轎車-桑塔納3000汽車主減速器及差速器設(shè)計(jì)含4張CAD圖
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摘要
汽車的驅(qū)動(dòng)橋位于傳動(dòng)系的末端,其基本功用是增大由傳動(dòng)軸或者直接由變速器傳來(lái)的轉(zhuǎn)矩,將轉(zhuǎn)矩分配給左右車輪,并獲得差速要求。在驅(qū)動(dòng)橋中,實(shí)現(xiàn)這一系列功用的主要部件有主減速器、差速器、半軸,還包括其他傳動(dòng)裝置和橋殼。本設(shè)計(jì)主要就驅(qū)動(dòng)橋的原理進(jìn)行了仔細(xì)的了解與陳述,對(duì)桑塔納3000的驅(qū)動(dòng)橋中的主減速器、差速器、半軸等重要部件等進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中,根據(jù)汽車設(shè)計(jì)的原則與步驟,進(jìn)行了詳細(xì)的計(jì)算。在設(shè)計(jì)過(guò)程中,還分析了有關(guān)部件需要采用的方法、可行性方案討論等,并對(duì)可能出現(xiàn)的故障進(jìn)行了思考,最后就重要的部件與裝配用工程圖紙的方式展示。
關(guān)鍵詞:驅(qū)動(dòng)橋 主減速器 差速器 有限元分析
引言
汽車自誕生以來(lái)到現(xiàn)在己有一個(gè)多世紀(jì),隨著社會(huì)發(fā)展的日新月異,汽車的購(gòu)買量和使用越來(lái)越多,己然成為人民生活的必需品。車輛越來(lái)越面臨由監(jiān)管和市場(chǎng)力量驅(qū)動(dòng)的嚴(yán)格性能、排放和燃油經(jīng)濟(jì)性標(biāo)準(zhǔn)(例如歐洲的ACEA標(biāo)準(zhǔn)、排放交易政策等),汽車行業(yè)創(chuàng)新和改革刻不容緩。我國(guó)大力推動(dòng)汽車行業(yè)向節(jié)能汽車、新能源汽車轉(zhuǎn)型,推動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。這種戰(zhàn)略舉措不僅能加快我國(guó)汽車行業(yè)發(fā)展,還能培育新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn),激發(fā)我國(guó)創(chuàng)造活力,提升我國(guó)汽車行業(yè)在國(guó)際的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。
車用變速器是汽車的關(guān)鍵部件之一,它用于協(xié)調(diào)發(fā)動(dòng)機(jī)的速度和車輪的實(shí)際速度,能夠用于發(fā)揮發(fā)動(dòng)機(jī)最佳性能,傳動(dòng)性能直接影響整車的動(dòng)力性能。因此其技術(shù)創(chuàng)新是我國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵之一。目前我國(guó)各大汽車廠商和一些科研院校均積極開展了能夠形成自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的變速器基礎(chǔ)創(chuàng)新技術(shù)研究和開發(fā)工作,爭(zhēng)取領(lǐng)先各國(guó)掌握變速器創(chuàng)新關(guān)鍵技術(shù)。
正文
國(guó)內(nèi)外對(duì)載貨汽車輪邊減速器的研究較少,結(jié)合本課題研究的方向,行星齒輪機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)性能做為本課題研究的重點(diǎn)。
國(guó)外研究動(dòng)態(tài)
