大功率減速器液壓加載試驗(yàn)臺機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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1、 遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 前言 減速器是機(jī)械系統(tǒng)重要組成部件之一。通常,在出廠前減速器都要做出廠試驗(yàn),如加載實(shí)驗(yàn)等。 液壓傳動(dòng)具有易于實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)、功率質(zhì)量之比大,動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn),在工程機(jī)械、冶金、農(nóng)林、實(shí)驗(yàn)設(shè)備、航空航天、仿真運(yùn)動(dòng)平臺和武器裝備等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。液壓傳動(dòng)作為動(dòng)力控制與控制技術(shù)的重要部分,對工業(yè)和國防技術(shù)進(jìn)步和發(fā)展起到了很大的推動(dòng)作用,是現(xiàn)代機(jī)械的基本要素和工程控制的關(guān)鍵技術(shù)之一。液壓加載系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)較大范圍內(nèi)比較方便地實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速,體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊,易于實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)。液壓加載系統(tǒng)存在液壓傳動(dòng)效率低、噪

2、聲大、成本高、成本高、泄露污染環(huán)境等缺點(diǎn)降低了它的競爭力。 為提高液壓傳動(dòng)的核心競爭力,擴(kuò)大其應(yīng)用領(lǐng)域,因此應(yīng)抓住主要的核心技術(shù)問題,改進(jìn)技術(shù),不斷改進(jìn)自身缺點(diǎn),發(fā)揮自身優(yōu)勢,使液壓傳動(dòng)創(chuàng)造新的活力,以滿足未來發(fā)展的需要。對液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求環(huán)保與節(jié)能并行,不僅滿足環(huán)境目標(biāo),考慮回收利用率,資源,能源的有效利用率,以達(dá)到環(huán)境保護(hù)和資源優(yōu)化應(yīng)用的效應(yīng).從液壓工業(yè)發(fā)展帶來的環(huán)境污染,資源枯竭,生態(tài)破壞等諸多問題的方面來看有著重要的現(xiàn)實(shí)意義. 要實(shí)現(xiàn)液壓技術(shù)綠色化,液壓技術(shù)必須充分發(fā)揮自身優(yōu)點(diǎn)和借鑒其他領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)成果,對自身進(jìn)行引進(jìn)和創(chuàng)新,以提高液壓元件和系統(tǒng)性能,降低成本,并符合節(jié)能、環(huán)保和

3、可持續(xù)發(fā)展的要求才能保持強(qiáng)大競爭力和不斷擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域。 1 緒言 1.1 加載技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r 目前使用的加載方式有多種,如伺服加載加載系統(tǒng)、摩擦加載加載系統(tǒng)及液壓加載加載系統(tǒng)等。伺服加載系統(tǒng)有可分為液壓加載伺服加載系統(tǒng)、氣動(dòng)伺服加載系統(tǒng)和電動(dòng)伺服加載系統(tǒng)等。如電液伺服加載系統(tǒng)具有高響應(yīng)、高精度、高功率重量比和大功率輸出的優(yōu)點(diǎn),在國防軍事武器、航空航天、船舶、冶金等許多領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用,隨著機(jī)械工作精度、響應(yīng)速度和自動(dòng)化程度的提高,電液伺服系統(tǒng)比與以往相比,應(yīng)用環(huán)境和任務(wù)更為復(fù)雜,普遍存在較大程度的參數(shù)變化和外負(fù)載干擾(有時(shí)還

4、存在多對象間的干擾);摩擦加載這種方式在摩擦過程中損失了大量的能量,造成了能量的大量的流失,近而效率低.液壓加載系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)較大范圍內(nèi)比較方便地實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速,體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、慣性小,操縱、控制簡單、省力,易于實(shí)現(xiàn)過載保。 1.2液壓技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r 液壓傳動(dòng)具有易于實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)、功率質(zhì)量之比大,動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn),在工程機(jī)械、冶金、農(nóng)林、實(shí)驗(yàn)設(shè)備、航空航天、仿真運(yùn)動(dòng)平臺和武器裝備等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。液壓傳動(dòng)作為動(dòng)力控制與控制技術(shù)的重要部分,對工業(yè)和國防技術(shù)進(jìn)步和發(fā)展起到了很大的推動(dòng)作用,是現(xiàn)代機(jī)械的基本要素和工程控制的關(guān)鍵技術(shù)之一。 當(dāng)前,液壓技術(shù)在實(shí)現(xiàn)高壓、高速、大功率、低噪聲、

5、高度集成化等方面都取得了較大進(jìn)展,在完善比例控制、伺服控制、數(shù)字控制技術(shù)方面也有很大成就。此外,在液壓元件和液壓系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)仿真和優(yōu)化以及微機(jī)控制等開發(fā)性工作方面,日益顯示出顯著成果。 1.3液壓傳動(dòng)系統(tǒng)存在的不足與解決方法 液壓系統(tǒng)的工作過程是傳動(dòng)裝置將原動(dòng)機(jī)的輸出能量轉(zhuǎn)化為液壓能,并通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)做功的過程。在這一次過程中存在著多次的能量轉(zhuǎn)換,在能量轉(zhuǎn)換的過程中,每個(gè)環(huán)節(jié)都存在能量的損失,因此我們有必要分析一下能量損失的原因: 液壓泵、液壓缸、液壓馬達(dá)作為能量轉(zhuǎn)換元件把機(jī)械能轉(zhuǎn)換成液壓能,它們對整個(gè)液壓系統(tǒng)的總效率影響最大,在能量轉(zhuǎn)換過程中,它不可避免的存在能量的損耗,

