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成都理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
托森差速器的設(shè)計(jì)與仿真
作者姓名：王明波 專業(yè)班級(jí)：機(jī)械3班 指導(dǎo)教師：劉思頌
摘 要
隨著世界汽車行業(yè)的快速發(fā)展，汽車核心部件之一的差速器也在經(jīng)歷著巨大的變化，各式各樣的差速器應(yīng)運(yùn)而生，相對(duì)國(guó)外差速器的發(fā)展與研究水平，國(guó)內(nèi)相關(guān)設(shè)計(jì)與研究還處于追趕階段。本次設(shè)計(jì)課題就主要來(lái)源于此，針對(duì)一款具體車型作托森差速器的設(shè)計(jì)與仿真。
本次設(shè)計(jì)的具體要求是設(shè)計(jì)出差速器的結(jié)構(gòu)以及相應(yīng)的尺寸，并進(jìn)行三維建模以及運(yùn)動(dòng)仿真。針對(duì)此次設(shè)計(jì)，我做了以下工作，通過(guò)查閱大量的文獻(xiàn)，分析了過(guò)內(nèi)外差速器發(fā)展與研究現(xiàn)狀，了解了差速器的結(jié)構(gòu)，工作原理，以及種類。通過(guò)大量的對(duì)比分析出了每種差速器的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)，綜合各方面的因素和實(shí)際情況選擇了托森差速器作為此次設(shè)計(jì)的方案。設(shè)計(jì)了托森差速器的主要結(jié)構(gòu)以及相關(guān)零件的尺寸，運(yùn)用Solid Works軟件進(jìn)行三維建模以及運(yùn)動(dòng)仿真。
關(guān)鍵詞：托森差速器; 三維建模; 運(yùn)動(dòng)仿真; Solid Works
Torsen differential design and simulation
Abstract
As we all know, with the rapid development of auto industry, as one of the core parts of the differential is also undergoing great changes ，A wide variety differentials arises at the historic moment. However, Compared with foreign differential development and research, domestic differentials needs to be improved. So, this design project is coming from this, for a specific model to do Torsen’s differential design and simulation.
The specific requirements of the design are to design a differential structure and the corresponding size, and motion simulation. For this design, I have done a lot of works. Through a large number of literatures, Analyzing the development and research level of foreign and domestic .Understanding the structure, principle, species of differentials. I have an knowledge of advantage and disadvantage of each differential. So I choose the torsen differential to do this design. I had designed its structure and corresponding size, did the simulation with the software of Solid works.
Key words ：Torsen differentials; Motion simulation; 3D Modeling; Solid Works
目錄
摘 要 I
Abstract II
第1章 前 言 2
1.1 課題的研究背景、及意義 2
1.2 國(guó)內(nèi)國(guó)外汽車差速器的研究發(fā)與展現(xiàn)狀 2
1.2.1 國(guó)外汽車差速器的研究發(fā)展現(xiàn)狀 2
1.2.2國(guó)內(nèi)汽車差速器的研究發(fā)展現(xiàn)狀 3
1.3差速器的簡(jiǎn)介 4
1.3.1 汽車差速器的工作原理 5
1.3. 2汽車差速器在汽車中的功用 5
1.3.3 汽車差速器的分類 5
1.4方案選擇 9
第2章 托森差速器的結(jié)構(gòu)和工作原理 10
2.1托森差速器的結(jié)構(gòu) 10
2.1.1主動(dòng)部分 11
2.1.2從動(dòng)部分 11
2.1.3 差速傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 11
2.2托森差速器的工作原理 11
2.2.1托森差速器的扭矩分配原理 12
第3章托森差速器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 13
3.1 該車型托森差速器的主要零部件結(jié)構(gòu)及尺寸的設(shè)計(jì) 13
3.1.1 渦輪、蝸桿的設(shè)計(jì) 13
3.1.2蝸桿前后軸的設(shè)計(jì) 17
3.1.3 空心軸的設(shè)計(jì) 18
3.1.4 直齒圓柱齒輪設(shè)計(jì) 20
3.1.5.蝸輪軸設(shè)計(jì) 25
3.2 參考車型數(shù)據(jù) 27
第4章．差速器外殼的設(shè)計(jì) 28
4.1外殼設(shè)計(jì) 28
4.2該車型托森差速器的主要零部件連接關(guān)系 28
