSAE&赛车车架的三维几何模型；然后将几何模型导入到有限元软件中，建立了车架的有限元模型，对车架进行了静态受力分析和模态分析，根据仿真分析结果进行结构优化和轻量化设计，最后确定我校第二届FSAE&赛车车架，实现车架减轻重量8．4kg。因此，结构优化和轻量化对赛车设计制造有重要意义。［关键词］&大学生方程式赛车；车架结构优化；有限元；轻量化设计［中图分类号］&U469．6＋96&［文献标志码］&A&［文章编号］&12)11-0037-05The&Structure&Optimization&and&Lightweight&of&FSAE&Car&FrameZHOU&Yong－guang，&YANG&Lin，&WU&Fa－liang，&DENG&Zhong－qing（Mechatronic&Engineering&College，&Guangdong&University&of&Technology，&Guangzhou&City，&Guangdong&Province&510006，&China）［Abstract］&The&frame&is&the&installation&carrier&of&a&race&car，&accounts&for&a&great&percentage&of&curb&weight．&Firstly，&3D&modelsof&the&first&FSAE&racing&car&frame&of&Guangdong&Industrial&University&of&Technology&were&established．&Secondly，&the&geometrymodel&was&imported&into&the&finite&element&software&to&set&up&the&finite&element&model&of&the&frame，&so&on&the&base&of&the&simulationresult&for&the&static&stress&analysis&and&modal&analysis，&structure&optimization&and&lightweight&design&were&carried&out．&Finally，the&second&FSAE&racing&car&frame&was&finalized，&and&the&mass&of&the&frame&was&reduced&by&8．4kg．&It&is&very&important&for&usto&carry&out&structure&optimization&and&lightweight&design&on&the&FSAE&racing&car&frame．［Key&words］&Formula&SAE；&structure&optimization&of&frame；&finite&element；&lightweight&design；0&引言中国大学生方程式汽车大赛（&以下简称FSAE）由各高等院校汽车工程或与汽车相关专业的在校学生组队参加。FSAE&要求各参赛队按照赛事规则和赛车制造标准，&自行设计和制造方程式类型的小型单人座休闲赛车，&并携该车参加全部或部分赛事环节。汽车的轻量化，&就是在保证汽车的强度和安全性能的前提下，尽可能地降低汽车的整备质量，从而提高汽车的动力性和燃油经济性。在F1&赛车的整个设计过程中，&设计师都在努力使车重降到最小。因为在最小重量上每增加1kg，赛车跑一圈的时间就会多用0．03′；超5kg&时，赛车跑一个典型赛程会多用12′［1］。FSAE&赛车的车架结构需要满足两个方面的要求：（1）车架要一定的强度和刚度来装配赛车其他各总成，满足比赛要求；（2）车架的固有振动频率需要能避开整车的各种激励频率，&得到合理的动态特性，&避免发生共振。本文在对我校第一届FSAE&赛车车架进行有限元分析的基础上，改进其富余的强度和刚度，&实现了车架结构优化和轻量化的设计目标。1&车架三维模型的建立FSAE赛车车架的几何模型是依据中国大学生方程式赛车车架的结构要求来建立的车架三维模型［2］，具体的技术要求如下。1．1&主环及主环斜撑要求主环必须由一根未切割的，连续的，截面形状封闭的钢管构成，&必须从车架一侧的最低处向上延伸，越过车架，再到达另一侧的车架最低处。从侧视图看，&主环和主环斜撑禁止布置在过主环顶端垂线的同侧。主环斜撑和主环的连接点应尽量接近主环顶端，&连接点低于主环顶端的距离不得超过160mm（6．3&英寸）。主环和主环斜撑所成夹角至少为30&°。主环斜撑必须是直的，即没有任何弯曲。1．2&前环及前环斜撑要求收稿日期：&修回日期：农业装备与车辆工程AGRICULTURAL&EQUIPMENT&&&VEHICLE&ENGINEERING第50&卷第11&期Vol．&50&No．&112012&年11&月November&2012农业装备与车辆工程2012&年前环必须由两个分别位于前环两侧的向前延伸的斜撑支撑。