载货汽车驱动桥设计【5吨级的后驱动桥】【双级主减速器】
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哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计(毕业论文) I 摘 要 驱 动 桥 作 为 汽 车 的 重 要 组 成 部 分 , 它 的 性 能 的 好 坏 直 接 影 响 整 车 性 能 。 其一般由主减速器、差速器、半轴及桥壳四部分组成,基本功用是增大由传动 轴或直接由变速器传来的转矩,将转矩分配给左、右车轮,并使左、右驱动车 轮具有汽车行驶运动学所要求的差速功能;此外,还要承受作用于路面和车架 或车厢之间的铅垂力、纵向力和横向力。此次设计先论述了驱动桥的总体结构, 在分析驱动桥各部分结构型式、发展过程及其以往形式的优缺点的基础上,确 定了总体设计方案:采用整体式驱动桥,主减速器的减速型式采用双级减速器, 主减速器齿轮采用螺旋锥齿轮,差速器采用圆锥行星齿轮差速器,半轴采用全 浮式型式,桥壳采用铸造整体式桥壳。此次设计中,主要完成了双级减速器、 圆锥行星齿轮差速器、全浮式半轴的设计和桥壳的校核及材料选取等工作。 关 键 字 : 驱 动 桥 、 双 级 主 减 速 器 、 弧 齿 锥 齿 轮 、 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计(毕业论文) II ABSTRACT Driving axle assembly is one of the important vehicle carrying pieces and can directly impact on the whole vehicles performance and its effective life. Driving Axle is consisted of Main Decelerator, Differential Mechanism, Half Shaft and Axle Housing. The basic function of Driving Axle is to increase the torque transmitted by Drive Shaft or directly transmitted by Gearbox, then distributes it to left and right wheel, and make these two wheels have the differential function which is required in Automobile Driving Kinematics; besides, the Driving Axle must also stand the lead hangs down strength, the longitudinal force and the transverse force acted on the road surface, the frame or the compartment lead.The configuration of the Driving Axle is introduced in the thesis at first. On the basis of the analysis of the structure and the developing process of Driving Axle, the design adopted the Integral Driving Axle, Double Reduction Gear for Main Decelerators deceleration form, Spiral Bevel Gear for Main Decelerators gear, Full Floating for Axle and Casting Integral Axle Housing for Axle Housing. In the design, we accomplished the design for Double Reduction Gear, tapered Planetary Gear Differential Mechanism, Full Floating Axle, the checking of Axle Housing and the election of the material and so on. Key words: Driving Axle;Double Main Decelerator;S ingle Reduction Final Drive 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计(毕业论文) III 目 录 摘 要 .I ABSTRACT.II 目 录 .III 第 1 章 绪 论 .1 1.1 选题的目的和意义 .1 1.2 研究现状 .1 1.2.1 国内现状 .1 1.2.2 国外现状 .2 第 2 章 驱 动 桥 结 构 方 案 分 析 .4 第 3 章 主 减 速 器 设 计 .5 3.1 主 减 速 器 的 结 构 形 式 .5 3.1.1 主 减 速 器 的 齿 轮 类 型 .5 3.1.2 主 减 速 器 的 减 速 形 式 .5 3.1.3 主 减 速 器 主 , 从 动 锥 齿 轮 的 支 承 形 式 .5 3.2 主 减 速 器 的 基 本 参 数 选 择 与 设 计 计 算 .6 3.2.1 主 减 速 器 计 算 载 荷 的 确 定 .6 3.2.2 主 减 速 器 基 本 参 数 的 选 择 .8 3.2.3 主 减 速 器 圆 弧 锥 齿 轮 的 几 何 尺 寸 计 算 .10 3.2.4 主 减 速 器 圆 弧 锥 齿 轮 的 强 度 计 算 .10 3.2.5 主 减 速 器 齿 轮 的 材 料 及 热 处 理 .14 3.2.6 主 减 速 器 轴 承 的 计 算 .15 第 4 章 