减速器三维设计及虚拟装配
摘 要
本设计主要是针对减速器的动态虚拟装配，通过对零器件结构的分析和比较，
设计出一符合技术及工艺要求的减速器，并利用 Pro/E 做出其动态虚拟装配。该设
计从分析和拟定传动方案开始，对减速器的结构、箱体、轴类、轴承组件、附件、
润滑和密封等都做了详细的设计，并对动态虚拟装配做了相关说明。通过整个设
计过程使该减速器符合相关要求，并以动态虚拟的形式装配出来。
根据题目知设计的主要任务一是减速器，第二是其动态装配。根据要求采用
的是二级锥齿轮减速，并且通过下文的设计表明该减速器能达到相关的技术要求。
关键词：减速器，动态装配，二级，锥齿轮
Reducer design and virtual assembly
ABSTRACT
This design is mainly aimed at the virtual assembly, based on dynamic zero device
structure analysis and comparison, design a technical and process requirements, and
using the reducer Pro/E to its dynamic virtual assembly. From the analysis and design of
the plan to begin, gear transmission scheme of structure, box, axle bearing parts,
accessories, lubrication and sealing all made detailed design, and the dynamic of virtual
assembly made related instructions. Through the whole design process makes the speed
reducer, and in conformity with the relevant requirements of the virtual assembly form
the dynamic.
According to the knowledge, the main task of the design topic, the second is a
dynamic gear assembly. According to the requirements of the second gear reducer is
adopted, and the design that the reducer can reach the related technical requirements.
KEY WORDS: Reducer，Dynamic assembly，Secondary，Bevel gear
目 录
前 言 ..............................................................................................1
第 1 章 机械传动装置的总体设计 ...................................................2
分析和拟定传动方案 ...........................................................2
确定传动方案 .............................................................2
传动方案的拟定 ..........................................................3
电动机的选择 .......................................................................3
运动学与动力学参数计算 ....................................................4
第 2 章 传动零件的设计计算 ..........................................................6
带传动设计 ..........................................................................6
直齿圆锥齿轮的设计 ...........................................................6
斜齿圆柱齿轮的设计 ...........................................................8
第 3 章 轴的初步设计 ....................................................................13
轴材料及其附件选取 .........................................................13
（轴Ⅰ）轴的结构设计 ......................................................13
