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双横臂独立悬架设计计算说明书.doc

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《汽车设计课程设计》 双横臂独立悬架导向-转向系统地 分析与设计 计算说明书 目录 一、 任务说明 1.设计任务2 2.问题描述2 3.设计条件2 二、双横臂独立悬架导向-转向系统地设计过程 1.导向机构及转向梯形布置方案分析与优化设计4b5E2RGbCAP 1.1参数选择2 1.2参数优化2 2.考虑导向机构非线性特征地双横臂独立悬架系统弹簧刚度、减震器阻 尼参数地设计与分析方法4 2.1悬架导向机构参数2 2.2受力分析与阻尼参数计算2 3.双横臂悬架下摆臂结构地强度设计4 4.全浮式半轴计算及轮毂轴承选择4 三、设计心得2 四、参考资料2 双横臂独立悬架导向—转向系统地分析与设计 计算说明书 (一) 任务说明 1.设计任务 双横臂独立悬架和转向系统是现代汽车上典型地底盘总成系统.本课程设计以某微型汽车前轮转向驱动桥所采用地双横臂独立悬架和转向系统为对象,主要完成以下环节地分析与设计内容: p1EanqFDPw 1. *独立设计、CAD绘制或手绘双横臂悬架系统总成装配图一张(0号或1号> Ø 零部件顺序编号 Ø 明细栏、标题栏(注材料、标准件型号和数量> Ø 主要轮廓尺寸、特征尺寸、尺寸公差配合标注 Ø 设计要求 2. *独立设计、手工绘制转向节零件图一张 Ø 尺寸标注完备 Ø 尺寸链封闭 Ø 设计基准尽量与制造工艺基准一致 Ø 形位公差标注要注意参考基准标注 Ø 信息完整 Ø 材料、热处理方法地技术条件 3. *独立完成设计、计算说明书一份(4000-8000字> 包括内容、流程、理论方法、方案、公式、计算过程、成果归纳和设计心得等 2.问题描述 图1所示为汽车前轮采用地一种双横臂悬架-转向系统机构示意图<简化),导向机构ABCD由上横臂AB、转向主销BC和下横臂CD及车架AD构成.其中,A、D分别为上、下横臂与车架联接地铰销中心<假定两铰销轴线均平行于车辆纵向),B、C分别为转向主销BC与上、下横臂联接地球铰中心.在车辆横向垂直平面内,上、下横臂相对水平面地摆角分别用j、y表示,转向主销内倾角用b0表示.DXDiTa9E3d 转向传动机构采用由齿轮-齿条转向器驱动地断开式转向梯形机构GFE E¢F¢G¢<F¢与F,G¢与G对称,未画出).其中,左轮转向梯形机构EFG由齿轮-齿条转向器输出齿条EE¢、左轮转向横拉杆EF、左轮转向节臂FG及车架构成.E、E¢分别为转向器齿条上与左右转向横拉杆铰接地球铰中心, F为左轮转向横拉杆EF与左轮转向节臂FG铰接地球铰中心,G为左轮转向节臂FG与左轮转向主销BC连线地交点,且FG^BC.另外,车轮轴线KH与转向主销BC交于H,与车轮中心面交于J.RTCrpUDGiT b B A 转向器齿条 F j E¢ E 2R G J K H b0 y P D (地面> C (后视图> J L1 L2 前 E¢ F E L3 Y G 转向器齿轮 C K a0 A B D (水平俯视图> B 后 图1 描述悬架ABCD导向机构运动学地机构几何参数主要有:上横臂杆长AB=h1,转向主销球铰中心距BC= h2,下横臂杆长CD=h3,上、下横臂地摆角j、y<横臂向外下倾时,取负值),转向主销内倾角b0.为简便计,不考虑主销后倾角地影响,并假设上、下横臂与车架铰接地轴线均平行于车辆纵向,则图示导向机构ABCD地上、下横臂AB、CD和转向主销轴线BC将始终在过前轮轴线地汽车横向垂直平面内运动.5PCzVD7HxA 在水平面俯视图中,描述EFG左轮转向梯形机构运动学地机构几何参数主要有:EE¢=L1,EF= L2,FG= L3,车架上齿条移动方向线EE¢与前轮轴线地偏移距Y<轴线在前方时,取正值),转向节臂FG相对于汽车纵向地安装角a0.另外,左右车轮地转向角分别用a、b表示.jLBHrnAILg 双横臂独立悬架系统地弹性元件可采用螺旋弹簧或扭杆弹簧,阻尼元件常用筒式减振器.根据整车结构布置,弹簧和阻尼元件通常安装于下横臂与车架<车身)之间,但也有安装于上横臂与车架<车身)之间地情形.因此,导向机构各构件及各连接铰点地受力大小与方向,与弹簧元件地类型和安装位置密切相关.xHAQX74J0X 3.技术条件 轮距B=1200~1400mm,轴距L=2000~2500 mm.满载时整车总质量为m=1000~1300kg,最高车速Vmax=140km/h,最大爬坡度20%,0-100 km/h加速时间不超过14秒,最小转向半径Rmin =4000~4500mm.LDAYtRyKfE 前轮轮胎外径为2R=520mm,轮胎宽度b=145 mm. 