前环斜撑必须延伸至车手脚部之前，其作用是保护车手腿部1．3&前隔板要求前隔板必须由截面形状封闭的管件构成，在赛车的每一侧，&前隔板都必须使用至少3&个车架单元来向后支撑到前环，一个位于顶部（与顶端距离不超过50．8&mm），一个在底部，以及一个用来形成三角结构的斜撑。由前隔板、斜撑和另两个前隔板支撑之一构成的三角结构必须点对点。我校第一届FSAE&赛车车架的三维模型如图l所示，&车架使用的材料是4130&薄壁圆柱钢管。前环、主环和主环斜撑用了25．4×2．4&规格之外，其他全部管都是用25．4×1．6&规格。车架总质量34．2kg，车架的长、宽、高分别为2300mm，650mm，1100mm。2&车架有限元模型（包括网格的划分）有限元模型的建立可分为直接法和间接法，直接法为直接在ANSYS&软件几何建模中根据机械结构的几何外形建立节点和元素，&然后再进行网格划分。间接法为从CAD&读入模型，再进行几何模型的编辑修改，最后网格划分。我校第一届FSAE&赛车车架采用间接法构建有限元模型。在间接法构建有限元模型的时候，有限元分析软件模型接口程序的好坏直接影响了模型转换的精度，AWE（ANSYS&Workbench&Environment）相较于经典的ACE（ANSYS&Classical&Environment），对于常见三维软件（如CATIA&／&UG&等）建立的CAD&模型接口更加完善［3］。因此先将UG三维模型以PARASOLID&的格式输出，&再将这种格式输入到ANSYS&Workbench&中得到的模型的质量是比较好的。接下来是有限元网格划分，&它是进行有限元分析非常重要的一步，&直接影响着后续的数值计算的准确性。如果网格划分质量不好，分析的结果与实际情况相差很大，&甚至有可能导致分析过程被终止。由于ANSYS&Workbench&提供了强大的网格划分工具，便于进行网格划分，故本论文采用的ANSYS&Workbench&进行有限元分析。为了减少计算量，&需要对车架的网格大小进行合理控制。对于受力复杂的下层车架钢管划分网格分得细密些，尺寸单元约为5mm，其对于受力较少的上层车架单元网格划分得粗些，&其尺寸单元约为25～45mm，对于与悬架硬点和发动机固定点相连接的车架管件网格划分要更细些。最后，&在定义材料属性及进行几何模型的简化处理后，生成网格，即得到有限元模型，如图2。3&车架的静态受力分析赛车在比赛过程中，&车架的强度和刚度对赛车的性能有很大影响，&而且对赛车的安全性起着至关重要的作用。因此，需要对赛车车架进行静态受力分析，&现把我校第一届FSAE&赛车车架模型导入有限元分析软件，&分析该车架在静态弯曲工况时的受力情况。车架弯曲工况是指赛车4&个车轮位于同一平面上而受到弯曲载荷时车架的应力和应变情况。赛车手质量、底盘总成质量、发动机总成质量和车架自身的质量所产生的载荷称之为弯曲载荷。本文将车架质量作为均布载荷分布到车架结构的相应节点上的；而把赛车手质量、底盘总成质量和发动机总成质量分别作为集中载荷按支点跨距分配在相应管状结构节点上，&安放在车架上的各部分总成质量如表1&所示。图2&第一届FSAE&赛车架导入ansys&划分网格Fig．2&Leading&three&－dimensional&model&of&The&First&FSAEFrame&into&ANSYS&to&mesh图l&第一届FSAE&赛车车架三维模型Fig．1&Three－dimensional&model&of&The&First&FSAE&Frame前隔板前环斜撑前环侧防撞壁主环主环斜撑38第500&卷第111&期在进行有限元分析时，进行如下约束处理：约束与4&个悬架A&臂连接的16&个硬点，使他们在X轴、Y&轴和Z&轴方向上不能有位移。接下来对车架有限元模型进行求解。可以得出分析结果如图3和图4&所示。结果表明：&车架结构受到的最大应力部位是主环底部的圆管，最大应力为37．8MPa，远远低于车架所选用4130&钢管材料的许用应力为785MPa。而车架整体变形量最大的地方是主环底部钢管，其变形量为0．21mm，这种最大变形量远低于车架许可承载变形量，满足设计要求。分析的结果与实际的受力情况相符合，&因为主环底部不仅是车手座椅安装固定点之一，&而且还是发动机安装固定点之一，其受力是最大的，所以其变形量也是最大的。4&车架模态分析方程式赛车在赛道路面上行驶，&发动机的振动、车轮动态不平衡和路面上的不平度对车架会产生随机的激振。假如激振的频率和车架的某一种固有频率相接近，就会发生共振现象，造成车架出现可能会被破坏的危险情况。因此，为了避免共振现象的发生，&必须对车架固有振动频率和振型进行分析，&通过调整对车架结构设计来避开以上振源的激励频率。模态分析是研究结构动力特性的一种近代方法，是系统辨别方法在工程振动领域中的应用。模态是机械结构的固有振动特性，&每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。