季鑫,童欣
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雙參數(shù)組合型自動(dòng)變速器換檔規(guī)律的仿真分析
[摘要]采用了特點(diǎn)鮮明的雙參數(shù)(車(chē)速和節(jié)氣門(mén)位置)組合型自動(dòng)換擋方法對(duì)自動(dòng)變速器換檔規(guī)律進(jìn)行設(shè)計(jì);分析了影響變速器換檔特性的相關(guān)部件(包括發(fā)動(dòng)機(jī),自動(dòng)變速器)的特性;利用Simulink軟件建立各個(gè)部件的動(dòng)力學(xué)仿真模型,利用Stateflow建立雙參數(shù)組合型動(dòng)態(tài)換檔規(guī)律的仿真控制模型;最后,采用汽車(chē)急加速工況對(duì)制定的自動(dòng)換檔規(guī)律進(jìn)行了詳細(xì)的仿真分析。仿真結(jié)果表明,制定的換檔規(guī)律能使汽車(chē)獲得較好的動(dòng)力性,符合汽車(chē)實(shí)際行駛要求,是切實(shí)可行的。
[關(guān)鍵詞]自動(dòng)變速器;雙參數(shù)組合型換檔規(guī)律;汽車(chē)動(dòng)力性
目前,由于自動(dòng)變速器核心技術(shù)的缺失,我國(guó)乘用車(chē)78%的自動(dòng)變速器都是從國(guó)外公司進(jìn)口。近年來(lái),雖然國(guó)內(nèi)相關(guān)產(chǎn)、學(xué)、研機(jī)構(gòu)在自動(dòng)變速器研發(fā)方面取得了豐碩的成果,但同國(guó)外汽車(chē)工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家相比仍有很大差距。統(tǒng)計(jì)資料[1]表明手動(dòng)變速器的市場(chǎng)份額逐年降低,自動(dòng)變速器的市場(chǎng)份額逐年上升。在4種自動(dòng)變速器(液力機(jī)械式自動(dòng)變速器AT、雙離合器自動(dòng)變速器DCT、無(wú)級(jí)變速器CVT和電控機(jī)械式自動(dòng)變速器AMT)中,AT所占市場(chǎng)份額是最大的,對(duì)AT核心技術(shù)進(jìn)行研究,掌握先進(jìn)的自動(dòng)變速控制技術(shù),就能增強(qiáng)技術(shù)開(kāi)發(fā)能力,提高國(guó)產(chǎn)自動(dòng)變速器的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。自動(dòng)變速器的動(dòng)態(tài)換檔規(guī)律是其最重要的控制技術(shù)之一,被視為自動(dòng)變速器綜合控制技術(shù)得以應(yīng)用的關(guān)鍵。換擋規(guī)律的好壞直接影響汽車(chē)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性,因此,研究自動(dòng)換檔規(guī)律對(duì)于自動(dòng)變速器的研發(fā)顯得至關(guān)重要。
換檔規(guī)律根據(jù)選檔控制參數(shù)通過(guò)邏輯判斷得到當(dāng)前最佳檔位狀態(tài),從而提升汽車(chē)的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性。選檔控制參數(shù)有單參數(shù)、雙參數(shù)等。單參數(shù)換檔規(guī)律只以車(chē)速為控制參數(shù),不論油門(mén)開(kāi)度如何變化,換檔點(diǎn)和換檔延遲的大小都不改變,控制策略簡(jiǎn)單,換檔舒適穩(wěn)定,但難于兼顧動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的要求。雙參數(shù)換檔規(guī)律的控制參數(shù)有車(chē)速與節(jié)氣門(mén)開(kāi)度(常用)、液力變矩器泵輪轉(zhuǎn)速與渦輪轉(zhuǎn)速、車(chē)速與發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管真空度等類型。從換檔延遲角度來(lái)看,雙參數(shù)換檔規(guī)律又分為等延遲型(降檔延遲的大小不隨油門(mén)變化,對(duì)整體動(dòng)力性有很大的提升)、發(fā)散型(降檔延遲隨油門(mén)開(kāi)度增大而增大)、收斂型(降檔延遲隨油門(mén)開(kāi)度增大而減小,增大油門(mén)時(shí),降檔速差小,所以升降檔都有好的功率利用,動(dòng)力性好。減小油門(mén)時(shí),延遲增大,避免過(guò)多的換檔,且發(fā)動(dòng)機(jī)可以在較低轉(zhuǎn)速工作,燃油經(jīng)濟(jì)性好,噪聲低,行駛平穩(wěn)舒適)、組合型(2段或多段不同類型的變化規(guī)律組合而成,以實(shí)現(xiàn)不同油門(mén)下獲得不同的性能)4種[2]。