4.2.1 各零部件在整個(gè)殼體中的布局 28
第5章托森差速器的建模及運(yùn)動(dòng)仿真 30
5.1 建模軟件的介紹 30
5.1.1 軟件的功能介紹 30
5.1.2 本課題主要用到的模塊 30
5.2 運(yùn)動(dòng)仿真 31
5.2.1 添加伺服電機(jī) 31
5.2.2 仿真運(yùn)動(dòng)時(shí)間的設(shè)定 32
5.2.3.動(dòng)畫導(dǎo)出 33
結(jié)論 34
致謝 35
參考文獻(xiàn) 36
37
第1章 前 言
1.1 課題的研究背景、及意義
汽車差速器是由雷諾發(fā)明的，是汽車的眾多零件的核心之一，有小零件大公用的美譽(yù)[2]，雷諾是法國(guó)一家大型的汽車制造企業(yè)雷諾主要?jiǎng)?chuàng)始人之一。我們都知道，汽車在轉(zhuǎn)彎時(shí)，他的左右兩側(cè)車輪在相同時(shí)間內(nèi)移動(dòng)的距離是不同的，內(nèi)輪移動(dòng)的距離比外輪要小[3]。差速器的功效就是讓汽車在轉(zhuǎn)彎時(shí)左右兩側(cè)車輪的轉(zhuǎn)速不同。目前我國(guó)差速器的技術(shù)設(shè)計(jì)主要來(lái)自一些工業(yè)強(qiáng)國(guó)如美國(guó)日本等。雖然我國(guó)的差速器相比以往已經(jīng)取得了很大的進(jìn)步，但想要達(dá)到世界先進(jìn)水品，還有一段很長(zhǎng)的路要走，這影響了我過(guò)汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
1.2 國(guó)內(nèi)國(guó)外汽車差速器的研究發(fā)與展現(xiàn)狀
當(dāng)前汽車的發(fā)展方向?yàn)榻?jīng)濟(jì)性與動(dòng)力性，如何實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性與動(dòng)力性的相協(xié)調(diào)，就需要汽車的每一個(gè)部件發(fā)生變化。差速器作為核心部件，也在被不斷的研究改進(jìn)中
1.2.1 國(guó)外汽車差速器的研究發(fā)展現(xiàn)狀
國(guó)外的差速器研究水平遙遙領(lǐng)先國(guó)內(nèi)，而且還在不斷的進(jìn)步中。伊頓集團(tuán)是一家總部在美國(guó)、經(jīng)營(yíng)范圍全球化的以汽車零部件的制造與供應(yīng)為主營(yíng)業(yè)務(wù)的大型跨國(guó)公司[4]。在這一領(lǐng)域居全球領(lǐng)先地位，他們用精密制造發(fā)來(lái)加工差速器的各個(gè)零部件。大眾集團(tuán)旗下的奧迪公司開(kāi)發(fā)的托森差速器廣泛的運(yùn)用在旗下的高檔四驅(qū)車?yán)铮瑥V受市場(chǎng)歡迎。他們都很好的在越野性與安全性之間找到了一個(gè)完美的平衡點(diǎn)。
圖1-1 托森差速器
1.2.2國(guó)內(nèi)汽車差速器的研究發(fā)展現(xiàn)狀
從目前來(lái)看，我國(guó)差速器也經(jīng)過(guò)了長(zhǎng)足的發(fā)展，但是現(xiàn)在正處于汽車行業(yè)飛速發(fā)展的歷史時(shí)刻，如果我們的差速器不能在這段時(shí)間內(nèi)迅速提升，我們與世界的距離就會(huì)越拉越大。所以現(xiàn)在我們就要努力發(fā)展研究差速器。而我們現(xiàn)在最緊迫的任務(wù)就是提高其準(zhǔn)確精度和安全性。中國(guó)汽車差速器市場(chǎng)在近幾年發(fā)展迅速,隨著國(guó)家政策鼓勵(lì)，國(guó)有企業(yè)對(duì)其新的投資在不斷增加，投資者對(duì)這一行業(yè)的關(guān)注度越來(lái)越高。差速器的類別也變得越豐富，作用也變得越來(lái)越完善。而目前國(guó)內(nèi)由于制造業(yè)的整體水平與世界先進(jìn)水品仍有差距，所以運(yùn)用最為廣泛，應(yīng)用最多的是對(duì)整體工業(yè)水平要求不高的對(duì)稱式錐齒輪差速器[5]。差速器在過(guò)國(guó)內(nèi)正在經(jīng)歷一段飛躍式的發(fā)展。
圖1 -2 對(duì)稱式錐齒輪差速器
1.3差速器的簡(jiǎn)介
汽車的差速器是汽車傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)橋中的一個(gè)核心部件。它的功效就是當(dāng)汽車向兩側(cè)半軸傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)傳遞過(guò)來(lái)的動(dòng)力的時(shí)候，能夠讓左右兩側(cè)的軸以不同的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，從而讓左右兩側(cè)的車輪行駛的距離不同。讓兩側(cè)車輪能夠盡最大可能的做純滾動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣兩側(cè)車輪行駛的路程也就不想同了。從而減少輪胎與地面之間的摩擦阻力[6]，，改善汽車的行駛狀況。因此才能夠使汽車能夠正常的轉(zhuǎn)彎。
1.3.1 汽車差速器的工作原理
圖1-3 差速器工作原理
1.3. 2汽車差速器在汽車中的功用
汽車差速器有很多的零部件，但主要由以下幾個(gè)部件構(gòu)成：1左右半軸齒輪，2 兩個(gè)行星齒輪,3齒輪架。他是用來(lái)確保車子在轉(zhuǎn)彎的時(shí)候或在路況惡劣的道路上駕駛時(shí)，能夠確保汽車左右兩邊車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)的速度是不同的，從而確保汽車的驅(qū)動(dòng)輪不與地面打滑[7]。汽車安裝差速器是為了能夠調(diào)整左右兩側(cè)車輪的轉(zhuǎn)速的，當(dāng)汽車處于四輪驅(qū)動(dòng)模式時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)四個(gè)車輪，因此，汽車的四個(gè)車輪就必須作為整體連接在一起。如果裝配在一起后，汽車在轉(zhuǎn)彎的時(shí)候就百分之百不可能以相同的速度旋轉(zhuǎn)，因此為了能夠讓汽車轉(zhuǎn)彎時(shí)旋轉(zhuǎn)速度大體不變，中央差速器就被添加了進(jìn)來(lái)，他用來(lái)調(diào)整前后車輪轉(zhuǎn)速的不等。