拟定轴上零件的装配方案 ........................................14
轴的长度的确定 .......................................................15
（轴Ⅰ）轴的结构设计 ......................................................16
轴的相关参数 ............................................................16
轴的初步设计 ............................................................16
（轴Ⅰ）轴的结构设计 ......................................................21
第 4 章 轴承及键的寿命校核 ........................................................23
轴承的选择和校核 .........................................................23
键的选择 ..........................................................................24
第 5 章 减速器的润滑与密封 ........................................................25
减速器的润滑 ....................................................................25
齿轮的润滑 ...............................................................25
轴承的润滑 ...............................................................25
减速器的密封 ....................................................................25
第 6 章 减速器附件的结构设计 ....................................................27
第 7 章 减速器的三维制作 ............................................................28
螺栓的设计过程 ................................................................28
滚动轴承的设计过程 .........................................................31
轴承盖的设计过程 ............................................................34
第 8 章 减速器的运动仿真概述 ....................................................35
约束类型的介绍 ................................................................35
减速器的装配 .................................................................36
减速器的运动仿真 .........................................................37
结 论 ............................................................................................39
谢 辞 ..............................................................................................40
参考文献 ........................................................................................41
外文资料翻译 .................................................................................42
前 言
齿轮传动是现代机械中应用最广的一种传动形式.它的主要优点是：
1.瞬时传动比恒定、工作平稳、传动准确可靠，可传递空间任意两轴之
间的运功和动力；
2.使用的功率和速度范围广；
3.传动效率高；
4.工作可靠，使用寿命长；
5.外轮廓尺寸小，结构紧凑。
由齿轮、轴、轴承及箱体组成的齿轮减速器,用于原动机和工作机或执行
机构之间 ,起匹配转速和传递转矩的作用,在现代机械中应用极为广泛。
国内的减速器多以齿轮传动、蜗杆传动为主，但普遍存在着功率与重量