差 速 器 设 计 .22 4.1 对 称 式 圆 锥 行 星 齿 轮 差 速 器 的 差 速 原 理 .22 4.2 对 称 式 圆 锥 行 星 齿 轮 差 速 器 的 结 构 .23 4.3 对 称 式 圆 锥 行 星 齿 轮 差 速 器 的 设 计 .24 4.3.1 差 速 器 齿 轮 的 基 本 参 数 的 选 择 .24 4.3.2 差 速 器 齿 轮 的 几 何 计 算 .26 4.3.3 差 速 器 齿 轮 的 强 度 计 算 .26 第 5 章 驱 动 半 轴 的 设 计 .28 5.1 全 浮 式 半 轴 计 算 载 荷 的 确 定 .28 5.2 全 浮 式 半 轴 的 杆 部 直 径 的 初 选 .29 5.3 全 浮 式 半 轴 的 强 度 计 算 .29 5.4 半 轴 花 键 的 强 度 计 算 .30 第 6 章 驱 动 桥 壳 的 设 计 .31 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计(毕业论文) IV 6.1 铸 造 整 体 式 桥 壳 的 结 构 .31 6.2 桥 壳 的 受 力 分 析 与 强 度 计 算 .32 6.2.1 桥 壳 的 静 弯 曲 应 力 计 算 .32 6.2.2 在 不 平 路 面 冲 击 载 荷 作 用 下 的 桥 壳 强 度 计 算 .35 6.2.3 汽 车 以 最 大 牵 引 力 行 驶 时 的 桥 壳 强 度 计 算 .35 结 论 .38 致 谢 .39 参 考 文 献 .40 附 录 .41 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计(论文) 1 第 1 章 绪 论 1.1 选题的目的和意义 驱动桥作为汽车传动系统中的主要部件,实现着减速增扭,改变传动方向, 实现差速的作用;驱动桥设计的知识比较广,有利于锻炼学生的能力。随着 汽车工业的迅猛发展,车型的多样化、个性化已经成为发展趋势。驱动桥性 能直接影响整车的性能和有效使用寿命。一般由桥壳、主减速器、差速器和 半壳等元件组成,结构更复杂,承载着汽车的满载簧荷重及地面经车轮、车 架及承载式车身经悬架给予的铅垂力、纵向力、横向力及其力矩,以及冲击 载荷;驱动桥还传递着传动系中的最大转矩,桥壳还承受着反作用力矩。汽 车驱动桥结构型式和设计参数除对汽车的可靠性与耐久性有重要影响外,也 对汽车的行驶性能如动力性、经济性、平顺性、通过性、机动性和操动稳定 性等有直接影响。通过重型货车驱动桥的设计,锻炼学生独立的思考问题和解 决问题的能力,同时锻炼学生掌握驱动桥设计的步骤和过程,锻炼学生查阅工 具书的能力和自学能力.培养学生严谨的工作态度和工作能力.随着汽车工业 的发展及汽车技术的提高,驱动桥的设计,制造工艺都在日益完善。驱动桥 也和其他汽车总成一样,除了广泛采用新技术外,在结构设计中日益朝着 “零件标准化、部件通用化、产品系列化”的方向发展及生产方式达到驱动 桥产品的系列化或变型的目的,通过对驱动桥的设计可以更好的学习并掌握 现代汽车与机械设计的全面知识和技能。因此,此题目的设计尤为重要。 1.2 研究现状 1.2.1 国内现状 我国驱动桥制造企业的开发模式主要由测绘、引进、自主开发三种组成。 主要存在技术含量低,开发模式落后,技术创新力不够,计算机辅助设计应 用少等问题。国内的大多数中小企业中,测绘市场销路较好的产品是它们的 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计(论文) 2 主要开发模式。特别是一些小型企业或民营企业由于自身的技术含量低,开 发资金的不足,专门测绘、仿制市场上销售较旺的汽车的车桥售往我国不健 全的配件市场。这种开发模式是无法从根本上提高我国驱动桥产品开发水平 的。中国驱动桥产业发展过程中存在许多问题,许多情况不容乐观,如产业 结构不合理、产业集中于劳动力密集型产品;技术密集型产品明显落后于发 达工业国家;生产要素决定性作用正在削弱;产业能源消耗大、产出率低、 环境污染严重、对自然资源破坏力大;企业总体规模偏小、技术创新能力薄 弱、管理水平落后等。我国汽车驱动桥的研究设计与世界先进驱动桥设计技 术还有一定的差距,我国车桥制造业虽然有一些成果,但都是在引进国外技 术、仿制、再加上自己改进的基础上了取得的。个别比较有实力的企业,虽 有自己独立的研发机构但都处于发展的初期。我国驱动桥产业正处在发展阶 段,在科技迅速发展的推动下,高新技术在汽车领域的应用和推广,各种国 外汽车新技术的引进,研究团队自身研发能力的提高,我国的驱动桥设计和 制造会逐渐发展起来,并跟上世界先进的汽车零部件设计制造技术水平。 1.2.2 国外现状 国外驱动桥主要采用模块化技术和模态分析进行驱动桥的设计分析,模块化 设计是对在一定范围内的不同功能或相同功能不同性能、不同规格的机械产 品进行功能分析的基础上,划分并设计出一系列功能模块,然后通过模块的选 择和组合构成不同产品的一种设计方法. 以 DANA 为代表的意大利企业多已采 用了该类设计方法, 模态分析是对工程结构进行振动分析研究的最先进的现 代方法与手段之一。它可以定义为对结构动态特性的解析分析(有限元分析) 和实验分析(实验模态分析),其结构动态特性用模态参数来表征。模态分析 技术的特点与优点是在对系统做动力学分析时,用模态坐标代替物理学坐标, 从而可大大压缩系统分析的自由度数目,分析精度较高。 优点是减少设计及工装制造的投入, 减少了零件种类, 提高规模生产程度, 降低制造费用, 提高市场响应速度等。国外企业位减少驱动桥的振动特性, 对驱动桥进行模态分析,调整驱动桥的强度,改善整车的舒适性和平顺性。 20 世纪 60 年代以来,由于电子计算机的迅速发展,有限元法在工程上获得 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计(论文) 3 了广泛应用。有限元法不需要对所分析的结构进行严格的简化,既可以考虑 各种计算要求和条件,也可以计算各种工况,而且计算精度高。有限元法将 具有无限个自由度的连续体离散为有限个自由度的单元集合体,使问题简化 为适合于数值解法的问题。