自走式玉米高架喷雾机毕业设计.docx
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自走式玉米高架喷雾机毕业设计
继续教育学院毕业设计(论文)
自走式玉米高架喷雾机
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2014年10月
摘要
我国是农业大国,保证农业的高产、稳产是解决我国占世界7%的土地养活22%的人口的关键,而玉米做为我国粮食中第二大作物,更是保证产量的重点对象,但由于后期病虫害防治一直不能很好的解决,这就直接影响了玉米的产量。
因此,与农作物的病虫害作斗争是我国农业生产的重要环节[1]。
由于化学防治见效快、效率高等特点,仍将是今后防治农业病虫害的主要方式之一[2]。
自走式玉米高架喷雾机主要以玉米等高杆作物为主要作业对象,同时兼顾棉花、油菜的后期病虫害防治的需要。
本设计中关键性技术的设计,能够更高效的解决病虫害问题[3]。
本设计中对自走式玉米高架喷雾机的各种技术进行设计,进行了一系列的计算与仿真,研究解决了各种技术难点,主要研究关键性技术主要包括以下几个方面:
1)车架整体设计:
由于主要作物为高杆玉米,因此在设计中要考虑很多的东西,首先要设计合理的车架高度,其次解决转向系统、行走系统和轮距调整系统。
这样可以使自走式玉米高架喷雾机具有更好的地形适应性[4,29,30]。
2)传动系统设计:
自走式玉米高架喷雾机与普通车的地隙有很大的区别,因此在传动系统的设计上有较大的差异,本机设计采用后轮链条传动[5,27]。
3)喷杆整体设计:
喷杆做为整机的重要组成部分,在设计方面就要求具有很好的环境适应性,因此本文设计中,就对喷杆的悬挂系统、升降系统、平衡机构和折叠机构进行了一系列的计算设计[6,7]。
所以,自走式玉米高架喷雾机的设计,极大的提高了喷雾的效率,解决了作物后期病虫害问题,实现了产量的增长,同时也促进了经济的发展,在农业机械上占有重要的地位[8]。
关键字:
高架喷雾机;自走式;高架作物
第一章绪论
1.1课题研究的目的和意义
新疆是我国玉米种植面积最大区域之一。
近几年来,我国农业发展迅速,机械水平不断提高,玉米种植面积不断增加,在现有粮食作物中占有很大的比重,是我国第二大粮食作物,在粮食增产中起着巨大作用。
随着市场需求的不断增加,玉米种植面积持续上升,2008年我国玉米种植面积已达4亿亩,占粮食作物种植面积的27.9%,产量占粮食总产量的31.4%,成为种植面积最大的粮食作物[9]。
新疆2009年玉米总种植面积近800万亩。
新疆维吾尔自治区农业(种植业)“十二五”发展规划提出到2015年全疆玉米种植面积扩大到1200万亩[10]。
但由于气候变暖,农业生态环境、种植业结构、耕作制度、种植品种、生产方式及生产条件等的改变,一些病虫害或传媒昆虫的生活和流行条件也随之改变,创造了适合某些有害生物积累的生态环境,玉米病虫害的发生呈加重趋势[11,12,13],尤其影响制种玉米种子的发芽率、净度和饱满度。
近年来全国防治农业病虫草害每年需要使用农药120万吨(制剂)左右,防治面积达4亿公顷以上,植物保护工作为农业丰收做出了巨大贡献,起到了保驾护航的作用,但与农药的高速发展相对应的却是农药赖以喷施的农药机械发展水平落后,这直接影响到了农业生物灾害的防控能力[26]。
植保施药成为玉米生产过程中必不可少的作业环节。
研究表明,玉米因受病虫草害的影响可直接减产10%~20%[14],植保施药成为有效保证玉米优质、高产和稳产最直接有效的方法之一。
在玉米“喇叭口”期施药对虫害具有最佳的防治效果,可以使平均防效达84.3%,挽回产量损失率达9.53%[15]。