下面,筆者綜合各換擋參數(shù)模式的優(yōu)點(diǎn),對(duì)自動(dòng)變速器的動(dòng)態(tài)換檔規(guī)律進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)采用常用的雙參數(shù)(車(chē)速和節(jié)氣門(mén)位置)的組合型自動(dòng)換檔方法,以解決單參數(shù)換擋規(guī)律動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性不匹配的問(wèn)題,保證了汽車(chē)在全工況運(yùn)行狀態(tài)下最佳的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。其設(shè)計(jì)依據(jù)和特點(diǎn)如下:在小節(jié)氣門(mén)開(kāi)度α<25%時(shí),以舒適、穩(wěn)定、少污染為主,采用單參數(shù)規(guī)律;在中節(jié)氣門(mén)開(kāi)度α介于5%~75%時(shí),以保證最佳燃料經(jīng)濟(jì)性為主,兼顧動(dòng)力性,采用收斂型;當(dāng)大節(jié)氣門(mén)開(kāi)度α>75%時(shí),則以獲得最佳動(dòng)力性為準(zhǔn),用等延遲型。
1變速器換檔特性相關(guān)部件的動(dòng)力學(xué)特性分析
圖1 汽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)模塊圖
裝有液力機(jī)械式自動(dòng)變速器的汽車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)
系統(tǒng)由發(fā)動(dòng)機(jī)、液力機(jī)械式自動(dòng)變速器(液力變矩器+行星齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)+液壓控制系統(tǒng))和整車(chē)動(dòng)力學(xué)模塊組成(見(jiàn)圖1)。
1.1發(fā)動(dòng)機(jī)
發(fā)動(dòng)機(jī)是整車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力源,其數(shù)學(xué)模型對(duì)其扭矩特性和負(fù)荷特性等特性的仿真精度將會(huì)影響整個(gè)仿真模型的準(zhǔn)確性。發(fā)動(dòng)機(jī)模型通常分為動(dòng)態(tài)模型和穩(wěn)態(tài)模型。動(dòng)態(tài)模型考慮了發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和節(jié)氣門(mén)位置等因素的影響,通過(guò)理論公式對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部工作過(guò)程進(jìn)行描述,計(jì)算模擬發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出數(shù)據(jù),能較為精確地表征發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性,更符合發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際工作過(guò)程,但其缺點(diǎn)是模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜,建模工作量大。后者則是指發(fā)動(dòng)機(jī)在保持水溫和機(jī)油溫度于規(guī)定值,并在各個(gè)轉(zhuǎn)速保持不變的穩(wěn)定工況下的輸出特性,是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)得來(lái),將試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理成表格形式,通過(guò)二維查表和數(shù)學(xué)插值的方法模擬發(fā)動(dòng)機(jī)的工作特性[3]。發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)模型簡(jiǎn)潔有效,而且可以保證足夠的使用精度。
采用發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)模型,由節(jié)氣門(mén)開(kāi)度α和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速ne(r/min)求出發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)輸出轉(zhuǎn)矩Te:
Te=f(α,ne)
(1)
(2)
式中,Iei為發(fā)動(dòng)機(jī)和變矩器泵輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,kg/m2;Te為發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)輸出轉(zhuǎn)矩,N/m;Ti為變矩器泵輪的轉(zhuǎn)矩,N/m。
1.2變速器
