车用普通锥齿轮式差速器的设计 毕业论文

毕业设计说明书（论文）

作 者: 学 院: 专 业: 题 目:

学 号： 1101504109

交通工程学院 车辆工程

车用普通锥齿轮式差速器的设计

副教授 指导者：

评阅者：

2014 年 06 月

毕业设计说明书（论文）中文摘要

本次毕业论文的设计主要是锥齿轮式差速器，锥齿轮式差速器是最普通的差速器，安装在两半轴之间。此次设计主要涉及到差速器行星齿轮和半轴齿轮的参数计算、材料选择和强度校核，同时也简要说明了差速器的原理。在设计中参考了大量文献、翻阅了大量机械设计手册，对差速器的结构有了更深刻的了解和对锥齿轮有了进一步的认识，最后，通过利用Pro/E软件对锥齿轮式差速器进行建模工作和生成二维图。 关键词 锥齿轮，差速器，齿轮结构

毕业设计说明书（论文）外文摘要

Title Design of Common Bevel Gear Differential Car Abstract The paper is mainly about the design of bevel gear differential, which is the most common differential and installed between two axles. The design is probably about the parameter calculation, the choose of material and the check of strength of differential’s planetary gear and axle gear. What’s more, the principle of differential is briefly explained. Many documents and Mechanical Design Handbooks were consulted in the process of design, and they have contributed to a deeper understanding of the bevel gear and the structure of differentials. Finally, I modeling the bevel gear differentials by using Pro/Engineer, generation of two-dimensional maps. Keywords bevel gear,differential,gear structure 淮阴工学院毕业设计说明书（论文） 目 录

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1 绪论 ............................................ 错误！未定义书签。 1.1背景和意义 ..................................... 错误！未定义书签。 1.2汽车锥齿轮式差速器的概述 ........................................ 1 1.2.1汽车锥齿轮式差速器的差速原理 .................................. 2 1.3 本文研究的内容 ................................ 错误！未定义书签。 2 锥齿轮式差速器参数的计算、强度校核和材料选择 ..................... 4 2.1 初始数据的来源与依据 ........................................... 4 2.2 锥齿轮式差速器齿轮参数的确定 .................. 错误！未定义书签。 2.3 差速器齿轮的几何计算图表 ...................... 错误！未定义书签。 2.4 锥齿轮式差速器齿轮材料的选择 .................. 错误！未定义书签。 2.5 差速器齿轮的强度计算 .......................... 错误！未定义书签。 2.6 半轴直径的初选及强度计算 ..................................... 12 2.7 半轴花键的计算 ............................................... 12 2.8 十字轴的计算 ................................................. 13 3 锥齿轮式差速器的实体建模 ........................ 错误！未定义书签。 3.1 建模工具的选择 ................................ 错误！未定义书签。 3.2 锥齿轮式差速器建模的过程 ...................... 错误！未定义书签。 3.2.1 一些零件的建模过程 .......................... 错误！未定义书签。 4 锥齿轮式差速器的虚拟装配 ........................ 错误！未定义书签。 结论 .............................................................. 20 致谢 .............................................................. 21 参考文献 .......................................................... 22