6、主要是泄露產(chǎn)生的流量損耗和有相對運(yùn)動(dòng)的表面間由于摩擦所產(chǎn)生的機(jī)械損耗,也都要消耗能量,從而造成系統(tǒng)的效率降低;液壓源和負(fù)載特性不適應(yīng)造成匹配損失,(如液壓系統(tǒng)的輸出壓力,輸出流量與執(zhí)行元件所需的壓力、流量不匹配。當(dāng)流量不匹配時(shí),產(chǎn)生溢流損失;當(dāng)壓力不匹配,產(chǎn)生壓力損失。匹配程度越低,系統(tǒng)效率就越低,能力損失就必然越大。液壓控制元件、輔助元件及結(jié)構(gòu)布局所造成的能量損失。 綜合上所述,液壓系統(tǒng)在工作時(shí),存在著多種壓力損失、容積損失和機(jī)械損失,這些損失造成總的能量損失,其中大部分轉(zhuǎn)變成為熱能,使系統(tǒng)溫度升高,從而造成液油的老化。誘發(fā)各種故障,影響液壓元件的使用壽命和系統(tǒng)工作時(shí)間的可靠性,同時(shí)也浪費(fèi)

7、了大量的能量。 因此,在設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)時(shí),我們可以采取相應(yīng)的措施來減少系統(tǒng)的能量損失,提高系統(tǒng)效率達(dá)到節(jié)能的目的。 如在液壓系統(tǒng)中大多數(shù)采用變量泵,這類泵能夠根據(jù)工況的要求自動(dòng)調(diào)節(jié)排量的大小,減少流量的損失,從而提高整個(gè)液壓系統(tǒng)的效率,減少能量的損耗;液壓缸和液壓馬達(dá)也是液壓系統(tǒng)中能量損耗較大的元件,在選擇液壓缸和液壓馬達(dá)時(shí),要注意液壓缸、液壓馬達(dá)與泵的流量相匹配,在滿足工作系統(tǒng)工作的前提下,使能量不至大量損失;應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)中閥類元件的相應(yīng)位置和可能出現(xiàn)的最大壓力及流量來確定其規(guī)格,其不宜過大或過小;對于低壓大流量的液壓系統(tǒng),一般采用大流量的液壓泵,如果采用低壓蓄能器來增加短時(shí)大流量的液壓泵,

8、可以大大節(jié)省能源、降低溫升同時(shí)蓄能器也能緩和沖擊、吸收壓力脈沖。使系統(tǒng)運(yùn)行更平穩(wěn);在液壓系統(tǒng)中液壓泵的工作條件也極為嚴(yán)格,不但要求壓力大、轉(zhuǎn)速高、溫度高,而且油液在被吸入和由泵壓出,要受到剪力作用,所以一般根據(jù)泵的要求來確定液壓油的粘度。 在液壓傳動(dòng)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)高效節(jié)能的途徑主要為:通過改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等以減少能量損失,提高能量的利用率,借助于輔助設(shè)備實(shí)現(xiàn)能量回收使得能量再次被利用。 減少能量損失的傳動(dòng)方法主要集中在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、采用元件、使用介質(zhì)等方面來考慮。在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上:設(shè)計(jì)合理的液壓回路,最大限度地減少由于液壓元件的布局而產(chǎn)生的能量損失;在元件選擇上,采用節(jié)能變頻交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓泵來代

9、替原來直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式,盡可能選取具有高頻率的液壓泵、閥等減少壓力和溢流損失;在介質(zhì)的使用上:使用具有良好粘溫特性的介質(zhì)避免低溫時(shí)粘度過高引起壓力損失和高溫時(shí)壓力過小導(dǎo)致泄露加劇。另外還可以借助于儲能器存儲液壓能,長時(shí)間小流量需求時(shí)可關(guān)閉電機(jī)的運(yùn)行,短時(shí)間大流量需求可減少驅(qū)動(dòng)功率實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。如今在系統(tǒng)中存在著較多的剩余液壓能,如一些化工行業(yè)廢液中液壓能、大型試驗(yàn)臺白白溢流掉的液壓能?;厥蘸屠眠@些能量是非常有價(jià)值的。 展望未來,液壓傳動(dòng)的主要競爭者是電氣傳動(dòng)和機(jī)械傳動(dòng)。在當(dāng)今科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的情況下,要實(shí)現(xiàn)液壓技術(shù)綠色化,液壓技術(shù)必須充分發(fā)揮自身優(yōu)點(diǎn)和借鑒其他領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)成果,對自

10、身進(jìn)行引進(jìn)和創(chuàng)新,以提高液壓元件和系統(tǒng)性能,降低成本,并符合節(jié)能、環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的要求才能保持強(qiáng)大競爭力和不斷擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域。 2 方案設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)任務(wù):要求對220千瓦的大功率減速器進(jìn)行加載試驗(yàn),我列出了以下幾種加載方案,進(jìn)行比較,用以參考。 方案(一) 伺服加載系統(tǒng) (1)氣動(dòng)伺服加系統(tǒng)載: 輸出力矩較大,但機(jī)械結(jié)構(gòu)、工藝操作復(fù)雜,重量體積大,功耗和噪聲大,能源利用率低,而且它們與主控制器可傳遞的信息量小、簡單,響應(yīng)慢,精度與可靠性也不高,摩擦力較大啟

11、動(dòng)緩慢,同時(shí)還需要一套油泵、泵站和相應(yīng)的油路支持,容易漏氣漏油,對氣體或油液中的污染物比較敏感,經(jīng)常發(fā)生故障,維修修理不方便,從、而大大提高了成本。(2)電動(dòng)加載系統(tǒng)的特點(diǎn): 響應(yīng)快、機(jī)械結(jié)構(gòu)、工藝流程相對簡單,重量體積小,易于控制器通訊,精度和可靠性高,但它的輸出力矩較小,頻寬較低、功率密度較小。 根據(jù)上訴優(yōu)缺點(diǎn)可知,在要求輸出力或力矩較小且加載精度要求比較高時(shí)使用電動(dòng)加載。 (3)電液伺服加載系統(tǒng): 有高響應(yīng)、高精度、高功率重量比和大功率輸出的優(yōu)點(diǎn),在國防軍事武器、航空航天、船舶、冶金等許多領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。 隨著機(jī)械工作精度、響應(yīng)速度和自動(dòng)化程度的提高,電液伺服系統(tǒng)比