这些模态参数可以由计算或试验分析取得，&这样一个计算或试验分析过程称为模态分析。车架的模态分析就是运用有限元计算的方法取得的固有频率和固有振型。赛&车的车架是否满足振动要求，&取决于车架的各阶固有频率能否避开赛车的激励频率。赛车的激励源中由赛道路面不平而引起的激励频率一般为l～20&Hz，由于车轮不平衡引起的激励频率一般低于11&Hz［4］。我们选用的发动机是本田CBR600，这款发动机在限制进气以后的最高转速可达11000r&／&min，&我们将发动机怠速调为3000r&／&min，常用的发动机转速为r&／&min。根据爆发频率计算公式f＝2zn&／&60τ。（1）式中，z———发动机的缸数；τ———发动机冲程数；n———发动机的转数。可以算得发动机怠速频率为100Hz。常用的激励频率范围是233～333&Hz。在进行车架设计时主要考虑两点：（1）&车架的低阶频率要介于地面激励频率和发动机怠速运转频率之间，以避免发生整体共振现象；（2）车架高阶振动频率也要避开发动机经常工作的频率范围。通过有限元对车架模型进行模态分析，&计算出了车架在弯曲、扭转、垂直弯曲、侧向弯曲以及其组合情况下的振动频率，&具体分析结果如图5赛车各组部分质量／&kg发动机总成92．5传动总成28．8车身14车架34．2悬架系统及轮胎99．6踏板总成10．6转向系统7发动机水箱3．2油箱7电池3车手及座椅70图3&车架应变分析结果Fig．3&Strain&analysis&results&of&the&frame图4&车架应力分析结果Fig．4&Stress&analysis&results&of&the&frame表1&赛车车架上各安装部分质量Tab．1&Mass&of&each&installation&part&of&racing&car&frame周永光等：&FSAE&赛车车架结构优化和轻量化39农业装备与车辆工程2012&年车架结构空间桁架结构材料4130&钢管，&规格：25．4×2．4、25．4×1．6、20×1．2、20×2&以及12×1接头形式及材料采用氩弧焊焊接目标扭转刚度6500N·m／&°扭转刚度计算值和计算方法／实测刚度计算扭转刚度值：9687N·m／&°；方法：使用ansys对其进行分析计算，通过对车架底部前桥左侧纵梁上的竖直把风影点和车架底部后桥右侧纵梁上的竖直把风影点进行的约束，在左桥底部左侧纵梁上的竖直投影点施加一个垂直向下的载荷，让车架产生纯扭转变形。通过公式G＝π×L×L×F&／&（180°h），计算扭转刚度。其中G为扭转刚度，L&为力臂，F&为施加载荷，h&为加力点的挠度车架净重／&kg&26缓冲区材料蜂窝铝缓冲区长度／mm&200缓冲区吸能能力7571Joules表3&优化以后车架参数表2&车架前六阶固有频率及振型Tab．3&The&optimized&frame&parametersTab．2&Sixth－order&natural&frequency&and&vibration&mode&of&theframe所示。表2&是车架前6&阶自由模态的频率和振型。分析结果表明：&车架的最低振动频率为1&阶振动频率30．164，&这样就避开了由于赛道不平和车轮不平衡而引起的振动频率。车架的最高频率为6&阶振动频率91．760，&也避开了我们赛车发动机在怠速和常用车速下所引起的振动频率。所以车架不会发生共振，满足设计要求。5&车架结构优化车架结构优化设计是以有ANSYS&限元分析结果为基础。对于车架强度和刚度较为富裕的地方，通过减薄壁厚尺寸、减小管径尺寸和减少杆件数目达到减轻车架质量的目的，&满足车架轻量化设计的目标。优化以后的车架与第一届FSAE&赛车车架相比杆件数目减少7&根，&部分管径由原来的25．4mm&减小到20&mm&和12mm，壁厚由原来的2．4mm&和1．6mm&减小到1．2mm&和1．0mm，使得新车架的质量为25．8kg，减轻了8．4kg，有效地减轻了车架的质量。图6&为车架优化后的模型，表3&为优化以后车架参数。优化以后的车架模型为我们第二届赛车的模型，将该模型导入ANSYS&进行分析，重复以上步骤，&得到第二届车架应力分析结果如图7&所示和第二届车架应变分析结果如图8&所示。图5&车架模态分析结果Fig．5&Modal&analysis&results&of&the&frame阶数频率／&Hz&振型1&30．164&侧向弯曲＋扭转2&61．689&弯曲3&71．484&弯曲＋扭转4&84．359&扭转5&90．05&S&型侧向弯曲＋扭转6&91．76&垂直弯曲图6&车架优化后的三维模型Fig．6&The&three－dimensional&model&of&the&optimized&frame图7&第二届车架应力分析结果Fig．7&Stress&analysis&results&of&the&second&frame图8&第二届车架应变分析结果Fig．8&Strain&analysis&results&of&the&second&frame40第500&卷第111&期表4&第二届车架前六阶固有频率及振型Tab．