世界上一些工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家,如日本、德國(guó)、英國(guó)、美國(guó)和俄羅斯等國(guó)家對(duì)行星齒輪的應(yīng)用、生產(chǎn)和研究都十分重視,在結(jié)構(gòu)優(yōu)化、傳動(dòng)性能、傳遞功率、轉(zhuǎn)矩和速度等方面均處于領(lǐng)先地位,并研究出一些新的行星傳動(dòng)技術(shù),如封閉行星齒輪傳動(dòng)、行星齒輪變速傳動(dòng)和微型行星傳動(dòng)等早已在現(xiàn)代化的機(jī)械傳動(dòng)設(shè)備中獲得了成功的應(yīng)用。1999年,Jian Lin等研究了行星齒輪機(jī)構(gòu)的純扭轉(zhuǎn)模型和扭轉(zhuǎn)橫向耦合模型的自由振動(dòng)特性,分析了行星齒輪傳動(dòng)的固有頻率和主模態(tài)的特性;2001年,Robert G.Parker研究特殊的諧波相位嚙合頻率,可以減少行星齒輪傳動(dòng)裝置的振動(dòng),改善系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)性能。2001年,Ahmet Kahraman研究了復(fù)式行星齒輪系統(tǒng)的自由振動(dòng)特性。2002年,Jose M對(duì)行星齒輪系統(tǒng)傳動(dòng)效率進(jìn)行了分析;2004年,Cheon Gill-Jeong研究了具有制造誤差的行星齒輪系統(tǒng)在靜態(tài)特性下對(duì)軸承剛度的影響;2009年,W.Bartelmus研究了在外載荷變化的情況下對(duì)行星齒輪系統(tǒng)的檢測(cè)。
國(guó)內(nèi)研究動(dòng)態(tài)
行星齒輪傳動(dòng)在我國(guó)已有許多年的發(fā)展史,很早就有了應(yīng)用,自20世紀(jì)60年代以來(lái),我國(guó)對(duì)行星齒輪傳動(dòng)進(jìn)行了較深入、系統(tǒng)地研究和試制工作。但無(wú)論是在設(shè)計(jì)理論方面,還是在試制和應(yīng)用實(shí)踐方面,均取得了許多創(chuàng)新性的研究成果。1998 年,沈允文等應(yīng)用結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)修改重分析的思想和復(fù)模態(tài)的矩陣攝動(dòng)法理論,提出了一整套齒輪系統(tǒng)振動(dòng)分析和減振研究的理論計(jì)算方法;第二年,他們又利用行星架附加阻尼對(duì)行星齒輪系統(tǒng)的減振,提出了一種粘性阻尼線性系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析和減振設(shè)計(jì)的有效方法;同一年,朱才朝等研究了運(yùn)動(dòng)副間隙對(duì)內(nèi)齒行星齒輪傳動(dòng)特性的影響及傳動(dòng)機(jī)理。2000 年,張策等通過(guò)對(duì)齒輪、軸與軸承所組成的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)中彎曲振動(dòng)、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)和橫向振動(dòng)問題的分析,并考慮到齒輪質(zhì)量偏心和輪齒嚙合摩擦力對(duì)系統(tǒng)振動(dòng)的影響,應(yīng)用拉格朗日方程,建立了一對(duì)漸開線直齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)的數(shù)學(xué)模型;同年,楊建明研究了行星齒輪機(jī)構(gòu)彈性動(dòng)力學(xué)建模問題;2005 年,楊建明研究了內(nèi)齒行星齒輪變速器的彈性動(dòng)力學(xué)的問題,分析了行星齒輪軸承與球軸承的承載能力的比較及初始頻率對(duì)振動(dòng)噪聲的影響;2008 年,天津大學(xué)葛楠、張俊在高速行星齒輪機(jī)構(gòu)中內(nèi)齒輪的有限元分析,研究了齒的厚度對(duì)內(nèi)齒輪剛度的影響;同年,Shuting Li 研究了少齒差行星齒輪驅(qū)動(dòng)的接觸問題和數(shù)值方法,以及齒的接觸個(gè)數(shù)對(duì)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)性能的影響。