液力變矩器是液力機(jī)械式自動(dòng)變速器最重要的組成部件之一,是一種以液體為工作介質(zhì)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換和動(dòng)力傳遞的非剛性傳動(dòng)裝置。液力變矩器由泵輪、渦輪和導(dǎo)輪組成,泵輪與發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸相連,渦輪與變速器輸入軸相連[4]。泵輪將發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的動(dòng)能傳遞給工作油,工作油在循環(huán)流動(dòng)過(guò)程中通過(guò)泵輪葉片、渦輪葉片以及導(dǎo)輪之間的相互作用又將動(dòng)能傳遞給渦輪,并通過(guò)渦輪軸進(jìn)行動(dòng)力輸出。
液力變矩器的動(dòng)力學(xué)特性方程為:
Ti=(ne/K)2
(3)
K=f2(nin/ne)
(4)
Tin=RTQTi
(5)
RTQ=f3(nin/ne)
(6)
式中,變矩器系數(shù)K等于渦輪轉(zhuǎn)速與泵輪轉(zhuǎn)速之比(即速比)的函數(shù)(插值表), nin為渦輪轉(zhuǎn)速,r/min;Tin為變矩器渦輪轉(zhuǎn)矩,N/m;RTQ為變矩比等于速比的函數(shù)(插值表)。
變速器轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的輸入和輸出關(guān)系式為:
Tout=igTin
(7)
nin=ignout
(8)
式中,Tin、Tout為變速器輸入、輸出轉(zhuǎn)矩,N/m;nin、nout為變速器輸入、輸出轉(zhuǎn)速,r/min;ig為變速器傳動(dòng)比。
采用4檔變速器,其各檔傳動(dòng)比如表1所示。
1.3汽車(chē)整車(chē)動(dòng)力學(xué)特性分析
根據(jù)汽車(chē)?yán)碚揫5]可知,汽車(chē)行駛方程式為:
Ft=Ff+Fw+Fi+Fj
(9)
式中,F(xiàn)t為汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)力,N;Ff為汽車(chē)的滾動(dòng)阻力,N;Fw為汽車(chē)的空氣阻力,N;Fi為汽車(chē)的坡度阻力,N;Fj為汽車(chē)的加速阻力,N。
為了簡(jiǎn)化便于分析,不考慮路面坡度,即Fi=0,則式(9)可簡(jiǎn)化為:
Ft=Ff+Fw+Fj
(10)
其中:
(11)
Ff=fG=fmg
(12)
(13)
(14)
δ主要與飛輪的旋轉(zhuǎn)質(zhì)量∑Iw、車(chē)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量If以及傳動(dòng)比ig、i0有關(guān):
(15)
在進(jìn)行汽車(chē)動(dòng)力性初步計(jì)算時(shí),可以借助經(jīng)驗(yàn)公式估算其值:
(16)
其中, δ1≈δ2;δ2取值0.03~0.05。
2變速器換擋相關(guān)部件的仿真建模
使用Matlab軟件中的Simulink/Stateflow工具對(duì)自動(dòng)變速器建立仿真分析建模:利用Simulink工具,根據(jù)動(dòng)力學(xué)公式,建立發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器和整車(chē)動(dòng)力學(xué)部分模型;利用Stateflow工具,根據(jù)所設(shè)計(jì)的自動(dòng)變速器動(dòng)態(tài)換檔圖,建立自動(dòng)變速器的換檔邏輯仿真模型。
2.1發(fā)動(dòng)機(jī)模型
首先根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),利用Simulink中的二維插值表(見(jiàn)圖2),建立發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)輸出扭矩的模型,進(jìn)而可以得到發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩map圖(見(jiàn)圖3)。
圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)據(jù)
圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩map圖
再結(jié)合式(2)建立整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的模型(見(jiàn)圖4),由發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速和節(jié)氣門(mén)位置通過(guò)插值表可以得到發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)輸出扭矩,由式(2)計(jì)算得出發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速,由此發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制在節(jié)氣門(mén)位置下構(gòu)成了一個(gè)閉環(huán)回路。
2.2自動(dòng)變速器模型
