高层客货两用电梯的设计必须兼顾实际荷载与标准假设,以避免不必要的材料浪费和成本增加。标准通常假设使用平衡重式叉车,但商业实践中往往使用较轻的设备,例如电动托盘搬运车,这会导致不同的门槛荷载和重心位置。对2,500公斤和5,000公斤轿厢的有限元分析表明,门槛和轿厢上部固定装置是受力最大的部件,EN 81-20 60%门槛荷载工况与轻型设备的荷载最为吻合,而重型单托盘的荷载可能超过这些假设值。正确规定最大单件重量和轴荷,并更新全球标准以适应常见的托盘和轻型搬运设备,将有助于减少高层应用中的过度设计并降低对环境的影响。
作者:Ville Josefsson 和 Jaakko Kalliomaki
本文在苏格兰爱丁堡举行的 2023 年国际电梯和自动扶梯研讨会上发表。
关键词: 高层电梯、装载、材料可持续利用、FEM
抽象
电梯通常分为乘客或货物用途,这决定了电梯的结构设计。在实践中,特别是在商业建筑中,货用乘客电梯既用于承载乘客又用于承载货物。重要的是要了解不同情况引起的载荷和应力,以设计优化但安全的结构,促进材料的可持续利用。这对于高层电梯尤其重要,因为高行程会增加尺寸过大的影响。
部件尺寸标注中使用的载荷工况基于电梯的使用类型和电梯标准要求。对于货用电梯,标准将叉车视为主要的负载搬运设备,尽管由于空间限制或建筑结构而常常不可行。相反,商业建筑中经常使用较轻的负载处理设备。实际使用与标准要求之间的差距可能会导致尺寸过大,并因材料使用过多而对环境产生不必要的高影响。
本文分析了负载对采用轻载搬运装置的电梯的影响。使用有限元法 (FEM) 在轿厢吊索系统模型上对电梯设计进行分析。该分析还涵盖了如何将负载定位在常用轿厢尺寸的电梯轿厢内。将结果与电梯标准的要求进行比较。
主要结果包括汽车吊索系统模型的组件级应力分布和位移结果,以及考虑常见汽车和负载尺寸的负载定位可能性。作为结论,本文在分析较轻载重设备的电梯装载场景的基础上,重点关注行程较大的电梯,提出了如何改进现行电梯标准。
1. 引言
高层建筑设计面临许多重大工程挑战,包括施工方法、结构设计和电梯系统设计。正确设计的电梯系统对于高层建筑至关重要,这就是高层电梯成为本文重点的原因。[1] 由于行程较高,可能的过度设计问题比行程较低的电梯更严重。例如,如果由于强度要求过高而增加了吊索和轿厢的重量,则可能会导致导轨更大。对于100m行程的电梯来说,与15m行程的低层电梯相比,这意味着成本和材料支出的增加要大得多。同样的原理适用于所有取决于行程高度的组件。此外,增加吊绳的重量可能会导致电机和驱动器尺寸的增加。因此,避免过度设计,尤其是高层电梯的过度设计,对于促进材料的可持续利用和保持适度的成本至关重要。
载货乘客电梯是一种主要用于运输货物、可载人的电梯。[2] 在考虑载货乘客电梯的装卸时,电梯标准通常将平衡重叉车视为负载搬运设备。这可能会造成电梯因电梯标准要求而过度设计的情况,电梯标准要求承担的负载比较轻的负载处理装置施加的负载高得多。实际上,由于可用空间、建筑结构或表面处理方面的限制,在酒店或办公室等商业高层建筑中,使用平衡重叉车作为负载搬运设备通常是不可行的。
由于使用可持续能源生产形式的压力越来越大,高层货物乘客电梯的一个特定应用领域出现了,这导致了新建海上风力发电厂数量的增加。 [3]海上风力发电厂需要高压船用电缆,这些电缆在高达 200 m 的塔中制造,需要电梯来运输生产材料和设备。
此前关于电梯装载的研究很少发表。由于对载货乘客电梯解决方案的需求不断增加,并且电梯标准缺乏对装载,特别是轻载搬运设备的考虑,因此本文中描述的挑战被视为一个有趣的研究点。
在本研究中,考虑了额定载荷为 2500 kg 和 5000 kg 的汽车吊索系统,进行了应力和变形有限元法 (FEM) 计算。装载场景包括使用电动托盘车装载和 EN 81-20 标准 60% 地台装载负载情况。从所选组件中观察到 Von Mises 应力分布。这可以粗略估计吊车系统中的应力水平,并可用于不同负载情况之间的比较。在高层电梯中,普遍采用隔离吊索平台。因此,将地板位移与整个吊索地板系统的位移进行比较是很有趣的。考虑到前面提到的额定负载的轿厢尺寸,对电梯轿厢内常用托盘的定位进行了研究,并将其与电梯标准要求进行比较,以了解实际使用与电梯标准假设之间的差距。