玉米最佳施药期是植株高达到2.1m,常规的施药机械难以适应,而人工施药不仅强度大、效率低,还极易对人身体造成伤害。
目前,国内高地隙施药机械以牵引式为主,作业对象主要是茎秆相对玉米较低的棉花、番茄及辣椒等作物,农艺地隙一般不超过1m(多为0.74m),不适应玉米中后期的施药作业[16]。
调查表明,玉米生长中后期,除在玉米病虫害尤为严重的区域进行人工局部施药外,基本在玉米生长后期不施药,缺乏适用于玉米的施药机械是种植户在玉米生长中后期不施药的主要原因[17]。
因此研制出一种小型、高效、安全的防治玉米病虫害的轻便型自走式高地隙喷杆喷雾具有重要的现实意义。
1.2课题所涉及的问题的研究现状及分析
1.2.1研究现状分析
在我国,玉米的引进大约在十六世纪中期,随着时间的推移,我国玉米的种植面积在不断增加,但是玉米病虫的解决始终是一个棘手问题,往往就是病虫问题导致了大面积玉米的减产,给农民带来了很大的经济损失。
而现在,由于自走式玉米高架喷雾机的设计,使得玉米后期病虫害防治,二代玉米粘虫防治得到了有效的控制,为国民经济的发展发挥了重要的作用。
它最主要的特点是车架高,可以随意在玉米地中行走,装药量大,喷药均匀且效率高[18]。
如果可以及时解决玉米后期病虫害问题,则可有效提高玉米的抵抗能力,实现玉米的增产,并最终为广大农民带来更多的经济收益。
1.3国内外自走式玉米高架喷雾机发展概括
1.3.1国外自走式玉米高架喷雾机发展概括
大型自走式高地隙喷雾机在欧美发达国家发展迅速[19]。
这类大型喷雾机大多数采用高地隙全液压自走式底盘和喷杆喷雾机相结合的形式,喷雾机的行走、转向、风机和液泵等工作部件的驱动等全部依靠液压完成,配有变量喷雾控制系统和GPS导航系统,技术先进,动作灵活、方便、可靠,作业效率高[28],但是价格非常昂贵,一般售价都在12万-15万欧元/台。
特别是行走驱动用的大排量低速大扭矩液压电动机、高压柱塞泵及电子防滑系统等液压元件技术要求高,制造难度大,只有国外少数几个知名的液压公司能够生产[20]。
以法国布光公司生产的4WD2204TURBO型自走式玉米喷洒机械和美国的十方国际公司生产的HAGIE系列喷洒机为代表[21,22]。
这两种机型的特点是,各作业部件及行走机构均采用液压驱动,自动化水平较高,具有对玉米进行药物喷洒的作用;作业过程中根据作业对象的高度可以调节施药高度,在一定高度范围内满足作业要求。
这两家公司生产的机型主要是依据本地区的玉米生长条件和种植模式研制的,在当地的适应性较好,但对其他国家玉米的适应性较差,具有明显的技术推广地域局限性[23]。
图1-1自走式玉米高架喷雾机结构示意图
1.9.挡株板;2.车轮支撑住;3.车架;4.驾驶室;5.发动机;
6.发动机罩;7.混药装置;8.药箱;10.悬架;11.喷杆架;
12.喷头;13.车轮;
1.3.2国内自走式玉米高架喷雾机发展概括
国内对玉米施药机械的研究与国外相比,起步晚,技术水平相对落后,适应于玉米生长后期的玉米自走式高地隙喷雾机还未见相关的机型,在该领域的研究成果不多,基本处于起步阶段。
但针对于国产拖拉机地隙小,不能满足机采棉等农作物化控、植保和喷施脱叶剂作业要求的问题也进行了不少改进。
石河子科委科技开发中心开发出了高地隙拖拉机,该产品是在现有铁牛55拖拉机基础上,采用左右两套齿轮传动装置及齿轮箱,抬高拖拉机机身,增加地隙,可使铁牛55拖拉机由原来的45cm,提高到90cm以上。
但高地隙的拖拉机在国内还没有形成系列,大多处于改装阶段[24,25]。
1.4国内自走式玉米高架喷雾机发展存在的问题
1.4.1主要解决问题
通过机械液压装置对喷杆进行折叠,实现喷杆的自动化折叠,解决了驾驶员操作的不便和人工进行折叠的麻烦,提高工作效率。