12、與以往相比,應(yīng)用環(huán)境和任務(wù)更為復(fù)雜,普遍存在較大程度的參數(shù)變化和外負(fù)載干擾(有時(shí)還存在多對象間的干擾)。 方案(二) 摩擦加載 摩擦加載系統(tǒng): 利用摩擦片相互摩擦對系統(tǒng)進(jìn)行加載摩擦。這種加載方式浪費(fèi)了大量的材料,而且在摩擦過程中損失了大量的能量,造成了能量的大量的流失,,不符合環(huán)保要求,并且效率低。 方案(三) 液壓加載 液壓加載系統(tǒng): 利用節(jié)流閥對系統(tǒng)進(jìn)載。 對節(jié)流閥的性能要求是:要有足夠?qū)挼牧髁空{(diào)節(jié)范圍,微量調(diào)節(jié)性能要好;流量要穩(wěn)定,受溫度變化的影響要小:要有足夠的強(qiáng)度;行堵塞性要好,節(jié)流損失要小。但存在液壓傳動(dòng)效率低、噪聲大、成本高、成本高、泄露污

13、染環(huán)境等缺點(diǎn)降低了它的競爭力。 以上的幾種方案存在著許多不足之處,因此都有待于進(jìn)一步完善,綜合比較而言,液壓加載系統(tǒng)組成元件體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、慣性小,操縱、控制簡單、省力,易于實(shí)現(xiàn)過載保護(hù),液壓元件之間能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)潤滑液壓元件的使用壽命長,但存在液壓傳動(dòng)效率低、噪聲大、成本高、成本高、泄露污染環(huán)境等缺點(diǎn)降低了它的競爭力。 根據(jù)設(shè)計(jì)要求,我設(shè)計(jì)了如下圖所示的液壓加載試驗(yàn)臺系統(tǒng)。 總體系統(tǒng)圖如下圖所示: 1.雙向變量馬達(dá) 2.聯(lián)軸器 3.傳感器 4.變速器 5.減速器 6.增速器7.雙向變量加載泵 8.單向閥 9.蓄能器 10.壓力計(jì) 11.輔助泵 12.電動(dòng)機(jī)13.安全閥

14、14.油箱 原理:馬達(dá)1和加載泵7組成的主回路為開式回路,油箱14供油給加載泵7,啟動(dòng)時(shí),電動(dòng)機(jī)12帶動(dòng)輔助泵11驅(qū)動(dòng)馬達(dá)1運(yùn)行,馬達(dá)1帶動(dòng)變速器4、減速器5、增速器6,進(jìn)而驅(qū)動(dòng)加載泵7啟動(dòng),之后油箱14供油給加載泵對減速器5進(jìn)行加載,輔助泵11作為輔助動(dòng)力源,用于補(bǔ)償在系統(tǒng)中能量的損失,變速器4起到變速變扭的作用,蓄能器9用于穩(wěn)定液壓沖擊。 本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了能量的回收,實(shí)現(xiàn)了能量的二次再利用,利用輔助泵對系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)油,提高了能量的利用率,通過改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等以減少能量損失,借助于輔助設(shè)備實(shí)現(xiàn)能量回收使得能量再次被利用。該液壓加載系統(tǒng)不僅滿足環(huán)境目標(biāo),考慮回收利用率,資源,能源的有效利用率,達(dá)到

15、環(huán)境保護(hù)和資源優(yōu)化應(yīng)用的效應(yīng)。 3 大功率減速器設(shè)計(jì) 大功率減速器設(shè)計(jì):參照ZSY型三級減速器部分參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì), 減速器公稱輸入功率 ,公稱輸入轉(zhuǎn)速 輸出轉(zhuǎn)速 ,公稱傳動(dòng)比 , 3.1 三級減速器傳動(dòng)比的分配: 按等強(qiáng)度分配: , 式中 , ——高、中、低速級中心距(㎜); ——分別為總傳動(dòng)比和高、中、低速級傳動(dòng)比; ——高、中、低速級齒輪的接觸疲勞極限(); 設(shè) , , 根據(jù)逼近原則

16、,選,, ; 3.2 傳動(dòng)裝置的效率: 按《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)》表4.2-9?。郝?lián)軸器效率 =0.994 , 齒輪嚙合效率 (齒輪精度為8級)=0.97 滾動(dòng)軸承效率 =0.98 3.3 減速器各軸運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力參數(shù)計(jì)算 0軸:(即減速器輸入軸) P= 50kw n=1500r/min T=9.55P/n=9.555010/1500=318.3N.m Ⅰ軸(減速器中間軸): P== 500.970.98=47.53kw

17、 n==1500/3.42=438.60r/min T=9.55P/n=9.5547.5310/438.60=1034.91 Nm Ⅱ軸(減速器中間軸): P= =47.530.970.98=45.18 kw n==438.60/2.91=150.72 r/min T=9.55P/=9.5545.18103/150.72=2862.72N.m Ⅲ軸(減速器輸出軸): ==45.180.970.98= 42.96 kw 150.72/2.81=53.64r/min T=9.55P/n=9.5542.96103/53.