2. 标准概述
标准概述涵盖了 ASME A17.1 和 EN 81-20 标准中与电梯负载相关的详细信息,以及建筑标准 EN 1991-1-1 中的详细信息,该标准在某些情况下在确定强加负载时用作参考。负载处理装置。
ASME A17.1 根据所使用的负载和负载处理设备的类型确定了五种不同的负载等级。[4] 从五个不同的加载类中,本文讨论的有意义的类是A类、C1类和C2类。下面更详细地介绍这三个类。
A 类:一般货运装载。任何单件货物的重量或者货物与载重搬运装置的总重量不超过电梯额定载重量的25%。手动或通过手动装载装置在电梯轿厢平台上或从电梯轿厢平台上搬运负载。额定载荷按不小于240kg/m2的内净平台面积计算。
- C1类:工业卡车装载。凡装卸时静载荷不超过额定载荷。
- C2 类:工业卡车装载。装卸时允许静载荷超过额定载荷的地方。
- ASME A17.1 提供了计算规则,用于计算运输货物引起的转动力矩以及计算不同负载等级的底梁负载(图 1)。
EN 81-20 考虑了一些与电梯装载相关的方面,例如搬运设备的重量、装载和卸载期间的调平精度以及计算中使用的地坎载荷。总体而言,EN 81-20 很少考虑货物的装卸。 EN 81-20 假定客户和电梯供应商之间已经进行了谈判,并就电梯的预期用途达成了协议,如果是载货乘客电梯,还就负载处理设备的类型和质量达成了协议旨在用于装载和卸载。[2]
根据 EN 81-20,每个平台和轿厢入口均应有一个具有足够强度的门槛,以承受装卸货物时产生的载荷。为了定义门槛的强度,EN 81-20 根据电梯的用途定义了三种不同的力用作门槛负载。施加到地坎上的力的大小由以下等式表示,其中 Fs 是以 N 为单位的力,g 是以 m/s2 为单位的重力加速度,Q 是以公斤为单位的电梯额定负载。[2]
- 乘客电梯Fs=40%·g·Q
- 载货乘客电梯Fs=60%·g·Q
- 对于载货乘客电梯,如果设备的重量不包括在额定载荷中,则对于重型搬运设备,Fs=85%·g·Q。
在考虑电梯的装卸时,EN 1991-1-1 定义了叉车对建筑物施加的载荷的建议,该建议也适用于电梯。[5]
叉车根据净重、尺寸和起重载荷分为FL1至FL6六级。 FL 等级见表 1。
| 叉车类别 | 净重 [kN] | 起重载荷 [kN] | 轴宽 a [m] | 总宽度 b [米] | 总长度 b [米] |
| 佛罗里达州1的 | 21 | 10 | 0,85 | 1,00 | 2,60 |
| 佛罗里达州2的 | 31 | 15 | 0,95 | 1,10 | 3,00 |
| 佛罗里达州3的 | 44 | 25 | 1,00 | 1,20 | 3,30 |
| 佛罗里达州4的 | 66 | 40 | 1,20 | 1,40 | 4,00 |
| 佛罗里达州5的 | 90 | 60 | 1,50 | 1,90 | 4,60 |
| 佛罗里达州6的 | 110 | 80 | 1,80 | 2,30 | 5,10 |
表 1:1-6 级叉车[5]
三个审查标准——ASME A17.1、EN 81-20和EN 1991-1-1——主要包括平衡重叉车的指南,没有详细考虑不同的负载处理设备。对于装有手动负载搬运装置的载货乘客电梯,ASME A17.1指导使用A级负载,其中搬运装置和货物的总重量不得超过电梯额定负载的25%。这个 25% 的限制很容易被超越,特别是在电梯的额定负载较低的情况下。如果重量超过使用 C25 级负载的 ASME 标准导轨额定值的 1%。这就造成了这样一种情况:装载手动负载搬运装置的电梯需要根据工业叉车装载的 C1 级装载要求进行设计。负载等级 C1 还指导计算出的负载应施加到相距 765 毫米的两个相等部分,这是叉车的假设轮距宽度。通常,这种宽度的轮距对于手动托盘车来说太宽,而对于实际的叉车来说太窄。如果电梯的额定载重很大,A级提出的25%已经是一个相当大的重量了,采用A级可能会忽略一些相关的设计标准。