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1 绪论

1.1 背景和意义

在汽车行业发展的初期，法国雷诺汽车公司的创始人雷诺先生最先发明了汽车差速器，汽车差速器作为汽车必不可少的部件之一曾经被汽车专家们誉为“小零件大功用”[1]。差速器之所以有如此的美名，在于汽车转弯行驶时，由于汽车的内、外两侧车轮在同一时间内要移动不同的距离，而外轮移动的距离要比内轮转过的路程大，就会造成汽车转弯困难，而差速器就可以解决此类问题。那么什么是差速器？简单一点的说就是由六个齿轮所组成。复杂一点，就是由一组行星齿轮组成，核心是两个行星齿轮和两个与左右后轮传动轴相连接的半轴齿轮。为了节省空间和材料，现代的差速器很少使用经典的平面齿轮了，更多的是使用曲齿圆锥齿轮、交错轴斜齿轮、准双曲面齿轮甚至蜗杆来代替平面齿轮，但基本的六个齿轮的结构一直延续了下来。为了节省空间，现代的差速器很少使用经典的平面齿轮了，更多的是使用曲齿圆锥齿轮、交错轴斜齿轮、准双曲面齿轮甚至蜗杆，但基本的六个齿轮的结构一直延续了下来。在此基础上有发明了限滑差速器、机械式限滑差速器、螺旋齿轮限滑差速器、滚珠锁定限滑差速器等，而锥齿轮式差速器由于技术成熟、安全、可靠、结构简单等优点，一直被延续的使用下来。差速器的作用就是将主减速器传来的动力传给左、右两半轴，并在转弯行驶时允许左、右两半轴以不同转速旋转（差速作用）。它对提高汽车的燃油经济性、安全性和汽车各的零件的使用寿命具有非常重大的意义。在本世纪六七十年代，世界经济发展进入了一个高速增长期，而在2008年开始的全球金融危机又让汽车产业在危机中有了发展的机遇，人类的富裕使人们享受生活，追求乐趣，有额外的钱购买汽车，所以轿车的销量逐年上升，在世界各处都有非常广阔的前景和市场[2]。

目前国内重型汽车的差速器产品的技术基本上都源自于美国、德国、日本、法国等几个传统的工业强国，而我国现有的技术基本上是在引进国外的基础上引进和发展起来的，而且已经有了初步的发展规模，并在此基础上有了一定的创新。但是目前我国差速器的自主开发能力仍然很弱，影响了整车新车的开发，在差速器的技术开发上还是有很长的路要走[3]。

1.2 汽车锥齿轮式差速器的概述

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目前国产轿车及其它类汽车基本都采用了对称式锥齿轮式普通差速器。对称式锥齿轮差速器由行星齿轮、半轴齿轮、行星齿轮轴（十字轴或一根直销轴）和差速器壳等组成（如图1-1）。

图1-1 普通的锥齿轮式差速器

1-轴承；2-螺母；3-锁止垫片；4-差速器左壳；5-螺栓；6-半轴齿轮垫片；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；12-轴承；13-螺栓；

14-锁止垫片

大多数汽车采用行星锥齿轮式差速器，普通锥齿轮差速器由两个或者四个圆锥行星齿轮、行星齿轮轴、两个圆锥半轴齿轮与左右差速器壳等构成。

切诺基的开式差速器的结构，是非常典型的行星齿轮组结构，只不过太阳轮和外齿圈的齿数是一样的。在这套行星齿轮组里，主动轮是行星架，被动轮是两个太阳轮。通过行星齿轮组的传动特性我们知道，如果行星架作为主动轴，两个太阳轮的转速和转动方向是不确定的，甚至两个太阳轮的转动方向是相反的。

车辆在直线行驶时，差速器给两个半轴传递的扭矩相同。在一个驱动轮悬空情况下，如果传动轴是匀速转动，有附着力的驱动轮是没有驱动力的，如果传动轴是加速转动，有附着力的驱动轮的驱动力等于悬空车轮的角加速度和转动惯量的乘积。 车辆转弯而且轮胎不打滑的状态下，和差速器连接的两个半轴的扭矩方向是相反的，给车辆提供向前的驱动力只有内侧的车轮，行星架和内侧的太阳轮之间由等速传动变成了减速传动，驾驶感觉就是弯道加速比直道加速更有力。

开式差速器的优点就是在铺装路面上转行行驶的效果最好。缺点就是在一个驱动轮丧失附着力的情况下，另外一个也没有驱动力，开式差速器的适用范围是所有铺装路面行驶的车辆，前桥驱动和后桥驱动都可以安装[4]。 1.2.1 汽车锥齿轮式差速器的差速原理

