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文档简介
⑷进行主减速器主要零部件的零件图绘制。本次设计将采用机绘对主减速器的零件图、装配图进行绘制。所以要对AUTOCAD等软件有一定的掌握。并且参考《机械设计手册》、《汽车设计》、《车辆变速器及驱动驱动桥设计》、《汽车理论》等工具书使本次设计顺利1.4本章小结本章主要围绕后驱主减速器系统展开多方面阐述。首先介绍了汽车行业背景及技术研究,接着详细分析了目前的研究现状,包含国内外。在课题主要研究内容上,从内部因素及外部因素两方面进行阐述。技术路线包括设计需求分析,即了解车辆相关影响因素与遵循设计标准确定参数,为后续进行深入研究与设计提供了全面的理论基础与实践指导框架。
2后驱主减速器总体方案设计2.1主减速器结构方案分析2.1.1单级主减速器单级主减速器一般会采用弧齿锥齿轮或者双曲面齿轮这种传动形式,它传动比的确定要综合考量车辆动力性能和燃油经济性等关键指标,该结构依靠其构造简单、重量比较轻以及生产成本相对较低等优势,适合主减速比不超过7的车型。2.1.2双级主减速器双级主减速器运用两级圆锥齿轮副串联的方式进行结构设计,第一级和第二级都是由圆锥齿轮副组成,这种结构设计有双重技术优势,其一,在保证车辆离地间隙不改变的情况下,可以实现较大的总传动比,传动比范围能达到7到12,其二,因为传动比分配合理,第二级从动齿轮的径向尺寸减小了不少,这有效缩减了主减速器壳体的整体体积,还增大了车辆的离地间隙。通常用于需要大扭矩输出的重型车辆或工程机械。2.2主减速器的齿轮类型选择2.2.1圆柱齿轮圆柱齿轮是机械传动中常见元件,具有传动效率高、精度高、工作平稳、承载能力强、结构简单且制造成本低等优点,能满足机床、重型机械等多种设备的动力传递需求,应用广泛。但它存在无法用于相交或交错轴传动、传递大扭矩时尺寸较大的局限,在其适用场景中仍发挥关键作用。2.2.2弧齿锥齿轮弧齿锥齿轮传动的特点是主从动齿轮的轴线垂直相交于一点。弧齿锥齿轮传动系统的关键特性是其主从动齿轮的轴线处于空间垂直相交的状态,此传动机构有多种啮合特性,该系统可保证至少有两对齿面同时参与到啮合过程当中,有效提高了其载荷承载能力,其啮合过程呈现出渐进式过渡的特点,这种独特的啮合机制切实降低了传动过程里的振动与噪声水平。弧齿锥齿轮主动齿轮与从动齿轮的螺旋角是相等的,β1=β2,r1 2.2.3双曲面齿轮双曲面齿轮传动系统的关键特性表现为主动轮与从动轮的轴线呈现出空间非交错的垂直布置形态,其中主动轮轴线沿着从动轮轴线方向有一定的偏移量E,在此类齿轮副里,主动轮和从动轮的螺旋角有着明显不同,依据啮合接触面法向力平衡的原理,可推导出主从动轮圆周力之间的特定比例关系。F双曲面齿轮的传动比用以下来表示i0=图2.1双曲面齿轮副受力情况2.2.3弧齿锥齿轮与双曲面齿轮比较和弧齿锥齿轮相比,双曲面齿轮在传动性能上有优势,在相同尺寸状况下,双曲面齿轮能达成更高传动比,保持传动比不变,从动齿轮尺寸一样时,双曲面齿轮节圆直径更大,轮齿强度特性更好,主动齿轮轴与轴承系统刚度更强,弧齿锥齿轮运行时有噪声问题,其传动性能对啮合精度和装配精度敏感度高。装配时要施加合适轴承预紧力,提高轴承支撑结构及齿轮箱体刚性,要是没契合上述精度要求,会使齿轮副磨损加重,噪声水平升高。表2-1双曲面齿轮与弧齿锥齿轮优缺点比较特点双曲面齿轮弧齿锥齿轮运转平稳性优良抗弯强度提高30%较底接触强度高较底抗胶合能力较弱强滑动速度大小效率约96%约99%对安装误差的敏感性取决于支撑刚度和刀盘直径同左轴承负荷小齿轮的轴向力大小齿轮的轴向力小通过弧齿锥齿轮与双曲面齿轮的比较,双曲面齿轮工作平稳并且能降低离地间隙,所以本次设计选用双曲面齿轮。