EN 81-20 提供了门槛负载计算指南,该指南也可以根据所使用的负载处理设备来解释为松散的。对于重型搬运装置,地坎载荷应按额定载荷的85%计算;对于标准载货乘客电梯,地坎载荷应按额定载荷的60%计算。当考虑使用手动操作、手动负载处理装置时,在基台负载计算中应遵循 60% 的基台负载。 EN 81-20 不考虑装载装置的轮距,但指导必须假设地坎上的垂直力集中作用在地坎上。[2] EN 81-20 中重载搬运设备的定义并不明确,这为什么是重载搬运设备和什么是轻载搬运设备留下了一些解释空间。此外,EN 81-20 指示仅当设备重量不包含在额定负载中时才使用 85% 的门槛负载。这完全忽略了电梯的 ASME A17.1 C1 类类型使用,即使 C1 由于其简单性通常是首选。
当考虑电梯轿厢中负载的定位时,也存在一些限制。 EN 81-20 规定,额定负载应均匀分布在处于最不利位置的轿厢的四分之三上。但对于不同的载荷分布,经与客户初步协商已商定条件,需根据这些条件进行额外计算,并考虑最坏情况。[2] 然而,实践经验表明,从客户那里获取这些数据很困难,使用预定义的载荷条件似乎效果更好,这通常意味着使用 ASME A17.1 作为参考。
ASME A17.1 假设集中载荷位于距轿厢中心 1/4 倍轿厢内部宽度的位置,但没有指定其他方向的载荷位置。该假设没有考虑电梯轿厢的实际尺寸或要运输的货物的类型。因此,研究常用的托盘尺寸有助于了解电梯轿厢内负载的实际位置。
3. 负载处理装置
国际标准 ISO 5053-1 规定了不同类型的负载处理装置以及相关术语和分类。根据该标准,负载处理装置是具有至少三个轮子的轮式车辆,并且可以具有基于动力或非动力的机构。[6] 本文中的有限元分析是考虑一种特定的负载搬运设备,即电动托盘车。当对操作员福祉的考虑增加时,电动托盘车的使用就会增加。从人体工程学的角度来看,手动物料搬运任务可能非常不安全。[7] 尤其是托盘车等的推拉运动已被证明会增加肌肉骨骼疾病的风险。[8] 丰田 LPE220 电动托盘被用作轻型负载搬运设备的示例。
从电梯角度考虑装卸负载情况时,重要的负载处理装置特征如表 2 所示。
| 特性 | 丰田LPE220 | |
| 自质量M | [公斤] | 826 |
| 额定负载能力QL | [公斤] | 2200 |
| 总负载质量 MQ | [公斤] | 3026 |
| 负载中心位置c | [mm] | 600 |
| 轴距尺寸b11 | [mm] | 370 |
| 前轴负载F11) | [公斤] | 1513 |
| 后轴负载F21) | [公斤] | 1513 |
| 后轴负载与总负载质量之比 | [%] | 50 |
| 前轮胎尺寸 | [mm] | d85x100 |
| 1) 根据制造商数据表计算。 |
表2:电动托盘车丰田LPE220规格[9]
4. 使用托盘装载
使用托盘的商业运营是通过电梯运输较重货物的最有效方式,因为装载大量小型独立包裹需要很长时间。即使使用托盘,装载时间也不应超过电梯往返的时间。本分析的假设是,为了保持整体效率,托盘的数量不应大于四个,且托盘不应堆叠。搬运设备的重量被视为额定负载(C1 级)的一部分,但包括四个托盘,尽管根据 ASME A17.1 要求,这已经属于 A 级负载。
通常,使用的托盘遵循标准尺寸。表3给出了一些例子。对于较轻的货物,物流手推车也被广泛使用,但它们的要求通常不会超过乘客装载的要求,因此这里被排除在外。
| 托盘 | 尺寸宽x深x高[毫米] | 最大限度。容量[公斤] | 描述 |
| 欧元 / 1 欧元 (32''x48'') | 1200 x 800 x 144 | 4000 kg | 设计适合大多数欧洲门口和 2,5 m 宽的卡车。不太适合内部宽度为 2,352 毫米的海运集装箱。 |