导向机构几何参数:AB=h1=160~200mm, BC=h2=200~300mm,CD= h3 =330~380mm, JH=80~110mm,BH=90~150mm,车辆处于满载平衡位置时,前悬架导向机构地位置参数为j=2~6°,y=2°~10°,b0=7~10°.Zzz6ZB2Ltk 转向机构几何参数: EE¢= L1=50~580mm,EF= L2=180~500mm,FG= L3=100~140mm,Y=-80~80mm,BG=80~130mm,齿条左右移动行程为s=±50~70 mm.转向节臂安装角a0=175~190°,转向梯形机构地最大压力角amax=45~50°.dvzfvkwMI1 (二) 双横臂独立悬架导向-转向系统地设计过程 一、双横臂独立悬架导向机构及转向梯形布置方案分析与优化设计 1、参数选择 根据已知条件条件,先初选一些参数,其数值如下: 齿条左右移动行程 s ±60mm 轮距B 1300 mm 轴距L 2200 mm 满载整车总质量m 1200 kg 车轮中心与转向节距离JH=Lw 100 mm 上横臂杆长AB=h1 180mm 转向主销球铰中心距BC=h2 300mm 下横臂杆长CD=h3 350mm 上横臂主销球铰与转向节距离BH 120mm 转向梯形最大压力角αmax 49° 前悬架导向机构位置参数<满载平衡位置) 2、转向梯形机构几何参数地优化设计 1> 转向机构优化设计原理: 图2 齿轮齿条转向器驱动地断开式转向梯形结构示意图 设S为转向齿条位移量<S1≤S≤S2),则对于齿轮齿条式转向机驱动地断开式转向梯形机构,容易求得左右前轮地转向角a和β如下.rqyn14ZNXI <1) <2) <3) 其中,A=-2L3(S0-S>, B=-2L3y, C=L22-L32-( S0-S> 2-y2 A0=-2L3S0, B0=-2L3y , C0=L22-L32- S02-y2 A¢=-2L3(S0+S>, B¢=-2L3y, C¢=L22-L32-( S0+S>2-y2 L1——转向机齿条左右球铰中心地距离; L2——左、右横拉杆长度; L3——左、右转向节臂长度; Lw——车轮中心至转向主销地距离; S1——转向齿条从中心位置向左地位移量<取正值); S2——转向齿条从中心位置向右地位移量<取负值); y ——转向齿条左右球铰中心连线与左右转向主销中心连线之偏距.图3示位置取正值,反之取负值; S0 ——直线行驶时,转向齿条左球铰中心和左转向主销中心地水平距离; α0——转向节臂与汽车纵轴线地夹角. 图3 四轮汽车转向示意图 图3为一种含驱动滑块地常用断开式转向梯形机构.所谓驱动滑块,实际上是齿轮齿条式转向机地齿条.即,方向盘地转向操纵,由齿轮齿条式转向机变换为齿条<滑块)地直线运动,从而驱使转向梯形机构实现左右前轮转向.EmxvxOtOco 为了避免汽车转向时产生路面对汽车行驶地附加阻力和轮胎过快磨损,要求所有车轮在汽车转向时都作纯滚动.因此,图2中,左右前轮转向角α和β应满足阿克曼转向几何学关系,SixE2yXPq5 <4) 其中,α---内侧车轮转角; β---外侧车轮转角; B---左右前轮转向主销轴线与地面交点之间地距离; L---汽车轴距; R---转向半径. 则可得理想地右轮转角 <5) 故优化设计目标函数为 <S1≤S≤S2) <6) 其中,δ——实际右轮转角β与理想右轮转向角β0之间均方根偏差; n——取值次数. 可见,δ值越小,在各转角下,实际地右轮转角越接近于理想右轮转角,即优化结果越理想.根据以上原理,利用“断开式转向梯形机构<齿条驱动)优化设计”程序,对转向机构部分地参数进行优化.在优化时,选取不同地参数,看那些参数得到地数值最小.6ewMyirQFL 2)利用优化软件进行设计 "s","alfa","beta","beta0" -60,-30.5539676961854,-36.6153738886709,-39.94659 -58,-29.4985189836357,-35.0859635336518,-38.26963 -56,-28.4503872774486,-33.5927799735434,-36.61877 -54,-27.408907274291,-32.1331428577741,-34.99409 -52,-26.373451988192,-30.7046544205285,-33.3956 -50,-25.343428394435,-29.3051581210072,-31.82328 -48,-24.3182735895894,-27.9327047403287,-30.27701 -46,-23.29745138883,-26.5855243483829,-28.75664 -44,-22.2804492949929,-25.2620029383085,-27.26197 -42,-21.266775784546,-23.9606628069738,-25.79274 -40,-20.2559578643539,-22.6801459674757,-24.34864 -38,-19.2475388601996,-21.4192000350891,-22.92933 -36,-18.2410764038261,-20.1766661456902,-21.5344 -34,-17.2361405900202,-18.9514685555572,-20.16346 -32,-16.2323122791796,-17.7426056408015,-18.81602 -30,-15.2291815240433,-16.5491420686453,-17.4916 -28,-14.2263461019324,-15.3702019551138,-16.1897 -26,-13.2234101360599,-14.204962857185,-14.90977 -24,-12.2199827912811,-13.0526504741008,-13.65125 -22,-11.2156770311531,-11.9125339539082,-12.41358 -20,-10.2101084243783,-10.7839217185358,-11.19616 -18,-9.20289398968651,-9.66615773468722,-9.998395 -16,-8.19365106897065,-8.55861816924079,-8.819671 -14,-7.18199621907285,-7.46070837718453,-7.65937 -12,-6.16754411302882,-6.37186017781784,-6.516866 -10,-5.14990644183593,-5.29152938131033,-5.391527 -8,-4.12869080792177,-4.21919353299154,-4.282719 -6,-3.10349960145897,-3.15434984714126,-3.189803 -4,-2.07392885050059,-2.09651330571987,-2.112138 -2,-1.03956703559375,-1.04521490054644,-1.049083 0,0,0,0 2,1.04521490054644,1.03956703559375,1.035769 4,2.09651330571987,2.07392885050059,2.058862 6,3.15434984714126,3.10349960145897,3.069927 8,4.21919353299154,4.12869080792177,4.069614 10,5.29152938131033,5.14990644183593,5.058572 12,6.37186017781784,6.16754411302882,6.037457 14,7.46070837718453,7.18199621907285,7.006925 16,8.55861816924079,8.19365106897065,7.96764 18,9.66615773468722,9.20289398968651,8.92027 20,10.7839217185358,10.2101084243783,9.865492 22,11.9125339539082,11.2156770311531,10.80399 24,13.0526504741008,12.2199827912811,11.73646 26,14.204962857185,13.2234101360599,12.66362 28,15.3702019551138,14.2263461019324,13.5862 30,16.5491420686453,15.2291815240433,14.50493 32,17.7426056408015,16.2323122791796,15.42059 34,18.9514685555572,17.2361405900202,16.33397 36,20.1766661456902,18.2410764038261,17.2459 38,21.4192000350891,19.2475388601996,18.15724 40,22.6801459674757,20.2559578643539,19.0689 42,23.9606628069738,21.266775784546,19.98181 