只要确定了单元的力学特性,就可以按照结构分 析的方法求解,使分析过程大为简化,配以计算机就可以解决许多解析法无 法解决的复杂工程问题。目前,有限元法己经成为求解数学、物理、力学以 及工程问题的一种有效的数值方法,也为驱动桥壳设计提供了强有力的工具。 驱动桥的参数化设计,参数化设计是指设计对象模型的尺寸用变量及其关系 表示,而不需要确定具体数值,是 CAD 技术在实际应用中提出的课题,它不 仅可使 CAD 系统具有交互式绘图功能,还具有自动绘图的功能。目前它是 CAD 技术应用领域内的一个重要的、且待进一步研究的课题。利用参数化设 计手段开发的专用产品设计系统,可使设计人员从大量繁重而琐碎的绘图工 作中解脱出来,可以大大提高设计速度,并减少信息的存储量。未来的驱动 桥智能化控制系统已经在汽车业得到了快速发展,现代汽车上使用的制动防 抱死控制、电子稳定控制装置、驱动力控制系统等系统。驱动力控制系统通 过控制发动机转矩和汽车的制动系统等手段来控制驱动力,即在汽车起步, 加速时减少驱动力,防止驱动力超过轮胎与路面的附着力而导致车轮空转打滑, 保持最佳的驱动力,改善汽车的方向稳定性和操纵性。另外,汽车电子控制系 统和总线驱动系统的迅速发展,如线控换挡、线控转向、线控制动等的研究 开发。概念车底盘滑板结构就是总线控制、燃料电池驱动的,加上不同形 状车身的轿车,现在已经开始启动,通用公司宣传,这种车有可能在未来 10 年上市。当线控这一目标实现时,汽车将是一种完全的高新技术产品,发动 机、变速器、传动轴、驱动桥、转向机全都不见了,当然四个轮子还是要的。 到那时,汽车就可以说是一台装在轮子上的计算机了。 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计(论文) 4 第 2 章 驱 动 桥 结 构 方 案 分 析 由 于 要 求 设 计 的 是 5 吨 级 的 后 驱 动 桥 , 要 设 计 这 样 一 个 级 别 的 驱 动 桥 , 一 般 选 用 非 断 开 式 结 构 以 与 非 独 立 悬 架 相 适 应 , 该 种 形 式 的 驱 动 桥 的 桥 壳 是 一 根 支 撑 在 左 右 驱 动 车 轮 的 刚 性 空 心 梁 , 一 般 是 铸 造 或 钢 板 冲 压 而 成 , 主 减 速 器 , 差 速 器 和 半 轴 等 所 有 传 动 件 都 装 在 其 中 , 此 时 驱 动 桥 , 驱 动 车 轮 都 属 于 簧 下 质 量 。 中 央 双 级 驱 动 桥 。 在 国 内 目 前 的 市 场 上 , 中 央 双 级 驱 动 桥 主 要 有 2 种 类 型 : 一 类 如 伊 顿 系 列 产 品 , 事 先 就 在 单 级 减 速 器 中 预 留 好 空 间 , 当 要 求 增 大 牵 引 力 与 速 比 时 , 可 装 入 圆 柱 行 星 齿 轮 减 速 机 构 , 将 原 中 央 单 级 改 成 中 央 双 级 驱 动 桥 , 这 种 改 制 程 度 高 , 桥 壳 、 主 减 速 器 等 均 可 通 用 , 锥 齿 轮 直 径 不 变 ; 另 一 类 如 洛 克 威 尔 系 列 产 品 , 当 要 增 大 牵 引 力 与 速 比 时 , 需 要 改 制 第 一 级 伞 齿 轮 后 , 再 装 入 第 二 级 圆 柱 直 齿 轮 或 斜 齿 轮 , 变 成 要 求 的 中 央 双 级 驱 动 桥 , 这 时 桥 壳 可 通 用 , 主 减 速 器 不 通 用 , 锥 齿 轮 有 2 个 规 格 。 由 于 上 述 中 央 双 级 减 速 桥 均 是 在 中 央 单 级 桥 的 速 比 超 出 一 定 数 值 或 牵 引 总 质 量 较 大 时 , 作 为 系 列 产 品 而 派 生 出 来 的 一 种 型 号 , 它 们 很 难 变 型 为 前 驱 动 桥 , 使 用 受 一 定 限 制 ; 因 此 , 综 合 来 说 , 双 级 减 速 桥 一 般 均 不 作 为 一 种 基 本 型 驱 动 桥 来 发 展 , 而 是 作 为 某 一 特 殊 考 虑 而 派 生 出 来 的 驱 动 桥 存 在 。 如 图 2-1 解 放 驱 动 桥 为 中 国 最 早 的 双 级 主 减 速 器 驱 动 桥 。4 图 2-1 解放 CA1091 型驱动桥 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计(论文) 5 第 3 章 主 减 速 器 设 计 3.1 主 减 速 器 的 结 构 形 式 主 减 速 器 的 结 构 形 式 主 要 是 根 据 其 齿 轮 的 类 型 , 主 动 齿 轮 和 从 动 齿 轮 的 安 置 方 法 以 及 减 速 形 式 的 不 同 而 异 。 3.1.1 主 减 速 器 的 齿 轮 类 型 主 减 速 器 的 齿 轮 有 弧 齿 锥 齿 轮 , 双 曲 面 齿 轮 , 圆 柱 齿 轮 和 蜗 轮 蜗 杆 等 形 式 。 在 此 选 用 弧 齿 锥 齿 轮 传 动 , 其 特 点 是 主 、 从 动 齿 轮 的 轴 线 垂 直 交 于 一 点 。 由 于 轮 齿 端 面 重 叠 的 影 响 , 至 少 有 两 个 以 上 的 轮 齿 同 时 啮 合 , 因 此 可 以 承 受 较 大 的 负 荷 , 加 之 其 轮 齿 不 是 在 齿 的 全 长 上 同 时 啮 合 , 而 是 逐 渐 有 齿 的 一 端 连 续 而 平 稳 的 地 转 向 另 一 端 , 所 以 工 作 平 稳 , 噪 声 和 振 动 小 。 而 弧 齿 锥 齿 轮 还 存 在 一 些 缺 点 , 比 如 对 啮 合 精 度 比 较 敏 感 , 齿 轮 副 的 锥 顶 稍 有 不 吻 合 就 会 使 工 作 条 件 急 剧 变 坏 , 并 加 剧 齿 轮 的 磨 损 和 使 噪 声 增 大 ; 但 是 当 主 传 动 比 一 定 时 , 主 动 齿 轮 尺 寸 相 同 时 , 双 曲 面 齿 轮 比 相 应 的 弧 齿 锥 齿 轮 小 , 从 而 可 以 得 到 更 大 的 离 地 间 隙 , 有 利 于 实 现 汽 车 的 总 体 布 置 。 