2.3主减速器主、从锥齿轮的支承形式主减速器为了使主、从动齿轮处于良好的运行状态,必须保证主、从齿轮有着良好的啮合状况。齿轮的啮合状况还与齿轮本身的加工质量、主减速器壳体的刚度有关。2.3.1主动锥齿轮的支承形式主动锥齿轮的支承形式可分为悬臂式支承和跨置式支承两种悬臂式支承结构将圆锥滚子轴承安装于锥齿轮大端较长轴上。为增强支承刚度,设计时需缩短悬臂长度a、加大支承间距b。跨置式轴承和悬臂式结构设计相比较,它可以有效提高系统支承刚度,并且降低轴承工作载荷,提高齿轮副的整体承载性能,不过该结构在实际运用里存在一定的局限性,主要体现为主从动齿轮间空间布局很紧凑,主动齿轮导向轴承的径向尺寸大多时候受到严格限制,使得轴承安装与拆卸过程比较复杂。在需要传递较大转矩的主减速器应用场景当中,跨置式轴承结构一般被看作是更为优化的。设计方案。图2.2主减速器主动锥齿轮支承形式2.3.2从动锥齿轮的支承形式从动锥齿轮的支承刚度特性主要受到三个关键参数的作用,分别是轴承类型的选择、轴承跨距的设计以及载荷分布的比例,在这些参数中,圆锥滚子轴承凭借其独特的结构特点,成为了该部件较为理想的支承方案。图2.3主减速器从动锥齿轮支承形式2.4本章小结本章围绕后驱主减速器总体方案设计,系统分析了结构方案、齿轮类型及齿轮支承形式等关键内容。在结构方案比选的进程当中,本研究针对单级主减速器和双级主减速器展开了系统的对比分析工作,研究得出的结果显示,运用单对弧齿锥齿轮或者双曲面齿轮传动的单级主减速器方案,于结构紧凑程度、质量轻量化以及制造成本控制等方面呈现出一定优势。适用于主减速比不大于7的汽车;双级主减速器由两级圆锥齿轮副构成,能在保持离地间隙的同时实现大传动比,并缩小从动齿轮尺寸,常用于重型车辆与工程机械。弧齿锥齿轮由于其轴线相互垂直的布置形式以及轮齿间的重叠啮合机制,可提高传动平稳性并降低噪声水平。双曲面齿轮轴线不相交且存在偏移距,传动比更大、轮齿强度更高、轴承刚度更强。通过对比,鉴于双曲面齿轮运转平稳且能降低离地间隙的特性,选定其作为本次设计的齿轮类型,并根据传动比确定采用单级主减速器结构。在针对锥齿轮支承形式展开的系统研究工作里,主动锥齿轮主要呈现出两种典型的支承结构,分别是悬臂式以及跨置式,其中悬臂式支承有结构得以简化的优势,不过它的刚度特性相对而言受到一定限制,更适合应用于低转矩的工况环境,与之相比较,跨置式支承借助采用两端轴承的优化布置方案,使得结构刚度与承载性能有了一定程度的提升,被广泛应用于高转矩传递的场合。对于从动锥齿轮的支承系统而言,圆锥滚子轴承成为了主流的选择,其支承刚度特性主要是由轴承选型、支承跨距以及载荷分布状态等关键参数共同产生的综合影响所决定的。综上,本章通过多维度分析与对比,综合考虑性能需求与工况条件,确定了以双曲面齿轮为核心、单级主减速器为结构形式,并明确主从动齿轮支承方案,为后续设计提供了理论依据与方案基础