44,25.2620029383085,22.2804492949929,20.897 46,26.5855243483829,23.29745138883,21.81553 48,27.9327047403287,24.3182735895894,22.73854 50,29.3051581210072,25.343428394435,23.66728 52,30.7046544205285,26.373451988192,24.60307 54,32.1331428577741,27.408907274291,25.54737 56,33.5927799735434,28.4503872774486,26.50179 58,35.0859635336518,29.4985189836357,27.46809 60,36.6153738886709,30.5539676961854,28.44822 在软件界面中分别输入各参数,经优化选择 机构优化结果列表(amax为最大压力角> L1 L2 L3 y a0 aM amax bM(s=60mm> d 525 300 110 -25 180 36.6 48.8 30.55 1.41° 理论转向半径计算: R=L/sinbM=2200/sin30.55°=4328mm∈[4000,4500]mmkavU42VRUs 最大压力角amax=48.8°∈[45°,50°] 优化结果均满足题目要求. 故,得出数据: L1 525mm L2 300mm L3 110mm Y -25mm LW 100mm 齿条左右移动行程s 48.9mm 转向梯形最大压力角αmax 48.8° 内侧车轮最大转向角aM 36.6° 转向节臂与纵轴夹角 180° 二、考虑导向机构非线性特征地双横臂独立悬架系统弹簧刚度、减震器阻尼参数地设计与分析方法 1、悬架导向机构参数: 前轮外倾角<Camber Angel) 图4 车轮定位参数 前轮外倾角是指车轮中心平面和道路平面垂线之间地夹角,如果车轮上部向外倾斜,外倾角取正值,向内倾斜则取负值.y6v3ALoS89 轿车前轮通常设计成具有微小地正外倾角<乘坐2~3名乘员时),以便轮胎尽可能垂直于稍许有点拱形地路面滚动,并使磨损均匀和滚动阻力小.理想地外倾角可取为约为0~0.1°.M2ub6vSTnP 为了获得良好地轮胎转弯侧偏性能,目前所取得外倾角大都偏离了理想值.轿车空载时地外倾角基本上在理想值附近,而加载状态下车轮则取有轻微地负值外倾角.0YujCfmUCw 独立悬架地缺点在于汽车做曲线行驶时车轮随车身一起倾斜,即车身外侧车轮相对于地面向正地外倾角方向变化,从而降低了承载较高一侧地轮胎侧偏性能.为了消除这一影响,轿车地悬架常常设计成车轮上跳时外倾角朝负值方向变化,而下跳时朝正值方向变化.eUts8ZQVRd 当然,基本原则还是使车轮上下跳动时,外倾角变化尽量小. 主销内倾角<Kingpin Inclination) 主销内倾角b是指转向节主销中心线<上摆臂球铰与下摆臂球铰中心地连线)与一个垂直于路面地平面之间地夹角.主销偏移距x是指转向节主销中心线与路面地交点至车轮中心平面与路面之交线地距离,如 图4 车轮定位参数所示.在现代轿车中,主销内倾角=6~14°,主销偏移距=-18~+30mm. 主销后倾角 Caster Angle 主销后倾角g是指转向节主销中心线在汽车纵向平面上地投影与过车轮中心地垂直线之间地夹角.可取g=1°~2°,主销后倾角一般变化很小.GMsIasNXkA 前轮前束角<Toe Angel) 为了不因轮胎地侧偏而使磨损加剧、滚动阻力增大以及直线行驶能力受到损害,无论在车轮上跳还是下跳时都不想出现前束值变化,但这是理想地情况,实际允许与理想形式有较小地偏差.TIrRGchYzg 在悬架运动时,前束角地变化应使汽车具有不足转向地性能.即,使车轮上跳时,前束角向负值方向变化,而车轮下跳时,前束角向正值方向变化<运用横拉杆地内外侧球铰地高度差,可实现不足转向地措施),前束角变化地最大值在1°左右.7EqZcWLZNX 车轮接地点侧向滑移量<Sideways Displacement) 左右前轮中心面接地点之距即为轮距.车轮上下跳动时,轮距随之变化.一般来说,在满足对侧倾中心要求地前提下,应尽量使车轮上下跳动时,轮距变化量最小<一般要求单侧轮距在-5mm/50mm~5mm/50mm范围内).lzq7IGf02E 上、下横臂长度 双横臂悬架上、下横臂地长度对车轮跳动时地定位参数影响很大.现代乘用车所用地双横臂式前悬架,一般设计成上横臂短、下横臂长.这一方面是考虑到不知发动机方便,另一方面也是为了得到理想地悬架运动特性.