二级圆锥—圆柱齿轮减速器的设计

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1、一、设计任务1.设计题目：二级圆锥圆柱齿轮减速器2.原始数据：运输带拉力 F=3000N，运输带速度 ，滚筒直径 D=280mm 3.设计内容：（1）设计说明书（一份）（2）减速器装配图（1张）（3）减速器零件图（不低于2张）4.系统简图：5.工作条件：连续单向运转，载荷较平稳，两班制。环境最高温度350C；允许运输带速度误差为5%，小批量生产。6.设计进度：1) 第一阶段：总体计算和传动件参数计算2) 第二阶段：轴与轴系零件的设计3) 第三阶段：轴、轴承、联轴器、键的校核及草图绘制4) 第四阶段：装配图、零件图的绘制及计算说明书的编写2、 传动方案的拟定 为了确定传动方案，可根据已知条件算出

2、工作机滚筒的转速为 若选用同步转速为1500r/min或1000r/min的电动机，则可估算出传动装置的总传动比i约为30或20。根据这个传动比及工作条件可有图1所示的三种传动方案。对这三种传动方案进行分析比较可知：方案（a）因使用带传动使传动装置的外形尺寸大；方案（b）因齿轮的转速高，减速器的尺寸小，链传动的尺寸也较紧；方案（c）减速器的尺寸也较小，但若开式齿轮的传动比较小，中心距较短，可能会使滚筒与开式小齿轮轴相干涉。从尺寸紧凑来看，应选用方案（b）；若对尺寸要求不高，则方案（a）也可采用；若传动比较大，则方案（c）为好。 (b)3、 选择电动机和计算运动参数(一) 电动机的选择1. 计算

3、带式运输机所需的功率：P=2.4kw2. 各机械传动效率的参数选择：=0.99（弹性联轴器）， =0.98（圆锥滚子轴承），=0.97（圆锥齿轮传动），=0.98（圆柱齿轮传动），=0.96（卷筒）.所以总传动效率：= = =0.8253. 计算电动机的输出功率：=kw2.91kw选取额定功率为3kw。4. 确定电动机转速：选择常用的同步转速电动机为 1000r/min，1500r/min。，电动机选择如表1所示 表1型号额定功率/kw同步转速r/min满载转速r/min总传动比i轴径D/mm伸出长E/mmY100L2-431500143026.192860Y132S-63100096017.

4、593880考虑电动机和传动装置的尺寸、价格、及结构紧凑和 满足锥齿轮传动比关系（），故首先选择1000r/min。(二) 计算传动比：1. 总传动比：根据机械设计课程设计知链传动传动比，则减速器总传动比为2. 传动比的分配：，=3，成立。 =4(三) 计算各轴的转速： 轴 轴 轴 (四) 计算各轴的输入功率： 轴 轴 轴 =2.7390.980.98=2.631kw 卷筒轴 (五) 各轴的输入转矩电动机轴的输出转矩故轴 轴 轴 卷筒轴 将上述结果列入表2中： 表2 轴号转速n/(r/min)功率P/(kw)转矩T/()传动比 960 2.881 28.6601.46 657.53 2.739

5、 39.781 4 164.38 2.631 152.853 卷筒轴 164.38 2.553 148.322 1四、高速轴齿轮传动的设计（一）选定高速级齿轮类型、精度等级、材料及齿数1. 按传动方案选用直齿圆锥齿轮传动2. 选用7级精度。3. 材料选择 由机械设计第八版西北工业大学机械原理及机械零件教研室编著的教材 表101选择小齿轮材料和大齿轮材料如下： 表 3齿轮型号材料牌号热处理方法强度极限屈服极限硬度（HBS）平均硬度（HBS）齿芯部齿面部小齿轮45调质处理650360217255236大齿轮45正火处理580290162217189.5二者硬度差约为45HBS。4. 选择小齿轮齿数

6、25，则：，取。实际齿比5. 确定当量齿数 ， 。（二）按齿面接触疲劳强度设计 1. 确定公式内的数值1) 试选载荷系数2) 教材表106查得材料弹性系数（大小齿轮均采用锻钢）3) 小齿轮传递转矩 4) 锥齿轮传动齿宽系数。5) 教材1021d图按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限；1021c图按齿面硬度查得大齿轮接触疲劳强度极限。6) 按式(1013)计算应力循环次数；7) 查教材1019图接触疲劳寿命系数，。8) 计算接触疲劳许用应力 取失效概率为1%，安全系数为S=1，则 = 2. 计算1) 计算小齿轮分度圆直径（由于小齿轮更容易失效故按小齿轮设计） = =71.677 mm2) 计算