齒輪動(dòng)力學(xué)模型
在分析理論方面,齒輪動(dòng)力學(xué)起初是以沖擊理論為基礎(chǔ),在二十世紀(jì) 50年代以前人們以嚙合沖擊作為描述、解釋齒輪動(dòng)態(tài)激勵(lì)和動(dòng)態(tài)響應(yīng)的基礎(chǔ),用沖擊作用下的單自由度系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)來(lái)近似齒輪系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)行為。后來(lái)發(fā)展到以振動(dòng)理論為基礎(chǔ),將3 齒輪系統(tǒng)作為彈性的機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)分析其動(dòng)力學(xué)特性。1950年,Tuplin提出了第一個(gè)齒輪動(dòng)力學(xué)模型,開創(chuàng)了齒輪動(dòng)力學(xué)研究的新紀(jì)元。此后相繼出現(xiàn)了若干振動(dòng)模型,并開始考慮齒形誤差、時(shí)變嚙合剛度等參數(shù)激勵(lì)對(duì)動(dòng)載荷的影響。 60年代以后,在齒輪動(dòng)力學(xué)理論和實(shí)驗(yàn)上取得了大量成果,在理論研究上主要是圍繞動(dòng)力學(xué)建模、激勵(lì)形式、求解方法等方面展開。在振動(dòng)理論的框架內(nèi),齒輪系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型經(jīng)歷了由線性振動(dòng)理論到非線性振動(dòng)理論,由定常系統(tǒng)向變參數(shù)系統(tǒng)的發(fā)展,可以歸結(jié)4種類型:線性時(shí)不變模型、線性時(shí)變模型、非線性時(shí)不變模型、非線性時(shí)變模型。
課題研究?jī)?nèi)容
車用減速器發(fā)展趨勢(shì)和特點(diǎn)是向著六高、二低、二化方向發(fā)展,即高承載能力、高齒面硬度、高精度、高速度、高可靠性、高傳動(dòng)效率,低噪聲、低成本,標(biāo)準(zhǔn)化、多樣化,計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)廣泛應(yīng)用。從發(fā)動(dòng)機(jī)的大馬力、低轉(zhuǎn)速的發(fā)展趨勢(shì)以及商用車的最高車速的提升來(lái)看,公路用車橋減速器應(yīng)該向小速比方向發(fā)展:在最大輸出扭矩相同時(shí)齒輪的使用壽命要求更高(齒輪疲勞壽命平均可達(dá)50萬(wàn)次以上);在額定軸荷相同時(shí),車橋的超載能力更強(qiáng);主減速器齒輪使用壽命更長(zhǎng)、噪音更低、強(qiáng)度更大,潤(rùn)滑密封性能更好;整體剛性好,速比范圍寬。
汽車主減速器的汽車驅(qū)動(dòng)橋中的一個(gè)重要部件,汽車驅(qū)動(dòng)橋處于動(dòng)力傳動(dòng)系的末端,其基本功能是增大由傳動(dòng)軸或變速器傳來(lái)的轉(zhuǎn)矩,并將動(dòng)力合理的分配給左、右驅(qū)動(dòng)輪,另外還承受作用于路面和車架或車身之間的垂直立、縱向力和橫向力。驅(qū)動(dòng)橋一般由主減速器、差速器、車輪傳動(dòng)裝置和驅(qū)動(dòng)橋殼組成。設(shè)計(jì)主減速器時(shí)應(yīng)滿足如下基本要求:
1)選擇適當(dāng)?shù)闹鳒p速比,以保證汽車在給定條件下具有最佳的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性;
2)在各種足夠的強(qiáng)度和剛度,以承受和傳遞作用于路面和車架或車身間的各種力和力矩;