18、64=7648.55 N.m 計(jì)算結(jié)果匯總列表如下: 3.4 傳動(dòng)零件的設(shè)計(jì)計(jì)算 3.4.1 減速器高速級齒輪傳動(dòng)計(jì)算 選擇材料及熱處理方法 查表8-17(p174) 小齒輪: 45號鋼 調(diào)質(zhì)HBS=245-275 HBS 大齒輪: 45號鋼 正火HBS=210-240 HBS 按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算: 采用斜齒圓柱齒輪傳動(dòng),按V=(0.012~0.021)n=5.79~10.14 m/s, 估取圓周速度 7.5 m/s, 參考表8-14,8-15選取第Ⅱ公差組8級 小齒輪分度圓直徑由式8-77得 齒寬系數(shù)查表8-23按齒輪相對軸非對稱布置取

19、=0.8 小齒輪齒數(shù),按推薦值20—40中選=24 大齒輪齒數(shù)==3.4224=82.08,圓整取=83, 傳動(dòng)比= / =83/24=3.46 傳動(dòng)比誤差=3.50-3.46/3.50=0.09,誤差在5%范圍內(nèi),合適 小輪轉(zhuǎn)矩=9.55 / =9.551050/1500=318300 N㎜ 載荷系數(shù)K K=KKKK 使用系數(shù) K 查表8-20 K=1.00 動(dòng)載荷系數(shù)K 初值查圖 8-57 K=1.22 齒向載荷分布系數(shù) 查圖 8-60得=1.12 齒間載荷分配系數(shù)的初值,初選 由式8-55和8-56得 =+=[1.88-3.2(1/+1/)]+ =1.67+

20、1.41=3.08 查表8-21插值得K=1.42 載荷系數(shù)K初值K=11.221.121.42=1.94 彈性系數(shù)查表8-22得=189.8 節(jié)點(diǎn)影響系數(shù)Z 查圖8-64(X=X=0)得Z=2.45 重合度系數(shù)查圖8-65,=0.77 螺旋角系數(shù)=0.99 許用接觸應(yīng)力[]由式[]=.ZZ/S 接觸疲勞極限應(yīng)力、查圖8-69 =570 N/㎜ =460 N/㎜ 應(yīng)力循環(huán)次數(shù)由式8-70得 N=60nj=601500183008=1.73109 N= N/=1.73/3.46=5 查圖8-70接觸強(qiáng)度壽命系數(shù)Z Z Z = Z=1 硬化系數(shù)Z查圖8-71及說明Z

21、=1.15 接觸強(qiáng)度安全系數(shù)S查表8-27按一般可靠度S=1.0~1.1取 S=1.0 []=57011.15/1.0=656 N/mm []=46011.15/1.0=529 N/mm 的設(shè)計(jì)初值 95.94㎜ 模數(shù):m=/ = 95.94/24=3.62 圓整取模數(shù)m =4 中心距a=m (+)/(2)=4107/2=219.63㎜ 分度圓螺旋角 = 小輪分度圓直徑的計(jì)算㎜ 圓周速度V=/60000=3.1498.531500/60000=7.74m/s與估取的值相近.對K取值影響不大不必修正取K=K=1.22 齒間載荷分配系數(shù) =+ = [1.88

22、-3.2(1/24+1/83)]=1.67 =1.67+1.41=3.08 查表8-21得=1.42 載荷系數(shù) K=11.221.121.42=1.94 小輪分度圓直徑取㎜ 取㎜ 大輪分度圓直徑==483/=340.73㎜ 齒寬==0.895.94=76.75㎜ 大齒輪齒寬=b圓整取齒寬=80㎜ 小齒輪寬=b+(5~10)=80+5=85㎜ 按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核計(jì)算 =[] 齒形系數(shù) 查圖8-67得 與 =2.62 =2.21 應(yīng)力修正系數(shù)Y查圖8-68 =1.6 =1.78 重合修正系數(shù)Y由式8-67得 Y=

23、0.25+0.75/=0.25+0.75/1.67=0.70,所以Y=0.70 螺旋角系數(shù) 許用彎曲應(yīng)力[]由式(8-71)計(jì)算 []=YY/S 彎曲疲勞極限查圖(8- 72) = 460 N/㎜ = 390N/㎜ 彎曲疲勞強(qiáng)度得壽命系數(shù)查圖8-73查得 =1.0 尺寸系數(shù)Y 查圖8-74 Y=1.0 安全系數(shù)S 查表8-27 則 S=1.25 [] = 46011/1.25=368 N/㎜ [] =39011/1.25=312N/㎜ 故 =2.621.600.700.85=90.65 N/㎜<[] =2.211.780.700.85=90.38 N/

24、㎜<[] 滿足要求,合格。 3.4.2 減速器中間級齒輪傳動(dòng)計(jì)算 選擇材料及熱處理方法 查表8-17(p174) 小齒輪: 45號鋼 調(diào)質(zhì)HBS=245-275 HBS 大齒輪: 45號鋼 正火HBS=210-240 HBS 按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算: 采用斜齒圓柱齒輪傳動(dòng),按V=(0.012~0.021) n=2.51~4.39 m/s, 估取圓周速度 3.4 m/s, 參考表8-14,8-15選取第Ⅱ公差組8級 小齒輪分度圓直徑由式8-77得 齒寬系數(shù)查表8-23按齒輪相對軸非對稱布置取=0.8 小齒輪齒數(shù) 按推薦值20—40中選=24 大

25、齒輪齒數(shù)==2.9124=69.84,圓整取=70, 傳動(dòng)比 = / =70/24=2.92 傳動(dòng)比誤差=2.95-2.92/2.95=0.01,誤差在5%范圍內(nèi),合適 小輪轉(zhuǎn)矩=9.55/=9.551047.53/438.60=1034910N㎜ 載荷系數(shù)K K =KKKK 使用系數(shù) K 查表8-20 K=1.00 動(dòng)載荷系數(shù)K 初值查圖8-57 K=1.12 齒向載荷分布系數(shù) 查圖8-60得=1.12 齒間載荷分配系數(shù)的初值,初選 由式8-55和8-56得 =+=[1.88-3.2(1/+1/)]+ =1.66+1.41=3.07 查表8-21插值得K=1.42