比小，或者传动比大而机械效率过低的问题。另外，材料品质和工艺水平上
还有许多弱点，特别是大型的减速器问题更突出，使用寿命不长。国外的减
速器，以德国、丹麦和日本处于领先地位，特别在材料和制造工艺方面占据
优势，减速器工作可靠性好，使用寿命长。但其传动形式仍以定轴齿轮传动
为主，体积和重量问题，也未解决好。
在 21 世纪成套机械装备中 ,齿轮仍然是机械传动的基本部件。CNC 机床
和工艺技术的发展 ,推动了机械传动结构的飞速发展。在传动系统设计中的电
子控制、液压传动、齿轮、带链的混合传动,将成为变速箱设计中优化传动组
合的方向。在传动设计中的学科交叉,将成为新型传动产品发展的重要趋势。
第 1 章 机械传动装置的总体设计
分析和拟定传动方案
原始数据：运动带拽引力 F=3600N
运动带速度 v=
滚筒直径 D=400mm
使用年限 5 年，双班制 29200h
速度允许误差±%
确定传动方案
根据工作要求，可拟定几种传动方案，如图所示：
（a）
图 1-1
(b)
图 1-2
(a) 图所示为电机直接与圆锥齿轮—圆柱齿轮减速器相联结，结构紧凑，
但是减速器的传动比和结构尺寸较大。
(b) 图所示为第一级用带传动，后接圆锥齿轮—圆柱齿轮减速器。带传
动能够缓冲，吸震，过载时起安全保护的作用，且可以减小减速箱的尺寸。
综合考虑本题，工作环境一般有轻微震动，可选方案(b)。
传动方案的拟定
传动方案如下：
图 1-3
1. 电机
2. 联轴器
3. 减速器
4. 鼓轮
5. 传动带
电动机的选择
传动装置总效率，可按下式计算：
工作机输入功率：
卷筒的传动效率
联轴器的传动效率
圆柱齿轮传动效率
圆锥齿轮传动效率
滚动轴承效率
带传动效率
6
5
4
3
2
1
3
6543
3
21
运动学与动力学参数计算
1. 总传动比及其分配
kwfvw
mm80L,mm38D
min/960n
62M132Y
min/,p
min/1014~
,25~10i
12_p
min/
100060
5
g
电动机收伸出长度电动机轴伸出直径
电动机满载转速
参数：额定功率为：
选电动机型号为：
且转速满足：根据功率
故电动机转速：
范围为：圆柱齿轮的传动比一般查得圆锥表按课程设计指导书
为：运输带鼓轮的工作转速
确定电动机的型号：
电动机所需要功率：
r
w
rnp
rrni
r
D
v
kwkw
p
p
m
dded
aa
a
a
w
d
2
3
2
1
圆柱斜齿轮传动比：
锥齿轮传动比：
带传动比：
圆柱斜齿轮传动比：比直齿轮分配减速器的各级传动
总传动比 gma nn
表 1-1
轴号 功 率
p(kw)
转 速
n(r/min)
转 矩 T
（N/m）
电动机轴 960
Ⅰ轴 384
Ⅰ轴
Ⅰ轴
卷筒轴
转矩列表：减速器各轴功率转速
减速器各轴功率计算：
计算减速器各轴转速：
Ⅰ卷筒轴
ⅠⅠ
ⅠⅠ
Ⅰ
Ⅰ卷轴器
ⅠⅠ
ⅠⅠ
Ⅰ
..5
.4
min/
min/
min/
min/
.3
65
42
32
21
kwp
kwpp
kwpp
kwp
rn
rnn
rnn
rnn
d
m
第 2 章 传动零件的设计计算
带传动设计
确定 V 带型号和带轮直径：
工作情况系数 KA，（载荷轻微震动，双班制）
计算功率
小带轮直径 Dmin=75mm(A 型)
大带轮直径
直齿圆锥齿轮的设计
根据要求小齿轮选用 40Cr,调制处理，硬度为 240~280HB，取平均硬度
260HB；大齿轮选用 45 号钢，调制处理，硬度为 230HB。
齿面接轴疲劳强度计算：
kwpk dAc
mn1n
mmfezv
N
a
F
N
qv
k
k
vz
mkg
z
kkpp
p
z
kwp
w
a
ac
la
c
l
a
6521B
2
2
sinz2F
)
(
500
)
(
p
500F
,/
.5
4,
)(
)(
,
;,:
1
0Q
2
0
00
0
0
）（带此带为普通
带轮结构设计略
轴上载荷：
则
张紧力：
求轴上载荷
取
带根数
验算圆周速度及 KaFt/b
确定传动主要尺寸
齿根弯曲疲劳强度计算：
1
cos
/100
FK
,K
,K
,K
,/m4V
68,,24zz
221
A
Ha
Vv
A
121
u
u
mmNZ
b
s
izz
t
A
估计齿间载荷分配系数
取动载系数
取使用寿命
级精度。，选由表估计
取和精度等级：取齿数
吗
mm
ZZZ
u
KT
H
HE
RR
)(
d
2
2
1
1
（与原估计值相符）
（与估计值相近）
mmNmmN
b
FK
mm
dd
Rb
N
d
T
sm
nd
v
mmdd
tA
RRR
m
t
m
m
Rm
/100/
cos1sin2
1921
2
F
/
100060
)(
1
2
1
1
1
1
1
11
11
mmmmRbb
mmzz
m
mmmZd
mmmzd
mmmm
z
d
m
R 49b,,
2
RR
306
108,d
,,m
2
2
2
1
22
11
1
1
取齿宽
，锥距
实际大端分度圆直径
，取由表大端模数
斜齿圆柱齿轮的设计
选择齿轮材料，小齿轮 40Cr,调制，硬度 260HB，大齿轮 45 号钢，调
制，硬度 240HB.
齿面接触疲劳强度计算：
mmNbFK
y
Y
tA
aV
SaaSa
FaFa
/100/
K
,,Y
,Y
Fa
21S
21Fa
：齿间载荷分配系数
，重合系数