⑴每节喷杆都能实现自动化折叠;
⑵实现喷杆架整体的高度调节;
⑶能够满足宽幅高速作业的技术要求;
⑷能够适应新疆玉米种植的主要模式。
目前自走式玉米高架喷雾机的开发在国内处于起步阶段,应适应棉花或玉米等行距68cm+8cm或66cm+10cm或90cm+30cm的种植方式[14]。
1.4.2技术难点
1、喷杆升降、打开折叠采用液压辅助系统
不同玉米种植田玉米的高度不一样,要求喷雾机能随时调整喷杆高度,并在玉米天地中能自动舒展或折叠每节喷杆架,提高工作效率。
2、轮距的调整
不同区域玉米的种植行距不一,要求喷雾机能随时调整轮胎行距,为此,设计时必须提高轮距收放机构的可靠性、灵敏性。
1.5本课题研究内容
1、在查阅、分析、研究相关文献的基础上,完成开题报告和文献综述;
2、广泛查阅资料,通过各种渠道了解自走式玉米高架喷雾机;
3、以现有的一些高地隙喷雾机设计为参考,进一步研究自走式玉米高架喷雾机的整机设计;
4、运用机械设计及机械原理等专业知识对该课题做机构及机械传动方面的相关参数设计,并进行一些实体建模设计。
第二章整机方案的设计
2.1系统概述
在整体布局上考虑了三个方案:
一是后轮驱动,发动机前置,可使驾驶室靠中间前面一点,但考虑发动机前置,且传动在前,驾驶员在高速链带的一侧,安全那以保证,故放弃;二是用前轮驱动,但考虑到所选用的发动机与配套的变速箱不能分离太远放置,向前传动只能将变速箱全部前置,而这样一来动力向前又遇到了与方案一相同的问题,故采用如下方案:
发动机后置,发动机与变速箱之间内部传动方式,并采用后轮驱动,在变速箱里有差速机构,经一系列变速后传至于变速箱两侧的链轮,经链轮传动到机架后部,在车架后部分别有两根两轴端是链轮的传动轴,在传动轴里端链轮带动传动,外侧链轮与后轮轴套上的链轮相连,带动后轮传动。
在前轮支撑柱上布置了一套转向机构,通过杆件、转向液压缸,由方向盘控制转向。
图2-1整机结构分布图
1.转向系统;2.驾驶室;3.行走系统;4.发动机罩;5.机架;
2.2设计方案分析与比较以及设计方案的选择
2.2.1发动机前置
将变速箱直接放到机架前端,这样变速箱传出的动力轴可以直接做为机架上的动力轴,在外端放置一个链轮向下传递动力。
2.2.2发动机后置
把发动机放置在机架的后侧,变速箱紧跟其后,动力从变速箱输出后经过两侧的链轮传输到机架后端的动力轴,再经轴外端链轮向下传输动力。
两者就动力传输而言,方案二较好,而且发动机置后,可以使驾驶室尽可能的置前,驾驶员可以有良好的视野,再根据整机布局的话,方案一就有许多弊端,故选用方案二。
2.3总体布局及系统结构设计
2.3.1机架的确定
根据发动机与变速箱的相对位置,轮胎的轴距、轮距的要求,按照需求确定。
基本确定车架尺寸为4000mm*2800mm*2000mm。
2.3.2传动系
发动机提供动力,经由变速箱系统动力传出后分别到置于变速箱两边的一对链轮上,经链传动至布置在机架后端的两根传动轴,将动力传输至主动轮。
示意图如下:
图2-2后轮传动左视图图2-3后轮传动主视图
1.链条;2.轮胎;4.机架;3、5.链轮;
在动力传输上主要考虑了整体的简单有效,机构的紧凑以及造价。
图2-4动力传输分布图
1.发动机;2.变速箱;3.链轮;4.轮胎;5.链条;
1.传动链的选择计算
(1)滚子链的结构特点及应用范围
滚子链的结构如图6所示,由内链板1、外链板2、销轴3、套筒4和滚子5组成。
销轴3与外链板2、套筒4与内链板1分别用过盈配合联接。
而销轴3与套筒4、滚子5与套筒4之间则为间隙配合,所以,当链条与链轮轮齿啮合时,滚子与轮齿间基本上为滚动摩擦。
套筒与销轴间、滚子与套筒间为滑动摩擦。
链板一般做成8字形,以使各截面接近等强度,并可减轻重量和运动时的惯性。