另 外 , 弧 齿 锥 齿 轮 与 双 曲 面 锥 齿 轮 相 比 , 具 有 较 高 的 传 动 效 率 , 可 达 99%。 3.1.2 主 减 速 器 的 减 速 形 式 目 前 重 型 汽 车 发 动 机 向 低 速 大 扭 矩 发 展 的 趋 势 使 得 驱 动 桥 的 传 动 比 向 小 速 比 发 展 ; 随 着 公 路 状 况 的 改 善 , 特 别 是 高 速 公 路 的 迅 猛 发 展 , 许 多 重 型 汽 车 使 用 条 件 对 汽 车 通 过 性 的 要 求 降 低 , 因 此 , 重 型 汽 车 产 品 不 必 像 过 去 一 样 , 采 用 复 杂 的 结 构 提 高 其 的 通 过 性 ; 与 带 轮 边 减 速 器 的 驱 动 桥 相 比 , 由 于 产 品 结 构 简 化 , 双 级 减 速 驱 动 桥 机 械 传 动 效 率 提 高 , 易 损 件 减 少 , 可 靠 性 增 加 。 3.1.3 主 减 速 器 主 , 从 动 锥 齿 轮 的 支 承 形 式 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计(论文) 6 作 为 一 个 5 吨 级 的 驱 动 桥 , 传 动 的 转 矩 不 是 很 大 , 所 以 主 动 锥 齿 轮 采 用 悬 臂 式 支 承 。 齿 轮 以 其 齿 轮 大 端 一 侧 的 轴 颈 悬 臂 式 地 支 持 与 一 对 轴 承 的 外 侧 。 主 减 速 器 从 动 锥 齿 轮 的 支 承 刚 度 依 轴 承 的 型 式 、 支 承 间 的 距 离 和 载 荷 在 轴 承 之 间 的 分 布 即 载 荷 离 两 端 轴 承 支 承 中 心 间 的 距 离 之 比 例 而 定 。 为 了 使 从 动 锥 齿 轮 背 面 的 支 承 凸 缘 有 足 够 的 位 置 设 置 加 强 筋 及 增 强 支 承 的 稳 定 性 , 距 离 应 不 小 于 从 动 锥 齿 轮 节 圆 直 径 的 70%。 两 端 支 承 多 采 用 圆 锥 滚 子 轴 承 , 安 装 时 应 使 他 们 的 圆 锥 滚 子 大 端 朝 内 相 向 , 小 端 朝 外 相 背 。 3.2 主 减 速 器 的 基 本 参 数 选 择 与 设 计 计 算 3.2.1 主 减 速 器 计 算 载 荷 的 确 定 3.2.1.1 按 发 动 机 最 大 转 矩 和 最 低 挡 传 动 比 确 定 从 动 锥 齿 轮 的 计 算 转 矩 ( 3-1)nKiTToLec /maxmN 式 中 发 动 机 至 所 计 算 的 主 减 速 器 从 动 锥 齿 轮 之 间 的 传 动 系 的 最 低TLi 挡 传 动 比 , 在 此 取 6.24, 此 数 据 此 参 解 放 CA141 车 型 ; 发 动 机 的 输 出 的 最 大 转 矩 , 此 数 据 参 考 解 放 CA141 车 型 在maxe 此 取 380 ;mN 传 动 系 上 传 动 部 分 的 传 动 效 率 , 在 此 取 0.9;T 该 汽 车 的 驱 动 桥 数 目 在 此 取 1;n 由 于 猛 结 合 离 合 器 而 产 生 冲 击 载 荷 时 的 超 载 系 数 , 对 于 一 般oK 的 载 货 汽 车 , 矿 用 汽 车 和 越 野 汽 车 以 及 液 力 传 动 及 自 动 变 速 器 的 各 类 汽 车 取 =1.0, 当 性 能 系 数 0 时 可 取 =2.0;oKpfoK 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计(论文) 7 ( 3- 16Tgm0.95 0. Tgm.195-6eaxeaeax当当pf 2) 汽 车 满 载 时 的 总 质 量 在 此 取 20000 ;a gK 所 以 0.195 =25.6616 , 即 =1.0。 由 以 上 各 参 数 可 求380o Tce = =2134.08Tce9.46mN 3.2.1.2 按 驱 动 轮 打 滑 转 矩 确 定 从 动 锥 齿 轮 的 计 算 转 矩 ( 3-3)LBriGTcs/2 式 中 汽 车 满 载 时 一 个 驱 动 桥 给 水 平 地 面 的 最 大 负 荷 , 预 设 后 桥 所2 承 载 5474N 的 负 荷 ; 轮 胎 对 地 面 的 附 着 系 数 , 对 于 安 装 一 般 轮 胎 的 公 路 用 车 , 取 =0.85; 对 于 越 野 汽 车 取 1.0; 对 于 安 装 有 专 门 的 防 滑 宽 轮 胎 的 高 级 轿 车 , 计 算 时 可 取 1.25; 车 轮 的 滚 动 半 径 , 在 此 选 用 轮 胎 型 号 为 8.25-20, 滚 动 半 径 为 r 0.46m; , 分 别 为 所 计 算 的 主 减 速 器 从 动 锥 齿 轮 到 驱 动 车 轮 之 间 的LBi 传 动 效 率 和 传 动 比 , 取 0.95, 由 于 没 有 轮 边 减 速 器LB 取 1.0LBi 所 以 = =3493.4rcsGT/2 .95684mN 3.2.1.3 按 汽 车 日 常 行 驶 平 均 转 矩 确 定 从 动 锥 齿 轮 的 计 算 转 矩 对 于 公 路 车 辆 来 说 , 使 用 条 件 较 非 公 路 车 辆 稳 定 , 其 正 常 持 续 的 转 矩 根 据 所 谓 的 平 均 牵 引 力 的 值 来 确 定 : 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计(论文) 8 ( 3-4)mN )( PHRLBrTacf ffniG 式 中 汽 车 满 载 时 的 总 重 量 , 参 考 解 放 CA141 车 型 在 此 取a 9310N; 所 牵 引 的 挂 车 满 载 时 总 重 量 , N, 但 仅 用 于 牵 引 车 的 计 算 ;TG 道 路 滚 动 阻 力 系 数 , 对 于 载 货 汽 车 可 取 0.0150.020; 在 此 取Rf 0.015 汽 车 正 常 行 驶 时 的 平 均 爬 坡 能 力 系 数 , 对 于 载 货 汽 车 可 取Hf 0.050.09 在 此 取 0.05 汽 车 的 性 能 系 数 在 此 取 0;pf , , n见 式 ( 3-1) , ( 3-3) 下 的 说 明 。