应力修正系数
，齿形系数
F2
11
22
12
F12322
232
1
2
111
1F
F2
11Fli
F1
F
XX
2N1N
minmin
2lim
1limFlim
456
480
,Y
,
570
600,
,
1
Mpa
YY
YY
Mpa
umz
YYYKT
Mpa
Mpa
S
YY
Y
SS
Mpa
Mpa
KKKKKK
Y
k
SaFa
SaFa
FF
RR
SaFa
Fmib
xNm
N
FF
F
F
FaVA
Fa
验算
：许用弯曲应力
，尺寸系数
由题意，弯曲寿命系数
弯曲最小安全系数
弯曲疲劳极限
载荷系数
2.校核计算
mmN
n
/236068
P
.1
6
1
6
1 ，转矩
初步计算
mmdb
mmd
u
uT
Ad
Mpa
Mpa
MpaMpa
d
Hd
HH
HH
HH
H
d
85b,85,b
85,
5221
236068
81
1
d
,580,710
:][
81A10A
,
1
1
3
2
3 2
1
d1
1
2lim2
1lim1
2lim1lim
d
dd
取初步齿宽
取
初步计算的小齿轮直径
力初步计算的许用接触应
，取值，估计
可取齿宽系数
Ⅰ
mmNmmN
b
FK
N
d
T
m
m
mm
z
d
m
izz
mz
sm
nd
vv
tA
t
a
t
n
nt
/100/
85
5555
85
23606822
F
:K
(
3
arccosarccos
3m,
28
85
,28z
/
100060
,
1
1
H
AV
AA
1
1
121
11
先求
齿间载荷分配系数
：动载系数
：使用系数
和估计值接近）
取
取
和螺旋角，模数齿数
圆周速度
Ⅰ
2
2
2
1
1
H
min
22limH
2H
min
11limH
1HH
21
HminHmin
HEE
323
2
1
H
H
2
Ha
1
21
a
642
8585
12
652
764
,,Z
,S
11
1
3
4
Z
,1,1Z
K
20tan
arctan
cos
tan
arctan
sin
11
H
HE
H
N
H
N
NNN
HHaVA
bFa
tnb
n
t
a
d
n
Mpa
u
u
bd
KT
ZZZZ
Mpa
S
Z
Mpa
S
Z
Mpa
KKKK
bC
d
b
BA
K
z
m
b
zz
验算：
，许用接触应力
接触寿命系数
接触最小安全系数
，旋转角系数
）（
故，因重合度系数
；节点区域系数：，弹性系数
载荷系数
：齿向分布载荷系数
由此得
Ⅰ
Ⅰ
齿根弯曲疲劳强度验算：
mmdb
mmidd
i
a
d
d
mm
id
a
d 85,b
,85
1
2
,
2
2
1
,a
.3
1
121
1
1
齿宽
即：分度圆直径不会改变，因中心距未作圆整，故实际分度圆直径
中心距
确定传动主要尺寸
)
,
Y
Y
K
120
1Y
)11(
z
1
z
1
Y
,
Y
,
cos
z
28
cos
z
,Y
Fa
min
min
21
a
2S1S
21F
3
2
2
33
1
1Fa
h
Y
z
z
FaFa
aV
VV
V
aa
Sa
Faa
V
V
齿向载荷分布系数：
故前已求得
：齿间载荷分配系数
算时，按当：螺旋角系数
：重合度系数
：应力修正系数
齿形系数
Ⅰ
Ⅰ
F2
11
22
12F
F1
11
1
1
1F
min
22lim
F2
min
11lim
F1
F
minmin
limF1limFlimF
X
2N1NN
FB
172
186
38585
K2
Mpa456
:
450,600
,
Mpa
YY
YY
Mpa
YYYY
mbd
T
Mpa
S
YY
S
YY
MpaMpa
Y
KKKK
SaFa
SaFa
F
SaFa
n
F
XNF
F
XNF
FF
X
FFaVA
验算：
许用弯曲应力
：弯曲最小安全系数
：弯曲疲劳极限
：尺寸系数
：弯曲寿命系数
：载荷系数
第 3 章 轴的初步设计
轴材料及其附件选取
初选联轴器和轴承：
（轴Ⅰ）轴的结构设计
112d
mm30d,
384
112d
112C
45
min2
3
min2
min1
3
min1
3
min
，取Ⅰ轴：
取Ⅰ轴：
取
径：切应力估算轴的最小直号钢，调制处理按许用选取
：选取轴的材料及热处理
n
P
Cd
mmmm 50d,
112d 3min33min 取Ⅰ轴：
30211
30209
30207
.2
min/3550n
/2000
10756
10750Z
5HL
.1
Ⅰ轴选择圆锥滚子轴承
Ⅰ轴选择圆锥滚子轴承
Ⅰ轴选择圆锥滚子轴承
轴承的选择
许用转速：
公称扭矩：
主要参数尺寸如下：
轴器，其型号为：输入轴采用弹性注销联减速器输出轴与工作机
联轴器选择
r
mNT
JB
C
n
拟定轴上零件的装配方案
轴Ⅰ的装配方案如图 3-1 所示。
轴的材料选用 45 号钢，调制处理
图 3-1 轴Ⅰ的装配方案
从而确定轴的初步设计如图 3-2 所示。
图 3-2 轴Ⅰ的装配方案
MpaMpa 360,650 SB
轴的长度的确定
则确定轴的相关尺寸如下图 3-3 所示。
图 3-3 轴Ⅰ的尺寸
确定轴上各力作用点及支点跨距如图 3-4 所示。
mmlmmdE
mml
mml
dd
ddd
lmmldl
dmmmmh
Bl
mmlmmd
mmlmmd
53,32.
.16
.20
mm34mm35
,mm1..4
.