| 2 欧元(40 英寸 x 48 英寸) | 1200 x 1000 x 144 | 4000 kg | 设计比欧元更适合 2,352 m 宽的海运集装箱。类似于美国40''x48''托盘,有助于国际贸易。 |
| 48''x48'' | 1219 x 1219 x 144 | 4000 kg | 48 x 48 托盘与化学工业中使用的 4 x 200 升(55 加仑)桶(外径 584 毫米)的占地面积相匹配。 |
表 3:一些典型托盘尺寸的说明[10]
当托盘用作装载电梯的基础时,需要关注两种极端负载情况: 1) 轿厢装载单个重托盘至轿厢额定载重; 2) 轿厢最多可装载四个较轻的托盘,直至达到轿厢的额定载重。还必须考虑加载装置的特性。表 4 给出了四种不同类型处理设备的一些关键属性。数据基于特定设备的数据表,但目的是所选样本表明设备类别之间的差异。
| 搬运装置的特性 | 电梯轿厢限制 | 手动托盘搬运车 丰田LHM300 | 电动托盘搬运车 丰田LPE220 | 电动前移式叉车 仍然 FM-X 14 | 叉车 丰田 8FBEK16T | |
| 容量 | 最大可用负载 | kg | 3000 | 2200 | 1400 | 1600 |
| 自质量 | 最大可用负载 | kg | 105 | 826 | 3470 | 3002 |
| 重心(空)1 | 导靴等的加载 | mm | 362 | -275 | -547 | -1027 |
| 前轮的位置1 | 门槛荷载 | mm | 950 | 957 | 348 | -317 |
| 宽度 | 根据占地面积计算托盘的最大数量 | mm | 520 | 730 | 1270 | 1060 |
| 后部长度1 | mm | 365 | 714 | 1252 | 1880 | |
| 1) 从货叉的前表面看 |
表 4:基于制造商数据的搬运设备的属性[9][11][12][13]
通过使用上述两种负载情况和搬运装置的特性,对额定负载为 2500 公斤和 5000 公斤的电梯轿厢尺寸进行了 EUR 托盘的负载分析。在分析中,总是与轿壁有一定的间隙,因此虽然保守,但分析的场景并不是绝对最坏的情况。结果如表 5 所示。感兴趣的区域是窗台荷载和重心。根据 EN 60-81 20,窗台荷载要求为 5.7.2.3.6%·g·Q;根据 ASME A80 17.1,窗台荷载要求为 8.2.2.6%·g·Q。由于搬运装置的重量是额定负载的一部分,因此 EN 85-81 的 20%·g·Q 门槛负载在此不适用。
| 整车负载Q | kg | 2500 | 5000 | ||||||
| 车宽x深 | mm | 1800x2700 | 2600x3400 | ||||||
| 搬运装置 | 托盘数量 | 托盘重量 | 窗台荷载1 | 重心2 | 托盘重量 | 窗台荷载1 | 重心2 | ||
| kg | W | D | kg | W | D | ||||
| 手动托盘搬运车 | 1 | 2395 | 69 % | 25 % | 23 % | 3000 | 43 % | 15 % | 18 % |
| 4 | 598 | 19 % | 1 % | 1 % | 1223 | 18 % | 1 % | 10 % | |
| 电动托盘搬运车 | 1 | 1674 | 56 % | 25%(17%) | 13%(16%) | 2200 | 36 % | 15%(11%) | 13%(13%) |
| 4 | 418 | 18 % | 1 %3 (0%) | 0%(0%) | 1043 | 18 % | 4%(0%) | 3%(9%) | |
| 电动前移式叉车 | 1 | 1400 | 58 % | 12%(7%) | 3%(8%) | ||||
| 叉车 | 1 | 1600 | 83 % | 23%(8%) | 2%(9%) | ||||
| |||||||||