LBi 所 以 )(PHRLBrTacf ffiG = =2807.895.01.1960483mN 式 ( 3-1) 式 ( 3-4) 参 考 汽 车 车 桥 设 计 式 ( 3-10) 式 ( 3-12) 。 3.2.2 主 减 速 器 基 本 参 数 的 选 择 主 减 速 器 锥 齿 轮 的 主 要 参 数 有 主 、 从 动 齿 轮 的 齿 数 、 从 动 锥 齿 轮 大 端 分 度 圆 直 径 、 端 面 模 数 、 主 从 动 齿 轮 齿 面 宽 、 中 点 螺 旋 角 、 法 向2Dtm 压 力 角 等 。 3.2.2.1 主 减 速 器 主 、 从 动 锥 齿 轮 及 圆 柱 齿 轮 齿 数 选 择 主 、 从 动 锥 齿 轮 齿 数 时 应 考 虑 如 下 因 素 : 1) 为 了 磨 合 均 匀 , , 之 间 应 避 免 有 公 约 数 。1z2 2) 为 了 得 到 理 想 的 齿 面 重 合 度 和 高 的 轮 齿 弯 曲 强 度 , 主 、 从 动 齿 轮 齿 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计(论文) 9 数 和 应 不 小 于 40。 3) 为 了 啮 合 平 稳 噪 声 小 和 具 有 高 的 疲 劳 强 度 对 于 货 车 一 般 不 小 于1z 6。 4) 主 传 动 比 较 大 时 , 尽 量 取 得 小 一 些 , 以 便 得 到 满 意 的 离 地 间 隙 。0i1z 5) 对 于 不 同 的 主 传 动 比 , 和 应 有 适 宜 的 搭 配 , 而 对 于 普 通 双 级 主1z2 减 速 器 来 说 , 由 于 第 一 级 的 减 速 比 比 第 二 级 小 些 , 这 时 , 第 一 级 主 动0i02i 锥 齿 轮 的 齿 数 可 选 得 交 大 , 约 在 9 15 范 围 内 。 第 二 级 圆 柱 齿 轮 传 动 的1z 齿 数 和 可 选 在 68 10 的 范 围 内 。 根 据 以 上 要 求 参 考 汽 车 车 桥 设 计 中 表 3-12 表 3-13 取 =11 z =25 =13 =49 zzz 3.2.2.2 从 动 锥 齿 轮 大 端 分 度 圆 直 径 和 端 面 模 数 可 根 据 经 验 公 式 初 选 , 即D ( 3-5)322cDTK 直 径 系 数 , 一 般 取 13.0 16.02DK 从 动 锥 齿 轮 的 计 算 转 矩 , , 为 Tce 和 Tcs 中 的 较 小 者Tc mN 所 以 =( 13.0 16.0) =( 167 205)2324 初 选 =180 则 = / =180/25=7.2 , 参 考 机 械 设 计mt2Dz 手 册 表 23.4-3 中 选 取 8 则 =184t m 根 据 = 来 校 核 =8 选 取 的 是 否 合 适 , 其 中 =( 0.3 0.4) 。tcmTKs mK 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计(论文) 10 此 处 , =( 0.3 0.4) =( 7.7 10.2) , 因 此 满 足 校 核 。tm321 3.2.2.3 主 , 从 动 锥 齿 轮 齿 面 宽 对 于 从 动 锥 齿 轮 齿 面 宽 , 推 荐 不 大 于 节 锥 的 0.3 倍 , 即2b2A , 而 且 应 满 足 , 对 于 汽 车 主 减 速 器 圆 弧 齿 轮 推 荐 采 用 :22.0Ab2btm10 =0.155 184=28.5 在 此 取 2922.Dmm 一 般 习 惯 使 锥 齿 轮 的 小 齿 轮 齿 面 宽 比 大 齿 轮 稍 大 , 使 其 在 大 齿 轮 齿 面 两 端 都 超 出 一 些 , 通 常 小 齿 轮 的 齿 面 加 大 10%较 为 合 适 , 在 此 取 =32 。1bm 3.2.2.4 中 点 螺 旋 角 螺 旋 角 沿 齿 宽 是 变 化 的 , 轮 齿 大 端 的 螺 旋 角 最 大 , 轮 齿 小 端 螺 旋 角 最 小 , 弧 齿 锥 齿 轮 副 的 中 点 螺 旋 角 是 相 等 的 , 选 时 应 考 虑 它 对 齿 面 重 合 度 , 轮 齿 强 度 和 轴 向 力 大 小 的 影 响 , 越 大 , 则 也 越 大 , 同 时 啮 合 的 齿 越 多 , 传 动 越 平 稳 , 噪 声 越 低 , 而 且 轮 齿 的 强 度 越 高 , 应 不 小 于 1.25, 在 1.5 2.0 时 效 果 最 好 , 但 过 大 , 会 导 致 轴 向 力 增 大 。 小 的 值 以 防 止 轴 向 力 过 大 , 通 常 取 37.4。 3.2.2.5 螺 旋 方 向 主 、 从 动 锥 齿 轮 的 螺 旋 方 向 是 相 反 的 。 螺 旋 方 向 与 锥 齿 轮 的 旋 转 方 向 影 响 其 所 受 的 轴 向 力 的 方 向 , 当 变 速 器 挂 前 进 挡 时 , 应 使 主 动 锥 齿 轮 的 轴 向 力 离 开 锥 顶 方 向 , 这 样 可 使 主 、 从 动 齿 轮 有 分 离 的 趋 势 , 防 止 轮 齿 因 卡 死 而 损 坏 。 所 以 主 动 锥 齿 轮 选 择 为 左 旋 , 从 锥 顶 看 为 逆 时 针 运 动 , 这 样 从 动 锥 齿 轮 为 右 旋 , 从 锥 顶 看 为 顺 时 针 , 驱 动 汽 车 前 进 。 3.2.2.6 法 向 压 力 角 加 大 压 力 角 可 以 提 高 齿 轮 的 强 度 , 减 少 齿 轮 不 产 生 根 切 的 最 小 齿 数 , 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计(论文) 11 但 对 于 尺 寸 小 的 齿 轮 , 大 压 力 角 易 使 齿 顶 变 尖 及 刀 尖 宽 度 过 小 , 并 使 齿 轮 的 端 面 重 叠 系 数 下 降 , 中 型 载 货 汽 车 可 选 用 20的 压 力 角 。 