2
1
22
43,5,)~()2~1(
:.3
)mm1(
16,3830207
.2
70,31
mm65
.1
66
5
2
52
352
4334
44
3
33
11
度，确定根据齿轮孔的轴径和长
要求，取根据齿轮与内壁的距离
要求，取根据安装轴承旁螺栓的
，
得小均比求，取根据轴承安装方便的要
取
确定取轴肩高为
由经验公式算轴肩高度
小比一般为利于固定
，可确定前面选取的轴承
由轴承决定
我们可确定
为键槽预留一定长度
轮宽为我们由前面的带传动带
由带轮的大带轮决定
图 3-4 轴Ⅰ上各力作用点及支撑跨距
另外，由于选定的是深沟球轴承，其负荷中心在轴向宽度的中点位置。
（轴Ⅰ）轴的结构设计
轴的相关参数
轴的材料选用：45 号钢，调制处理
轴的初步设计
可以得到下图
MpaMpa 360,650 SB
.45.,31,mm2
,
.47dd,
.54d,
.mm47d
,54,mm2,
.45292
55
244
33
2
212
11
mmdmml
mmmmlmm
mml
lll
dlmm
mmmm
取多出的
和大齿轮油板厚度的厚度决定，再加上挡由圆锥滚子轴承
取，决定，我们就取由小齿轮的厚度
我们就取，而轴肩应大于长度适量取
取
的过渡，到又考虑到所以取轴应小由齿轮的厚度为
，，所以还是取打圆锥齿轮会占
，但是小的挡油板，当然轴应当可知，还要预留由轴承
图 3-5 轴Ⅰ的尺寸
确定轴上各力作用点及支点跨距如图 3-6 所示。
图 3-6 轴Ⅰ上各力作用点及支撑跨距
L1==,L3=63mm
轴的受力分析：
图 3-7 轴Ⅰ的受力分析
根据受力图画出剪力图和弯矩图。
竖直方向受力图：
NFF
NdTF
N
N
NdT
dd
dT
mNTrn
ta
t
t
ta
mt
Rm
mt
1
1
280)()(
/2F
/,/,
22
122
2211r
2
2
211
21
21
222
小圆柱齿轮的圆周力：
径向力
轴向力
大圆锥齿轮的圆周力
求作用齿轮上的力：
轴上的功率
N
LLL
LFLLF
N
LLL
LFLLF
N
LLL
FFLFLLF
N
LLL
FFLFLLF
NF
tt
V
tt
V
aarr
aarr
t
)(
R
)(
R
2
306
2
85
)(
R
2
306
2
85
)(
R
321
11122
2
321
32321
1
321
1211212
H2
321
1232321
H1
2r2
垂直面上：
水平面上：
求支反力：
剪力图：
Mv：
水平方向受力图：
剪力图：
剪力和：
M 合：
图 3-8
由上图可知应力最大处的位置，校核此处即可，由于扭转切应力的脉动
循环变应力，取 ，由于扭转切应力的脉动循环变应力，取 。
另外小齿轮的两个端面处较危险，左端按轴颈 d=45mm
若弯曲组合按最大处计算，则有：
（轴Ⅰ）轴的结构设计
轴Ⅰ的结构示意如图 3-9 所示
图 3-9 轴Ⅰ的结构
1. 1 的 尺 寸 有 联 轴 器 确 定 ， 我 们 留 出 30mm 的 余 量 ， 则 可 取
1=80mm,d1 由联轴器内的内径确定取 d1=50mm。
2. 2 的尺寸由挡油板宽度，轴承宽度和轴承端盖的宽的确定，挡油
Mpa
Mpa
d
T
l
a
75][
54
)(213
,
)(M
1
22
3
22
1
许用应力值
其中
11 因此
13
22
1
Mpa
d
TM a
l l
l
板 8mm,轴承宽度为 21mm,端盖 24mm,在这之上加上 2mm, 2=55mm,d2
由轴承确定为 55mm.
3. 3 的尺寸由 2 轴的尺寸确定让它们轴承之间的尺寸相减得到，
3=,d3 应高出 2,5~8mm,我们取 d3=62.