26、 載荷系數(shù)K初值K=11.121.121.42=1.78 彈性系數(shù)查表8-22得=189.8 節(jié)點(diǎn)影響系數(shù)Z查圖8-64(X=X=0)得Z=2.45 重合度系數(shù)查圖8-65= 0.77 螺旋角系數(shù)=0.99 許用接觸應(yīng)力[]由式[]=.ZZ/S 接觸疲勞極限應(yīng)力、查圖8-69 =600 N/㎜ =500 N/㎜ 應(yīng)力循環(huán)次數(shù)由式8-70得 N=60nj=60438.60183008=5.05 N= N/=5.05/2.92=1.73 查圖8-70接觸強(qiáng)度壽命系數(shù)Z Z Z = Z= 1 硬化系數(shù)Z查圖8-71及說明Z=1.15 接觸強(qiáng)度安全系數(shù)S查表8-27按一

27、般可靠度S=1.0~1.1取 S=1.0 []=60011.15/1.0=690 N/mm []=50011.15/1.0=575N/mm 的設(shè)計(jì)初值 132.94㎜ 模數(shù):m=/ =132.94/24=5.40 圓整取模數(shù)m=6 中心距a=m (+)/2=694/(2)=289.42㎜ 分度圓螺旋角 = 小輪分度圓直徑的計(jì)算㎜ 圓周速度V=/60000=147.79438.6/60000=3.39m/s與估取的值相近.對K取值影響不大,不必修正取K=K=1.12 齒間載荷分配系數(shù) =+ = [1.88-3.2(1/24+1/70)]=1.66 =1

28、.66+1.41=3.07 查表8-21得=1.42 載荷系數(shù) K=11.121.121.42=1.78 小輪分度圓直徑取㎜ 取㎜ 大輪分度圓直徑==670/=431.05㎜ 齒寬==0.8132.94=106.35㎜ 大齒輪齒寬=b,圓整取齒寬=110㎜ 小齒輪寬=b+(5~10)=110+5=115㎜ 按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核計(jì)算 =YYYY[] 齒形系數(shù) 查圖8-67得 與 =2.62 =2.23 應(yīng)力修正系數(shù)Y查圖8-68 =1.6 =1.76 重合修正系數(shù)Y由式8-67得 Y=0.25+0.75/=0.25+0

29、.75/1.67=0.70,所以Y=0.70 螺旋角系數(shù) 許用彎曲應(yīng)力[]由式(8-71)計(jì)算 []=YY/S 彎曲疲勞極限查圖(8- 72) =460 N/㎜ =390N/㎜ 彎曲疲勞強(qiáng)度得壽命系數(shù)查圖8-73查得 =1.0 尺寸系數(shù)Y 查圖8-74 Y=1.0 安全系數(shù)S 查表8-27 則 S=1.25 []=46011/1.25=368N/㎜ []=39011/1.25=312N/㎜ 故 =2.621.600.700.85=90.11 N/㎜<[] =2.231.760.700.85=88.70 N/㎜<[] 滿足要求,合格。 3.4.3

30、減速器低速級齒輪傳動(dòng)計(jì)算 選擇材料及熱處理方法 查表8-17(p174) 小齒輪: 45號鋼 調(diào)質(zhì)HBS=245-275 HBS 大齒輪: 45號鋼 正火HBS=210-240 HBS 按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算: 采用斜齒圓柱齒輪傳動(dòng),按V=(0.012~0.021) n=1.21~2.12 m/s, 估取圓周速度 1.5 m/s, 參考表8-14,8-15選取第Ⅱ公差組8級 小齒輪分度圓直徑由式8-77得 齒寬系數(shù)查表8-23按齒輪相對軸非對稱布置取=0.8 小齒輪齒數(shù) 按推薦值20—40中選=24 大齒輪齒數(shù)==2.8124=67.44,圓整取=

31、67, 傳動(dòng)比= / =67/24=2.79 傳動(dòng)比誤差=2.80-2.79/2.80=0.0036,誤差在5%范圍內(nèi),合適 小輪轉(zhuǎn)矩=9.55/=9.551045.18/150.72 =2862720N㎜ 載荷系數(shù)K K=KKKK 使用系數(shù) K 查表8-20 K=1.00 動(dòng)載荷系數(shù)K 初值查圖8-57 K=1.05 齒向載荷分布系數(shù) 查圖8-60得=1.12 齒間載荷分配系數(shù)的初值,初選 由式8-55和8-56得 =+=[1.88-3.2(1/+1/)]+ =1.66+1.41=3.07 查表8-21插值得K=1.42 載荷系數(shù)K初值K=11.051.121.

32、42=1.67 彈性系數(shù)查表8-22得=189.8 節(jié)點(diǎn)影響系數(shù)Z查圖8-64(X=X=0)得Z=2.45 重合度系數(shù)查圖8-65=0.77 螺旋角系數(shù)=0.99 許用接觸應(yīng)力[]由式[]=.ZZ/S 接觸疲勞極限應(yīng)力、查圖8-69 =600 N/㎜ =500 N/㎜ 應(yīng)力循環(huán)次數(shù)由式8-70得 N=60nj=60150.72183008=1.84 N= N/=1.84/2.79=0.66 查圖8-70接觸強(qiáng)度壽命系數(shù)Z Z Z = Z=1 硬化系數(shù)Z查圖8-71及說明Z=1.15 接觸強(qiáng)度安全系數(shù)S查表8-27按一般可靠度S=1.0~1.1取 S=1.0 []

33、=60011.15/1.0=690 N/mm []=50011.15/1.0=575N/mm 的設(shè)計(jì)初值 183.42㎜ 模數(shù):m=/ =183.42/24=7.45 圓整取模數(shù)m=8 中心距a=m (+)/(2)=891/(2)=373.57㎜ 分度圓螺旋角: = 小輪分度圓直徑的計(jì)算㎜ 圓周速度V=/60000=197.05150.72/60000=1.56m/s與估取的值相近.對K取值影響不大不必修正取K=K=1.05 齒間載荷分配系數(shù) =+ = [1.88-3.2(1/24+1/67)]=1.66 =1.66+1.41=3.07 查表8-21得

34、=1.42 載荷系數(shù) K=11.051.121.42=1.67 小輪分度圓直徑取㎜ 取㎜ 大輪分度圓直徑==867/=550.09㎜ 齒寬==0.8183.42=146.74㎜ 大齒輪齒寬=b圓整取齒寬=150㎜ 小齒輪寬=b+(5~10)=150+5=155㎜ 按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核計(jì)算 =YYYY[] 齒形系數(shù) 查圖8-67得 與 =2.62 =2.24 應(yīng)力修正系數(shù)Y查圖8-68 =1.6 =1.76 重合修正系數(shù)Y,由式8-67得 Y=0.25+0.75/=0.25+0.75/1.66=0.70,所以Y=0.