大量实验数据证明,当上、下横臂长度比在0.6附近时,轮距变化较小,从而可以减少轮胎磨损,提高其使用寿命;当上、下横臂长度比在1.0附近时,前轮定位角地变化较小,从而可以保证汽车具有良好地操纵稳定性.综上所述,双横臂悬架地上、下横臂长度比应在0.6 ~ 1.0范围内.根据我国乘用车设计经验,在初选尺寸时上、下横臂长度比取0.65为宜.zvpgeqJ1hk 结合以上各点,得出一些常见地双横臂导向机构布置方式如图5所示,其中○ 标记为推荐布置方式,△标记为非推荐布置方式,× 标记为需避免布置方式.NrpoJac3v1 图 5 双横臂导向机构布置图 2、双横臂悬架受力分析及刚度与阻尼参数计算 图6双横臂悬架导向机构与转向梯形机构示意图 悬架系统刚度直接影响汽车平顺性.汽车地固有频率是衡量汽车平顺性地重要参数,它由悬架刚度和悬架弹簧支承地质量<簧载质量)所决定.人体所习惯地垂直振动频率约为1~1.6Hz.一般货车固有频率是1.5~2Hz,旅行客车1.2~1.8Hz,高级轿车1~1.3Hz.车身振动地固有频率应接近或处于人体适应地频率范围,才能满足舒适性要求.单轮簧载质量为W(kg>,本题中取满载时整车总质量为m=1000kg,假定单轮簧载质量W=250kg,取f=1.4.1nowfTG4KI 为了衰减车身自由振动和抑制车身、车轮地共振,以减小车身地垂直振动加速度和车轮地振幅(减小车轮对地面压力地变化,防止车轮跳离地面>,悬架系统中应具有适当地阻尼.这里取相对阻尼比.fjnFLDa5Zo 根据功能原理,可以导出线性螺旋弹簧刚度与悬架等效刚度、减振器阻尼系数与悬架等效阻尼系数之间地非线性关系.另,图6所示地机构受力平衡关系可求得上、下摆臂与转向节之间联接球铰B、C处地反力FB、FC.tfnNhnE6e5 据此,研制成便捷、准确地设计计算工具“双横臂独立悬架受力及刚度阻尼特性非线性分析辅助软件,以方便课程设计地计算与分析.HbmVN777sL 根据工程实际,取Q与K点重合、R与J点重合,以简化结构 图7 双横臂悬架受力分析及刚度与阻尼参数计算软件运行结果 得到,符合地要求,得到了最终地优化结果. 通过软件可以得出: 单轮悬架刚度kP=19344(N/m> 悬架垂向阻尼系数CP =1759.3 弹簧刚度 Ks=17267.1N/m 临界阻尼系数Cr=2911.7<N*s/m) 平衡位置减振器长度KJ0=266.76mm 平衡位置弹簧初始量L0=358mm 车轮跳动减振器最大长度Kjmax=325.9mm 车轮跳动减振器最小长度Kjmin=182.6mm 软件输出参数如下表: α ψ φ δc FB FC F(N> -30 -17,62377739 101,6324358 243,2247292 432,8329487 832,0771332 959,2785468 -27 -16,26770499 102,1899616 244,8851897 474,8178133 996,7774636 1118,103985 -24 -14,87143656 102,7594243 246,2332197 516,2433039 1170,209511 1280,943154 -21 -13,44045825 103,3378947 247,344689 557,8317031 1352,02267 1447,607946 -18 -11,97977717 103,9226274 248,27318 600,1674734 1541,927152 1617,849613 -15 -10,49398771 104,511029 249,0576418 643,7480895 1739,684289 1791,375807 -12 -8,987327566 105,100631 249,7271512 689,0149537 1945,095013 1967,85688 -9 -7,463725199 105,6890656 250,3039667 736,3727862 2157,987576 2146,926123 -6 -5,926839933 106,2740457 250,8055435 786,2019107 2378,204722 2328,176422 -3 -4,380095807 106,8533461 251,2458995 838,8658453 2605,590184 2511,154687 0 -2,826710028 107,4247875 251,6365607 894,7155353 2839,97427 2695,354863 3 -1,269716714 107,9862226 251,9872317 954,0909566 3081,158255 2880,210049 6 0,288013486 108,535523 252,3062783 1017,320464 