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文檔簡介

現(xiàn)代機械設(shè)計理論與方法

(大作業(yè))

1、采用系統(tǒng)化設(shè)計流程及所學(xué)現(xiàn)代設(shè)計方法詳細闡述某公司需要投資研發(fā)一

款新型產(chǎn)品的整個設(shè)計流程和采用方法。

(1)請具體闡述采用哪些設(shè)計方法,如何去完成新產(chǎn)品的規(guī)劃設(shè)計過程?

(2)請具體闡述采用哪些設(shè)計方法,如何去完成新產(chǎn)品的方案設(shè)計過程?

(3)請具體闡述采用哪些設(shè)計方法,如何去完成新產(chǎn)品的技術(shù)設(shè)計過程?

(4)請具體闡述采用哪些設(shè)計方法,如何去完成新產(chǎn)品的施工設(shè)計過程?

答:

(1)產(chǎn)品規(guī)劃設(shè)計包括三個主要階段:第一個階段是市場細分及選擇階段。

在這個階段,主要通過市場調(diào)研與分析,研究如何細分市場,以及企業(yè)如何選擇

細分市場,最后確定企業(yè)對細分市場的戰(zhàn)略選擇。第二個階段是定義新產(chǎn)品概念。

在這個階段中要對某個細分市場,收集其需求的主要內(nèi)容,包括客戶需求、競爭

需求及企業(yè)內(nèi)部需求,并確定企業(yè)在該細分市場的產(chǎn)品定位,然后尋找和定義新

產(chǎn)品概念。第三個階段是確定產(chǎn)品規(guī)劃階段。在這一階段中需要從技術(shù)層面分析

新產(chǎn)品屬于哪個產(chǎn)品族及其開發(fā)路徑,并根據(jù)公司的戰(zhàn)略確定新產(chǎn)品開發(fā)的優(yōu)先

順序和組合策略,然后依據(jù)企業(yè)資源狀況,制定新產(chǎn)品開發(fā)的時間計劃。

產(chǎn)品規(guī)劃設(shè)計的步驟為:信息集約一產(chǎn)品設(shè)計任務(wù)-預(yù)測調(diào)研一可行性分析

一明確任務(wù)要求一可行性報告、設(shè)計要求項目表。

進行產(chǎn)品規(guī)劃設(shè)計的主要方法有:設(shè)計方法和預(yù)測技術(shù)。支持產(chǎn)品規(guī)劃設(shè)計

的主要理論有:設(shè)計方法學(xué)、技術(shù)預(yù)測理論、市場學(xué)、信息學(xué)等。

(2)新產(chǎn)品的方案設(shè)計過程大致可以分為方案設(shè)計和方案評審兩個階段。

方案設(shè)計階段的步驟為:總共能分析-功能分解―功能元求解一功能載體組合一

獲得功能原理方案(多個原理方案)一原理試驗一評價決策一最優(yōu)原理方案一原

理參數(shù)表、方案原理圖。

進行產(chǎn)品的方案設(shè)計的方法主要有:系統(tǒng)化設(shè)計方法、創(chuàng)造技法、評價決策

法、形態(tài)學(xué)矩陣法。

主要的理論指導(dǎo)包括:系統(tǒng)工程學(xué)、形態(tài)學(xué)、創(chuàng)造學(xué)、思維心理學(xué)、決策論、

模糊數(shù)學(xué)等。

(3)對產(chǎn)品進行技術(shù)設(shè)計時,首先要對結(jié)構(gòu)進行總體設(shè)計,包括了對產(chǎn)品

的結(jié)構(gòu)設(shè)計和造型設(shè)計。進行新產(chǎn)品的技術(shù)設(shè)計的主要步驟為:

2

產(chǎn)品技術(shù)設(shè)計的方法主要包括:價值設(shè)計、優(yōu)化設(shè)計、可靠性設(shè)計、宜人性

設(shè)計、產(chǎn)品造型設(shè)計、系列化設(shè)計、機械性能設(shè)計、工藝性設(shè)計、自動化設(shè)計等。

產(chǎn)品技術(shù)設(shè)計過程中主要涉及的理論指導(dǎo)有:價值工程學(xué)、最優(yōu)化方法、工

程遺傳算法、可靠性理論與實驗、人機工程學(xué)、模塊化設(shè)計、有限元法、動態(tài)設(shè)