35、70 螺旋角系數(shù) 許用彎曲應(yīng)力[]由式(8-71)計(jì)算 []=YY/S 彎曲疲勞極限查圖(8- 72) =500 N/㎜ =400N/㎜ 彎曲疲勞強(qiáng)度得壽命系數(shù)查圖8-73查得 =1.0 尺寸系數(shù)Y 查圖8-74 Y=1.0 安全系數(shù)S 查表8-27 則 S=1.25 []=50011/1.25=400N/㎜ []=40011/1.25=320N/㎜ 故 =2.621.600.700.85=97.60 N/㎜<[] =2.241.760.700.85=94.85 N/㎜<[] 滿足要求,合格 3.4.4 減速器低速軸的強(qiáng)度校核 (1)求軸的載荷

36、 首先根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)圖做出軸的計(jì)算簡圖(見下圖)。對于32024型圓錐滾子軸承,查得a38㎜,因此軸的支承跨距L=99+319=418㎜ 根據(jù)軸的計(jì)算簡圖做出軸的彎矩圖,扭矩圖,和當(dāng)量彎矩圖(見下圖)。從軸的結(jié)構(gòu)圖和當(dāng)量彎矩圖可看出,C截面的當(dāng)量彎矩最大,是軸的危險(xiǎn)截面。C截面處的、、、及的數(shù)值如下。 支反力 水平面 =20523.31 N, =6630.61 N 垂直面 =11675.20 N, =-1532.13 N 彎矩和 水平面 =2154947.55 N㎜ 垂直面 =1225896

37、 N㎜ 合成彎矩 N㎜ 扭矩T T=7468550 N㎜ 當(dāng)量彎矩 N㎜ (2)校核軸的強(qiáng)度 軸的材料為45鋼,調(diào)質(zhì)處理。由表4-1(機(jī)械設(shè)計(jì)工程學(xué)[])查得=650 N/㎜,則[]=0.09~0.1,即58~65 N/㎜,取[]=60 N/㎜,軸的計(jì)算應(yīng)力為 N/㎜<[]=60 N/㎜ 根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知,該軸滿足強(qiáng)度要求。 3.4.5 精確校核軸的疲勞強(qiáng)度 (1)判斷危險(xiǎn)截面 從受載情況觀察,截面C上最大,但應(yīng)力集中不大(過盈配合及鍵槽引起的應(yīng)力均集中在兩端),而且這里軸徑最大,

38、故截面C不必校核。從應(yīng)力集中對軸的疲勞強(qiáng)度削弱程度觀察,截面IV和V處過盈配合引起的應(yīng)力集中最嚴(yán)重。截面V的應(yīng)力集中與截面IV相近,但截面V不受扭矩作用,同時(shí)軸徑也較大。分析可知,危險(xiǎn)截面為IV截面(左側(cè))。 (2)計(jì)算危 險(xiǎn)截面應(yīng)力 截面右側(cè)彎矩為 N/㎜ 截面上的扭矩為 =7468550 N㎜ 抗彎截面系數(shù) N/㎜ 抗扭截面系數(shù) N/㎜ 截面上的彎曲應(yīng)力 N/㎜ 截面上的扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力 N/㎜ 彎曲應(yīng)力幅 N/㎜ 彎曲平均應(yīng)力

39、 扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力的應(yīng)力幅與平均應(yīng)力相等,即 N/㎜ (3)確定影響系數(shù) 軸的材料為45號鋼,調(diào)質(zhì)處理。由表查4-1得 N/㎜, N/㎜, N/㎜. 軸肩圓角處的有效應(yīng)力集中系數(shù)、。根據(jù)r/d=2.5/120=0.021, D/d=122/120=1.02,由表4-5經(jīng)插值后可得。 尺寸系數(shù)、,查得 =0.6,=0.77。 表面質(zhì)量系數(shù)、 根據(jù)=650 N/㎜和表面加工為精車,查圖4-19,得 材料彎曲、扭轉(zhuǎn)的特性系數(shù) , 由上面的結(jié)果可得 查表4-4 中的許用安全系

40、數(shù)[S]值,可知該軸安全。 4 變速箱內(nèi)齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 4.1 第一變速齒輪的設(shè)計(jì) 選擇齒輪材料: 小輪選用45#,調(diào)質(zhì)=245-275 HBS 大輪選用45#,正火=210-240 HBS 按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算: 采用直齒圓柱齒輪傳動(dòng),按V=(0.013~0.022)=6.44~10.89 m/s 估取圓周速度V=7.5m/s ,參考教材表8-14,8-15選取II公差組8級 小齒輪分度圓直徑由式8-77得 齒寬系數(shù) ,查教材表8-23按齒輪相對軸承為非對稱布置,?。?.8 小齒輪齒數(shù) Z1在推薦值20~40中選24 大齒輪