3后驱主减速器的基本参数与设计计算3.1主减速比主减速比的设定直接影响主减速器的结构设计、外部尺寸以及质量参数,主减速比的设定对车辆在最高档位运行时的动力输出特性以及燃油消耗效率有着决定性作用。该参数的合理选择要依据整车动力性计算得出的传动系统总传动比,并且贯穿于汽车总体设计的整个过程,为了达成整车性能的最优匹配,为达成车辆动力输出效率以及燃油经济性的最优状态,此项研究运用系统化的优化方式,针对动力总成的关键参数展开协同设计工作。i=0.3770.33参考车型如表3.1所示表3-1i一档传动比4.17p最大功率135kwT最大扭矩300N.mV最高车速233km/hr滚动半径0.33mm汽车总质量2050kgη传动系统效率90%n最大功率转速4500i最高档传动比1ii式中ψ——道路最大阻力系数,一般为0.4~0.7,本次设计取0.4φ所以i0=2,4符合3.2主减速器计算载荷的确定3.2.1主减速器锥齿轮计算载荷的确定采用格里森齿制锥齿计算载荷纷扰三种确定方法(1)按发动机最大转矩和最低档传动比确定从动锥齿轮的计算转矩TT式中TceTeamx—发动机最大使用转矩,N.m,本车为300N—驱动桥数,本车为1;i1—变速器一档传动比,本车为4.17i0—主减速器传动比,本车为2.4—从发动机到主减速器从动齿轮之间的传动效率,为0.9;k—液力变矩器系数,本车没有液力变矩器;kd—动载荷系数,按驱动轮打滑转距确定从动锥齿轮计算转矩TcsT式中TcsG2—满载状态下一个驱动桥上的静负荷,N,本车为15562.4m2,—汽车最大加速度时的后轴负荷转移系数,乘用车取m2φ—轮胎与路面间的附着系数,在良好路面上,φ可取0.85;对于安装了防侧滑轮胎的轿车,φ可取1.25;对于越野车,φ变化较大,一般取1或其它值。本车为0.85;ηmrr—车轮滚动半径m;本车为0.3(3)按日常行驶平均(当量)转矩确定从动锥齿轮计算转矩T性能系数式中,Ga当(0.195Ga/Temax)<16时,取fjT当计算锥齿轮最大应力时,计算转矩Tc应该取前面两种的最小值,即Tc3.2.2主动锥齿轮的计算转矩T式中Tzi0——主减速比;ηG——主、从动锥齿轮间的传动效率,对于双曲面齿轮副,当i0>6时,ηG取主减速器锥齿轮主要参数的选择主、从动锥齿轮齿数的选择为了保证锥齿轮副的啮合性能可得到优化,在确定主、从动锥齿轮的齿数时要遵循下面这些设计准则,首先要保证相互啮合的齿轮齿数是互为质数的,来避免因为公约数而造成啮合出现周期性重复,让各个轮齿在运行的时候可实现均匀磨损以及自主磨合,为了可同时契合齿面接触精度和轮齿弯曲强度这两方面的需求,建议把主、从动齿轮的齿数总和控制在40以及40以上。对于主减速器的设计,为得到平稳啮合特性、降低噪声水平以及提高疲劳强度,乘用车的小齿轮齿数一般应大于或等于9,货车的小齿轮齿数则不宜少于6。并且随着主传动比的增大,这个齿数值要相应减小。本次设计Z1取13,则Z2=主、从动锥齿轮大端分度圆直径D1D在单级主减速器的结构设计进程里,从动锥齿轮大端分度圆直径的尺寸选择有着关键影响:要是增大这个尺寸,驱动桥壳高度就会跟着增加,车辆的离地间隙也会降低,相反,要是减小这个尺寸,跨置式主动齿轮前支承座的安装空间以及差速器的合理布置就会受到限制,依据从动齿轮承受的最大转矩,利用经验公式可对该关键参数的初始值做理论计算并确定下来。即:式中D2—从动锥齿轮大端分度圆直径,mmKD2—直径系数,TG—从动锥齿轮计算转矩,所以D2=18当D2初选后,可按ms=D2/则ms主、从动锥齿轮齿面宽b1和锥齿轮齿面宽度设计要遵循适度准则,齿面结构过宽的话,不能提高齿轮的强度以及使用寿命,还会产生多种负面影响:在装配位置有偏差、制造存在误差或者热处理出现变形等因素的作用下,过宽齿面容易让工作载荷集中在轮齿小端区域,引发该部位的失效风险,过宽的齿面设计也会占用装配空间。但要是齿面宽度设计不足,就会降低齿轮副的耐磨性能。