4. 4 由大齿轮的宽度决定，大齿轮的宽度应小于小齿轮 6mm,所以
大齿轮宽度为 78mm,我们取 4=77,d4 应高与轴承 5 ,2mm.所以 d4=57mm
5. 5 由轴承的宽度 21，和挡油板 ，再加齿轮的余量 1mm,
5=,d5 由轴承的内径决定 d5=55mm.
l
l
l l
l
l
l l
第 4 章 轴承及键的寿命校核
轴承的选择和校核
30209 的主要性能参数如下：
基本额定动载荷:
基本额定静载荷：
极限转速：
轴承面对面安装，由于前面求出支反力，则轴承受力为：
由于
从而得 e=
当量动载荷 P 为：(取 )
KNCr
KNC r
脂润滑）min(/45000 rN
)min(/56000 油润滑rN
NRRF
NRRF
vHr
vHr
222
2
2
22
222
1
2
11
NF
NF
a
a
2
1
NCF ra ) 02
0,1; 22 YXeFF ra
pf
L
hL
h
P
C
n
PP
NFfP
NFfFYFXfp
r
rp
rparp
h10
3
10
2
h10
12
22
111111
L
29200163655
703050
5049
1667016670
L
2,
5049
显然
轴承预期使用寿命为；
处轴承只需验算由于
轴承寿命计算：
键的选择
1. 带轮处 ：键 12*8*63 GB/T1095-2003
2. 小锥齿轮：键 16*10*36 GB/T1095-2003
3. 大锥齿轮：键 14*9*45（b*h*l）GB/T1095-2003
4. 小斜齿轮：键 14*9*45 GB/T1095-2003
5. 大斜齿轮：键 18*11*54 GB/T1095-2003
6. 联轴器处：键 14*9*72
校核键的挤压强度：[ ]=110Mpa
联结所能传递的转矩为：
T=
p
mmNmmNdhl p .)1645(104
1
4
1 '
第 5 章 减速器的润滑与密封
减速器的润滑
减速器的润滑方式有很多，如油脂润滑，浸油润滑，压力润滑，飞溅润
滑等。
齿轮的润滑
当齿轮圆周速度 v≤10m/s 时，常采用浸油润滑，这里也采用此法。即将
齿轮浸入箱内油液中，当传动回转时粘在其上的油液被带到啮合区进行润滑，
同时油池的油被摔上箱壁，有助山热。
为避免浸油润滑的搅油功率太大及保证轮齿啮合区的充分润滑，传动件
浸入油中的深度不宜太深或太浅。
浸油润滑的油应保持一定的深度和贮油量。油池太浅易激起箱底沉渣和
油污，引起磨料磨损，也不宜散热。一般齿顶圆至油池底面的距离 h 不应小
于 30～50mm .箱座内底高度 H≥d/2+(30～50)mm,式中 d 为浸油最深的齿轮
的外圆直径。
换油时间一般为半年左右，主要取决于油中杂质多少及油被氧化、污染
的程度。
轴承的润滑
滚动轴承通常采用油润滑或脂润滑。减速器中的滚动轴承常用减速器内
用于润滑齿轮的油来润滑。
减速器的密封
减速器需要密封的部位很多，一般有轴伸出处、轴承室内侧、箱体结合
面和轴承盖，窥视孔和放油孔德接合面等处。密封装置的型式繁多，结构不
一，这里采用毡圈式密封。
毡圈式密封结构简单、价廉、安装方便，但对轴颈接触面得摩擦较严重，
因而功耗大，毡圈寿命短。主要用于脂润滑、工作温度 t≤90 度以及密封处轴
颈圆周速度 v＜5m/s 的场合。安装前，毡圈需用热矿物油浸渍。
第 6 章 减速器附件的结构设计
为了检查传动件的啮合、润滑、接触斑点、齿侧间隙及向箱注油等，在
箱盖顶部应设置便于观察传动件啮合区的位置并有足够大的窥视孔。
窥视孔平时用盖板盖上并有螺钉予以固定，盖板和箱盖接触面间加装防
渗漏的纸质封油垫片、盖板材料可用钢板、铸铁或有机玻璃制成。为避免油