3)驅(qū)動(dòng)橋各零部件在強(qiáng)度高、剛性好、工作可靠及使用壽命長(zhǎng)的條件下,應(yīng)力求做到質(zhì)量小,特別是非懸掛質(zhì)量應(yīng)盡量小,以減少不平路面給驅(qū)動(dòng)橋的沖擊載荷,從而改善汽車的平順性;
4)外廓尺寸小,保證汽車具有足夠的離地間隙,以滿足通過(guò)性要求;
5)齒輪及其他傳動(dòng)件工作平穩(wěn),無(wú)噪聲或低噪聲;
6)驅(qū)動(dòng)橋總成及零部件的設(shè)計(jì)應(yīng)能盡量滿足零件的標(biāo)準(zhǔn)化、部件的通用化和產(chǎn)品的系列化及汽車變型的要求;
7)在各種載荷和轉(zhuǎn)速工況下有高的傳動(dòng)效率;
8)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,維修、保養(yǎng)方便;機(jī)件工藝性好,制造容易。
由于要求設(shè)計(jì)的是家用型轎車,要設(shè)計(jì)這樣一個(gè)級(jí)別的驅(qū)動(dòng)橋,一般選用非斷開式結(jié)構(gòu)以與非獨(dú)立懸架相適應(yīng),該種形式的驅(qū)動(dòng)橋的橋殼是一根支撐在左右驅(qū)動(dòng)車輪的剛性空心梁,一般是鑄造或鋼板沖壓而成,主減速器,差速器和半軸等所有傳動(dòng)件都裝在其中,此時(shí)驅(qū)動(dòng)橋,驅(qū)動(dòng)車輪都屬于簧下質(zhì)量。
驅(qū)動(dòng)橋的結(jié)構(gòu)形式有多種,基本形式有三種如下:
1)中央單級(jí)減速驅(qū)動(dòng)橋。此是驅(qū)動(dòng)橋結(jié)構(gòu)中最為簡(jiǎn)單的一種,是驅(qū)動(dòng)橋的基本形式, 在載重汽車中占主導(dǎo)地位。一般在主傳動(dòng)比小于6的情況下,應(yīng)盡量采用中央單級(jí)減速驅(qū)動(dòng)橋。目前的中央單級(jí)減速器趨于采用雙曲線螺旋傘齒輪,主動(dòng)小齒輪采用騎馬式支承, 有差速鎖裝置供選用。
2)中央雙級(jí)驅(qū)動(dòng)橋。在國(guó)內(nèi)目前的市場(chǎng)上,中央雙級(jí)驅(qū)動(dòng)橋主要有2種類型:一類如伊頓系列產(chǎn)品,事先就在單級(jí)減速器中預(yù)留好空間,當(dāng)要求增大牽引力與速比時(shí),可裝入圓柱行星齒輪減速機(jī)構(gòu),將原中央單級(jí)改成中央雙級(jí)驅(qū)動(dòng)橋,這種改制“三化”(即系列化,通用化,標(biāo)準(zhǔn)化)程度高, 橋殼、主減速器等均可通用,錐齒輪直徑不變;另一類如洛克威爾系列產(chǎn)品,當(dāng)要增大牽引力與速比時(shí),需要改制第一級(jí)傘齒輪后,再裝入第二級(jí)圓柱直齒輪或斜齒輪,變成要求的中央雙級(jí)驅(qū)動(dòng)橋,這時(shí)橋殼可通用,主減速器不通用, 錐齒輪有2個(gè)規(guī)格。
由于上述中央雙級(jí)減速橋均是在中央單級(jí)橋的速比超出一定數(shù)值或牽引總質(zhì)量較大時(shí),作為系列產(chǎn)品而派生出來(lái)的一種型號(hào),它們很難變型為前驅(qū)動(dòng)橋,使用受到一定限制;因此,綜合來(lái)說(shuō),雙級(jí)減速橋一般均不作為一種基本型驅(qū)動(dòng)橋來(lái)發(fā)展,而是作為某一特殊考慮而派生出來(lái)的驅(qū)動(dòng)橋存在。
3)中央單級(jí)、輪邊減速驅(qū)動(dòng)橋。輪邊減速驅(qū)動(dòng)橋較為廣泛地用于油田、建筑工地、礦山等非公路車與軍用車上。當(dāng)前輪邊減速橋可分為2類:一類為圓錐行星齒輪式輪邊減速橋;另一類為圓柱行星齒輪式輪邊減速驅(qū)動(dòng)橋。
①圓錐行星齒輪式輪邊減速橋。由圓錐行星齒輪式傳動(dòng)構(gòu)成的輪邊減速器,輪邊減速比為固定值2,它一般均與中央單級(jí)橋組成為一系列。在該系列中,中央單級(jí)橋仍具有獨(dú)立性,可單獨(dú)使用,需要增大橋的輸出轉(zhuǎn)矩,使?fàn)恳υ龃蠡蛩俦仍龃髸r(shí),可不改變中央主減速器而在兩軸端加上圓錐行星齒輪式減速器即可變成雙級(jí)橋。這類橋與中央雙級(jí)減速橋的區(qū)別在于:降低半軸傳遞的轉(zhuǎn)矩,把增大的轉(zhuǎn)矩直接增加到兩軸端的輪邊減速器上 ,其“三化”程度較高。但這類橋因輪邊減速比為固定值2,因此,中央主減速器的尺寸仍較大,一般用于公路、非公路軍用車。