7、圆周速度 3) 计算齿宽b及模数 mm 4) 齿高 5) 计算载荷系数K：由教材102表查得：使用系数使用系数=1； 根据v=3.601m/s 、8级精度，由108图查得：动载系数=1.17； 由103表查得：齿间载荷分配系数=；取轴承系数 =1，齿向载荷分布系数=所以：6) 按实际载荷系数校正所算得分度圆直径 7) 计算模数： mm（三）按齿根弯曲疲劳强度设计m1. 确定计算参数1) 计算载荷2) 查取齿数系数及应了校正系数 由教材105表得：， ； ， 。3) 教材1020图c按齿面硬度查得小齿轮的弯曲疲劳极限 ；教材1020图b按齿面硬度查得大齿轮的弯曲疲劳强度极限 。4) 教材1018

8、图查得弯曲疲劳寿命系数 。5) 计算弯曲疲劳许用应力 取弯曲疲劳安全系数 S=1.4 。 6) 计算大小齿轮的并加以比较， = ， ，大齿轮的数值大，将大齿轮的数值代入计算公式中才能满足抗弯矩强度较弱的那个齿轮的要求。2. 计算（按大齿轮） = =2.655mm对比计算结果，由齿面接触疲劳计算的模m=3.285大于由齿根弯曲疲劳强度的模数m=2.655，又有齿轮模数m的大小要有弯曲强度觉定的承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力仅与齿轮直径有关。所以可取弯曲强度算得的模数2.655 mm并就近圆整为标准值 mm，而按接触强度算得分度圆直径=82.128mm重新修正齿轮齿数，,取整，则，为

9、了使各个相啮合齿对磨损均匀，传动平稳，一般应互为质数。故取整。则实际传动比，与原传动比相差2.2%，且在误差范围内。（四）计算大小齿轮的基本几何尺寸1. 分度圆锥角：1) 小齿轮 2) 大齿轮 2. 分度圆直径：1) 小齿轮 2) 大齿轮 3. 齿顶高 4. 齿根高 5. 齿顶圆直径：1) 小齿轮 2) 大齿轮 6. 齿根圆直径：1) 小齿轮 2) 大齿轮 7. 锥距 8. 齿宽 ，（取整）b=25mm。则：圆整后小齿宽 ，大齿宽 。9. 当量齿数 ，10. 分度圆齿厚 11. 修正计算结果：1) ，再根据8级精度按教材108图查得：动载系数=1.18；由103表查得：齿间载荷分配系数=；取轴

10、承系数 =1.25，齿向载荷分布系数=2)3) 校核分度圆直径 = =94.0654) 由教材105表查得：， ； ，。5) 计算大小齿轮的并加以比较： = ， 大齿轮的数值大，按大齿轮校核。6) = =2.399mm实际，均大于计算的要求值，故齿轮的强度足够。 （五）齿轮结构设计 小齿轮1由于直径小，采用实体结构；大齿轮2采用孔板式结构，结构尺寸按经验公式和后续设计的中间轴配合段直径计算，见下表4；大齿轮2结构草图如图。高速级齿轮传动的尺寸见表5 大锥齿轮结构 草图 表4 大锥齿轮结构尺寸 名称结构尺寸及经验公式计算值锥角锥距R77.807mm轮缘厚度11mm 大端齿顶圆直径135mm榖空直

11、径D由轴设计而定 50mm轮毂直径 80mm轮毂宽度L取55mm腹板最大直径由结构确定160mm板孔分布圆直径 120mm板孔直径由结构确定 12mm腹板厚度 18mm 表5 高速级锥齿轮传动尺寸名称计算公式计算值法面模数3 mm锥角齿数2943传动比1.483分度圆直径87mm129mm齿顶圆直径 91.975mm132.355mm齿根圆直径81.03mm124.974mm锥距 77.799mm齿宽30mm25mm齿根角分锥角根锥角五、低速级圆柱齿轮传动的设计（一）选定齿轮类型精度等级材料及齿数1. 按传动方案选用斜齿圆柱齿轮传动（斜齿圆柱齿轮能抵消一部分锥齿轮的轴向力）。2. 经一级减速后