建立變速器的動(dòng)態(tài)仿真模型,其目的是驗(yàn)證換檔規(guī)律對(duì)汽車(chē)動(dòng)力性的影響,在建模過(guò)程中可以忽略變速器的機(jī)械特性,只對(duì)其機(jī)械損失加以考慮。變速器由變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和變速操縱機(jī)構(gòu)2部分組成。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的數(shù)值和方向的改變主要靠變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)完成;變速操縱機(jī)構(gòu)主要是用于控制傳動(dòng)機(jī)構(gòu),變換變速器傳動(dòng)比,實(shí)現(xiàn)換檔操作[6]。
根據(jù)式(3)~式(6)可以建立液力變矩器的仿真模型圖(見(jiàn)圖5),查表可得此時(shí)刻液力變矩器的K系數(shù)和扭矩比,關(guān)系走勢(shì)圖已在框中標(biāo)出,由泵輪轉(zhuǎn)矩按公式得出渦輪轉(zhuǎn)矩。
圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)模型圖
圖5 液力變矩器模型圖
根據(jù)式(7)、式(8)和表1建立變速器傳動(dòng)比部分的仿真模型(見(jiàn)圖6),可以得到整個(gè)變速器的仿真模型(見(jiàn)圖7)。
2.3整車(chē)動(dòng)力學(xué)模型
汽車(chē)在行駛過(guò)程中面臨著各種復(fù)雜的工況環(huán)境,要得到實(shí)時(shí)精確的汽車(chē)動(dòng)力學(xué)仿真模型是十分困難的。重點(diǎn)研究汽車(chē)換檔規(guī)律的仿真評(píng)價(jià),在滿足仿真要求的前提下,建立汽車(chē)整車(chē)動(dòng)力學(xué)模型過(guò)程中可以進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化。根據(jù)式(9)~式(16)可以建立整車(chē)動(dòng)力學(xué)的仿真模型,如圖8所示。車(chē)速是由發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)變速器輸出的驅(qū)動(dòng)力在克服汽車(chē)行駛阻力(如滾動(dòng)阻力,加速阻力等)條件下獲得的,在汽車(chē)加速時(shí),相應(yīng)的加速度會(huì)產(chǎn)生不同的加速助力,不同的變速器傳動(dòng)比會(huì)帶來(lái)與之相對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速。
圖6 變速器傳動(dòng)比模型圖 圖7 變速器模型圖
圖8 整車(chē)動(dòng)力學(xué)模型圖
2.4換擋控制邏輯模型
圖9 自動(dòng)換檔控制方框圖
所設(shè)計(jì)的雙參數(shù)(車(chē)速和節(jié)氣門(mén)位置)組合型自動(dòng)換檔控制方框圖如圖9所示。由節(jié)氣門(mén)位置依據(jù)所設(shè)計(jì)的方案,選擇相對(duì)應(yīng)的自動(dòng)換檔參數(shù)模式,由汽車(chē)當(dāng)前車(chē)速和駕駛員通過(guò)踩下或松開(kāi)油門(mén)踏板對(duì)節(jié)氣門(mén)位置開(kāi)度大小、開(kāi)啟或關(guān)閉快慢的控制,自動(dòng)選擇升降檔情況(通過(guò)控制換檔電磁閥來(lái)實(shí)現(xiàn)的)。
所設(shè)計(jì)的變速器換檔點(diǎn)(具體根據(jù)不同的節(jié)氣門(mén)開(kāi)度選擇不同的自動(dòng)換檔規(guī)律、模式)控制圖如圖10所示。
圖10 雙參數(shù)組合型自動(dòng)換檔控制圖
換檔控制邏輯模塊的主要作用在于它可以通過(guò)汽車(chē)當(dāng)前車(chē)速與節(jié)氣門(mén)開(kāi)度得出汽車(chē)應(yīng)進(jìn)行的行駛操作(升檔、降檔或保持不變)。根據(jù)雙參數(shù)組合型自動(dòng)換檔控制圖,采用Simulink下的Stateflow工具進(jìn)行換檔邏輯的仿真,換檔控制邏輯模型圖如圖11所示。
自動(dòng)變速器動(dòng)態(tài)換檔規(guī)律的總體仿真模型如圖12所示。
3仿真結(jié)果分析
建好自動(dòng)變速器動(dòng)態(tài)換檔規(guī)律的仿真模型之后,就要向模型輸入仿真的參數(shù),使用Matlab的mat文件編寫(xiě)模型的輸入?yún)?shù)。為驗(yàn)證制定的自動(dòng)換檔規(guī)律對(duì)汽車(chē)動(dòng)力性的影響,可以對(duì)汽車(chē)采用急加速的行駛工況進(jìn)行仿真分析。
圖11 換檔控制邏輯模型圖
圖12 自動(dòng)變速器動(dòng)態(tài)換檔規(guī)律的總體仿真模型圖
圖13 急加速工況下車(chē)速和節(jié)氣門(mén)位置變化曲線圖
在急加速工況下,車(chē)速和節(jié)氣門(mén)位置變化曲線圖如圖13所示,可以看出,汽車(chē)急加速時(shí)節(jié)氣門(mén)開(kāi)度突然增大,節(jié)氣門(mén)開(kāi)度在0到15s內(nèi)由60%逐漸降至20%,在15s時(shí)直接增至100%后逐漸降低,仿真汽車(chē)起步加速15s后急加速行駛。當(dāng)節(jié)氣門(mén)開(kāi)度在15s 突然增大時(shí),車(chē)速也隨之突然增大,速度變化曲線接近于二次曲線,符合汽車(chē)在急加速行駛工況下的實(shí)際行駛要求。