41、齒數(shù) Z2=Z1i=4.424=105.6,圓整 齒數(shù)比 u=Z2/Z1=106/24=4.42 傳動(dòng)比誤差=(4.45-4.42)/4.45=0.0067, 誤差在5%內(nèi),合適 小輪轉(zhuǎn)矩=9.5510/n=9.551054.0/1500=343.8 N㎜ 載荷系數(shù)K由式(8-54)得 K=KKK 使用系數(shù),查教材表(8-20)=1.00 動(dòng)載荷系數(shù)K的初值 K由教材圖(8-57)查得K=1.24 齒向載荷分布系數(shù) K由教材圖(8-60)查得K=1.12 由式(8-55),(8-56)得 = [1.88-3.2(1/Z+1/Z)] = [1.88-3.2(1/24+1

42、/106)] = 1.72 查教材表8-21并插值K=1.16 則載荷系數(shù)的初值為 ==11.241.121.16=1.61 彈性系數(shù)查表8-22得=189.8 節(jié)點(diǎn)影響系數(shù)Z查圖8-64(X=X=0)得Z=2.5 重合度系數(shù)查圖8-65,=0.87 許用接觸應(yīng)力[]由式[]=.ZZ/S 接觸疲勞極限應(yīng)力、查圖8-69 600N/mm 500N/mm 應(yīng)力循環(huán)次數(shù)由式8-70得 =60n2j=601500183008=1.73 = /=1.73/4.4=3.93 查圖8-70接觸強(qiáng)度壽命系數(shù)Z ,Z Z= Z=1.0 硬化系數(shù)Z查圖8-71及說明Z=1.15

43、 接觸強(qiáng)度安全系數(shù)S查表8-27按一般可靠度S=1.0~1.1取 S=1.0 []=60011.15/1.0=690N/mm []=50011.15/1.0=575N/mm 的設(shè)計(jì)初值 95.63㎜ 模數(shù):m= /=95.63/24=3.98 圓整取模數(shù)m=4 中心距a=m(+)/2=4(24+106)/2=260㎜ 小輪分度圓直徑的計(jì)算 ,244=96㎜ 圓周速度v=/60000=961500/60000=7.54m/s與估取的值相近.對K取值影響不大不必修正K取 K=K=1.61 大輪分度圓直徑=m=4.0106=424 mm, 齒寬==0.895.63=76

44、.50㎜ 大齒輪齒寬=b圓整取齒寬=80㎜ 小齒輪齒寬=b+(5~10)=80+5=85㎜ 按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核計(jì)算 =YYYY[] 查圖8-67得 與 小輪 =2.67 大輪 =2.18 應(yīng)力修正系數(shù)Y查圖8-68 =1.58 =1.81 重合修正系數(shù)Y由式8-67得 Y=0.25+0.75/=0.25+0.75/1.71=0.69 所以Y=0.69 許用彎曲應(yīng)力[]由式(8-71)計(jì)算 []=YY/S 彎曲疲勞極限查圖(8- 72) =460N/mm =390N/mm 彎曲疲勞強(qiáng)度得壽命系數(shù)查圖8-73查得 =1.0 尺寸系數(shù)Y 查圖8-74

45、 Y=1.0 安全系數(shù)S 查表8-27則 S=1.3 []=46011/1.3=353.85N/㎜ []=39011/1.3=300N/㎜ 故 =21.613438002.671.580.69/(85964)=98.74N/㎜ [] =21.613438002.181.810.69/(80964)=98.11N/㎜ [] 滿足要求,合格。 4.2 另一組變速齒輪的設(shè)計(jì) 依據(jù)變速組內(nèi)模數(shù)相等理論設(shè)計(jì)。所以m=4 根據(jù)需要,, =65 所以分度圓直徑㎜ 兩輪齒寬=b圓整取齒寬=80㎜ 選擇齒輪材料: 齒輪均選用45# HBS=210-240 H

46、BS [1.88-3.2()]=1.78 K=11.31.191.12=1.73 按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核計(jì)算 =YYYY[] 查圖8-67得 =2.27 應(yīng)力修正系數(shù)Y查圖8-68 =1.74 重合修正系數(shù)Y由式8-67得 Y=0.25+0.75/=0.25+0.75/1.78=0.67 所以Y=0.67 許用彎曲應(yīng)力[]由式(8-71)計(jì)算 []=YY/S 彎曲疲勞極限查圖(8- 72) =390N/mm 彎曲疲勞強(qiáng)度得壽命系數(shù)查圖8-73查得 =1.0 尺寸系數(shù)Y 查圖8-74 Y=1.0 安全系數(shù)S 查表8-27則S=1.3 []=39

47、011/1.3=300N/㎜,故 =21.733438002.271.740.67/802604=37.84N/mm [] 滿足要求,合格。 變速箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示: 4.3 變速箱低速軸的強(qiáng)度校核 4.3.1 求軸的載荷 首先根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)圖做出軸的計(jì)算簡圖(見下圖)。對于32024型圓錐滾子軸承,查得a9.5㎜,因此軸的支承跨距L=68+366㎜ 根據(jù)軸的計(jì)算簡圖做出軸的彎矩圖,扭矩圖,和當(dāng)量彎矩圖(見下圖)。從軸的結(jié)構(gòu)圖和當(dāng)量彎矩圖可看出,C截面的當(dāng)量彎矩最大,是軸的危險(xiǎn)截面。C截面處的、、、及的數(shù)值如下。 支反力 水平面 =6017.