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如图1-2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，形成了行星架。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?0；半轴齿轮1和2为从动件，其角速度为?1和?2。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。

图1-2 锥齿轮式差速器的工作原理

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r上的A、B、C三点的圆周速度都相等（图1-2左），其值为?0r。于是?1=?2=?0，即差速器不会起到差速的作用，所以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?4自转时（图1-2），啮合点A的圆周速度为?1r=?0r+?4r，啮合点B的圆周速度为?2r=?0r-?4r。就会有

?1r+?2r=（?0r+?4r）+(?0r-?4r)

即 ?1+ ?2=2?0 （1-1）

若角速度以每分钟转数用n表示，则有

n1?n2?2n0 （1-2） 式（1-2）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。由式1-2）还可以得知：a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；b当差

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速器壳的转速为零，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[5]。

1.3 本文研究的内容

差速器结构设计是其零部件三维建模的基础，必须要综合考虑匹配的车型、空气的阻力、变速器和主减速器的传动比、动力总成特性参数、汽车通过性参数、平均路面条件等。为此，将其结构设计主要内容和思路简述如下：

一般需依据汽车设计的规范，查阅设计公式图表进行差速器齿轮（包括半轴齿轮、行星齿轮）的基本参数（包括各齿轮齿数、压力角、模数、行星齿轮安装尺寸等）选择和计算，再进行差速器齿轮几何尺寸计算与强度的校核。由于行星齿轮在差速器工作中经常只起到等臂推力杆的作用，因此仅在左、右车轮有转速差时行星齿轮和半轴齿轮间才会有相对滚动，故可对差速器齿轮不考虑其疲劳寿命，仅进行弯曲强度校核即可，强度校核中差速器锥齿轮的材料一般可选为40Cr、20CrMoTi和20CrMo等。壳体的厚度主要决定因素是差速器壳体强度，在满足强度和足够的安全系数条件下，壳体厚度应可能尽量的小，以减轻总体重量，节约成本，提高经济性。同时差速器壳体的结构参数大小还与半轴的结构参数有关，特别是与半轴的直径的关系最为密切。如半轴与差速器连接处的花键的齿数、模数及直径直接决定了差速器壳沿驱动轴方向的长度[6]。

2 锥齿轮式差速器参数的计算、强度校核和材料选择

2.1 初始数据的来源与依据

本次设计必须知道汽车的载重量、发动机的额定功率、最大转矩、最高时速和变速箱的传动比；主减速器传动比。知道这些我才能对差速器的尺寸进行选择和材料的确定，本设计选取的货车满载时的总质量为9290kg，发动机的额定功率为99kw(当发动机转速为3000r/min时)；发动机的额定转矩为353N?m（当发动机转速在1200～1400r/min时），最大转矩158N?m；货车的最高速度为90km/h；额定载质量为5000kg。此次选用五档变速器，为了满足设计要求，我初选一档变速器传动比为7.31，我再按照汽车传动系各档的传动比是按照等比级数分配的，本设计相邻两档的比值为1.62.所以二档为7.31/1.62=4.51,依次可得三档、四档、五档的传动比分别为2.79、1.72、1。倒档为7.66。本次设计选用的主减速器传动比为6.33。

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2.2 锥齿轮式差速器齿轮参数的确定

1.行星齿轮数目n的确定

行星齿轮数目需要根据承载情况来选择，在承载不大的情况下可以取两个，反之则取四个。本次设计的载货汽车承载能力强，应该选择四个行星齿轮，即n?4。

2.行星齿轮球面半径Rb的确定以及节锥距A0的计算

行星齿轮背面的球面半径Rb是行星齿轮的基本尺寸参数，其反映了差速器 圆锥齿轮节锥距A0的大小和承载能力。Rb可以根据如下经验公式确定：

RB?KB3Td （2-1）

在上式中：Kb是行星齿轮球面半径的系数，Kb可取范围2.5～2.96， 对于有四个行星齿轮的轿车和公路用货车最好取小值，对于有两个行星齿轮的轿车以及有四个行星齿轮的越野车和矿用车，取大值。此处，可取Kb=2.7。