表 5:不同搬运设备的分析结果
根据 EN 81-20,重心与汽车中心的偏移在深度和宽度方向上为 12.5%。根据 A17.1 图 8.2.2.5.1,宽度方向的偏移量为 25%。如前所述,在深度方向上,A17.1 中没有明确的规则。其中,重心偏移引起的载荷对导轨尺寸和支架间距有影响。
通过该分析可以得出以下结论:
- 如果车辆的额定负载较小且单个装载的托盘较重,则轻型装卸装置的门槛负载可能会超过 60%·g·Q。
- 即使在额定载荷中考虑了搬运设备的重量,重型搬运设备也可能会超过 60%·g·Q 的门槛载荷。
- 对于大多数搬运设备,具有小型和大型额定负载的单个重型托盘可以超过 EN 81-20 的重心假设,而根据 ASME A25 的 17.1% 的偏移似乎很好地涵盖了单个重型托盘的情况托盘。
- 对于多个较轻的托盘,门槛负载和重心要求都涵盖了分析场景,并具有充足的余量。
有限元模型分析及结果
5.1 型号说明
有限元模型 (FEM) 分析由两种不同的吊车系统模型组成,其中所施加的载荷在 EN 81-20 60% 门槛载荷情况和选定的载荷处理设备电动托盘车之间变化。
关键部件是载荷分析的重点,在电梯标准中进行了定义,也可以通过电梯层有限元分析的结果来识别。 ASME A17.1 电梯标准从电梯负载的角度将吊索上梁、吊索立柱、吊索下梁、门槛、地板、导轨和支架确定为关键部件。 [4] FEM 分析有助于识别在不同负载情况下承受较高应力的组件。例如,从装载的角度来看,ASME A17.1 并未将上部轿厢固定装置识别为关键部件,但根据固定设计,它仍然是在装载情况下承受应力的部件。对于弹簧隔振平台,施加的门槛载荷会对水平运动受到限制的上部轿厢固定装置产生水平分力,从而产生应力。因此,分析时应考虑上轿固定。分析中考虑的主要组成部分如图 4 所示。
建立了两个 FEM 模型进行分析,一个考虑 2500 kg 的额定载荷,另一个考虑 5000 kg 的额定载荷。具有指定平台尺寸的有限元模型如图 5 所示。地板使用胶合板材料作为顶面。组件中的其他材料被视为结构钢。
有限元网格如图 6 所示。采用的单元尺寸为 10 mm。所有梁轮廓和板部件均采用壳单元建模。窗台轮廓采用实体元素建模。所有螺栓都被建模为通过刚性单元连接到其孔的梁单元,并且没有应用预紧力,因为这在本研究中没有意义。部件之间采用无摩擦接触,部件之间通过螺栓连接相互接触。在焊接连接的情况下使用粘合连接或共享拓扑。考虑到研究范围,这些被视为足够准确的建模方法。
为了表示 1:1 悬架,将位移固定在 Y 方向的远程位移添加到远程点 (C)。远程点通过可变形元件连接到上梁。轿厢质量应用在远程点 (B),通过刚性元件连接到上部轿厢固定件和地板的三个侧面。对于 Q=2500 kg 的模型汽车质量,应用 2000 kg;对于 Q=5000 kg,应用的汽车质量为 4000 kg。门槛载荷施加在门槛轮廓上,或者施加在代表装载设备车轮尺寸的区域上(电动托盘车负载箱),或者集中作为线负载(EN 81-20 负载箱)。载荷和边界条件如图 7 所示。
房源
用于不同加载场景之间比较的结果如图8所示。从应力结果可以看出,根据本研究,上轿厢固定件和地坎是电梯加载过程中受力最大的部件。使用弹簧隔振平台梁增加了上部轿厢固定的力矩,因此应力水平增加。由于载荷施加在窗台上,所以窗台承受应力。门槛的结构影响应力水平,任何加强件相对于负载处理装置的轮距的定位都会影响应力结果。因此,窗台结构设计应考虑所使用的负载搬运装置。轿厢地板位移结果包括加载过程中地板结构的总位移和Y方向位移。位移是不同部件的偏转和弹簧平台弹簧在加载过程中的压缩的总和。
结论5.3
对于 Q=2500 kg 模型,标准和电动托盘车负载情况之间的应力值相似。在大多数情况下,应力值低于材料的屈服极限。由于本研究的目的只是比较简化吊索结构的不同载荷情况,因此没有考虑安全因素。即使仅使用轻负载处理设备,在电梯设计中使用标准负载也不会导致严重过度设计的解决方案。