1.3.3 汽車差速器的分類
差速器一般大概分為開(kāi)放式差速器，限滑式差速器，托森差速器，鎖止式差速器。
a開(kāi)放式差速器的介紹：
開(kāi)放式差速器是一運(yùn)用最為廣泛的差速器，他向左右兩側(cè)驅(qū)動(dòng)半軸分配的扭矩大小是相同的。
當(dāng)汽車處于直線行駛的模式情況下，左邊和右車輪受力并不存在不同，左右兩半軸齒輪之間的轉(zhuǎn)速是一樣的。半軸齒輪通相當(dāng)直接與車輪相連，因此，在經(jīng)過(guò)這樣的動(dòng)力傳遞之后，車輪得到的轉(zhuǎn)速和最初從動(dòng)齒圈的轉(zhuǎn)速并沒(méi)有發(fā)生變化。當(dāng)車輛處于轉(zhuǎn)彎模式情況下，內(nèi)側(cè)車輪的轉(zhuǎn)速必須要比外內(nèi)側(cè)的轉(zhuǎn)速低，這個(gè)時(shí)候就需要行星齒輪發(fā)生作用，他能夠讓左右兩半軸齒輪出現(xiàn)輕微的轉(zhuǎn)速差，而且在這個(gè)過(guò)程中，扭矩的傳遞并沒(méi)有被中斷。
缺點(diǎn)：差速器分配的動(dòng)力有時(shí)會(huì)全部輸出到阻力最小的車輪，造成空轉(zhuǎn)。
圖1-4 開(kāi)放式差速器
b 限滑差速器的介紹
因?yàn)殚_(kāi)放式差速器有著很多的缺點(diǎn)，因此設(shè)計(jì)廠商又重新設(shè)計(jì)了新型的限滑差速器。與開(kāi)放差速器相比較，他增加了兩個(gè)零件，這兩個(gè)零件分別是彈簧壓盤和離合器組件。汽車在轉(zhuǎn)彎的時(shí)候，配備有限滑差速器的車輛產(chǎn)生的力大到能夠讓半軸齒輪和離合器產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)。這樣，左邊和右邊兩驅(qū)動(dòng)半軸的轉(zhuǎn)速就不會(huì)相同。而分離離合器所在這個(gè)過(guò)程的扭矩分配是由彈簧組件的硬度和離合器材料的表面摩擦情況一起分配的。
優(yōu)點(diǎn)：保證差速器在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)不會(huì)發(fā)生空轉(zhuǎn)。
圖1-5限滑式差速器
c 鎖止式差速器的介紹
鎖止式差速器是開(kāi)放式差速器發(fā)展過(guò)后的另一種系列，他的驅(qū)動(dòng)橋?qū)嶋H上相當(dāng)于一根實(shí)心軸，他的兩半軸齒輪一般用電動(dòng)氣動(dòng)或者是液壓機(jī)構(gòu)來(lái)鎖止在一起的。一般配備鎖止式差速器的車輛都是越野車或者越野賽車，因?yàn)榇祟愜囆徒?jīng)常會(huì)在路面狀況極差的環(huán)境下行駛，很多時(shí)候一側(cè)車輪都會(huì)離開(kāi)地面。而鎖止式差速器因?yàn)樗喈?dāng)于一根實(shí)心軸，因此就相當(dāng)于把兩側(cè)車輪給直接連接在一體，這樣他們之間的轉(zhuǎn)速也就完全一樣。
d托森差速器的介紹
Torsen差速器是限滑差速器（Limited Slip Differential）的一種，其名字來(lái)源于Torque-sensing Traction單詞幾個(gè)字母的組合。意為牽引力自感應(yīng)式扭矩分配，通俗來(lái)講就是扭矩輸出是根據(jù)各個(gè)車輪的實(shí)際需求來(lái)分配的。他的兩大關(guān)鍵結(jié)構(gòu)是蝸輪、蝸桿齒輪嚙合系統(tǒng)，正是雙蝸輪蝸桿的相互嚙合互鎖和扭矩單向的從蝸輪傳到蝸桿齒輪的構(gòu)造，從而成功的保證了差速器的鎖止功能，保證車輛在行駛的時(shí)候不打滑 [8]。在彎道行駛車輪沒(méi)有打滑時(shí)，如果汽車車向右轉(zhuǎn)時(shí)，內(nèi)側(cè)車輪快，外側(cè)車輪慢。對(duì)于托森差速器而言，左側(cè)半軸驅(qū)動(dòng)左側(cè)蝸桿，并且憑借同步嚙合齒輪來(lái)驅(qū)動(dòng)車輛右側(cè)的車輪，而當(dāng)蝸桿驅(qū)動(dòng)蝸輪時(shí)，他們兩側(cè)蝸桿就會(huì)自動(dòng)的鎖止。正是這一特性保證了沒(méi)有打滑的車輪它的牽引力是足夠讓汽車正常行駛的。
Torsen差速器的特點(diǎn)：由于他是全時(shí)4驅(qū)，4個(gè)車輪都有牽引力的分配，汽車無(wú)論在各種路面上的性能都很好。實(shí)現(xiàn)了隨時(shí)隨地的扭矩管理，并且在這一過(guò)程中不會(huì)中斷也不會(huì)產(chǎn)生損失。與其他的差速器相對(duì)比，托森差速器在結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中并沒(méi)有配備多片式離合器，因此在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中就根本不會(huì)產(chǎn)生摩擦，因而不會(huì)對(duì)零件有任何的磨損，從而避免了我們維護(hù)的麻煩，他的可靠性是非常高的，他能夠幾乎所有的變速器、分配器正常一起的使用，能夠與車輛的其他控制系統(tǒng)如安全控制系統(tǒng)等完美的相兼容。Torsen LSD是經(jīng)典純機(jī)械結(jié)構(gòu)，他所獨(dú)特線性鎖止功能，是貨真價(jià)實(shí)的全時(shí)四驅(qū)。
缺點(diǎn)：由于結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，一方面導(dǎo)致加工制造難度十分大，所以整體成本過(guò)高，因此很多時(shí)候都只能夠裝備在高端車型上，另一方面造成整個(gè)汽車的自重過(guò)高，汽車加速性能相比其他沒(méi)有配備托森的汽車加速性能遜色不少。托森差速器是純機(jī)械設(shè)計(jì)的典范，但是因此需要非常高的加工精度、高強(qiáng)度的材料、制造工藝，造成成本非常高。所以一般我們見(jiàn)到運(yùn)用的車型都是奧迪旗下的高端車?yán)锩妫谄胀ㄜ囆屠锩婧苌倥鋫洹?