計、摩擦學(xué)設(shè)計、機械設(shè)計的工藝基礎(chǔ)、控制理論、智能工程、人工神經(jīng)元計算

方法、專家系統(tǒng)等。

(4)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計施工設(shè)計的主要步驟為:零件工作圖一部件裝配圖一技

術(shù)文件。產(chǎn)品造型設(shè)計施工設(shè)計的主要步驟為:外觀件加工工藝、畫飾工藝規(guī)程

一效果圖、檢驗標準—造型工藝文件。

進行產(chǎn)品施工設(shè)計的主要方法有:各種制造、裝配、造型、裝飾、檢驗等方

法。

2、利用形態(tài)學(xué)矩陣和評價方法,建立合理的煤礦主通風(fēng)機結(jié)構(gòu)設(shè)計方案,

并建立以費用為優(yōu)化目標,系統(tǒng)可靠度不低于99%的主通風(fēng)機結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化數(shù)

學(xué)模型?

答:研究對象為煤礦主通風(fēng)機

通風(fēng)機是采煤通風(fēng)系統(tǒng)中的重要設(shè)備。主扇用于全礦井或礦井某一翼的通

風(fēng),又叫主通風(fēng)機。輔扇是用于礦井通風(fēng)網(wǎng)路中分支風(fēng)路調(diào)節(jié)起風(fēng)量的,是協(xié)助

3

主通風(fēng)機工作的。局扇是用于礦井無貫穿風(fēng)流沒有打通的巷道的局部地點通風(fēng)。

礦用風(fēng)機在礦井通風(fēng)中的功能包括,可以將足夠的新鮮空氣有效地送到井下工作

場所,保證生產(chǎn)和良好的勞動條件;保證風(fēng)流穩(wěn)定,易于管理并具有抗災(zāi)能力;

具有反轉(zhuǎn)功能,在發(fā)生事故時,可由抽風(fēng)改為送風(fēng),風(fēng)流易于控制,人員便于撤

出;可與環(huán)境及安全監(jiān)測系統(tǒng)或檢測措施相連接,實現(xiàn)自動控制等。

礦井主通風(fēng)機的形態(tài)學(xué)矩陣

部解

1234

功能

工作方法抽出式壓入式混合式

動力源電動機氣動馬達液動機

風(fēng)機葉片單板型葉片機翼型葉片圓弧葉片圓弧窄葉片

防爆技術(shù)隔爆型澆封型氣密型無火花型

系統(tǒng)解的可能方案數(shù)

N=3X3X4X4=144種

現(xiàn)列出其中兩種系統(tǒng)解為:

I:抽出式+電動機+單板型葉片+無火花型

II:壓入式+電動機+圓弧葉片+隔爆型

評價與決策

現(xiàn)采用簡單評價法。用“++”表示“很好”,用“+”表示“好”,用“

表示“不好”。其評價結(jié)構(gòu)表為

方案

I11

評價準則

成本低+十

便于制造+-

結(jié)構(gòu)簡單+-

操作方便-+

安全性能高+-

總計31

4

總計結(jié)果表明,方案I為較理想的方案。

主通風(fēng)機結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化數(shù)學(xué)模型

1)確定設(shè)計變量

產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)完成規(guī)定功能的概率稱為可靠度???/p>

見,產(chǎn)品的可靠度是時間,的函數(shù),因此,以時間f作為設(shè)計變量對產(chǎn)品進行可

靠度優(yōu)化設(shè)計。

2)目標函數(shù)

以費用為目標函數(shù)。通風(fēng)機的費用應(yīng)該包括了購置的費用W、保養(yǎng)的費用X

和維修的費用丫。其中,購置的費用為一定值,而隨著通風(fēng)機的老化,保養(yǎng)費用

和維修費用會逐漸增加。所以,保養(yǎng)費用X和維修費用y也是關(guān)于時間的隱式函

數(shù)。記保養(yǎng)費用關(guān)于時間t的函數(shù)關(guān)系式為x=M。,記維修費用關(guān)于時間,的函

數(shù)關(guān)系式為y=y〃)。則通風(fēng)機在其全壽命過程中的費用/⑺為:

/(/)=w+M,)+M)

3)約束條件

由可靠性設(shè)計知識可知,產(chǎn)品失效率定義為:產(chǎn)品工作/時刻尚未失效的產(chǎn)

品,在該時刻f以后的下一個單位時間內(nèi)發(fā)生失效的概率。它是時間f的函數(shù),

又稱為失效率函數(shù),用4(。表示。

()一燃…肚

式中,N為開始時投入主通風(fēng)機試驗產(chǎn)品的總數(shù);〃(。為f時刻主通風(fēng)機的

失效數(shù);〃為7+4時刻產(chǎn)品的失效數(shù);4為時間間隔。

根據(jù)失效率犯)的定義,可得

[N-)]zlfN-n{t}AtN-n(z)dt

對上式分子分母各乘以N,得

如一」.幽

,⑴一欣)dt

5

式中,R(r)為產(chǎn)品的可靠度,且Rf)=踐二地。

N

對上式從0至卜積分,則得到

t

j=-In/?(r)

o

于是得

I

-口⑺加

R(t)=e0

于是,系統(tǒng)可靠度不低于99%的主通風(fēng)機結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化數(shù)學(xué)模型為:

Findt

<min/(r)=W+x(/)+y(f)

s.t.0.99>0

3、詳細闡述利用有限元法及軟件進行采煤機截齒結(jié)構(gòu)強度和剛度安全性

分析的過程?

答:采煤機截齒結(jié)構(gòu)如圖1所示

圖一:米煤機截齒結(jié)構(gòu)圖

采用有限元進行采煤機截齒結(jié)構(gòu)強度和剛度安全性分析的步驟大致可以分

為三步(采用的有限元軟件為ANSYS):

第一步:建立有限元模型:建立有限元模型的步驟可以分為以下幾個流程

1)指定工作文件名和標題名:在建立工作文件名和標題之前,首先應(yīng)修改

工作路徑,將所要進行的有限元分析保存在某一特定路徑的文件夾中,以便查看

和編輯所做的分析。工作文件名的建立是在進入前處理器之前完成的,工作文件

名也就是ANSYS為存儲在工作空間中的文件取得名字。標題名最直觀的作用是

6

用簡潔的英文語句標示當前分析的某種信息,如分析對象、分析工況、分析性質(zhì)

等。

2)定義單元類型:ANSYS提供了上百種不同的單元,為了方便用戶正確識

別這些單元,ANSYS建立了針對不同問題的單元類型,并根據(jù)單元類型的特點

為每個單元命名。單元命名格式為(單元類型前綴名+數(shù)字編號),其中的數(shù)字

編號在ANSYS中是沒有重復(fù)的。

定義單元類型的方法為,[mainmenu](主菜單)―【preprocessor](前

處理器)一[element](單元類型)-【add](增加)一[edit](編輯)一

[delete](刪除),在彈出(elementtypes](單元定義)對話框后,在彈出的

對話框中選擇需要的單元類型。

3)定義材料屬性:ANSYS中的所有分析都需要輸入材料屬性。輸入采煤機

截齒的彈性模量和泊松比等。具體方法為:單擊【mainmenu](主菜單)一

[preprocessor](前處理器)一【materialProps](材料屬性)一【materialmodels]

(材料模型),彈出[definematerialmodelbehavior](定義材料模型)對話框

后,單擊右側(cè)列表框中的結(jié)構(gòu)模型[structure】(結(jié)構(gòu))—[linear](線性)一

[elastic](彈性)-[Isotropic](各向同性),表明要定義的材料是各向同性

線彈性材料。

4)創(chuàng)建有限元模型:

ANSYS提供了兩種方法來構(gòu)建有限元模型,一種是首先創(chuàng)建或?qū)雽嶓w模

型,然后對實體模型進行網(wǎng)格劃分,以生成有限元模型;另一種是直接利用單元

和節(jié)點生成有限元模型,但是第二種方法非常困難,因此,在實際中不實用也不

常用。本例中采用第一種方法建立采煤機截齒的有限元模型。首先在SolidWorks

軟件中畫出截齒的三維實體模型,然后將其導(dǎo)入ANSYS中并對實體模型進行網(wǎng)