12、二级速度不高，故用8级精度。3. 齿轮材料及热处理齿轮型号材料牌号热处理方法强度极限屈服极限硬度（HBS）平均硬度（HBS）齿芯部齿面部小齿轮45调质处理650360217255236大齿轮45正火处理580290162217190二者材料平均硬度差为46HBS。4. 齿数选择 选小齿轮齿数，根据高速级传动比，得低速级传动比，则大齿轮齿数，取。 实际传动比 传动比误差，在允许误差范围内。5. 选取螺旋角。初选螺旋角=20。（二） 按齿面接触强度设计1. 确定各参数的值:1) 试选载荷系数=1.62) 计算小齿轮传递的扭矩。 3) 查课本表10-7选取齿宽系数。4) 查课本表10-6得材料的弹性

13、影响系数。5) 教材图1021d按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限；图1021c按齿面硬度查得大齿轮接触疲劳强度极限。6) 按公式(1013)计算应力循环次数；7) 查课本图10-30 选取区域系数 Z=2.435。8) 查课本图10-26 得，则。9) 查教材图1019接触疲劳寿命系数，。10) 计算接触疲劳许用应力 取失效概率为1%，安全系数为S=1，则 = =1.232. 计算1) 试算小齿轮分度圆直径，由计算公式得 2) 计算圆周速度 3) 计算齿宽b和模数 4) 齿高 5) 计算纵向重合度 6) 计算载荷系数K 由教材表10-2知使用系数；根据，8级精度，查课本图10-8得动载系

14、数；查课本表10-4得K=1.419；查课本图10-13得；查课本表10-3得。 故载荷系数 7) 按实际载荷系数校正所算得的分度圆直径 8) 计算模数=（三） 按齿根弯曲强度设计1. 确定计算参数1) 计算载荷系数 2) 小齿轮传递的扭矩3) 根据纵向重合度，查课本图10-28得螺旋角影响系数=0.84。4) 计算当量齿数 5) 计算弯曲疲劳许用应力 查课本图10-20c得齿轮弯曲疲劳强度极限。 查课本图10-18得弯曲疲劳寿命系数。 取弯曲疲劳安全系数S=1.4，则 6) 查取齿形系数和应力校正系数 查课本表10-5得。7) 计算大小齿轮的并加以比较 大齿轮的数值大，选用大齿轮。2. 设计

15、计算 对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的法面模数大于由齿根弯曲疲劳强度计算的法面模数，又有齿轮模数m的大小要有弯曲强度觉定的承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力仅与齿轮直径有关，所以可取弯曲强度算得的模数1.371 mm并就近圆整为标准值，而按接触强度算得分度圆直径重新修正齿轮齿数， ,取整，则，为了使各个相啮合齿对磨损均匀，传动平稳取整。实际传动比，相差4.3%5%。3. 几何尺寸计算1) 计算中心距 将中心距圆整为160mm。2) 按圆整后的中心距修正螺旋角因值改变不多,故参数,等不必修正。3) 计算大小齿轮的分度圆直径4) 计算齿轮宽度 圆整后取小齿轮，大齿轮。4. 校核，同

16、高速级齿轮一样，（略）。5. 齿轮结构设计 小齿轮3由于直径小，采用齿轮轴结构；大齿轮5采用孔板式结构，结构尺寸按经验公式和后续设计的中间轴配合段直径计算，大斜齿圆柱齿轮见下表5；大齿轮4结构草图如上图。低速级圆柱斜齿轮传动尺寸见下表6。 大斜齿轮结构草图 第 32 页 共 32 页 表5 斜齿大圆柱齿轮结构尺寸名称结构尺寸经验计算公式计算值榖空直径d由轴设计而定d=d轴50mm轮毂直径80mm轮毂宽度L65mm（取为与齿宽相等）腹板最大直径268mm板孔分布圆直径174mm板孔直径（4765.8）mm腹板厚度C18mm表6 低速级圆柱斜齿轮传动尺寸名称计算公式计算值法面模数2.5mm法面压力