48、47 N, =1118 N 垂直面 =2190.18 N, =406.92 N 彎矩和 水平面 =409187.96 N㎜ 垂直面 =148932.72 N㎜ 合成彎矩 N㎜ 扭矩T T=1512720 N㎜ 當(dāng)量彎矩 N㎜ 4.3.2 校核軸的強(qiáng)度 (1)求軸的載荷 軸的材料為45鋼,調(diào)質(zhì)處理。由表4-1(機(jī)械設(shè)計(jì)工程學(xué)[])查得=650 N/㎜,則[]=0.09~0.1,即58~65 N/㎜,取[]=60 N/㎜,軸的計(jì)算應(yīng)力

49、為 N/㎜<[]=60 N/㎜ 根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知,該軸滿足強(qiáng)度要求。 4.3.3 精確校核軸的疲勞強(qiáng)度 (1)判斷危險(xiǎn)截面 從受載情況觀察,截面C上最大,但應(yīng)力集中不大(過盈配合及鍵槽引起的應(yīng)力均集中在兩端),而且這里軸徑最大,故截面C不必校核。從應(yīng)力集中對軸的疲勞強(qiáng)度削弱程度觀察,截面IV和V處過盈配合引起的應(yīng)力集中最嚴(yán)重。截面V的應(yīng)力集中與截面IV相近,但截面V不受扭矩作用,同時(shí)軸徑也較大。分析可知,危險(xiǎn)截面為IV截面(左側(cè))。 (2)計(jì)算危 險(xiǎn)截面應(yīng)力 截面右側(cè)彎矩為 N/㎜ 截面上的扭矩為 =1512720 N㎜ 抗彎

50、截面系數(shù) N/㎜ 抗扭截面系數(shù) N/㎜ 截面上的彎曲應(yīng)力 N/㎜ 截面上的扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力 N/㎜ 彎曲應(yīng)力幅 N/㎜ 彎曲平均應(yīng)力 扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力的應(yīng)力幅與平均應(yīng)力相等,即N/㎜ (3)確定影響系數(shù) 軸的材料為45號鋼,調(diào)質(zhì)處理。由表查4-1得 N/㎜, N/㎜, N/㎜. 軸肩圓角處的有效應(yīng)力集中系數(shù)、。根據(jù)r/d=2.0/68=0.029, D/d=70/68=1.03,由表4-5經(jīng)插值后可得。 尺寸系數(shù)、,查得 =0.67

51、,=0.80。 表面質(zhì)量系數(shù)、 根據(jù)=650 N/㎜和表面加工為精車,查圖4-19,得 材料彎曲、扭轉(zhuǎn)的特性系數(shù) , 由上面的結(jié)果可得 查表4-4 中的許用安全系數(shù)[S]值,可知該軸安全。 5 結(jié)論 在能源日益緊缺的今天,高效節(jié)能的產(chǎn)品日益受到人們的青睞,節(jié)能技術(shù)一直是液壓領(lǐng)域所關(guān)注的重大課題之一。在滿足性能要求的前提下實(shí)現(xiàn)對液壓傳動(dòng)系統(tǒng)具有機(jī)器重要的意義。 本文以機(jī)械設(shè)計(jì)理論為基礎(chǔ),結(jié)合液壓傳動(dòng)理論,對大功率液壓加載試驗(yàn)臺機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。該試驗(yàn)臺是由液壓加載泵、液壓馬達(dá)、變速器、減速器、增速器、輔助泵以及傳

52、感器等組成的系統(tǒng)。本文系統(tǒng)的對減速器、變速器進(jìn)行了設(shè)計(jì),其中包括參數(shù)計(jì)算、齒輪校核、軸的校核、具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、零件設(shè)計(jì),以及整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等各項(xiàng)工作。 本設(shè)計(jì)還有一些不足之處,一是基于能量回收的液壓加載試驗(yàn)臺實(shí)例還比較少,設(shè)計(jì)時(shí)參考資料少,考慮必然會(huì)出現(xiàn)欠缺之處。二是對于液壓設(shè)計(jì)理論的理解還不夠深刻,運(yùn)用起來不是很得心應(yīng)手。另外,本設(shè)計(jì)只是處于理論階段,由于條件制約,沒能做成實(shí)物進(jìn)行試驗(yàn),所以這些都是需要進(jìn)一步研究和實(shí)踐的。 致謝 經(jīng)過幾個(gè)月的忙碌和學(xué)習(xí),本次畢業(yè)設(shè)計(jì)已經(jīng)接近尾聲,作為一個(gè)本科生的畢業(yè)設(shè)計(jì),由于經(jīng)驗(yàn)的匱乏

53、,難免有許多考慮不周全的地方,如果沒有老師的督促指導(dǎo),以及一起工作的同學(xué)們的支持,想要完成這個(gè)設(shè)計(jì)是難以想象的。 在這里首先要感謝我的指導(dǎo)老師張建卓教授。他平日里工作繁多,但在我做畢業(yè)設(shè)計(jì)的每個(gè)階段,從外出實(shí)習(xí)到查閱資料,設(shè)計(jì)草案的確定和修改,中期檢查,后期詳細(xì)設(shè)計(jì),裝配草圖等整個(gè)過程中都給予了我悉心的指導(dǎo)。我的設(shè)計(jì)較為復(fù)雜煩瑣,但是張建桌老師仍然細(xì)心地糾正圖紙中的錯(cuò)誤。除了敬佩張老師的專業(yè)水平外,他嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度和鉆研科學(xué)的精神也是我永遠(yuǎn)學(xué)習(xí)的榜樣,并將積極影響我今后的學(xué)習(xí)和工作。 然后還要感謝大學(xué)四年來所有的老師,為我們打下機(jī)械專業(yè)知識的基礎(chǔ);同時(shí)還要感謝所有的同學(xué)們

54、,正是因?yàn)橛辛四銈兊闹С趾凸膭?lì)。此次畢業(yè)設(shè)計(jì)才會(huì)順利完成。 最后感謝各位老師大學(xué)四年來對我的大力栽培,在此,我向各位老師表示深深的感謝和崇高的敬意。 參考文獻(xiàn) [1]彭熙偉,陳建萍.液壓技術(shù)的發(fā)展方向[J].液壓與氣動(dòng),2007(3):1~4 [2]劉志峰,劉光復(fù).綠色設(shè)計(jì).北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1999年. [3]隗金文,王慧.液壓傳動(dòng).沈陽:東北大學(xué)出版社,2001年. [4]桑勇,占林,祁小野,白國長.液壓系統(tǒng)中節(jié)能技術(shù)的討論[J].機(jī)床與液壓, 2007(3):83~86 [5]Step

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