圖1-6 托森差速器
1.4方案選擇
通過(guò)以上對(duì)比各種類型差速器的優(yōu)缺點(diǎn)，針對(duì)此次設(shè)計(jì)，選用托森差速器作為總體方案，接下來(lái)對(duì)托森差速器的工作原理進(jìn)行詳細(xì)的介紹說(shuō)明。
第2章 托森差速器的結(jié)構(gòu)和工作原理
2.1托森差速器的結(jié)構(gòu)
“托森”這個(gè)商標(biāo)是最早是由格里森公司申請(qǐng)注冊(cè)的，“意為轉(zhuǎn)矩敏感式差速器”[9]。格里森公司是一家大型的汽車相關(guān)產(chǎn)業(yè)跨國(guó)公司，在汽車零部件的制造等方面處于也界領(lǐng)先地位。托森差速器主要由主動(dòng)部分、從動(dòng)部分以及連接兩部分的差速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)構(gòu)成。他的作用類型一般分為兩種，如圖A,B所示。
A）左右兩側(cè)驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速相等n1=n2 b）左右兩側(cè)驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速不等（n1≠n2）
圖2-1輪間工作原理示意圖
圖2 -2托森軸間差速器的結(jié)示意圖
2.1.1主動(dòng)部分
從示意圖中可以看出空心軸2、差速器外殼3組成他的主動(dòng)部分。這兩部分通過(guò)一對(duì)花鏈接連接。另一方面，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩主要由差速器的空心軸傳遞到差速器外殼上。
2.1.2從動(dòng)部分
如圖所示，前軸蝸桿9和后軸蝸桿5,差速器齒輪軸1和驅(qū)動(dòng)軸凸緣盤4構(gòu)成了他的從動(dòng)部分的整體結(jié)構(gòu)。前后軸蝸桿彼此不接觸[10]。
2.1.3 差速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)
分布在差速器殼體上的6個(gè)尺寸和結(jié)構(gòu)均相同的齒輪構(gòu)成他的差速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)
2.2托森差速器的工作原理
設(shè)前蝸桿傳遞轉(zhuǎn)速為a1.后蝸桿傳遞轉(zhuǎn)速為a2.差速器殼的轉(zhuǎn)速為Z0.
前蝸桿軸驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩為B1，后蝸桿驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)矩為B2.差速器殼轉(zhuǎn)矩為B0.
1 a1= a2時(shí)，汽車行駛狀態(tài)為直線。發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力傳遞先由空心軸傳遞給蝸輪軸再傳遞給蝸輪最后傳至蝸桿。前后蝸輪分別將發(fā)動(dòng)機(jī)傳遞過(guò)來(lái)的動(dòng)力傳遞至前后橋，由于他們兩者的轉(zhuǎn)速是一樣的，所以蝸輪與蝸桿之間是相對(duì)靜止的，a1=a2=Z0，所以轉(zhuǎn)矩也平均分配,既有B0=B1+B2。
2 a1≠a0時(shí)，汽車行駛狀態(tài)為彎道行駛，差速器殼體一直在旋轉(zhuǎn)，Z0≠0，前后蝸桿也隨差速器殼體旋轉(zhuǎn)，兩軸之間的轉(zhuǎn)速差通過(guò)的圓柱齒輪的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。但這一過(guò)程是需要在一定條件下才能實(shí)現(xiàn)的，只有當(dāng)兩軸速度差相差不致太大的情況下才能進(jìn)行差速。
2.2.1托森差速器的扭矩分配原理
托森差速器是利用蝸輪蝸桿傳動(dòng)副的內(nèi)摩擦力矩來(lái)進(jìn)行分配的，他的傳動(dòng)效率是由由他的蝸輪螺旋角和他的傳動(dòng)副摩擦系數(shù)來(lái)決定的。又因螺旋角是不變的，所以傳動(dòng)副的摩擦情況主要決定傳動(dòng)效率。故主要取決于兩側(cè)轉(zhuǎn)速。當(dāng)n1，n2相近時(shí)，兩側(cè)軸的轉(zhuǎn)速差主要由直尺圓柱齒輪吸收。當(dāng)n1較高時(shí)，差速器就會(huì)對(duì)該車輪的空轉(zhuǎn)有較大抵制的作用，輸入轉(zhuǎn)矩很大一部分會(huì)被輸出到后端輸出軸上，當(dāng)n2=0時(shí)，此時(shí)輸入轉(zhuǎn)矩就會(huì)全部輸出到后軸蝸桿上，這時(shí)他根本不會(huì)起任何作用，差速器將會(huì)自動(dòng)的被鎖死。
圖2-3扭矩分配圖
第3章托森差速器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1 該車型托森差速器的主要零部件結(jié)構(gòu)及尺寸的設(shè)計(jì)
3.1.1 渦輪、蝸桿的設(shè)計(jì)
1.蝸桿的傳動(dòng)類型選取
根據(jù)GB/T10085-1988的推薦,采用漸開(kāi)線蝸桿(ZI) [11]。
2.材料的選取
此次設(shè)計(jì)蝸桿選擇的材料為40CR,在加工之前先進(jìn)行淬火處理,他的硬度為48-55HRC,而蝸輪的材料選擇ZCUSN10P1,鑄造方式用金屬膜鑄造，齒圈的材料選擇青銅,輪芯材料選擇灰鑄鐵HT100，加工方式選用鑄造。
3.按照齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)計(jì)
按照閉式蝸桿傳動(dòng)的設(shè)計(jì)原則,我們進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)第一步按照齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì),之后再根據(jù)計(jì)算出來(lái)的數(shù)據(jù)校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度和傳動(dòng)中心矩：[12]