对于从动锥齿轮齿面宽b2,一般推荐为b2=0.155D从动锥齿轮齿面宽b2=0.155主动锥齿轮齿面宽b13.2.4双曲面齿轮副偏移距E准双曲面齿轮传动系统里,关键几何参数小齿轮偏移距E会对传动性能产生影响,要是E值超出合理范围,齿面纵向滑动会加剧,还会引发齿面磨损和擦伤等早期失效现象,反过来,要是E值过小,准双曲面齿轮特有的传动优势就难以体现,在针对不同载荷工况的汽车主减速器应用场景中,轻型车辆和重型车辆要采用不一样的E值设计标准。对于轿车和轻型货车等轻负荷传动,E≤0.2D所以E≤0.2本次设计将准双曲面齿轮偏移距定为50.04mm。3.2.5中点螺旋角β乘用车选用较大的β,使运转平稳,噪声低“格里森”制推荐用下式来近似地预选主动齿轮螺旋角
β式中:β1z1,zD2E——双曲面齿轮的偏移距。所以β3.2.6节锥角与节锥距节锥角与节锥距作为设计锥齿轮时的关键参数,它直接影响了齿轮的载荷承载能力.传动效率以及运行平稳性。主动齿轮节锥距γ从动齿轮节锥距γ节锥距R=主动齿轮节锥距R1从动齿轮节锥距R23.2.7法向压力角α主减速器弧齿锥齿轮的压力角,轿车常选14°30′或16°。准双曲面齿轮压力角的挑选要全面考量齿轮强度、传动平稳状况以及噪声控制等多个方面的因素,在这之中,大齿轮轮齿的两侧采用对称压力角的设计方式,小齿轮两侧采用的是非对称压力角配置,其压力角的取值要以平均压力角作为基准来加以确定。在轿车应用中,平均压力角多为19°或20°。本次设计将压力角选定为20°。3.3主减速器锥齿轮强度计算 3.3.1主减速器锥齿轮材料选择由于驱动桥锥齿轮是在极端工况下运行,和传动系统里其他齿轮部件相比,它承受的传动负荷更大,作用持续时间也更长,对主减速器锥齿轮材料的性能有特殊要求:要保证齿轮有良好的耐磨性能,所选材料得同时有较高的弯曲疲劳强度与表面接触疲劳强度。有效应对冲击载荷的工况特点,材料芯部要有一定韧性,避免齿根断裂情况出现。在选取合金材料时要优先考虑包含锰、钒、硼、钛、钼以及硅等合金元素的钢材,要尽量减少镍、铬元素的使用量,目前汽车主减速器锥齿轮制造大多采用渗碳合金钢材料,其中20CrMnTi、20MnVB、20MnTiB以及22CrNiMo等牌号的应用特别广泛。渗碳合金钢经处理后,表面形成高碳硬化层,耐磨性与抗压性突出;芯部软韧的特性,使其兼具良好韧性。这种材料于抗冲击性能、弯曲强度以及表面接触强度等各项力学指标方面呈现出优势,因其有较低的碳含量特点,该材料拥有良好的可锻性以及机械加工性能,不过此材料体系仍然存在一些技术方面的局限:热处理工艺的成本比较高,硬化层下方的基体材料硬度不够容易出现塑性变形,要是渗碳层与芯部碳浓度梯度差异过大,还可能会引发硬化层剥离的现象。最后选定20CrMnTi作为最优的材料方案3.3.2单位齿长圆周力按发动机最大转矩计算时:p=2kd
D1许用单位齿长的圆周力如下。表1-2单位齿长圆周力许用值汽车类别按发动机最大转矩计算时/N∙mm按驱动轮打滑转矩计算时/N∙mm轮胎与地面的附着系数一挡直接挡轿车8933218930.85货车142925014290.85大客车9822140.85牵引车5362500.85P因为:主动P=598.5N/M,而许用应力为893所以合格。3.3.3轮齿抗弯强度准双曲面卤轮轮齿的弯曲应力可以用以下表达式:σwσw—弯曲应力,MPTc—所计算齿轮的计算转矩,N.mms—端面模数,mmb—所讨论的齿轮的齿面宽,mm;D—该齿轮大端分度圆直径,mm;k0—过载系数,一般ks—尺寸系数,反映了材料性质的不均匀性。当ms>1.6mm时,ks=(ms/25.4).当ms<1.6mm时,取ks=0.5;本次计算ms=Kv—质量系数,它与齿轮精度及齿轮分度圆上的切线速度对齿间载荷的影响有关,取KJw—所讨论齿轮的轮齿弯曲应力的综合系数,本次计算J=0.5主动齿轮抗弯强度计算当T=min[Tce,Tσ[]=700Mpa,计算合格。