Td是差速器计算转矩，Td?TGm?min?TGe,TGs?,N?m Rb是球面半径，单位：mm

（1）转矩的计算从动锥齿轮计算转矩TGe

TGe?Kd?Temax?K?i1?if?i0??n

（2-2）

上式中：TGe是计算转矩，单位：N?m

Kd是动载系数，对于性能系数fj?0的汽车(一般货车，越野车，矿用汽车)一般

取动载系数Kd?1

K为液力变矩器变矩系数，取K?1

Temax是发动机的最大转矩，已知Temax?158N?m if是分动器传动比，if?1

i1为变速器的一档传动比，本次设计的载货汽车变速器一档传动比是i1?7.31 i0是主减速器传动比，本次设计的载货汽车采用双曲线齿轮，单级减速器，主减

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速器传动比i0?6.33

n是驱动桥数，n?1

?是从发动机到主减速器从动齿轮之间的传动效率，??96? 代入式 （2-2）中，可得TGe? （2）从动锥齿轮计算转矩TGs 计算公式为：

TGs?在上式中：TGs是计算转矩，

m2是汽车在发出最大加速度时的后桥负荷转移系数，一般乘用车为1.2～1.4，货车为1.1～1.2，此处m2取1.1。

G2是满载状态下一个驱动桥上的静负荷，对于4?2式载货汽车，为了保证其在泥

1?158?1?7.31?1?6.33?0.96?7018.6N?m

1G2?m2??rr （2-3）

im?m泞路面上的通行能力，提高在地面上的驱动能力，常将满载时前轴负荷控制在总轴荷的26%～27%之间，故G2?92900?73??67817N

im是主减速器从动锥齿轮到车轮间的传动比，已知为im?3.125。

?m是主减速器从动齿轮到车轮间的传动效率，当无轮边减速器时，?m?1

?是轮胎与地面间的附着系数，对一般轮胎的公路用车，可取??0.85

rr是轮胎的滚动半径，查表可以得到rr?0.398m。

代入公式（2-3），得TGs? 因为 TGs?TGe67817?1.1?0.85?0.398?8075.8N?m

3.125?1，取Td?min(TGs,TGe)?TGe?7018.6N?m

将以上数据代入式（2-1）中，得： Rb?2.7?37018.6?51.7mm

将Rb圆整后得到：Rb=54mm,锥齿轮的节锥距A0一般稍微小于Rb，可以取 A0=（0.98～0.99)Rb=（52.92～53.46)mm

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页 当接触好、周节及同心度准确时，取Kv=1。

b2是半轴齿轮的齿宽，b2?15mm

m是差速器行星齿轮和半轴齿轮的模数，m?5.5。

d2是半轴齿轮的大端分度圆直径，d2=82.4mm。

J是综合系数，查机械手册可得J可取0.2253。

n是行星齿轮的数目，已知n=4。

代入公式（2-9）中，可得： ?w?2?4211.16?0.682?1?780MPa?980MPa

1?5.5?15?99?0.2253?4所以，锥齿轮式差速器锥齿轮满足弯曲强度的要求[10]。

2.6 半轴直径的初选及强度计算

利用公式：d?3T?1000?(2.05~2.18)3T

0.196??? 式中d为半轴直径；

???半轴剪切应力查表???=588Mpa。 d=39.24～41.73mm，取直径d=40mm， 半轴扭转应力??T?10007018.6?1000=?558Mpa<588Mpa， 33??d3.14?401616 半轴扭转角??180TL?1000， ?GIp 式中G为材料剪切弹性模量，G取80Gpa；