（式3-1）；
其中：：蝸桿傳動(dòng)的中心距；：蝸輪的許用接觸應(yīng)力；
：蝸輪傳遞的轉(zhuǎn)矩；：載荷系數(shù)；：彈性影響系數(shù)；
：接觸系數(shù)；
1).確定作用在蝸輪上的轉(zhuǎn)矩
按=4,估取=0.90,則
P=100KW, n=1500/3=500r/min
T=9.55 10 = =1719000
2).確定載荷系數(shù)K
因?yàn)楣ぷ鬏d荷較穩(wěn)定,因此選取載荷分布不均勻系數(shù)=1,根據(jù)[1]表11-5選取使用系數(shù)=1.15.由動(dòng)載系數(shù)=1.05,則
K= =1.15 1.05 1 1.21 (式3-2)；
其中：：使用系數(shù)；：動(dòng)載系數(shù)；：載荷分布不均勻系數(shù)
3).確定彈性影響系數(shù)
因此次設(shè)計(jì)選用的是ZCUSN10P1，并且它要和鋼蝸桿相匹配,故由機(jī)械設(shè)計(jì)指導(dǎo)手冊(cè)查的彈性影響系數(shù)=160 MPa
4).確定接觸系數(shù)
設(shè)定蝸桿分度圓直徑d和傳動(dòng)中心距a的比值d/a=0.5,從[1]《機(jī)械設(shè)計(jì)》中圖11-18中可查到接觸系數(shù)=2.7
5).確定許用接觸應(yīng)力
蝸輪材料為ZCUSN10P1,鑄造方式為金屬膜鑄造,蝸桿螺旋齒面硬度45HRC,因此可從[1]機(jī)械設(shè)計(jì)指導(dǎo)手冊(cè)表11-7中查到蝸輪的基本許用應(yīng)力
=268MPa
設(shè)要求壽命L為120000h,
應(yīng)力循環(huán)次數(shù):
N=60jnL=601500120000=3.610(式3-3)；
壽命系數(shù)：
K==0.48
=`K=0.48268=128.64MPa(式3-4)；
其中：`：蝸輪基本許用接觸應(yīng)力； K：壽命系數(shù)。
6).計(jì)算中心距
a 28mm
取中心距a=64 mm,故從[1]中表11-2取模數(shù)m=8,蝸桿分度圓直徑d=32 mm.d/a=0.5,從[1]圖11-18中可查得接觸系數(shù)Z`=2.7,因?yàn)閆` Z。所以上述結(jié)果可以使用。
4.蝸桿與蝸輪的參數(shù)與幾何尺寸的計(jì)算
1).蝸桿
軸向齒距:
P=m=3.148=25.12mm.(式3-5)；
直徑系數(shù)：
q= d/m=4（式3-6）；
齒頂圓直徑：
d= d+2hm=32+218=48 mm.(式3-7)；
齒根圓直徑:
d=d－2(hm+c）=32－2(8+4)=8mm(式3-8)；
分度圓導(dǎo)程角：
r==45°(式3-9)；
2).蝸輪
蝸輪齒數(shù)Z=12；
變位系數(shù)X=0 ；
驗(yàn)算傳動(dòng)比：
= z/z=12/4 =3(式3-10)；
這時(shí)傳動(dòng)比誤差為(3－3)/3=0，允許。
蝸輪分度圓直徑：
d=mZ=8×12=96mm(式3-11)；
蝸輪喉圓直徑：
d= d+2h=96+28=112mm(式3-12)；
蝸輪齒根圓直徑：
d= d－2h=96－28(1+0.25)=76mm(式3-13)；
蝸輪咽喉母圓半徑：
r=a－d=64－×112=8mm(式3-14)
5.校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度
=YY (式3-15)；
其中：：載荷系數(shù)； Y：螺旋角影響系數(shù)； Y：齒形系數(shù)；：許用彎曲應(yīng)力；：彎曲應(yīng)力；——傳遞的轉(zhuǎn)矩。
當(dāng)量齒數(shù)：
Z= = =82.8(式3-16)；
根據(jù)X=﹣0.5，Z=82.8，從圖11-19中可查得齒形系數(shù)：
Y=2.38
螺旋角系數(shù)：
Y=1－=0.68
許用彎曲應(yīng)力：
=`K
從[1]《機(jī)械設(shè)計(jì)表》11-8中查得由制造的蝸輪的基本許用彎曲應(yīng)力
`=56
壽命系數(shù)：
K==0.40
=560.40=22.4MPa
==26.56MPa
彎曲強(qiáng)度是滿足的。
3.1.2蝸桿前后軸的設(shè)計(jì)
1.選擇軸的材料
軸的材料為40，由[1]中表15-3查得，40的為35~55MPa。
2.求出軸上的功率、轉(zhuǎn)速
n=500r/min
P=100×0.9=90KW
3.初步確定軸的最小直徑
A值為112~97，由[1]中式15-2查得
A值為112~97，由[7]中式15-2查得
d(式3-17)；
其中：：功率；：轉(zhuǎn)速；A：面積。
dmm
取d=63mm
由[1]表15-4查得:
W0.1d=250004.7 (式3-18)；
W0.2d=50009.4 (式3-19);
T=9.5510N·mm(式3-20)；
(式3-21)；
合格。
3.1.3 空心軸的設(shè)計(jì)
1.選擇軸的材料
軸的材料為40，由[7]中表15-3查得40的為35~55MPa。
2.求出軸上的功率、轉(zhuǎn)速
n=1500 r/min，I檔傳動(dòng)比為4.3，
n=348.83r/min
=90KW
3.初步確定軸的最小直徑
A值為112~97，由[1]中式15-2查得
d;
d;
d取為72mm。
d=72mm100，對(duì)于直徑d小與或等于100mm的軸，有一個(gè)鍵槽時(shí)，在不影響加工和精度的情況下，軸增大5%~7%，因此取為75.2~76.96，取d=77。
由[1]表15-4查得 =，
Wd(1－)=25612.4
W=0.2d(1－)=500024.8
(式3-22)；
合格。
4.空心軸上花鍵的選擇
因?yàn)閐≥70.6，根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)指導(dǎo)手冊(cè)查表9-26得：62＜d＜82
小徑d取為72mm，選用中系列，其規(guī)格為N×d×D×B=10×72×78×12，C=0.6，r=0.5，參考d=67.7mm，a =1.0mm，裝配形式為固定，公差采用一般用公差帶，外花鍵中的d的公差是h7，D的公差是11，B的公差是h10。