17、角螺旋角齿数2397传动比4.217分度圆直径61.828mm260.753mm齿顶圆直径66.828mm265.753mm齿根圆直径55.758mm254.503mm中心距 160mm齿宽70mm65mm六、设计轴的尺寸并校核(一）轴材料选择和最小直径估算 轴采用材料45钢，进行调质处理。由教材表15-3知许用应力确定的系数103，取高速轴 ，中间轴，低速轴。按扭转强度初定该轴的最小直径 ，即： （当轴段截面处有一个键槽，就将计数值加大5%7%，当两个键槽时将数值增大到10%15%）。1. 高速轴：，因高速轴安装联轴器有一键槽，则：。对于连接电动机和减速器高速轴的联轴器，为了减少启动转矩，其

18、联轴器应具有较小的转动惯量和良好的减震性能，故采用HL型弹性柱销联轴器（GB/T50142003）。1) 联轴器传递的名义转矩=9550计算转矩 （K为带式运输机工作系数，K=1.251.5, 取K=1.5 ）。2) 根据步骤1、2 和电机直径d电机= 28 mm，则选取HL3型联轴器。其中：公称转矩,许用转速，半联轴器孔直径 d=35mm半联轴器长度为82mm，半联轴器与轴配合的縠孔长度为60mm。3) 确定轴的最小直径。根据d轴=（0.81.2）d电机，所以。取2. 中间轴：。该处轴有一键槽，则：，另考虑该处轴径尺寸应大于高速级轴颈处直径，取 。3. 低速轴：。考虑该处有一联轴器和大斜齿圆

19、柱齿轮，有两个键槽，则：，取整：。（二）轴的结构设计 根据轴上零件的结构、定位、装配关系、轴向宽度及零件间的相对位置等要求，参考表4-1、图4-24（机械设计课程设计第3版哈尔滨理工大学出版社），初步设计轴草图如下A. 高速轴的结构设计 高速轴轴系的结构如图上图所示。1) 各轴段直径的确定 1）：最小直径，安装与电动机相连联轴器的轴向外伸轴段，半联轴器与轴的縠孔长度,取。 2）：为了满足半联轴器的轴向定位要求，1-2轴段各端需制出一轴肩，故取-段直径，由箱体结构、轴承端盖、装配关系等确定。 3）轴承处轴段：初步选定圆锥滚子轴承，因轴承同时承有径向力和轴向力的作用，故选单列圆锥滚子轴承。参照工作

20、要求并根据，由轴承产品目录中初步选取0基本游隙组，标准精度级的单列圆锥滚子轴承选用型号为30310，其主要参数为：,B=25mm,C=22mm,所以取其直径，。 4）轴环段：取，由装配关系、箱体结构确定。 5）轴承处根据轴承取，。 6)小锥齿轮处取，。 7）周向定位和圆角、倒角尺寸 两个键槽均采用普通平键bXh=10X8，左边取l=48mm，右边取l=28mm；轴承内圈与轴选用过渡配合，尺寸公差选用m6，齿轮轮毂与轴的配合选用。 端部倒角2X2，其他圆角取R1.6B. 中间轴直径长度确定1）初步选定圆锥滚子轴承，因轴承同时承有径向力和轴向力的作用，故选单列圆锥滚子轴承。参照工作要求并根据=40

21、mm，由课程设计表12.4轴承产品目录中初步选取0基本游隙组，标准精度级的单列圆锥滚子轴承选用型号为30309，其主要参数为：d=45，D=100，T=27.25mm,B=25mm,C=22mm,所以取其直径45mm。 2）因为安装小斜齿轮为齿轮轴，其齿宽为70mm，直径为66.828mm，所以长70mm直径66.828mm。 3)轴的轴环段直径60mm，长10mm。 4）周向定位和圆角、倒角尺寸 采用普通平键bXh=10X8，取l=42mm；轴承内圈与轴选用过渡配合，尺寸公差选用m6，齿轮轮毂与轴的配合选用。 端部倒角2X2，其他圆角取R1.6C. 输出轴长度、直径设置。1）初步选定圆锥滚子