②圓柱行星齒輪式輪邊減速橋。單排、齒圈固定式圓柱行星齒輪減速橋,一般減速比在3至4.2之間。由于輪邊減速比大,因此,中央主減速器的速比一般均小于3,這樣大錐齒輪就可取較小的直徑,以保證重型汽車對(duì)離地問隙的要求。這類橋比單級(jí)減速器的質(zhì)量大,價(jià)格也要貴些,而且輪穀內(nèi)具有齒輪傳動(dòng),長(zhǎng)時(shí)間在公路上行駛會(huì)產(chǎn)生大量的熱量而引起過(guò)熱;因此,作為公路車用驅(qū)動(dòng)橋,它不如中央單級(jí)減速橋。
由于隨著我國(guó)公路條件的改善和物流業(yè)對(duì)車輛性能要求的變化,驅(qū)動(dòng)橋技術(shù)已呈現(xiàn)出向單級(jí)化發(fā)展的趨勢(shì),主要是單級(jí)驅(qū)動(dòng)橋還有以下幾點(diǎn)優(yōu)點(diǎn):
(l) 單級(jí)減速驅(qū)動(dòng)橋是驅(qū)動(dòng)橋中結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的一種,制造工藝簡(jiǎn)單,成本較低, 是驅(qū)動(dòng)橋的基本類型,在重型汽車上占有重要地位;
(2) 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)向低速大轉(zhuǎn)矩發(fā)展的趨勢(shì),使得驅(qū)動(dòng)橋的傳動(dòng)比向小速比發(fā)展;
(3) 隨著公路狀況的改善,特別是高速公路的迅猛發(fā)展,汽車使用條件對(duì)汽車通過(guò)性的要求降低。因此,汽車不必像過(guò)去一樣,采用復(fù)雜的結(jié)構(gòu)提高通過(guò)性;
(4) 與帶輪邊減速器的驅(qū)動(dòng)橋相比,由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化,單級(jí)減速驅(qū)動(dòng)橋機(jī)械傳動(dòng)效率提高,易損件減少,可靠性提高。
單級(jí)橋產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)為單級(jí)橋的發(fā)展拓展了廣闊的前景。從產(chǎn)品設(shè)計(jì)的角度看, 本設(shè)計(jì)主減速比小于6下,應(yīng)盡量選用單級(jí)減速驅(qū)動(dòng)橋。對(duì)行星齒輪振動(dòng)、噪聲的研究歸根結(jié)底屬于對(duì)齒輪動(dòng)力學(xué)的研究。隨著齒輪技術(shù)的發(fā)展,傳動(dòng)載荷和傳動(dòng)速度提高很快,同時(shí)齒輪的振動(dòng)與噪聲問題也日益嚴(yán)重。齒輪傳動(dòng)在強(qiáng)度方面的問題己經(jīng)基本解決,目前有待解決的重大技術(shù)課題是齒輪傳動(dòng)的振動(dòng)和噪聲問題。目前在這方面的研究還不夠深入,在通常的齒輪設(shè)計(jì)方法中,多是只進(jìn)行齒輪的運(yùn)動(dòng)和強(qiáng)度方面的設(shè)計(jì),幾乎不考慮齒輪的噪聲、振動(dòng)問題,這往往不能滿足齒輪傳動(dòng)性能上的要求。機(jī)械在工作過(guò)程中所產(chǎn)生的振動(dòng),惡化了設(shè)備的動(dòng)態(tài)性能,影響了設(shè)備原有的精度、生產(chǎn)效率和使用壽命。同時(shí),機(jī)械振動(dòng)所產(chǎn)生的噪聲,又使環(huán)境受到了嚴(yán)重污染。齒輪系統(tǒng)是各種機(jī)器和機(jī)械設(shè)備中應(yīng)用最為廣泛的動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)傳遞裝置,其動(dòng)力學(xué)行為和工作性能對(duì)整個(gè)機(jī)器有著重要影響,而且,機(jī)械的振動(dòng)和噪聲大部分來(lái)源于齒輪傳動(dòng)工作時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng),因此,機(jī)械產(chǎn)品對(duì)齒輪系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能方面的要求就更為突出。