3.1.4 直齒圓柱齒輪設(shè)計(jì)
輸入功率p=1000.9=90KW
齒輪轉(zhuǎn)速n=1500r/min
齒數(shù)比u=1
工作壽命為120000小時(shí)。
1.選定齒輪類型、精度、材料及齒數(shù)。
1）．選用的傳動(dòng)齒輪的類別為圓柱齒輪；
2）．選用7級(jí)精度；
3）．材料選擇,齒輪材料依據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)指導(dǎo)手冊(cè)采用40Cr(調(diào)質(zhì))，他的硬度為280HBS。
4）．選擇齒數(shù)Z=Z=24。
2.按照齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。
由設(shè)計(jì)計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算，即
d≥2.32(式3-23)；
其中：d：分度圓直徑；
K：載荷系數(shù)；T：齒輪傳遞的扭矩；：齒數(shù)比；
Z ：材料的彈性影響系數(shù)；：接觸疲勞許用應(yīng)力；
：齒寬系數(shù)；
T=95.5×10P/n=95.5×10×90/1360.1=6.3×10N·mm；
（3）．由[1]中表10-7選取齒寬系數(shù) 。
（4）．由[1]中表10-6材料的彈性影響系數(shù)Z=189.8MPa。
（5）．由[1]中圖10-21d查得齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限MPa。
（6）．計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
N=60njL
=60×1360×1×120000
=9.79×10
(式3-24)；
（7）．由[1]中圖10-19查得接觸疲勞壽命系數(shù)；
（8）．計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力
取失效概率為1%，安全系數(shù)S=1，
MPa(式3-25)；
2).計(jì)算
（1）．試算齒輪分度圓直徑d：
d≥2.32mm
（2）．計(jì)算圓周速度V
V=m/s
（3）．計(jì)算齒寬b
B9mm
(4)．計(jì)算齒寬與齒高之比bh
模數(shù) m=d/z=29/24=1.20mm
齒高 h=2.25m=2.7m
bh=29/2.7=10.74
（5）．計(jì)算載荷系數(shù)
據(jù)V=0.58，7級(jí)精度，由[1]中圖10-8齒輪相對(duì)支撐費(fèi)對(duì)稱布局時(shí)動(dòng)載系數(shù)K=1.10
直齒輪： K=K=1.1
由[1]機(jī)械設(shè)計(jì)中表10-8查得使用系數(shù)K=1，當(dāng)他的精度等級(jí)為7級(jí)，齒輪相對(duì)支承非對(duì)稱布置時(shí)，
K=K＋0.18(1＋0.6Q)Q＋0.23×10b
=1.10＋0.18(1＋0.6×1)×1＋0.23×10×5.3
=1.425
由bh==10.74，K=1.425由[1]中圖10-13查 查得K=1.42
故載荷系數(shù):
K=KKKK=1×1.1、0×1.1×1.42=1.718(式3-26)；
其中：
K：動(dòng)載系數(shù)；K：使用系數(shù)；
K、K：齒間載荷分配系數(shù)。
（6）．根據(jù)實(shí)際計(jì)算所得的載荷系數(shù)來(lái)校正所算得的分度圓直徑，
d=dmm(式3-27)；
（7）．計(jì)算模數(shù)m
M=dz=31.8z24=1.33mm
3.按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)
彎曲強(qiáng)度的設(shè)計(jì)公式為
公式：m(式3-28)；
其中：
M：模數(shù)；Z：齒數(shù)；T：轉(zhuǎn)矩；
1).確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值。
（1）．由[1]中圖10-20c查得齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限MPa；
（2）．由[1]中圖10-18查得彎曲疲勞壽命系數(shù)K=0.85；
（3）．計(jì)算彎曲疲勞許用力
取安全系數(shù)S=1.4,
=303.57MPa(式3-29)；
（4）．計(jì)算載荷系數(shù)K
K=KKKK=1×1.10×1.1×1.42=21.72(式3-30)；
（5）．由[1]中表10-5查取齒行系數(shù)Y=2.65
（6）．由[1]中表10-5查取應(yīng)力校正系數(shù)Y=1.58
（7）．計(jì)算齒輪的
==0.01379
2).設(shè)計(jì)計(jì)算
mmm
圓整后取m=2mm,因?yàn)閐=29mm
Z=d/m=29/2=14.5；取15。
4.幾何尺寸計(jì)算：
1).計(jì)算分度圓直徑
d=Zm=15×2=30mm
2).齒寬
b=Qd=1×30=30mm
3).中心距
a=(d＋d)/2=24mm
5.驗(yàn)算：
F=N(式3-31)；
N/mm≥100N/mm(式3-32)；
合適。
3.1.5.蝸輪軸設(shè)計(jì)
1.求軸上的功率P，轉(zhuǎn)速n,轉(zhuǎn)矩T
P=100×0.9=90KW
n=1500r/min
T=95.5×10×=5.73×10N·mm
2.求作用在齒輪上的力
齒輪的分度圓直徑為：d=30mm；
F=N
F=tanan*cos-1β=3342N
蝸輪的分度圓直徑為d=256.2mm
F=
F=FN
F=FN
3.初步確定軸的最小直徑
選取45號(hào)鋼，調(diào)質(zhì)。根據(jù)［1］中表15-3取A=112，
d=Amm=18.05mm
取套筒的直徑為19mm
4.軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1).擬定軸上的零件的裝配方案
如圖所示的裝配方案
2).確定軸的各段直徑和長(zhǎng)度
1）因?yàn)辇X輪與蝸輪是周向定位的方式，所以我們選用套筒,因此