链传动的使用范围是:
传动功率一般为100kW以下,效率在0.92~0.96之间,传动比i不超过7,传动速度一般小于15m/s。
(2)齿轮链的结构特点及应用范围
与带传动、齿轮传动相比,齿轮链传动的主要特点是:
没有弹性滑动和打滑,能保持准确的平均传动比,传动效率较高(封闭式链传动传动效率=0.95~0.98);链条不需要象带那样张得很紧,所以压轴力较小;传递功率大,过载能力强;能在低速重载下较好工作;能适应恶劣环境如多尘、油污、腐蚀和高强度场合。
但链传动也有一些缺点:
瞬时链速和瞬时传动比不为常数,工作中有冲击和噪声,磨损后易发生跳齿,不宜在载荷变化很大和急速反向的传动中应用。
由于本设计的要求不属于高速传动,也不属于高精度传动,综合各方面因素,选用滚子链传动。
图2-5滚子链结构
2.滚子链传动的参数设计
(1)链轮齿数的确定
由于采用后轮驱动,故而链条受到的强度很大,因此本喷雾机采用两对双排链齿轮,两对双排链齿轮来完成动力传输。
第Ⅰ对链轮分别为A、B
第Ⅱ对链轮分别为C、D
第Ⅰ对链轮齿数分别为
第Ⅱ对链轮齿数分别为
现参照《机械设计》(第八版)表9-8,选取主动轮的齿数为16。
介于传动不需要变速
故同时取
=
=
=
即两对双排链轮型号一样。
再参照《机械设计》(第八版)表9-1,选取16A滚子链。
表2-1滚子链规格和主要参数
节距
P
滚子直径
max
内链节内宽
min
销轴直径
max
内链板高度
max
排距
双排抗拉载荷
min
mm
KN
16A
25.4
15.88
15.75
7.94
24.13
29.29
111.2
(2)链轮结构设计
本喷雾机各驱动轴都是圆轴,所以链轮选用圆孔。
查《机械设计》(第八版)表9-2和表9-3可得到滚子链链轮的标准设计,选用轮毂式链轮。
链轮的主要参数:
表2-2滚子链轮主要参数
链轮
分度圆直径
齿顶圆直径
齿根圆直径
齿高
确定的最大轴凸缘直径
单位mm
A、B、C、D
表2-3滚子链16A轴面齿形尺
节距
轴面齿形尺
25.4
倒角宽度
g
倒角深度
h
倒角圆弧半径r
圆角半径
R
齿宽
b
1.6
6.4
13.5
0.5
15
(3)链轮的材料
链轮的材料应能保证轮齿具有足够的耐磨性和强度,因本主动链轮属无剧烈震动及冲击的链轮,根据《机械设计》(第八版)表9-5,可选择40钢,要求经过淬火和回火的热处理后硬度达到40-50HRC。
(4)链传动的中心距和链节数
链传动中心距过小,则小链轮上的包角小,同时啮合的链轮齿数就少;若中心距过大,则易使链条抖动。
一般可取中心距
=(30~50)p,最大中心距≤80p。
而根据本设计要求,初定中心距:
=78p=78*25.4=1981.2mm
链条节数:
172节,
取
=172节;
链条长度:
=
=4.3688m;
=2074.8mm
中心距的减少量:
Δa=0.003*a=6.2244
实际中心距
a’=a-Δa=2074.8-6.2244=2068.58mm
a’=2069mm
(5)确定驱动轴功率
P=
=
=12.87KW
(6)作用在轴上的力
驱动轴在工作状态下,转速为350r/min
链速
2.37m/s<6~10km/h合适
此时的工作拉力
5425.7N
工作平稳,取压轴力系数
1.2
轴上的压力
1.2*5425.7=6510.8N
3.链传动的布置和张紧
(1)链传动的布置
本次设计链传动布置在铅垂平面内,并有一定斜角。
(2)链传动的张紧
链传动张紧的目的,主要为了避免在链条的垂度过大时产生啮合不良和链条的震动现象;同时为了增加链条与链轮的啮合包角。
本设计链传动的中心距不可调,因此可以在链条磨损变长后从中去掉一、二个链节,以恢复原来的长度。