L为半轴长度，半轴长度范围在498mm～1160mm,本设计为货车，需要有较宽的轮距，本设计选取L=1000mm；

Ip为半轴横截面的惯性矩，Ip=3.14?40 ?=

432?251200mm4；

180?7018.6?1000?0.02o<8o

3.14?80?1000?251200 半轴强度合格。

2.7 半轴花键的计算

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标准渐开线的花键规定最小齿数为10齿，本次设计初选花键齿数为16，模数一般取2的花键。花键连接的主要失效形式是工作面被压溃或者是工作面被过度磨损，因此，静连接通常按照挤压应力进行强度校核，动连接则需要对工作面上的压力进行条件性的强度校核。半轴和半轴齿轮为动连接，所以校核时只要对工作面压力进行校核就可以了。

花键动连接工作面压力p=

2T?1000??p?

?zhldm页 式中?为载荷分配不均匀系数，与齿圈多少有关，一般取?=0.7～0.8，齿数多时取偏小值，此处取?=0.75；

z为半轴花键的齿数，z=16；

l为齿的工作长度，l=100mm；

h为花键齿侧面的工作高度，矩形花键，h=小径一般取h=m，m为模数，所以d=36mm；

D-d，此处D为花键大径，d为花键2dm为花键的平均直径，矩形花键取dm= ?p?为花键连接的许用压力；?p?=80Mpa

2?p=

D?d,dm=38mm； 22?7018.6?10002T?1000==153.92Mpa；

?zhldm0.75?16?2?100?38p=76.96Mpa

由以上可知，本设计半轴花键是合格的。

2.8 十字轴的计算

由行星锥齿轮的内孔直径为22mm可知十字轴的外径d=22mm，为了减少惯性，十字轴最好做成空心的，为了满足内径的要求，必须满足弯扭合成强度条件

?ca?M2?T2

10dM2?T2??-1?=260Mpa，其中，所受的弯矩所以d1

M=T/4=1754.64Nm；

页 10?40?1754.642?7018.62 公式：d1?40??19.2mm，本次设计为了更好的满足340260强度和疲劳极限的要求取d1=12mm。本设计十字轴满足要求。

3 锥齿轮式差速器的实体建模

3.1 建模工具的选择

目前，国内外市场上流行的三维软件种类繁多，主要有MDT、Solidworks、SolidEdge、I--DEAS、UG、CATIA、Pro/ENGINEER??而我们要使用的软件要有如下要求：

① 软件技术的领先性和技术的可持续发展性。 ② 用户群的数量。

③ 软件功能模块的丰富程度。 ④ 软件的易学易用性。

⑤ 是否有功能强大、效率高的二次开发模块[13]。

Pro/Engineer（简称Pro/E）操作软件是美国参数技术公司（PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一体化的三维设计软件。Pro/E软件以参数化标准著称，它是参数化技术的最早应用者，到目前为止它在三维造型软件领域中占有着重要地位。Pro/E作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的高度认可和普遍推广，是如今主流的三维CAD/CAM/CAE软件之一，特别是在我国产品设计领域占据重要位置。它可解决任何规模的设计挑战的集成式3D CAD/CAM/CAE解决方案。客户的要求可能会变，时间的压力可能不断增加，但产品设计需求始终是不变的。不论您项目的规模大小如何，设计模型渲染效果图您都需要一种功能强大、易于使用、价格合理的解决方案。而强大的Pro/E就可以解决机械零件的三维设计。

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Pro/E是3D产品设计中的标准，而作为业界领先的生产力工具，它促进用户采用