mm；
mm；
（2）.由于齒寬b=30mm,所以mm,mm。
（3）．由于蝸輪長(zhǎng)度為82mm,所以mm,mm。
（4）．軸總長(zhǎng)mm。
圖3-1 軸
3).軸上零件的周向定位
根據(jù)定位準(zhǔn)則，齒輪、蝸輪和軸的周向定位全部選擇花鍵聯(lián)接，由機(jī)械設(shè)計(jì)指導(dǎo)手冊(cè)表4-1查得平鍵截面b×h=8mm×7mm。鍵槽用鍵槽銑刀加工，長(zhǎng)度是14mm,，齒輪輪轂與軸的配合為，蝸輪與軸的配合選用，蝸輪輪轂與軸的配合為，軸的直徑尺寸公差為m6。
4).確定軸上圓角以及其倒角尺寸
取軸端倒角為1×45°。
5).按照彎矩合成應(yīng)力來(lái)校核軸的強(qiáng)度
進(jìn)行校核時(shí)，通常只校核軸上承受最大彎矩和扭矩的截面的強(qiáng)度[13]。根據(jù)[機(jī)械設(shè)計(jì)指導(dǎo)手冊(cè)表15-5，取a=0.6，軸的應(yīng)力為
軸的材料采用的是45鋼，根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)指導(dǎo)手冊(cè)表15-1查得,故，因此軸的強(qiáng)度滿足實(shí)際需要，因此此方案合格。
3.2 參考車型數(shù)據(jù)
最大功率：100kw 最大轉(zhuǎn)矩：1300-1500Nmm 主減速器傳動(dòng)比：6.15最高車速：120KM
變速器傳動(dòng)比：5.3 4.3 2.43 1.53 分動(dòng)傳動(dòng)比： 高檔：1.07 低擋：2.04
第4章．差速器外殼的設(shè)計(jì)
4.1外殼設(shè)計(jì)
用半徑為115mm,寬度為160mm的圓柱體。差速器的外殼分成兩部分，這兩部分是用螺栓來(lái)聯(lián)接的。在外殼中我們還需要添加一個(gè)套筒，此套筒是用來(lái)連接差速器的外殼和空心軸的。套筒的直徑為80mm，長(zhǎng)度為15mm。墊片是加在外殼與前、后蝸桿軸的聯(lián)接處的，他的作用是降低他們的摩擦。在蝸桿與差速器殼處也用墊片。
圖4-1 差速器外殼設(shè)計(jì)
4.2該車型托森差速器的主要零部件連接關(guān)系
4.2.1 各零部件在整個(gè)殼體中的布局
托森差速器安裝在變速器的后端蓋處,他主要用來(lái)平衡轉(zhuǎn)速和傳遞功率 ,托森差速器的零部件連接關(guān)系，以及結(jié)構(gòu)如圖所示。兩個(gè)蝸桿置于差速器殼體內(nèi)，并分別與和齒輪軸驅(qū)動(dòng)軸相連接。每個(gè)蝸桿與3個(gè)蝸輪相配合,構(gòu)成了6對(duì)蝸輪。每個(gè)蝸輪軸上裝有兩個(gè)圓柱直尺齒輪，渦輪軸沿著差速器的斷面平均距離安裝,同一處的 2個(gè)蝸輪軸上的直齒圓柱齒輪彼此嚙合。
圖4-2 零件布局圖
1差速器齒輪軸 2 空心軸 3 差速器外殼 4 驅(qū)動(dòng)軸 5 驅(qū)動(dòng)軸桿 6 直尺圓柱齒輪 7渦輪軸 8 前軸蝸桿
第5章托森差速器的建模及運(yùn)動(dòng)仿真
5.1 建模軟件的介紹
此次畢業(yè)設(shè)計(jì)建模及仿真用到的軟件主要就是Solid Works
5.1.1 軟件的功能介紹
我們?cè)谄綍r(shí)的設(shè)計(jì)過(guò)稱重運(yùn)用Solid Works3D設(shè)計(jì)軟件可以實(shí)現(xiàn)各種各樣的功能。1.3D實(shí)體建模。使用Solid Works3D設(shè)計(jì)軟件中的3D實(shí)體建模功能，可以省去很多不必要的步驟，加快項(xiàng)目的進(jìn)程，將節(jié)省出來(lái)的時(shí)間用到其他步驟上，縮短產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期，節(jié)約人力物力財(cái)力，提高我們的效率。2大型裝配體設(shè)計(jì)。 Solid Works3D CAD 處理可包含 1萬(wàn) 多個(gè)零件的設(shè)計(jì)，因此節(jié)約了很多單獨(dú)的設(shè)計(jì)，化繁為簡(jiǎn)，提升設(shè)計(jì)效率。3.鈑金設(shè)計(jì)。運(yùn)用此軟件能夠快速高效地創(chuàng)建鈑金件設(shè)計(jì)，縮短設(shè)計(jì)周期，具有很強(qiáng)的靈活性與同用性。4.焊件。使用Solid Works3D 設(shè)計(jì)，焊件的結(jié)構(gòu)等都可以進(jìn)行很大的簡(jiǎn)化，十分方便。5塑料與鑄造零件設(shè)計(jì)。我們?cè)谶M(jìn)行塑料盒鑄造零件的設(shè)計(jì)過(guò)程中，如果運(yùn)用此軟件，開(kāi)發(fā)滿足性能與穩(wěn)定性安全性可靠性要求的塑料或鑄造零件設(shè)計(jì)的效率是很高的，花費(fèi)很少的時(shí)間就可以完成很大的工作內(nèi)容。6模具設(shè)計(jì)。運(yùn)用此軟件進(jìn)行模具設(shè)計(jì)的時(shí)候，我們能夠隨時(shí)隨地的對(duì)設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)過(guò)程中修改，并且每一次的修改都會(huì)馬上生效。7CAD 導(dǎo)入導(dǎo)出。?運(yùn)用此軟件我們可以CAD 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為各種滿足需求的格式數(shù)據(jù)，縮短整個(gè)設(shè)計(jì)的周期，節(jié)約時(shí)間與金錢。Solid Works提供了各種各樣的轉(zhuǎn)換程序，CAD數(shù)據(jù)可以與Solid Works數(shù)據(jù)相互轉(zhuǎn)換，免去了很多不必要的麻煩。
5.1.2 本課題主要用到的模塊
此次設(shè)計(jì)主要運(yùn)用到的模塊如下：
5.1.2.1草圖繪制模塊
當(dāng)我在創(chuàng)建托森差速器的各個(gè)零件時(shí)，通過(guò)Solid Works的插件2D Emulator來(lái)生成各個(gè)零件的截面[14]。
5.1.2.2零件和特征模塊