2.3.3转向系
在选择转向系时主要考虑了整体的简单,用了常见的利用转向梯形结构,如下图所示:
图2-6转向结构图
1.方向盘;2.液压推进器;3.转向拉杆;4.转向液压缸;
1.转向系的设计
本设计采用常见的偏前轮的方法实现转动,如下图所示:
为了使全部车轮在转动时只有纯滚动而无滑动,必须满足两个条件。
首先为了使前轮轴线成为转弯中心,两只后轮偏转角之间应满足下列条件:
式中各符号所表意义如下图示:
图2-7转向系原理图
其次,两个驱动轮在转弯时走的距离是不等的,因此它们在转弯时的转速应当有差速,内轮转的慢而外侧轮胎转的快,即:
式中
——外侧驱动轮转速
——内侧驱动轮转速
R——转弯半径
B——轮距
2.3.4制动系
将离合制动手柄拉到制动位置,同时松开油门,喷雾机即被刹住而停车。
紧急制动时由于惯性喷雾机可能转一角度,驾驶员必须特别注意以免发生事故。
本设计前轮采用刹车片刹车,后轮采用轴上刹车带刹车,示意图如下:
前轮:
图2-8前轮刹车系统图
后轮:
图2-9后轮刹车系统图
2.3.5行走系
后轮是主动轮,结构如下:
图2-10后轮结构图
链传动带动轮胎滚动,而支撑轴与车架固定,只起支撑作用。
前轮是从动轮,只装有转向系统,结构如下:
图2-11前轮结构图
2.3.6差速器系统
喷雾机转弯时,内侧车轮和外侧车轮的转弯半径不同,外侧车轮的转弯半径要大于内侧车轮的转弯半径,这就要求在转弯时外侧车轮的转速要高于内侧车轮的转速,因此本设计中在变速箱的后面增加了差速器装置,解决了上述的问题。
差速器最基本的结构由差速器从动齿轮、差速器壳体、行星齿轮轴、行星齿轮和半轴齿轮组成。
结构图如下:
图2-12差速器结构图
2.3.7轮距调整系
本设计的自走式玉米高架喷雾机,要能随时适应不同种植行距的作物,因此在设计过程中采用前后轮都能够单独调整,以此来设置不同的轮距,使机器具有更灵活的喷药作业范围。
前轮采用将轮胎支撑横轴与车架上摇摆支臂的横管进行横向收缩配合,实现轮距可调,示意图如下:
图2-13前轮轮距调整系示意图
后轮采用用U型螺栓将轮胎纵向支撑臂与车架连接,通过移动纵向支撑臂实现后轮轮距的调整,示意图如下:
图2-14后轮轮距调整示意图
2.3.8药液混合系统
药液混合系统,包括:
药箱、水泵、第三输液管、回流管、喷管和控制盒,控制盒内设置有第一输液管和第二输液管;第一输液管一端设置有回流口,另一端设置有喷液口,第一输液管中部设置有进液口;第二输液管的出水口连接水泵的进水口,第二输液管的进水口伸至药箱内;第三输液管的进水口连接水泵的出水口,第三输液管的出水口连接第一输液管的进液口;其中,回流管的进水口连接第一输液管的回流口,回流管的出水口伸入药箱内,喷管的进水口连接第一输
液管的喷液口。
药箱工作原理:
水泵通过第二输液管抽取药箱内的药液,并将药液通过第三输液管的进液口压送至第一输液管内,第一输液管内的一部分药液经喷液口压送至喷管内,并通过喷管的喷头喷向农作物;第一输液管内的另一部分药液经回流口压送至回流管内,从回流管的出水口喷入药箱内,从回流管出水口喷出的药液撞击药箱药液,带动药箱底部药液上升,药箱上部药液下沉,药箱内的药液自动上、下循环,实现搅拌的效果。
药箱原理示意图:
图2-15药箱原理图
图2-16药箱局部图
2.4喷杆系统的设计
2.4.1喷杆悬挂升降系统
喷雾机喷杆悬挂系统是由液压升降油缸、后尾车架升降支座、平行四杆升降架组成的。
其中两个升降油缸是单作用油缸,喷杆提升时由液压完成,下降时依靠喷杆架自身重力作用完成。
图2-17平行四杆机构
2.4.2喷杆升降机构
本设计中喷杆升降机构的作用就是在喷杆悬挂升降系统的基础上进一步对喷杆进行升或降,达到更精确的喷雾高度,提高农药的使用率,减少农药的损失,降低人工劳动强度。