当T=Tcfσw[]=210Mpa,计算合格。(2)被动齿轮齿抗弯强度计算当T=min[Tce,Tcsσw[σw当T=Tcfσw[σw]=210Mpa,3.3.4轮齿接触强度准双曲面齿轮轮齿的齿面接触应力为:σj=cσj—齿面接触应力,MPTzks—尺寸系数,它考虑了齿轮的尺寸对淬透性的影响,通常取kkf—表面品质系数,它反映了齿轮齿面加工质量对承载能力的影响,对于制造精确的齿轮可取kb—齿面宽,取齿轮副中的较小值D1Cp—综合弹性系数,钢对钢的齿轮为234N/mm;J—齿面接触强度的综合系数,本次计算J=0.16。1、主动齿轮轮齿接触强度计算当T=min[Tce,TTz1σj[σj]=2800Mpa,当T=TcfTσj[σj]=1750Mpa,2、被动齿轮轮齿接触强度计算当T=min[Tce,TTz1σj[σj]=2800Mpa,当T=TcfTσj[σj]=1750Mpa,3.4本章小结本章系统完成后驱主减速器核心参数设计与强度校核,通过理论计算与经验公式结合,确定了主减速器的关键技术指标与设计方案。本研究把主减速比确定成了2.4,主要参数设计环节,主、从动齿轮齿数分别取13和31,满足无公约数、齿数等设计要求;通过经验公式初定从动齿轮大端分度圆直径,确定端面模数为8;合理规划齿面宽、双曲面齿轮偏移距、螺旋角、节锥角等参数,并选定法向压力角为20°,确保齿轮传动性能与结构尺寸的平衡。强度校核中,对单位齿长圆周力、轮齿抗弯强度及接触强度进行计算,结果均满足许用值标准,验证了齿轮设计的可靠性。在材料选择上,综合考虑齿轮工作环境与性能需求,选用20CrMnTi渗碳合金钢。本章通过参数设计、计算校核与材料选型,为后驱主减速器的结构设计与性能优化提供了完整、可行的技术方案,确保其满足车辆动力传递与使用要求。4后驱主减速器锥齿轮轴承的载荷计算4.1主减速器锥齿轮轴承的载荷计算4.1.1锥齿轮齿面上的作用力在齿轮进行传动的过程当中,彼此相互啮合的齿面承受着法向载荷所带来的作用,此载荷可被分解成三个相互正交的分量,具体为沿着齿轮圆周切线方向的切向力、平行于齿轮轴线方向的轴向力以及与齿轮轴线呈垂直状态的径向力。齿宽中点处的圆周力齿宽中点处的圆周力F式中T—作用在从动齿轮计算转矩,N.m;Dm2—从动齿轮齿宽中点处的分度圆直径,mmD式中D2b2γ2—从动齿轮节锥角。DDm1—主动齿轮齿宽中点处的分度圆直径,mmD式中b1γ1—主动齿轮节锥角。D所以齿面宽中点处的圆周力P可以表示为:F2对于双曲面齿轮传动来说,由于主、从动齿轮的螺旋角不等,因此它们的圆周力也不相等,作用在双曲面主动齿轮齿面宽中点处的圆周力为:F1锥齿轮的轴向力和径向力FT是作用于节锥面齿宽中点A处的法向力可分解成两个相互正交的分量,可分解为两个互相垂直的力FN和Ff,Ff在此切平面内又可分解为沿切线方向的圆周力F和沿节锥母线方向的力厂Fs两个分力。F与Ff之间的夹角为螺旋β,FT与FfF=FNFsFazFrz当主动锥齿轮的螺旋方向和旋转方向改变时,所受径向力和轴向力如下所示FαzFrzFαFr4.1.2轴承载荷校核在校核之前,先进行计算前的准备工作主动齿轮中点分度院直径d:主动齿轮齿顶圆直径=(齿数+2)×模数=(13+2)×8=120mm齿根圆直径=齿数-2(齿顶高系数+顶隙系数)×模数齿顶高系数ℎa:当模数>1时,ℎa顶隙系数C:0.25主动齿轮齿根圆直径:df=(所以主动齿轮的齿轮轴径d=84mm,故暂定a=38mm,b=97mm。