行星齒輪機(jī)構(gòu)是一種復(fù)雜的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng),傳統(tǒng)研究工作主要局限于均載性研究。近年來(lái),研究工作轉(zhuǎn)向動(dòng)態(tài)特性方面并已取得重要研究成果。齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)激勵(lì)作用下產(chǎn)生動(dòng)態(tài)響應(yīng),齒輪系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)激勵(lì)有內(nèi)部激勵(lì)和外部激勵(lì)兩類。與一般機(jī)械系統(tǒng)的主要不同之處在于它的內(nèi)部激勵(lì),即輪齒嚙合時(shí)產(chǎn)生的激勵(lì),由于行星齒輪傳動(dòng)結(jié)1構(gòu)復(fù)雜且為過(guò)約束傳動(dòng),對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)研究時(shí)應(yīng)該考慮零件或運(yùn)動(dòng)副的彈性,根據(jù)建立動(dòng)力學(xué)模型時(shí)考慮的因素和所使用的方法不同,一般將行星齒輪傳動(dòng)的動(dòng)力學(xué)模型分為如下兩類:即集中參數(shù)模型和有限元模型,由于集中參數(shù)模型與實(shí)際情況相差較遠(yuǎn),因而有必要建立行星齒輪機(jī)構(gòu)的有限元分析模型。
在汽車上,作為雙級(jí)減速驅(qū)動(dòng)橋的第二級(jí)減速器,輪邊減速器一般安裝在輪轂中間或附近,采用輪邊減速器可以使中間主減速器的外形尺寸減小,保證車輛具有足夠的離地間隙,由于輪邊是最后的一級(jí)減速,其前面的半軸、差速器及主減速器的從動(dòng)輪等零件的尺寸都可以減小。這種二級(jí)減速裝置一般使用直齒圓柱行星齒輪傳動(dòng),然而由于輪邊減速器在汽車上要受到半軸傳動(dòng)、路面顛簸及制動(dòng)時(shí)對(duì)輪轂所產(chǎn)生力的影響等,故而所受到的力學(xué)環(huán)境非常復(fù)雜。在許多應(yīng)用場(chǎng)合,行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)和噪聲是影響系統(tǒng)可靠性、壽命及操作環(huán)境的關(guān)鍵因素。因此,有必要利用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法,利用目前比較成熟的 ANSYS 等有限元分析軟件對(duì)輪邊減速器的行星齒輪系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行分析。
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轎車
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設(shè)計(jì)
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轎車-桑塔納3000汽車主減速器及差速器設(shè)計(jì)含4張CAD圖,轎車,桑塔納,3000,汽車,減速器,差速器,設(shè)計(jì),CAD
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