3.2.2.7 主 减 速 器 主 、 从 动 圆 柱 齿 轮 基 本 参 数 的 选 择 中 心 距 mm ( 3-6)3)9.15.0(TcsA 式 中 见 式 ( 3-3) 下 的 说 明 , 式 ( 3-6) 参 考 驱 动 桥 桥 设 计 式Tcs ( 3-25) 所 以 , 初 选 A=183mm)82.14.59(4.)92.1.0(3 齿 宽 , 取 , 因 为 与 啮 合7.6.8.3b 653b3b4 所 以 = =65。 =4.57 机 械 设 计 手 册 表 23.4-3 中 取43zAm 5 3.2.3 主 减 速 器 圆 弧 锥 齿 轮 的 几 何 尺 寸 计 算 详 见 附 录 表 -1 及 附 录 表 -2 3.2.4 主 减 速 器 圆 弧 锥 齿 轮 的 强 度 计 算 在 完 成 主 减 速 器 齿 轮 的 几 何 计 算 之 后 , 应 对 其 强 度 进 行 计 算 , 以 保 证 其 有 足 够 的 强 度 和 寿 命 以 及 安 全 可 靠 性 地 工 作 。 汽 车 驱 动 桥 齿 轮 的 许 用 应 力 (Nmm )见 附 录 -32 3.2.4.2 主 减 速 器 圆 弧 齿 螺 旋 锥 齿 轮 的 强 度 计 算 ( 1) 单 位 齿 长 上 的 圆 周 力 在 汽 车 主 减 速 器 齿 轮 的 表 面 耐 磨 性 , 常 常 用 其 在 轮 齿 上 的 假 定 单 位 压 力 即 单 位 齿 长 圆 周 力 来 估 算 , 即 N mm (3-7) 2bPp 式 中 P作 用 在 齿 轮 上 的 圆 周 力 , 按 发 动 机 最 大 转 矩 Temax 和 最 大 附 着 力 矩 两 种 载 荷 工 况 进 行 计 算 , N; rG2 从 动 齿 轮 的 齿 面 宽 , 在 此 取 32mm. 2b 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计(论文) 12 按 发 动 机 最 大 转 矩 计 算 时 : N mm ( 3-21 3max0bdiTpge 8) 式 中 发 动 机 输 出 的 最 大 转 矩 , 在 此 取 380 ;maxeT mN 变 速 器 的 传 动 比 ;gi 主 动 齿 轮 节 圆 直 径 , 在 此 取 88mm.1d 按 上 式 N mm09.1684327p 按 最 大 附 着 力 矩 计 算 时 : N mm ( 3-2 310bdrGp 9) 式 中 汽 车 满 载 时 一 个 驱 动 桥 给 水 平 地 面 的 最 大 负 荷 , 在 此 取2 5474N; 轮 胎 与 地 面 的 附 着 系 数 , 在 此 取 0.85: 轮 胎 的 滚 动 半 径 , 在 此 取 0.46mr 按 上 式 =727 N mm329146.08547 3p 在 现 代 汽 车 的 设 计 中 , 由 于 材 质 及 加 工 工 艺 等 制 造 质 量 的 提 高 , 单 位 齿 长 上 的 圆 周 力 有 时 提 高 许 用 数 据 的 20% 25%。 经 验 算 以 上 两 数 据 都 在 许 用 范 围 内 。 其 中 上 述 两 种 方 法 计 算 用 的 许 用 单 位 齿 长 上 的 圆 周 力 p都 为 1400N/mm2 ( 2) 轮 齿 的 弯 曲 强 度 计 算 汽 车 主 减 速 器 锥 齿 轮 的 齿 根 弯 曲 应 力 为 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计(论文) 13 N/ ( 3-JmzbKTvs203122m 10) 式 中 该 齿 轮 的 计 算 转 矩 , Nm;T 超 载 系 数 ; 在 此 取 1.00K 尺 寸 系 数 , 反 映 材 料 的 不 均 匀 性 , 与 齿 轮 尺 寸 和 热 处 理 有 关 ,s 当 时 , , 在 此 0.776.14.25Ks4259sK 载 荷 分 配 系 数 , 当 两 个 齿 轮 均 用 悬 臂 式 支 承 型 式 时 ,mK 1.00 1.10 式 式 支 承 时 取 1.10 1.25。 支 承 刚 度 大 时 取 最 小 值 。 质 量 系 数 , 对 于 汽 车 驱 动 桥 齿 轮 , 当 齿 轮 接 触 良 好 , 周 节 及v 径 向 跳 动 精 度 高 时 , 可 取 1.0; 计 算 齿 轮 的 齿 面 宽 , mm;b 计 算 齿 轮 的 齿 数 ;z 端 面 模 数 , mm;m 计 算 弯 曲 应 力 的 综 合 系 数 ( 或 几 何 系 数 ) , 它 综 合 考 虑 了 齿 形J 系 数 。 载 荷 作 用 点 的 位 置 、 载 荷 在 齿 间 的 分 布 、 有 效 齿 面 宽 、 应 力 集 中 系 数 及 惯 性 系 数 等 对 弯 曲 应 力 计 算 的 影 响 。 计 算 弯 曲 应 力 时 本 应 采 用 轮 齿 中 点 圆 周 力 与 中 点 端 面 模 数 , 今 用 大 端 模 数 , 而 在 综 合 系 数 中 进 行 修 正 。 按 图 2-1 选 取 大 齿 轮 0.182。J 按 上 式 =34 N/ , 故 轴 承 符 合 使 用 要 求 。 hL5.21LhL ( 2) 对 于 轴 承 B, 在 此 并 不 是 一 个 轴 承 , 而 是 一 对 轴 承 , 对 于 成 对 安 装 的 轴 承 组 的 计 算 当 量 载 荷 时 径 向 动 载 荷 系 数 X 和 轴 向 动 载 荷 系 数 Y 值 按 双 列 轴 承 选 用 , e 值 与 单 列 轴 承 相 同 。 在 此 选 用 7514E 型 轴 承 。 在 此 径 向 力 R=13364N 轴 向 力 A=20202N, 所 以 =1.513076.9 h=hL n60105.68720L 所 以 轴 承 符 合 使 用 要 求 。 