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最佳的设计做法，同时确保遵守业界和公司的标准。 集成的Pro/E CAD/CAM/CAE解决方案可让您的设计速度比以前都要快，同时最大限度地增强创新力度并提高质量，最终创造出不同凡响的产品。 该软件不仅具有强大的实体造型、 曲面造型、 虚拟装配和产生工程图等设计功能，而且，在设计过程中可进行机构运动分析、动力学分析和仿真模拟，提高设计的可靠性；同时，可用于产品的加工，其后处理程序支持多种类型数控机床。具体来说，该软件具有以下优点： (1) 无可匹敌的几何创建功能提供了优良的产品差异性和可制造性。 (2) 完全集成的应用程序可让您在一个应用程序中完成从概念设计到制造的所有工作。 (3) 自动将设计变更传播到所有下游交付件的能力可让您满怀信心地进行设计。 (4) 完整的虚拟仿真功能可让您提升产品性能和超越产品质量目标。 (5) 自动生成相关的刀具设计、装配指令和机器代码，最大限度地提高生产效率。 鉴于Pro/E软件有如此多的优点，因此我在对锥齿轮式差速器进行三维建模及运动仿真时，选择Pro/E作为支撑软件[14]。 以下零件及装配都是使用Pro/E软件来作的。 页 3.2 锥齿轮式差速器建模的过程 3.2.1 一些零件的建模过程 差速器结构设计完成以后，就可以使用各零件的结构参数在Pro/E软件中进行其三维实体的精确建模了，这项工作可为差速器各零件的数控加工提供精确的模型信息，以下是各个零件的建模过程。 (1)十字轴的建模过程 十字轴的建模过程较简单，主要用到Pro/E里面的拉伸和阵列工具。模型树和生成的图是（图3-1、图3-2）： 淮阴工学院毕业设计说明书（论文） 第 16 页 共 22

页 图3-1 十字轴模型树 图3-2 十字轴 (2)行星锥齿轮和半轴齿轮的建模过程 行星锥齿轮和半轴齿轮比较相似，我依据计算出来的基本结构参数， 如各齿轮齿数、齿轮的大端直径、分度圆直径、齿根圆直径、齿宽、行星齿轮安装尺寸等进行行星齿轮和半轴齿轮的三维实体建模。因涉及Pro/E中的高级操作，主要的思路简述如下：为给数控加工提供精确的模型信息，在行星齿轮和半轴齿轮三维建模中，首先绘制行星锥齿轮的草绘图，使用旋转特征，再利用混合特征 生成该齿槽，最后，通过阵列特征完成全部齿轮齿廓的三维建模。行星齿轮三维建模效果如图3-3、图3-4。半轴齿轮的三维建模与行星齿轮基本相同，其过程和具体步骤略，半轴齿轮三维建模效果如图3-5、图3-6。以下是行星齿轮和半轴齿轮的模型树和三维图。

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参 考 文 献

1 王霄峰，汽车底盘设计.北京:清华大学出版社，2010.

2 蔡兴旺，付晓光，汽车构造与原理.北京：机械工业出版社，2011. 3 王望予，汽车设计（第四版）.机械工业出版社，2006.

4 陈珂.基于知识融合的汽车后桥差速器齿轮结构优化.机械设计与制造，2009,4：208～212.

5 胡发焕，蔡咸健 差速器的设计与制造 江西理工大学机电工程学院，2009 6 钱斌，高洪 汽车差速器结构设计与三维建模与虚拟装配研究 胡开明安徽机电职业技术学院，2009.

7 杨可桢，程光蕴，李仲生等，机械设计基础（第五版）2011，53～71.

8 钱斌，高洪，胡开明.汽车差速器结构设计、三维建模与虚拟装配研究.机械工程师，2009，2：38～39.

9 曾方俊.齿轮差速器的参数化建模与运动仿真.机械工程与自动化,2007,5:43～44. 10 郭建新.小型拖拉机差速器强度分析及改进.机械工程师，2002,2:50～61. 11 曲秀全.四变速齿轮差速器.机械传动,2002,4(26):45～56.

12 周尔民.机械产品虚拟装配仿真技术的研究与应用.机械传动，2007，3：30～34. 13 Li S T. Finite element analyses for contact strength and bending strength of a pair of spur gears with machining errors, assembly errors and tooth modifications . Mechanism and Machine Theoiy, 2007,42(1): 88～114. 14 炊海春.Pro/E从零件到整机.北京：人民电出版社，2003.74～100.

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