中杂质侵入箱内，可在孔口装一滤油网。
为减小机械加工面、窥视孔口应制成凸台。同时还在箱座底部装上放油
孔，在侧面装上油标，用来测量油量。
第 7 章 减速器的三维制作
关于减速器的三维设计，这里选取几个比较典型、具有代表性的零件，
详细的介绍其绘制过程。
螺栓的设计过程
螺栓、螺母是机械设计中非常重要的紧固零件，由于它们属于标准件，
各项参数都已标准化，因此在机械设计中应用十分广泛。
根据 GB/T5780—2000，螺栓 M6×25，螺纹部分长 22，螺头 e=，螺
栓头厚 4，圆角 r=，螺杆直径 6。
螺栓的生成步骤如下：
① 拉伸生成六角螺栓头实体。
① 在六角螺栓头实体上拉伸生成螺杆。
① 在螺杆上加入螺纹修饰。
① 加入螺纹和倒角。
下面是螺栓 M6×25 的具体制作过程。
（1） 创建新文件。启动 Pro/E 后，单击新建对话框，在类
型栏中选择零件，输入零件名字，然后单击确定。在绘图区域出
现 3 个基准平面。
（2） 设置绘图平面。首先从绘图区域右边的快捷图表中选
取拉伸工具，单击草绘，出现草绘对话框，按提示选取 FRONT
平面作为草绘平面。
（3） 绘制螺栓头草图。从绘图区右边的快捷图标中选取直
线工具，绘制边长为 的正六边形。
（4） 生成实体。完成草图绘制后，再在智能菜单中输入预
拉伸的厚度。这里我们选择 4，然后再单击对勾按钮完成实体绘
制。
（5） 绘制螺杆草图。选择螺栓头的一个端面作为草绘平面，
在从绘图区域右边的快捷图标中选取圆工具按钮，以六边形的中
心为圆心，绘制直接为 6 的圆形草图。然后单击对勾完成螺杆草
图绘制。
（6） 生成螺杆实体。完成草图绘制后，再在绘图区下面的
智能菜单中输入螺杆预拉伸的长度 25，然后单击智能菜单右边的
对勾按钮完成螺杆绘制。
（7） 生成螺栓头切削特征。从绘图区域选择旋转工具，再
单击草绘，选择 TOP 面作为草绘平面。从绘图区域选择直线工具
按钮，在边线上绘制三角形，边长分别为 和 ,。然后再绘制
一条虚线通过螺杆中心的中心线。最后单击绘图区域的对勾按钮
以完成草图绘制。完成草图绘制后，再单击智能菜单中输入旋转
角度 360°，然后单击智能菜单中的去除材料按钮，最后单击智能
菜单中的对勾按钮完成实体绘制。
（8） 加入螺纹修饰。从插入菜单中选择修饰，在弹出的子
菜单中选择螺纹，此时在智能菜单中按提示选择螺杆表面作为螺
纹生成面，再选择罗公司呢头部，作为螺纹起始面。接下来在弹
出的菜单管理器中选择正向，再选择盲孔，然后单击完成按钮。
这时在绘图区下面的智能菜单提示区中出现输入框，提示输入螺
纹深度，输入 22，再单击右边的对勾按钮；接着出现螺纹内径输
入框，输入 ，再单击右边的对勾按钮完成螺纹修饰。
（9） 倒圆角。从绘图区域右边的快捷图标中选择拉伸工具，
这时在绘图区域下面的智能菜单提示区中按提示选择螺杆与螺栓
的交线，在试图中以红色显示。然后，在绘图区下面的智能菜单
提示区出现输入框，提示输入倒角半径，输入 ，再单击右边的
按钮完成倒圆角。
（10） 螺杆端部倒角。从绘图区域的快捷图标中选择拉伸工
具，这时在绘图区下面的智能菜单按提示选择螺杆端部边缘部分，
在视图中以红色显示。然后，在绘图区下面的智能菜单提示区中
出现 D×D 输入框，两次都输入 ，再单击右边的对勾按钮完成
倒角。
（11） 制作螺纹。在插入菜单中选择螺旋扫描，再从弹出的
子菜单中选择切口，此时会弹出螺旋扫描的对话框和菜单管理器，
依次选择常数→穿过轴→右手定则，然后单击完成按钮。这时在
绘图区域下面的智能菜单按提示选择 TOP 面为草绘平面。接下来
的菜单管理器中选择正向，再选择默认，以虚线形式显示实体，