该机构中包括活动支架、固定支架、滑动杆和升降液压缸。
当固定支架在喷杆悬挂升降系统的作用下达到一定高度后,固定在固定支架上的升降液压缸带动滑动杆在导轨槽的引导下带动活动支架进行升降,以达到需要的高度。
图2-18喷杆升降机构
2.4.3喷杆平衡机构
喷雾机在工作中的喷雾效果,不但只决定于有好的喷雾器和正确的使用农药,而且还取决于对具体土地环境的应变能力,在喷雾作业时,由于土地的地形不规则,使喷杆随喷雾机的行走产生横向摆动,使喷杆与地面横向距离变化,不能保证喷杆与地面平行移动,也使喷杆随喷雾机的行走产生垂直震动,使喷杆与地面垂直距离变化,甚至造成蓬安整体横梁损坏,而影响喷雾作业的时效,因此存在喷雾机作业质量不稳定,工作可靠性差的问题。
本设计中升降架下横梁设有梯形四杆阻尼平衡机构,该梯形四杆阻尼平衡机构由喷杆梯形支架,连接板和两个缓冲弹簧组成。
当地形变化时,在缓冲弹簧的作用下,使喷杆梯形支撑架缓冲地面的不平度,实现喷杆的喷杆的自动平衡,有效防止了喷杆的垂直振动,从而得到喷雾作业质量好,工作可靠性高的效果。
图2-19喷杆平衡机构
2.4.4喷杆液压折叠机构
相对于传统中需要手动实现喷杆整体的折叠与展开,针对这一现象,本设计的喷杆液压折叠机构采用的是一种动作快捷、结构紧凑又不影响防飘效果的折叠机构。
这种设计,在实际中既可以减少时间上的浪费,又可以提高工作效率。
它是在每侧喷杆上设置了连杆机构,通过合理选择连杆构件参数,依靠一个液压油缸实现了两节喷杆的同时折叠和展开。
当两侧喷杆折叠到位后,搭放在机架两侧的喷杆托架上,以防止运输过程中喷杆的晃动。
折叠机构如下:
图2-20喷杆折叠机构
2.4.5喷头
喷头的作用是保证药液以一定的雾滴尺寸、流量和射程喷向指定位置。
在相同喷药量条件下,药液雾滴越小,雾滴的数目也就越多,覆盖面积越大,并且比较均匀,防治效果越好。
本设计针对的是全面喷雾作业,就是全面封闭式喷洒药液,要求对整个作业面进行均匀覆盖,因此作业时应注意以下几点。
1、喷头距工作面的高度应为400mm,此时雾化及扇形状态均好。
过低则雾化不良,过高则扇面变形。
2、喷头间距应为500mm,这样可确保喷射的扇形雾面一次重叠覆盖,从而获得理想均匀的雾量分布。
3、所有的喷嘴缝隙应平行错开,与喷杆方向形成5~10°的夹角,以防止扇形雾面重叠时碰撞产生较大雾滴,从而避免药害,确保雾滴大小均匀。
第三章主要零部件的设计计算
3.1传动部件计算
选用的发动机功率为120马力,即发动机功率为88.2kw,输出转速为2400r/min,工作下驱动轴转速为350r/min,行走速度为0~25km/h,喷洒速度为6~10km/h。
3.1.1直齿圆锥齿轮的几何尺寸计算
计算步骤按《新编机械设计实用手册》进行,列表如下:
传动部件设计计算表
计算项目
代号
公式及数据
计算结果
齿数比
i
Z2/Z1=48/30
i=1.6
小端分度
圆直径
de1
de1=me·z1=5×30
de1=150
大端分度
圆直径
de2
de2=me·Z2=5×48
de2=240
齿数
Z1
Z1=30
Z1=12
Z2
Z2=μ·Z1=1.6×30
Z2=48
大端模数
me
me=5
分锥角
δ
δ1=
δ1=32°0′
δ2=90°-δ1=90°-30°58′
δ2=58°0′
外锥距
Re
Re=de1/2sinδ1=150/2×sin32°0′
=150/2×0.53=150/1.060
Re=141.51mm
齿宽系数
ФR
ФR=b/Re,(取ФR=
)=47.17/141.51
ФR0.3mm
齿宽
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