对 于 从 动 齿 轮 的 轴 承 C, D 的 径 向 力 计 算 公 式 见 式 ( 3-19) 和 式 ( 3- 20) 已 知 F=25450N, =14000N, =6000N, a=410mm, b=160mm.c=250mmaZRZF 所 以 , 轴 承 C 的 径 向 力 : = =1040.3NcR22 8.95.25 轴 承 D 的 径 向 力 : = =2310.5N2 .46.00410 轴 承 C, D 均 采 用 7315E, 其 额 定 动 载 荷 Cr 为 134097N ( 3) 对 于 轴 承 C, 轴 向 力 A=9662N, 径 向 力 R=10401.3N, 并 且 =0.93 e, 在 此 e 值 为 1.5tana 约 为 0.402, 由 机 械 设 计 中 表 18.7RA 可 查 得 X=0.4, Y=0.4cota=1.6。 所 以 Q= =1.2(0.49662 1.610401.3)=24608.256N 。fd 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计(论文) 23 = = =2896 3 hhL QCrn16703105.246789.1370L 所 以 轴 承 C 满 足 使 用 要 求 。 ( 4) 对 于 轴 承 D, 轴 向 力 A=0N, 径 向 力 R=2310.5N, 并 且 =.4187 eRA 由 机 械 设 计 中 表 18.7 可 查 得 X=0.4, Y=0.4cota=1.6。 所 以 Q= =1.2(1.623100.5)=44352.96NYRXAfd = = =4064.8 h hL QCrn701.789.L 所 以 轴 承 D 满 足 使 用 要 求 。 此 节 计 算 内 容 参 考 了 汽 车 车 桥 设 计 和 汽 车 设 计 关 于 主 减 速 器 的 有 关 计 算 。 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计(论文) 24 第 4 章 差 速 器 设 计 4.1 对 称 式 圆 锥 行 星 齿 轮 差 速 器 的 差 速 原 理 图 4-1 差 速 器 差 速 原 理 如 图 4-1 所 示 , 对 称 式 锥 齿 轮 差 速 器 是 一 种 行 星 齿 轮 机 构 。 差 速 器 壳 3 与 行 星 齿 轮 轴 5 连 成 一 体 , 形 成 行 星 架 。 因 为 它 又 与 主 减 速 器 从 动 齿 轮 6 固 连 在 一 起 , 固 为 主 动 件 , 设 其 角 速 度 为 ; 半 轴 齿 轮 1 和 2 为 从 动 件 其 角 速 度 为 和 。 A、 B 两 点 分 别 为 行 星 齿 轮 4 与 半 轴 齿 轮 1 和 2 的 啮 合 点 。 行 星 齿 轮 的 中 心 点 为 C, A、 B、 C 三 点 到 差 速 器 旋 转 轴 线 的 距 离 均 为 。r 当 行 星 齿 轮 只 是 随 同 行 星 架 绕 差 速 器 旋 转 轴 线 公 转 时 , 显 然 , 处 在 同 一 半 径 上 的 A、 B、 C 三 点 的 圆 周 速 度 都 相 等 ( 图 4-1) , 其 值 为 。 于 是 , 即 差 速 器 不 起 差 速 作 用 , 而 半 轴 角 速 度 等 于 差 速 器 壳 3 的 角 速 度 。 当 行 星 齿 轮 4 除 公 转 外 , 还 绕 本 身 的 轴 5 以 角 速 度 自 转 时 ( 图 ) , 啮 合 点 A 的 圆 周 速 度 为 。 啮 合 点 B 的 圆 周 速 度 为 。 于 是 + =( + ) +( - )1r20r40r421 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计(论文) 25 即 + =2 ( 4-10 1) 若 角 速 度 以 每 分 钟 转 数 表 示 , 则n ( 4-2)021 式 ( 4-2) 为 两 半 轴 齿 轮 直 径 相 等 的 对 称 式 圆 锥 齿 轮 差 速 器 的 运 动 特 征 方 程 式 , 它 表 明 左 右 两 侧 半 轴 齿 轮 的 转 速 之 和 等 于 差 速 器 壳 转 速 的 两 倍 , 而 与 行 星 齿 轮 转 速 无 关 。 因 此 在 汽 车 转 弯 行 驶 或 其 它 行 驶 情 况 下 , 都 可 以 借 行 星 齿 轮 以 相 应 转 速 自 转 , 使 两 侧 驱 动 车 轮 以 不 同 转 速 在 地 面 上 滚 动 而 无 滑 动 。 有 式 ( 4-2) 还 可 以 得 知 : 当 任 何 一 侧 半 轴 齿 轮 的 转 速 为 零 时 , 另 一 侧 半 轴 齿 轮 的 转 速 为 差 速 器 壳 转 速 的 两 倍 ; 当 差 速 器 壳 的 转 速 为 零 ( 例 如 中 央 制 动 器 制 动 传 动 轴 时 ) , 若 一 侧 半 轴 齿 轮 受 其 它 外 来 力 矩 而 转 动 , 则 另 一 侧 半 轴 齿 轮 即 以 相 同 的 转 速 反 向 转 动 。 4.2 对 称 式 圆 锥 行 星 齿 轮 差 速 器 的 结 构 普 通 的 对 称 式 圆 锥 齿 轮 差 速 器 由 差 速 器 左 右 壳 , 两 个 半 轴 齿 轮 , 四 个 行 星 齿 轮 , 行 星 齿 轮 轴 , 半 轴 齿 轮 垫 片 及 行 星 齿 轮 垫 片 等 组 成 。 如 图 4-2 所 示 。 由 于 其 具 有 结 构 简 单 、 工 作 平 稳 、 制 造 方 便 、 用 于 公 路 汽 车 上 也 很 可 靠 等 优 点 , 故 广 泛 用 于 各 类 车 辆 上 。 