圖14為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和變速器檔位變化曲線圖,圖15顯示了當(dāng)前時(shí)刻的檔位。當(dāng)t=0s,節(jié)氣門(mén)處于60%的位置時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升的速度比車(chē)速上升的速度大很多。這會(huì)導(dǎo)致變矩器中K系數(shù)較小,扭矩比較大。此后,汽車(chē)快速加速(此模型中不考慮輪胎滑移現(xiàn)象),發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和車(chē)速都會(huì)快速增大。當(dāng)t=7s時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速迅速下降,變速器由1檔升為2檔。當(dāng)t=15s時(shí),節(jié)氣門(mén)開(kāi)度突然增大到100%,發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速又突然增加到最大值,變速器由2檔降為1檔。當(dāng)t=25s時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速迅速下降,變速器由1檔升為2檔。當(dāng)t=36s時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速迅速下降,變速器由2檔升為3檔。當(dāng)t=47s時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速迅速下降,變速器由3檔升為4檔。2檔升為3檔和3檔升為4檔分別發(fā)生在36s和47s左右,此時(shí)車(chē)速變化比較光滑,這是因?yàn)槠?chē)存在較大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的原因。所以,制定的換檔規(guī)律能使汽車(chē)獲得較好的動(dòng)力性,符合汽車(chē)實(shí)際行駛要求,是切實(shí)可用的。
圖14 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和變速器檔位變化曲線圖 圖15 變速器檔位圖
4結(jié)論
1)介紹了自動(dòng)變速器換檔規(guī)律獲得途徑,在分析了自動(dòng)變速器換檔規(guī)律的選檔控制參數(shù)、各種模式條件下,通過(guò)對(duì)4種換檔規(guī)律的綜合比較,設(shè)計(jì)了雙參數(shù)(車(chē)速和節(jié)氣門(mén)位置)組合型自動(dòng)換擋方法,提出了其設(shè)計(jì)依據(jù)、特點(diǎn)。
2)分析了影響變速器換檔特性的相關(guān)部件(包括發(fā)動(dòng)機(jī)、自動(dòng)變速器)的動(dòng)力傳遞路徑和動(dòng)力學(xué)特性方程;依據(jù)各部分動(dòng)力學(xué)特性方程和插值表利用Simulink軟件建立各個(gè)部件的動(dòng)力學(xué)仿真模型;制定了自動(dòng)換檔控制圖(節(jié)氣門(mén)位置、車(chē)速和升降檔曲線),利用Stateflow建立了雙參數(shù)(車(chē)速和節(jié)氣門(mén)位置)動(dòng)態(tài)換檔規(guī)律的仿真控制模型。
3)對(duì)汽車(chē)采用急加速的行駛工況進(jìn)行仿真分析,分析了急加速工況下節(jié)氣門(mén)位置、車(chē)速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和變速器檔位與時(shí)間的變化關(guān)系,驗(yàn)證了制定的自動(dòng)換檔規(guī)律滿足汽車(chē)動(dòng)力性的要求,并且證明了所建模型的正確性,可為自動(dòng)變速器的自動(dòng)換檔控制規(guī)律提供一定的理論基礎(chǔ)。
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[編輯]辛長(zhǎng)靜
[引著格式]季鑫,童欣.雙參數(shù)組合型自動(dòng)變速器換檔規(guī)律的仿真分析[J].長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)報(bào)(自科版),2015,12(34):19~26.
[中圖分類號(hào)]U463.2
[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A
[文章編號(hào)]1673-1409(2015)34-0019-08
[作者簡(jiǎn)介]季鑫(1993-),男,碩士生,現(xiàn)主要從事汽車(chē)動(dòng)力學(xué)、汽車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)及電子駐車(chē)制動(dòng)方面的研究工作;E-mail :934989575@qq.com。
[基金項(xiàng)目]湖北省校企科研合作基金項(xiàng)目 (611307931)。
[收稿日期]2015-09-16