对于 Q=5000 kg 模型,差异更为显着。从观察到的部件来看,应力变化最大的是上部轿厢固定件和门槛。这是可以预料的,因为载荷直接施加在窗台上,这会导致窗台结构中产生高应力。对于隔离式轿厢平台,门槛负载还会对上部轿厢固定件造成较高的力矩。
当使用轻负载处理设备时,产生的最关键的负载是门槛负载,即使与较大的设备相比,负载在车轴之间分配得更均匀。此外,车轮的数量也会影响负载的分配方式。轴重越小,门槛荷载越低,影响电梯工程。在标准门槛负载情况下,EN 81-20 60% 门槛负载规则最适合轻负载处理设备负载。对于高额定负载,甚至 ASME A25 中的 17.1% 规则有时也适用于轻负载处理设备。显然,如果仅使用轻载搬运设备,设计具有 85% 或 80% 门槛负载的高额定负载电梯可能会导致对门槛、轿厢和吊索设计进行不必要的加固。此外,试图在高门槛负载的情况下将汽车位移保持在可接受的水平可能会导致复杂且昂贵的解决方案。
设备的轮距和地坎上的负载位置会产生影响,特别是对地坎上以及地坎与地板之间的界面上的应力。由于不同类型的负载处理设备存在很大差异,因此定义特定的轮距可能没有意义。相反,应该检查基于特定窗台设计的最坏情况。如果需要指定一个轻载搬运装置的轮距,则其轮距应在340毫米至390毫米之间,以与常用托盘相匹配。
6。 讨论
从托盘装载分析可以得出结论,如果电梯要装载单个重型物品,则 EN 81-20 的要求不一定足够。然而,如果货物装载在多个较轻的托盘上,那么这些要求可能会导致过度设计。合适的重心估计可以减少导轨尺寸并增加支架间距。
有限元分析表明,对于额定负载较高的轿厢,使用轻载装置作为电梯工程的基础可能是有益的,特别是在地坎负载方面,但值得注意的是,重载也可以用轻载来运输。装载装置。优化门槛负载可以节省整个电梯系统的累积材料。
为了确保最大限度地减少对环境的影响,正确确定重心和门槛负载的尺寸在高层应用中尤其重要,因为许多组件的多余材料消耗会因行进高度而放大。
为了在减少材料消耗的同时不影响安全性,单个货物的最大重量应成为电梯规格的重要组成部分,并且应与与门槛载荷相关的最大轴载荷一起向电梯用户明确指示。最后,制定全球电梯标准以考虑轻型搬运设备并使用标准托盘作为尺寸规则的基础将引起普遍关注,这将有助于客户定义其垂直运输需求。
7。 参考
[1] R. Roberts,“高层/高速电梯的控制”,载于 美国控制会议论文集,第 3440-3444 页,费城,1998 年。
[2] “EN 81-20 电梯构造和安装安全规则 - 人员和货物运输电梯 - 第 20 部分:乘客和货物乘客电梯”,欧洲标准化委员会,2020 年。
[3] W. Musial、P. Beiter、P. Spitsen、J. Nunemaker、V. Gevorgian、A. Cooperman、R. Hammond 和 M. Shields,“2019 年海上风电技术数据更新”,国家可再生能源实验室。 nrel.gov/docs/fy21osti/77411.pdf。 79 页,科罗拉多州戈尔登,2020 年。
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[8] M. Hoozemans、A. van der Beek、M. Frings-Dresen、F. van Djik 和 L. van der Woude,“与肌肉骨骼疾病相关的推拉:风险因素回顾”, 人体工程学,卷。 41,没有。 6,第 757-781 页,1998 年。
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[13] TMH Europe,“1.5-2.0吨电动叉车”,[在线]。网址:media.toyota-forklifts.eu/published/21447_Original%20document_toyota%20mh.pdf。[访问日期:2023年09月22日]。