4&Sixth&－order&natural&frequency&and&vibration&mode&ofthe&second&frame结果表明：车架所受的最大应力为298．18MPa，低于车架所选用4130&钢管材料的许用应力为785．24&MPa。而车架整体变形量最大的地方是车架最后部钢管，其变形量为0．31mm，这种最大变形量远小于车架实际承载变形量的许可范围。由于车架最后部分用于固定发动机和传动总成，故受力和变形量最大，与实际受力情况相符合。同时我们也对第二届车架进行了模态分析，模态分析结果如图9&所示，&表4&是车架前6&阶的振动频率。结果析结果表明：车架的固有频率处于69．656～105．000Hz&之间，可以很好地避开由于赛道不平和车轮不平衡而引起的0～30Hz&的低频振动频率。我校第二届赛车的发动机怠速转速为3500r&／&min，所产生的发动机激振频率为116．667Hz，&这与车架的固有频率相差较远，不会发生共振，满足设计要求。6&结论通过对我校第一届FSAE&赛车车架进行的静态弯曲工况和自由模态分析，&获得了车架的弯曲强度和刚度，&以及前6&阶固有频率和与之对应的振型，&分析了赛车固有频率与各种激振频率之间的关系。结果表明，车架的1&阶固有频率大于路面的激励频率，并且避开了发动机的爆发激励频率，避免共振。同时从振型分析中找出了车架弯曲刚度的富裕部位，&对第一届FASE&赛车车架进行优化改进得到第二届FASE&赛车车架，&最后对改进后的车架进行有限元分析。分析结果显示，在保证强度和刚度的同时，没有共振现象产生，整个车架的质量减轻为25．8kg，相比去年减少8．4kg，即在去年的基础上车架减重24．6％。该研究成果表明，利用有限元方法对车架进行结构优化和轻量化设计对赛车设计制造有重要意义。参考文献［1］&赵文娟．&赛车车架结构设计及其轻量化研究［D］．秦皇岛：燕山大学，2009．ZHAO&Wen－juan．&Structure&design&of&The&racing&frame&and&itslightweight&research&［D］．Qinhuangdao：Yan&Shan&University，2009．［2］&中国大学生方程式汽车大赛组委会．2011&中国大学生方程式汽车大赛参赛手册［R］．北京：中国汽车工程协会，2012．The&Organizing&Committee&of&Formula&Student&China．&ChineseRules&of&Formula&Student&China&［R］．Beijing：The&Society&ofAutomotive&Engineers，china，2012．［3］&邝坤阳．&FSAE&赛车车架的结构分析与优化［D］．合肥：合肥工业大学，2011．KUANG&Kun&－yang．&Structural&analysis&and&optimization&ofFSAE&racing&frame&［D］：Hefei：Hefei&University&of&Technology，2011．［4］&王家豪．&FSAE&管阵式车体骨架结构设计与分析［R］．广州：华南理工大学，2010．WANG&Jia－hao．&FSAE&Tubular&Body&Frame&Structure&Designand&Analysis&［R］．Guangzhou：South&China&University&of&Technology，2010作者简介周永光（1987－&），男，硕士。研究方向：电动汽车关键技术。导师：阳林（1966－&），男，博士。科研方向：&电动汽车关键技术、车身模具CAD&／&CAE&／&CAM／VR。主持和参加复杂薄板件液压成形新工艺及新装备、汽车大型复杂精密注塑模具数字化制造、数字重载机械驱动技术装置的产业化、数控压力机开发及其关键技术的研究等科研项目；发表论文40&多篇；获国家授权发明专利2&项，实用专利4&项。图9&第二届车架模态分析结果Fig．9&Modal&analysis&results&of&the&second&frame阶数频率／Hz&振型1&69．656&侧向弯曲＋扭转2&100．57&弯曲3&101．63&弯曲＋扭转4&102．4&扭转5&104．13&S&型侧向弯曲＋扭转6&105．08&垂直弯曲
二师兄们做的耶→ →
&于& 17:49&发表在&二师兄们做的耶→ →他们关于我们车队的论文
&于& 19:43&发表在&他们关于我们车队的论文这是
有没有更好的论文呢
看不到图片。。。。。
&于& 17:25&发表在&看不到图片。。。。。可以哦
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铝合金车架和钢管车架的特点
铝合金车架和钢管车架的特点
车架的主要原料及分别： 无论是摇篮式车架或双翼梁车架或是两者混合的新型车架,在用料上都可分成两大类：铝合金及钢管.