3328,897288 3065,084086 9 1,843757431 109,070568 252,6010818 1084,71804 3582,881577 3249,262959 12 3,394926787 109,5892344 252,878301 1156,578451 3842,715652 3431,946333 15 4,939058268 110,089387 253,1440684 1233,170271 4107,895589 3612,239587 18 6,473806493 110,5688699 253,4041369 1314,726628 4377,784224 3789,146779 21 7,996939227 111,0254988 253,6639887 1401,433592 4651,584521 3961,565028 24 9,506334737 111,4570527 253,9289149 1493,416086 4928,311462 4128,28089 27 10,99998102 111,8612668 254,2040705 1590,721308 5206,76308 4287,969371 30 12,47597666 112,2358241 254,4945105 1693,29971 5485,491527 4439,196257 图8汽车横向垂直平面内双横臂悬架导向机构及受力分析模型 如图8所示,此时上横臂可视为二力杆,球铰B处地反力FB应沿AB方向,它与地面反力F地力作用线相交于G点.按三力汇交于一点地力平衡关系,下横臂CD通过球铰C作用于转向节CB地力FC应沿CG连线方向.V7l4jRB8Hs 以悬架上跳至最大位置时考虑,此时弹簧处于压缩最大量状态,不考虑减振器地影响,此时悬架下横臂处于最危险工况,以此工况来校核.根据软件计算所得参数:83lcPA59W9 下横臂上R点处安装承载弹簧,承受弹簧力FR和球铰反力FC地其同作用,不考虑车轮纵向力和侧向力时,在汽车横向垂直面内地最大弯矩Mmax发生在悬架弹簧支承处R点处.mZkklkzaaP 根据软件地计算结果,当时,,, 三、双横臂悬架下摆臂结构地强度设计 下臂受力如下图: 当时,图8中δc =254.5,ψ=12.5,φ=100.5, 此时地与悬架地夹角为δc-180-ψ=62 同时可以由与下横臂地夹角为100.5-12.5-90=-2 由这些数据,根据杠杆平衡原理可以计算得到 可以计算得到R点处存在最大弯矩,为 以两根圆管以一定角度焊接成A字形,选用碳素结构钢Q235,安全系数1.5, 选用外径D=30mm,壁厚t=5mm钢管进行强度校核. 式中,Mmax-弯矩; Wz-抗弯模量; D-钢管外径; t-钢管壁厚. 可得138.6MPa<156.7MPa 下横臂校核合格,可以选用Q235材料,外径D=30mm,壁厚t=5mm钢管. 上横臂选用直径为20mm,厚度为1.5mm地两根圆管组成A型结构 四、全浮式半轴计算及轮毂轴承选择 由于是前轮为驱动,当汽车处于急加速工况时,半轴所承受扭矩最大.而汽车处于紧急制动工况时,半轴并不承受扭矩<由制动钳传承受并车身),故无需考虑制动状况下地半轴受力校核.AVktR43bpw 全浮式半轴地计算载荷可按车轮附着转矩计算: 这里计算时,忽略载荷转移系数,并设前后轴承受最大静载荷相同.满载时重1000kg. 故M 使,故不妨取d=20mm 另需满足扭转刚度要求, 其中,选用半轴材料选用40Cr,40Cr地屈服极限,常温20度时地弹性模量,切变模量ORjBnOwcEd 因此要求 故d=20mm 满足要求 据此选取花键:<GB1144-87) 其参数为:小径23,大径26,规格:NxdxDxB=6x23x26x6,键数6,齿宽6 设t=7 则 d1=d+2t=26+14=40 轴承选取:DAC 4007237,其参数为d=40,D=72,B=C=37 轴承单元型号 外形尺寸 d D B和C DAC 3006037 30 60 37 DAC 3506837 35 68 37 DAC 3507234 35 72 34 DAC 4007237 40 72 37 DAC 4207537 42 75 37 DAC 4208237 42 82 37 表1DAC型双列角接触球轴承单元外形尺寸系列 孔用弹性挡圈:材料:65Mn,热处理HRC47~54,经表面氧化处理地A型孔用弹性挡圈.挡圈 GB893.1-86 402MiJTy0dTT D=76.5, S=2.5, b=5.7 查手册后,取角接触球轴承系列7208C. 进行寿命校核后,满足寿命要求.
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