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计(论文) 26 图 4-2 普 通 的 对 称 式 圆 锥 行 星 齿 轮 差 速 器 1, 12-轴 承 ; 2-螺 母 ; 3, 14-锁 止 垫 片 ; 4-差 速 器 左 壳 ; 5, 13-螺 栓 ; 6-半 轴 齿 轮 片 ; 7-半 轴 齿 轮 ; 8-行 星 齿 轮 轴 ; 9-行 星 齿 轮 ; 10-行 星 齿 轮 垫 片 ; 11-差 速 器 右 壳 4.3 对 称 式 圆 锥 行 星 齿 轮 差 速 器 的 设 计 由 于 在 差 速 器 壳 上 装 着 主 减 速 器 从 动 齿 轮 , 所 以 在 确 定 主 减 速 器 从 动 齿 轮 尺 寸 时 , 应 考 虑 差 速 器 的 安 装 。 差 速 器 的 轮 廓 尺 寸 也 受 到 主 减 速 器 从 动 齿 轮 轴 承 支 承 座 及 主 动 齿 轮 导 向 轴 承 座 的 限 制 。 4.3.1 差 速 器 齿 轮 的 基 本 参 数 的 选 择 4.3.1.1 行 星 齿 轮 数 目 的 选 择 载 货 汽 车 采 用 4 个 行 星 齿 轮 。 4.3.1.2 行 星 齿 轮 球 面 半 径 的 确 定BR 圆 锥 行 星 齿 轮 差 速 器 的 结 构 尺 寸 , 通 常 取 决 于 行 星 齿 轮 的 背 面 的 球 面 半 径 , 它 就 是 行 星 齿 轮 的 安 装 尺 寸 , 实 际 上 代 表 了 差 速 器 圆 锥 齿 轮 的 节 锥 距 ,BR 因 此 在 一 定 程 度 上 也 表 征 了 差 速 器 的 强 度 。 球 面 半 径 可 按 如 下 的 经 验 公 式 确 定 :BR mm (4-3) 3TKB 式 中 行 星 齿 轮 球 面 半 径 系 数 , 可 取 3.52 3.99, 对 于 有 4 个 行 星K 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计(论文) 27 齿 轮 的 载 货 汽 车 取 小 值 ; T计 算 转 矩 , 取 Tce 和 Tcs 的 较 小 值 , Nm. 根 据 上 式 =2.6 =76mm 所 以 预 选 其 节 锥 距 A =75mmBR3180 4.3.1.3 行 星 齿 轮 与 半 轴 齿 轮 的 选 择 为 了 获 得 较 大 的 模 数 从 而 使 齿 轮 有 较 高 的 强 度 , 应 使 行 星 齿 轮 的 齿 数 尽 量 少 。 但 一 般 不 少 于 10。 半 轴 齿 轮 的 齿 数 采 用 14 25, 大 多 数 汽 车 的 半 轴 齿 轮 与 行 星 齿 轮 的 齿 数 比 / 在 1.5 2.0 的 范 围 内 。z2 差 速 器 的 各 个 行 星 齿 轮 与 两 个 半 轴 齿 轮 是 同 时 啮 合 的 , 因 此 , 在 确 定 这 两 种 齿 轮 齿 数 时 , 应 考 虑 它 们 之 间 的 装 配 关 系 , 在 任 何 圆 锥 行 星 齿 轮 式 差 速 器 中 , 左 右 两 半 轴 齿 轮 的 齿 数 , 之 和 必 须 能 被 行 星 齿 轮 的 数 目Lz2R 所 整 除 , 以 便 行 星 齿 轮 能 均 匀 地 分 布 于 半 轴 齿 轮 的 轴 线 周 围 , 否 则 , 差 速 器 将 无 法 安 装 , 即 应 满 足 的 安 装 条 件 为 : ( 4-InzRL2 4) 式 中 : , 左 右 半 轴 齿 轮 的 齿 数 , 对 于 对 称 式 圆 锥 齿 轮 差 速 器 来Lz2R 说 , = 行 星 齿 轮 数 目 ;n 任 意 整 数 。I 在 此 =12, =20 满 足 以 上 要 求 。z 4.3.1.4 差 速 器 圆 锥 齿 轮 模 数 及 半 轴 齿 轮 节 圆 直 径 的 初 步 确 定 首 先 初 步 求 出 行 星 齿 轮 与 半 轴 齿 轮 的 节 锥 角 ,12 = =31 =90- =59211arctnz0rta 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计(论文) 28 再 按 下 式 初 步 求 出 圆 锥 齿 轮 的 大 端 端 面 模 数 m m= = = =610sin2zA20siz31sin75 由 于 强 度 的 要 求 在 此 取 m=10mm, 得 =72mm , =620=120mm61d2zd 4.3.1.5 压 力 角 目 前 , 汽 车 差 速 器 的 齿 轮 大 都 采 用 22.5的 压 力 角 , 齿 高 系 数 为 0.8。 最 小 齿 数 可 减 少 到 10, 并 且 在 小 齿 轮 ( 行 星 齿 轮 ) 齿 顶 不 变 尖 的 条 件 下 , 还 可 以 由 切 向 修 正 加 大 半 轴 齿 轮 的 齿 厚 , 从 而 使 行 星 齿 轮 与 半 轴 齿 轮 趋 于 等 强 度 。 由 于 这 种 齿 形 的 最 小 齿 数 比 压 力 角 为 20的 少 , 故 可 以 用 较 大 的 模 数 以 提 高 轮 齿 的 强 度 。 在 此 选 22.3的 压 力 角 。 4.3.1.6 行 星 齿 轮 安 装 孔 的 直 径 及 其 深 度 L 行 星 齿 轮 的 安 装 孔 的 直 径 与 行 星 齿 轮 轴 的 名 义 尺 寸 相 同 , 而 行 星 齿 轮 的 安 装 孔 的 深 度 就 是 行 星 齿 轮 在 其 轴 上 的 支 承 长 度 , 通 常 取 : 1.L nlTc 302 ( 4-5)lc1.30 式 中 : 差 速 器 传 递 的 转 矩 , Nm; 在 此 取 16768Nm0T 行 星 齿 轮 的 数 目 ; 在 此 为 4n 行 星 齿 轮 支 承 面 中 点 至 锥 顶 的 距 离 , mm, 0.5d , d 为l l2 半 轴 齿 轮 齿 面 宽 中 点 处 的 直 径 , 而 d 0.8 ;2 支 承 面 的 许 用 挤 压 应 力 , 在 此 取 69 MPac 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计(论文) 29 根 据 上 式 =96mm =0.596=48mm1208.2dl 34mm 37mm7.51.L 4.3.2 差 速 器 齿 轮 的
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