22、轴承，因轴承同时承有径向力和轴向力的作用，故选单列圆锥滚子轴承。参照工作要求并根据=35mm，由轴承产品目录中初步选取0基本游隙组，标准精度级的单列圆锥滚子轴承选用型号为30309，其主要参数为：d=45，D=100，T=27.25mm,B=25mm,C=22mm,所以取其直径45mm。 2）因为安装大斜齿轮，其齿宽为65mm，所以长72mm直径50mm。 3)轴的轴环段直径60mm，长10mm。 4）过渡轴直径50mm 长度92mm 5）轴承端直径45mm，长度36mm 6）箱盖密封轴直径40，轴承端盖的总宽度为20mm（由减速器及轴承端盖的结构设计而定），根据轴承端盖的拆装及便于对轴承添加

23、润滑脂的要求，取端盖的外端面与半联轴器右端面的距离L=30mm，故取长度为50mm 7)选择联轴器的直径35mm，半联轴器与轴配合的縠孔长度为82mm，故取长度为82mm。 8）周向定位和圆角、倒角尺寸 两个键槽均采用普通平键bXh=10X8，左边取l=60mm，右边取l=72mm；轴承内圈与轴选用过渡配合，尺寸公差选用m6，齿轮轮毂与轴的配合选用。 端部倒角2X2，其他圆角取R1.6（三）、轴的校核(输出轴)1、 按弯扭合成应力校核轴的强度 分析该轴的弯矩和扭矩图以及轴的结构后可知，齿轮的中间位置处应力最大，但是无应力集中，综合考虑后，校核截面6。参照机械设计第四版（高等教育出版社）P318

24、的计算方法，计算出截面6的Mxz、Mxy和M合载荷xz平面xy平面支反力弯矩总弯矩扭矩1)按弯扭合成应力校核轴的强度取 前已选定轴的材料为45钢，调质处理，查表可知许用弯曲应力，故安全。2、 精确校核轴的疲劳强度（校核截面4的左右两侧）（1）截面4左侧抗弯截面系数 抗扭截面系数 截面4左侧的弯矩M为 截面4上的扭矩T3为 截面上的弯曲应力 截面上的扭转应力 轴的材料为45钢，调质处理。由表15-1得。截面上由于轴肩而形成的理论应力集中系数按附表3-2查得。因经差值后的 ，又由附图3-1得轴的材料敏性系数为 故有效应力集中系数按式（附表3-4)为 由附图3-2的尺寸系数；由附图3-3得扭转尺寸系

25、数按磨削加工，由附图3-4得表面质量系数为轴未经表面强化处理，即，则按式（3-12）及（3-12a)得综合系数为 又由3-1及3-2节得碳钢的特性系数 于是，计算安全系数的值，按式（15-6）和（15-8）得 故可知其安全。（2）截面4右侧抗弯截面系数 抗扭截面系数 截面4左侧的弯矩M为 截面4上的扭矩T3为 截面上的弯曲应力 截面上的扭转应力 过盈配合处的，由附表3-8用差值法求出，并取，于是得 ，按磨削加工，由附图3-4得表面质量系数为轴未经表面强化处理，即，则按式（3-12）及（3-12a)得综合系数为 于是，计算安全系数的值，按式（15-6）和（15-8）得 故可知其安全。3、校核高速

26、轴及输出轴 校核该轴与中间轴方法一样，故步骤省略。经校核后，两轴强度足够。七、滚动轴承的选择及计算1. 输入轴滚动轴承计算初步选择滚动轴承，由机械设计（机械设计基础）课程设计表15-7中初步选取0基本游隙组，标准精度级的单列圆锥滚子轴承30310，其尺寸为， 2. 中间轴和输出轴轴滚动轴承计算初步选择滚动轴承，由机械设计（机械设计基础）课程设计表15-7中初步选取0基本游隙组，标准精度级的单列圆锥滚子轴承30309，其尺寸为 基本额定载荷C=108000N，基本额定静载荷C0=130000N。 （1）求两轴承受到的径向载荷 所以 （2） 求两轴承的计算轴向力 取。（3） 求轴承当量动载荷因为