初选轴承30212,查相关手册得到轴承所需参数:内径d=84mm,厚度T=29.7mm,外径D=133mm,A=22mm,=15;所以可以求得x值:x=tanαA为求轴承载荷须求得:b’=a+x=38+14.2=52.2mm;(1.19)a’=97-2x=97-214.2=68.6mm;(1.20)c’=a’+b’=52.2+68.6=120.8mm(1.21)本次设计中外加转矩的旋向和方向为左旋顺时针:轴承A、B的径向载荷:RA=1a轴承A、B的轴向载荷:A因为,且进行校核轴承时,只需校核轴承B即可。下面对轴承B进行校核:按照下式可求出轴承的当量动载荷QQ=XR+YA式中X—径向系数Y—轴向系数对单列圆锥滚子来说:当AR≤e当AR≤时,X=0.4,Y值及判断参数本次设计中,选用轴承30212。查表得e=0.35因为AR=0.81Q=XR+YA=0.412726+1.69724=20648.8N计算轴承的额定寿命L,L=式中C—额定动载荷,N.m;其值见轴承手册;—温度系数,可查表得到;—寿命系数,对于圆锥滚子=10/3。轴承所能承受的汽车行驶里程为:s=式中S——汽车大修里程从上述计算中可以看出轴承的使用寿命符合使用要求。4.2本章小结本章主要围绕后驱主减速器锥齿轮轴承的载荷计算展开,通过对锥齿轮齿面作用力的分析和轴承载荷的校核,为轴承的选型和可靠性评估提供了依据。具体而言,先对锥齿轮工作时齿面所受的法向力进行分解,推导了圆周力、轴向力和径向力的计算方法,并考虑双曲面齿轮螺旋角差异及主动齿轮旋向变化的影响;随后,结合本次设计中外加转矩左旋顺时针的条件,计算轴承A、B的载荷,重点对轴承B进行校核,通过确定径向系数、轴向系数等参数计算当量动载荷Q和额定寿命L,最终验证所选30212轴承的使用寿命符合要求。通过本章的计算和分析,明确了轴承工作时的载荷情况和使用寿命,对主减速器的整体性能和可靠性有着重要意义,为后续的设计和优化提供了有力支持。
结束语本研究围绕后驱主减速器设计展开系统探索,从理论分析、方案论证到参数计算与性能校核,形成了完整的设计成果。在研究背景与意义层面,明确后驱主减速器对汽车动力性、经济性及操控稳定性的关键作用,结合行业智能化、轻量化发展趋势,凸显设计优化的必要性。通过梳理国内外研究现状,总结技术发展方向,为本设计提供理论支撑与创新思路。在总体方案设计阶段,通过对比单级与双级主减速器结构,分析圆柱齿轮、弧齿锥齿轮和双曲面齿轮特性,综合考虑车辆性能需求,选定以双曲面齿轮为核心的单级主减速器结构,并确定主、从动锥齿轮的合理支承形式,奠定设计基础。参数设计与计算环节,结合参考车型数据,科学确定主减速比、齿轮计算载荷及关键几何参数,经强度校核验证齿轮设计可靠性;材料选型上,选用20CrMnTi渗碳合金钢并辅以表面处理工艺,确保齿轮性能与寿命。轴承载荷计算部分,通过分解锥齿轮齿面作用力,精准校核轴承承载能力,验证所选30212轴承满足使用要求,保障主减速器运行稳定性。尽管本设计在理论与计算层面完成后驱主减速器核心内容,但实际工程应用中仍存在优化空间。未来可结合有限元分析、多体动力学仿真等技术进一步优化结构设计,探索新型材料与制造工艺提升性能;同时,随着汽车智能化发展,可研究主减速器与智能控制系统的融合,实现动态载荷监测与自适应调节。本研究成果为后驱主减速器设计提供了实践范例,也为后续深入研究与技术创新提供参考,期望能为我国汽车传动系统技术进步贡献力量
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