人人都爱的铝合金车架铝材本身是比较软,韧度及强度亦较低,不适合作工程用金属.但铝材比较轻身,及高度抗氧化的防锈特性.因此,为改善铝材较差的强度,必须混入其他金属制成合金才能够作车架之材料,一般被称为飞机铝(飞机机身同样使用铝合金为材).铝合金之优点在于轻巧,高抗氧化能力,可塑性高,能于冷工(ColdWork)下塑型及加工,轻微变形车架容易拉回原状.但铝合金同样有其缺点.铝合金会有一种大部分金属的问题,便是金属疲劳.除此之外,因硬度较低,抗磨性不佳,部件较易磨损,不适合用于经常活动之部份.
因为铝合金硬度不足问题及金属疲劳特性,在铝合金车架某些部份上必须在表面加工(铝合金车架不平滑如磨沙般既表面便是其加工结果),令表面有WorkHarden之情况,因此提高表面之硬度及产生表面横向压力以防止车架出现裂痕.
铝合金车架多数以注模(DieCast)制造,存在模具成本.由于有工序上及模具之需要,因此,一般铝合金车架造价较高,所以需然铝合金车架比较轻,但一般不会应用在平价或低性能的车种中使用,以免提高售价或造成浪费.以前铝合金车架只会跑车身上出现,但近年在高性能的街车、专业的爬山车甚至乎是高性能绵羊都有采用铝合金车架.Yamaha摩托车在制造第三代Delta-Box车架时,采用了一种名为ControledFillingAllyDie-castingTechnology铝合金计算机印模锻造技术制造.该技术能制造更复杂的外型,并同时准确地控制车架的厚度,让受力支点厚一点.最重要是能有效减少气泡形成,利用计算机感应器控制模件内不同部份的吸力,让铝合金更准确和更快速地被注入模具内,令注模时间可以缩短了五倍之多.
所以温度控制更佳,令制成品的密度和刚性都得到改善,令新车架的横向刚性增强但重量却减轻.此外车架的焊接点也可以大幅减少.
普遍被人轻视的钢管车架钢材同样是合金,主要由铁(Iron)做成,加入炭Carbon,铬Chromium,镍Nickel,钒Vanadium,磷Phosphorus,镁Manganese等等其他元素制成.由于钢材由小型炭原子及大型铁原子所合成,所以钢材有一种名为Cottrelllocking的效果,使钢材没有一般金属存在的金属疲劳现象.
但有利必有弊,Cottrelllocking会导致金属难以冷工加工,所以钢材塑型多数会加热后才加工(Hotwork).钢材Hotwork还有其他好处,如红热钢材快速冷却(Quenching)会使钢材有纤维性结构,令纲材更加坚韧.
钢材的抗氧化力亦算高,但不及铝合金,因此,此类车架一般都会有漆油保护,防止氧化.因硬度较高,抗磨性佳,除车身外,引擎及波子盘等经常转动的地方都会用上钢材.钢管车架在外观上不及铝合金车架粗壮,也较为普遍,所以予人一种过时老土的感觉.其实钢管车架无论在硬度,韧度及强度都比较铝合金优异.意大利摩托车之皇Ducati的作品,包括登上世界竞赛颁奖台的超级跑车和最新的型号,都是一直使用捆杆式圆管车架.
钢材缺点是材料本身十分之重,材料本身价钱比铝合金贵,不过因为刚性高,可减少用料,及车架工序简单,车架成本因此反比铝合金更便宜.
摩托车的钢管车架,一般都是使用已成形的钢管,经加热后再拉出所需形状,然后再利用烧焊方法制成最后的车架.相比起注模式的铝合金车架,制造钢管车架所需的工序比较简单,所需要的注模规模比较小型,不像生产铝合金车架需要有大型注模的昂贵模具.所以钢管车架,在平价及低性能车种中被普遍采用.FSAE赛车车架结构优化和轻量化_百度文库
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