27、由表13-5分别进行差值计算得径向载荷系数和轴向载荷系数为 按表13-6得，。 则 （4） 验算轴承寿命因为，按轴承2的受力大小验算 满足要求。八、键联接的选择及校核计算1. 输入轴键计算校核联轴器处的键连接，该处选用普通平键尺寸为，接触长度。2. 中间轴键计算校核联轴器处的键连接，该处选用普通平键尺寸为。3. 输出轴键计算校核圆柱齿轮处的键连接，该处选用普通平键尺寸为。接触长度。 4. 校核输出轴键连接的强度 键、轴和轮毂的材料都是钢，由表6-2查得键的许用挤压应力，取其平均值。键的工作长度,键与轮毂键槽的接触高度。由式（6-1）可得 故合适。九、联轴器的选择在轴的计算中已选定联轴器型号。1

28、. 输入轴选HL3型弹性柱销联轴器，其公称转矩为630000N，半联轴器的孔径，半联轴器长度，半联轴器与轴配合的毂孔长度为60mm。2. 输出轴选选HL3型弹性柱销联轴器，其公称转矩为630000，半联轴器的孔径，半联轴器长度，半联轴器与轴配合的毂孔长度为60mm。十、润滑与密封齿轮采用浸油润滑，由机械设计（机械设计基础）课程设计表16-1查得选用N220中负荷工业齿轮油（GB5903-86）。当齿轮圆周速度时，圆锥齿轮浸入油的深度约一个齿高，三分之一齿轮半径，大齿轮的齿顶到油底面的距离3050mm。利用齿轮飞溅的油润滑轴承，并通过油槽润滑其他轴上的轴承，且有散热作用，效果较好。密封防止外界的

29、灰尘、水分等侵入轴承，并阻止润滑剂的漏失。十一、设计箱体主要尺寸及数据 表11-1铸铁减速器机体机构尺寸计算表名称符号尺寸关系结果mm机座壁厚0.0125（d1+d2）88机盖壁厚8机座凸缘厚度b1.512机盖凸缘厚度b11.512机座底凸缘厚度P2.520地脚螺钉直径12地脚螺钉数目n44轴承旁连接螺栓直径d10.75 df10机盖机座连接螺栓直径d2(0.50.6)df6连接螺栓d2的间距150200180轴承端盖螺钉直径d3(0.40.5)df 6窥视孔盖螺钉直径d4(0.30.4)df4定位销直径d(0.70.8) d25df d1 d2 至外机壁距离c12020df、d2之凸缘的距离

30、c21818轴承旁凸台半径R199凸台高度h4040外机壁至轴承座端面距离L1c1+c2+(510)40内机壁至轴承座端面距离L258大齿轮顶圆与内机壁距离12齿轮端面与内机壁距离11.5机盖、机座肋厚m1,m2m10.85,m20.857轴承端盖外径D2D+(55.5)d3155轴承端盖凸缘厚度e1.2d38十二、设计小结 这次关于带式运输机上的两级圆锥圆柱齿轮减速器的课程设计是我们真正理论联系实际、深入了解设计概念和设计过程的实践考验，对于提高我们机械设计的综合素质大有用处。通过两个星期的设计实践，使我对机械设计有了更多的了解和认识.为我们以后的工作打下了坚实的基础.机械设计是机械工业的基

31、础,是一门综合性相当强的技术课程，它融机械原理、机械设计、理论力学、材料力学、互换性与技术测量、工程材料、机械设计（机械设计基础）课程设计等于一体。这次的课程设计,对于培养我们理论联系实际的设计思想、训练综合运用机械设计和有关先修课程的理论,结合生产实际反应和解决工程实际问题的能力，巩固、加深和扩展有关机械设计方面的知识等方面有重要的作用。设计中还存在不少错误和缺点，需要继续努力学习和掌握有关机械设计的知识，继续培养设计习惯和思维从而提高设计实践操作能力。十三、参考文献：1濮良贵 纪名刚主编机械设计（第八版）高等教育出版社。2王连明 宋宝玉主编机械设计课程设计（第三版）哈尔滨工业大学出版社。3申永胜主编机械原理教程第二版清华大学出版社。4荣涵锐主编机械设计课程设计简明图册哈尔滨工业大学出版社。5朱辉 曹桄 唐保宁 陈大复等编画法几何及工程制图第六版上海科学技术出版社。6廖念钊 古营菴 莫雨松 李硕根 杨兴骏编著互换性与技术测量第五版中国计量出版社。