最常用的塊和零件的特征編輯也是在這個(gè)模塊中進(jìn)行完成的，零件的屬性的自定義也都是在這個(gè)模塊里進(jìn)行編輯的。我們最常用的實(shí)體和曲面建模都是在這個(gè)模塊里完成的。
5.1.2.3裝配模塊
在進(jìn)行仿真的時(shí)候，我們都是把多個(gè)零件裝配在一個(gè)整體之后才能進(jìn)行仿真的，運(yùn)用Solid Works的裝配模塊就能實(shí)現(xiàn)這一功能。比如我們將蝸輪蝸桿齒輪等裝配在一起構(gòu)成差速器就需要此模塊。除此之外，我們還可以添加裝配體的零部件。進(jìn)行子配體的操作等一系列功能。
5.1.2.4高級(jí)模塊
運(yùn)動(dòng)仿真（Solid Works motion）模塊包括以下功能。A動(dòng)畫：裝配體的仿真可以通過(guò)動(dòng)畫來(lái)檢驗(yàn)。 B：基本運(yùn)動(dòng)：C：運(yùn)動(dòng)分析（可在 Solid Works premium 的 Solid Works Motion TM 插件中使用）。
5.2 運(yùn)動(dòng)仿真
5.2.1 添加伺服電機(jī)
伺服電機(jī)的添加入下兩圖所示
圖5-1伺服電機(jī)的添加
圖5-2 伺服電機(jī)的添加
5.2.2 仿真運(yùn)動(dòng)時(shí)間的設(shè)定
下圖為仿真運(yùn)動(dòng)時(shí)間的設(shè)定
圖5-3 運(yùn)動(dòng)時(shí)間的設(shè)定
5.2.3.動(dòng)畫導(dǎo)出
以上步驟之后可以進(jìn)行差速器的運(yùn)動(dòng)仿真，將差速器運(yùn)動(dòng)仿真的動(dòng)畫導(dǎo)出保存在電腦上。
結(jié)論
經(jīng)過(guò)幾個(gè)月的努力，我終于大致完成了此次設(shè)計(jì)，在這段期間，遇到了很多問(wèn)題，但也解決了很多問(wèn)題。上學(xué)期期末的時(shí)候，通過(guò)與指導(dǎo)老師的溝通，選擇了論文課題托森差速器的設(shè)計(jì)與仿真。為了寫好這個(gè)題目，我在學(xué)校的圖書館和網(wǎng)上查閱餓了大量的資料，并進(jìn)行了分類歸納總結(jié)，撰寫了文獻(xiàn)綜述報(bào)告，完成了論文任務(wù)書。通過(guò)這些前期放面的準(zhǔn)備，我大體了解了我此次論文的主要任務(wù)以及如何撰寫論文。此次論文的難點(diǎn)主要是對(duì)差速器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)以及相關(guān)零件的尺寸計(jì)算，還有就是運(yùn)用Solid Works軟件對(duì)其進(jìn)行三維建模和運(yùn)動(dòng)仿真。由于之前我對(duì)這一軟件的使用并不是很熟悉，花費(fèi)了大量的時(shí)間去去學(xué)，還好，通過(guò)查閱資料或是向老師和同學(xué)請(qǐng)教，基本上能夠熟練的使用此軟件。通過(guò)前期的準(zhǔn)備，我基本了解了差速器國(guó)內(nèi)外的發(fā)展與研究現(xiàn)狀，各種差速器的優(yōu)缺點(diǎn)以及工作原理，選擇了托森差速器作為此次設(shè)計(jì)的方案。在進(jìn)行具體的零件結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)過(guò)程中，尤其是相關(guān)軸承的選擇，以及齒輪的設(shè)計(jì)，蝸輪蝸桿如何進(jìn)行嚙合。在此次設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到了很多難題，但是自己都能夠一一克服，大體上完成了此次畢業(yè)論文，達(dá)到了這次畢業(yè)設(shè)計(jì)的目的，對(duì)大學(xué)四年來(lái)學(xué)習(xí)的知識(shí)再一次溫習(xí)了一遍，又學(xué)到了很多以前沒(méi)有學(xué)到的知識(shí)，這些知識(shí)是完全可以用在以后的學(xué)習(xí)生活或者是工作中的。
在這個(gè)過(guò)程中，我也體會(huì)了很多。我現(xiàn)有的知識(shí)是完全不夠的，必須不斷的學(xué)習(xí)，無(wú)論我們處于一個(gè)什么樣的水平中。還有就是做事一定要合理安排時(shí)間，做好規(guī)劃，才能事半功倍。
致謝
最初拿到論文題目時(shí)，我自己感覺(jué)真的很茫然，感覺(jué)無(wú)從下手，像一個(gè)無(wú)頭蒼蠅一般查閱各種資料，但是很多都是沒(méi)有用的，幸好我的指導(dǎo)老師劉思頌老師及時(shí)的為我指明了方向，讓我知道了此次設(shè)計(jì)的方向，知道了此次設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)是三維仿真和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。讓我知道如何進(jìn)行準(zhǔn)備，查閱相關(guān)的資料和前期學(xué)習(xí)。每隔一周的見(jiàn)面答疑為我指出了我上一階段工作的不足，提出了改進(jìn)意見(jiàn)，也為下一階段的工作做出了詳細(xì)的安排，在這里我真誠(chéng)的感謝劉老師在百忙之中抽出時(shí)間為我們進(jìn)行答疑解惑。在進(jìn)行畢業(yè)論文的這幾個(gè)月時(shí)間里，劉老師對(duì)我的幫助可謂十分巨大，每一次無(wú)論遇到什么難題，他都會(huì)在第一時(shí)間耐心細(xì)致的為我詳細(xì)解答。在這里，我還要感謝所有在學(xué)習(xí)和生活上教導(dǎo)過(guò)我的老師們，謝謝你們大學(xué)4年來(lái)對(duì)我的教導(dǎo)。以及在此次論文撰寫過(guò)程中對(duì)我?guī)椭^(guò)的所有同學(xué)，謝謝你們的幫助。正是在你們的幫助下，我的畢業(yè)論文才能夠按時(shí)按要求的完成，真誠(chéng)的感謝你們?cè)诖似陂g對(duì)我的幫助。
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