格劃分。

建立采煤機截齒的有限元模型如圖2:

7

152

80

圖2:采煤機截齒有限元分析模型

第二步:加載和求解:

1)定義分析類型和設(shè)置分析選項:

ANSYS可以求解7種不同類型的分析,分別是靜態(tài)分析,瞬態(tài)分析、諧振

分析、模態(tài)分析、頻譜分析、屈曲分析和子結(jié)構(gòu)分析。定義分析選項的方法為:

[mainmenu](主菜單)—>[solution](求解器)—>[analysis](分析類型)

—?[newsanalysis](新的分析)。

2)施加載荷:

按照模型受載荷的方式對進行網(wǎng)格劃分后的實體模型進行加載。

3)設(shè)置載荷步選項:

確定載荷子步的個數(shù),可以指定最大和最小載荷子步數(shù)或者最長和最短時間步數(shù),

對該選項進行控制。

4)求解:

選擇合適的求解方法:【mainmenu](主菜單)―【solution](求解器)

—*[analysistype](分析類型)一■【sol'ncontrols】(求解控制),彈出【solution

controls]對話框后選擇合適的求解方法即可。

選擇好求解器后可進行求解,方法為:[mainmenu】(主菜單)一【solution】

(求解器)-[solve](求解)t[currentLs](當前載荷步)。

第三步:結(jié)果后處理和結(jié)果查看:

有限元完成計算后,需要查看分析結(jié)果。分析結(jié)果的查看通過后處理來完成。

所謂后處理器,就是觀察和分析有限元的計算結(jié)果,并從結(jié)果中判定計算是否正

確。ANSYS后處理器包括兩個模塊,通用后處理器POST1和時間歷程后處理器

POST2o

進入通用后處理器的方法為:[mainmenu](主菜單)一【generalpostproc】

8

(通用后處理器)。

進入時間歷程后處理器的方法為:[mainmenu](主菜單)—>[timehist

postproc](時間歷程后處理器)。

4、選擇某傳動齒輪軸,詳細闡述進行該傳動齒輪軸機械強度可靠性設(shè)計過

程(分別按照靜強度、疲勞強度進行計算過程闡述)?

靜強度可靠性設(shè)計

可靠性設(shè)計的基本出發(fā)點是零件材料的極限應(yīng)力S.服從于概率密度函數(shù)

的隨機變量,而作用于零件危險截面上的工作應(yīng)力L服從與概率密度函數(shù)

的隨機變量。并用強度-應(yīng)力干涉理論計算出零件的可靠度或設(shè)計出在規(guī)定可靠

度下零件的基本尺寸。

用#5)和分別表示齒輪軸的強度和應(yīng)力的概率密度函數(shù)。定義可靠度為

H=P(S>L)=P[(S-L)>O]

由應(yīng)力-強度干涉模型可得強度小于應(yīng)力的概率為

尸(5<"=1/(5卜5

0

強度和應(yīng)力均為獨立的隨即變量。因此失效概率為

則齒輪軸的可靠度為

R=1—E=1—/『于⑸dSgdL=『『小如拿比

經(jīng)過大量的試驗分析,齒輪軸的強度和應(yīng)力的概率密度函數(shù)服從于正態(tài)分

布,即

/(S)=-U=exp,g(D=-

根據(jù)齒輪軸強度可靠度的定義R=M(S-L)>0],令t=5—L,由于S和L

均是隨即變量,所以t也是隨機變量并服從于正態(tài)分布。其概率密度函數(shù)用

來表示,所以

9

根據(jù)隨機變量正太分布的運算法則

2=向+或,%=Ms+4

所以,齒輪軸強度的可靠性為

R=P[(S-L)>O]=『G(fW=『

[--

令2=則上式為火二-^JLe2以。

也乃R

_1+0CZ

令ZR=勺,則齒輪軸的強度可靠度計算式為火=」[。

舊+或.兀Z,

ZR=:稱為強度應(yīng)力耦合方程。在工程設(shè)計中,由于荷載和應(yīng)力的

現(xiàn)行設(shè)計方法具有一定的誤差,同時考慮零件的重要程度,實際計算時往往引入

強度儲備系數(shù)N(N>1),所以上式為4=華;

Ws+%

只要計算出強度和應(yīng)力的均值和方差,即可用耦合方程計算出齒輪軸的可靠

度。同樣可以設(shè)計出在規(guī)定可靠度下的軸的幾何尺寸。

疲勞強度可靠性設(shè)計

在常規(guī)疲勞強度設(shè)計中,所用的疲勞極限線圖是用各種應(yīng)力比下的均值畫出

的,是一條曲線。而在可靠性設(shè)計中,疲勞極限線圖是一條曲線分部帶。

疲勞極限的平均值為:

—/——2——2

1=44+am

疲勞極限的標準離差X為:

(-----22-----2、%

4%+4%2

——2——2

G+5〃

應(yīng)力幅的標準離差與為(r為常數(shù)):

10

1-r

L=三%

平均應(yīng)力的標準離差s,“為(「為常數(shù)):

1+r

邑"=

其中成為應(yīng)力幅的平均值,"=”廣;點為平均應(yīng)力的平均值,

且王=bmax+6,,m;5為材料的疲勞極限應(yīng)力。

2

零件的疲勞極限

材料的疲勞極限(K,sJ用標準試樣試驗測得,零件的疲勞極限由材料的疲

勞極限考慮各影響因素求得,即:

(心,)=鏟4)

式中,做』為尺寸系數(shù)的分布,伉”)為表面加工系數(shù)的分布,伍為

有效應(yīng)力集中系數(shù)的分布已知后,即可求得零件的疲勞極限分布。

可靠性計算

按應(yīng)力-強度干涉模型分別求得應(yīng)力與強度的均值與標準離差計算聯(lián)結(jié)系數(shù)

Z(或可靠度系數(shù)),由正態(tài)分布表查得可靠度R,比較設(shè)計條件是否滿足要求。

Xs-X,

式中,京表示強度均值,"表示應(yīng)力均值;4表示強度標準離差,外表示

應(yīng)力標準離差。

5、選擇某種機械產(chǎn)品,詳細闡述并行設(shè)計、造型設(shè)計、綠色設(shè)計、計算機

輔助設(shè)計法如何在該機械產(chǎn)品設(shè)計中進行應(yīng)用?

答:

一、并行設(shè)計在汽車發(fā)動機活塞設(shè)計中的應(yīng)用

并行模式設(shè)計是將系統(tǒng)理論作為指導(dǎo)思想,并行模式設(shè)計既把握住系統(tǒng)的外

部聯(lián)系,也沒有忽視系統(tǒng)的內(nèi)部聯(lián)系,突破了以環(huán)節(jié)之間通過外延聯(lián)系構(gòu)成過程

11

系統(tǒng)的片面性和表面性,彌補了串行模式系統(tǒng)設(shè)計的不足,形成了明顯優(yōu)越的并

行系統(tǒng)關(guān)聯(lián)方式。并行設(shè)計過程簡圖為

并行設(shè)計作為一種系統(tǒng)性的先進過程模式,得到愈來越多重視,并且在產(chǎn)品

研發(fā)過程中得到了普遍應(yīng)用,其在產(chǎn)品設(shè)計與產(chǎn)品制造中的科學(xué)作用日益凸顯。

對于過程模式設(shè)計的研究,目前最活躍的依然是并行工程。正因并行設(shè)計的一系

列點,所以應(yīng)該把該設(shè)計理念貫徹到本機的設(shè)計工作中來。在選定了清洗劑之后,

清洗工藝流程與清洗裝置也很大程度上取決于清洗劑的理化特性,進而也會影響

清洗裝置的設(shè)計。

二、造型設(shè)計在微型電動汽車汽車車身設(shè)計中的應(yīng)用

1)前臉造型設(shè)計前臉造型設(shè)計:

在微型電動汽車車身造型風(fēng)格中扮演著重要的角色,汽車作為人們情感載

體,是設(shè)計師通過人或動物的情感賦予前臉造型變化。微型電動電動汽車前臉造

型時可從下兩點出發(fā):(1)前臉線條形態(tài)與整車造型風(fēng)格統(tǒng)一;(2)前臉造型

擬人化,線條多采用曲線與幾何元素。

2)側(cè)圍造型設(shè)計

側(cè)圍造型設(shè)計在整車設(shè)計中尤為重要,其造型線最能體現(xiàn)整車風(fēng)格特征與體

12

量感,側(cè)圍與前臉、頂棚、后圍共同引導(dǎo)整車的造型風(fēng)格。電動汽車的側(cè)圍造型

設(shè)計,在空氣動力學(xué)基礎(chǔ)上,保證各個曲面與形體之間的過渡變化。微型電動汽

車的側(cè)圍造型設(shè)計可從下兩點表現(xiàn):(1)側(cè)圍輪廓線要貫穿于前臉及后尾,保

持車身整體性與流暢性;(2)側(cè)圍各線條表達動感,保持腰線有向上前進趨勢,

也符合快節(jié)奏的生活方式。

3)車燈造型設(shè)計

車燈作為電動汽車造型設(shè)計最直觀的設(shè)計元素,最能體現(xiàn)“電動”特性,車

燈設(shè)計的好壞會影響前臉設(shè)計風(fēng)格與表情元素。對微型電動汽車車燈設(shè)計應(yīng)體現(xiàn)

在以下兩點:(1)利用新技術(shù),充分展現(xiàn)其電動特性,如車燈使用LED燈或顯

示屏;(2)車燈造型應(yīng)通過圓形、曲線、折線等造型元素傳達情感。例如奔馳

SUV電動汽車車燈造型設(shè)計凸顯“電動”特性,前“進氣格柵”與車燈融為一

個“T”字形區(qū)域,“格柵”由藍色LED光源模擬而成,尾部車燈與車頭呼應(yīng),

科技感十足。

4)車門造型設(shè)計

車門造型設(shè)計在微型電動汽車設(shè)計中發(fā)揮著重要力量,車口的大小、打開方

式、形狀等影響到車的使用功能及空間,而且還對整車的造型風(fēng)格和特征起到?jīng)Q

策性作用。微型電動汽車車口造型設(shè)計的方法;(1)考慮與整車造型風(fēng)格的協(xié)

調(diào)統(tǒng)一;(2)采用多種車口打開方式,取消B柱,增加車內(nèi)空間的使用。

綜上所述,微型電動汽車車身造型設(shè)計分別可W從車前臉、車燈等主要輪廓

線設(shè)計,車燈造型主要表現(xiàn)在照明方式上,W彰顯微型電動汽車“電”的特性。

此外,車口造型W及打開方式變化來增大車內(nèi)空間使用。

三、綠色設(shè)計在汽車設(shè)計中的應(yīng)用

綠色汽車設(shè)計要求汽車適應(yīng)社會環(huán)境的發(fā)展。除了創(chuàng)制以外還需要給創(chuàng)制的

汽車產(chǎn)品進行定位,設(shè)計師作為連接汽車與消費者的橋梁,必須對設(shè)計出來的汽

車負責(zé)。傳統(tǒng)產(chǎn)品的生命周期從生產(chǎn)制造至投入使用的每個階段,即''搖籃至墳

墓”的單一一個過程,而綠色汽車賦予了產(chǎn)品生命周期的延伸性,從汽車設(shè)計的

概念產(chǎn)生、材料選擇、生產(chǎn)制造、再到上路行駛,甚至最后汽車報廢的回收處理

的各個階段,都包含在設(shè)計師的考慮范圍內(nèi)。在具體的設(shè)計過程中,綠色設(shè)計既

要考慮人與自然和諧共存的價值觀,又要達成環(huán)保的技術(shù)要求,可以說是設(shè)計師

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設(shè)計技巧的天才發(fā)揮。

作為全球最大的汽車消費市場和最大的汽車制造國,中國品牌的綠色汽車發(fā)

展對于全球汽車都有很大的影響。比亞迪F3DM雙模電動車采用混合動力系統(tǒng)

和電動車系統(tǒng),實現(xiàn)了既可加油、又可充電的多種能量補充方式。該車在純電動

模式下長距離行駛百公里僅耗電十六千瓦。家用電源即可為期進行充電,7h完

成充電。在充滿電和油的情況下,可以持續(xù)行駛580公里。

長城汽車中作為綠色汽車的主推產(chǎn)品長城歐拉(Kulla)電動車兼具純電動

汽車的零污染優(yōu)勢和混合動力汽車方便優(yōu)勢,還具

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