以便进行草绘。单击绘图区域的直线按钮，绘制扫描引导线。然
后再从绘图区域的快捷图标中选取虚线按钮，绘制如图所示的螺
旋线的绕行线，注意要与螺杆中心线重合。最后单击绘图区域的
对勾按钮。这时在绘图区域下面的智能菜单提示区中出现输入框，
提示输入螺距值，输入 ，单击右边的对勾按钮。接着进入草
绘状态，单击绘图区域的直线按钮，在螺纹引导线根部绘制螺纹
切削截面，单击右边的对勾按钮以完成草图绘制。在弹出的菜单
管理器中选择正向，单击确定按钮。完成螺纹制作后的螺栓如图
7-1 所示
图 7-1
滚动轴承的设计过程
（1） 草绘前的设置。启动 Pro/E 后，单击工具栏中的新建
图标，在弹出的新建对话框的类型中选择零件，在名称文本框内
写入零件名字，在紫类型栏中选择实体，单击确定按钮。从绘图
区域右边的工具栏选取旋转工具，按智能菜单提示区的提示，单
击草绘按钮，然后按弹出的草绘平面选取 FPONT 面作为草绘平
面，使用系统所提示的方向为参照方向。
（2） 绘制滚动轴承内外圈旋转截面草图。单击绘图区域的
虚线按钮，绘制一条通过坐标原点的竖直中心线；分别单击绘图
区域的矩形、直线、圆形按钮，再单击动态修建按钮，删除预删
除的线段，最后生成的草图入 7-2 所示。
图 7-2
（3） 生成滚动轴承内外圈的实体图。在绘图区下面的智能
菜单中输入旋转角度 360°，单击智能菜单右边的按钮完成实体绘
制。旋转完成后的实体如图 7-3 所示。
图 7-3
（4） 绘制单个滚动体。从绘图区域右边的快捷图标中选择
基准平面，按照绘图下面的智能菜单区的提示，先选择基准轴作
为参照，接着选择一个基准平面作为参照，如 FRONT 平面，在
旋转角度输入框中输入 45，单击确定按钮完成基准平面 DTM1 插
入。从绘图区域的快捷图标中选取旋转工具，按智能菜单区的提
示，单击草绘按钮，然后按弹出的草绘平面选取对话框的提示，
选取刚才建立的 DTM1 作为绘图平面，再选取 TOP 平面作为绘图
参照平面。这时选择默认系统提示的方向为参照方向。最后在绘
图区下面的智能菜单中输入旋转角度 360°，单击菜单中的对勾，
完成实体绘制，如图 7-4 所示。
图 7-4
（5） 阵列滚动体。在模型树窗口中选择刚才的滚动体特征，
单击绘图区域的阵列按钮。此时实体模型将显示出复制的滚动体
的相关尺寸。同时，绘图区域下面的智能菜单提示区将显示两个
方向的输入值。两个输入框的意义分别为：第一个输入框表示阵
列之间的夹角；第二个输入框表示通过阵列将要产生的个数。在
这里根据课题需要，我们分别选择 30°和 12 个，单击智能菜单中
的对勾按钮，完成滚动体的阵列。如图 7-5 所示。
图 7-5
轴承盖的设计过程
（1） 启动软件，单击新建按钮，在子类型中选择零件并命名。
（2） 单击旋转按钮。打开创建旋转实体工具栏，在其中单击草绘按
钮，即可打开剖面对话框。
（3） 在主窗口中选择 FRONT 面作为草绘平面，单击剖面对话框中
的草绘按钮，打开参照对话框。
（4） 接受系统默认选取的尺寸参考，单击参照对话框中的关闭按钮，
关闭该对话框。
（5） 单击直线、圆形虚线按钮。绘制尺寸。单击对勾完成拉伸，生
成的端盖实体如图 7-6 所示。
图 7-6
第 8 章 减速器的运动仿真概述
约束类型的介绍
在进行减速器的运动仿真前，我们有必要先来了解一些常用的装配约束
类型。它们分别为：匹配、对齐、插入、坐标系、相切、线上点、曲面上的
点、曲面上的边。
1. 匹配
使两平面或基准平面重合或平行，法线方向互相平行且指向相反方向。
2. 对齐
使零件的两个平面或基准面、基准轴、点及边重合或者共线。
3. 插入
使两零件指定的旋转面共旋转中心线，具有旋转面特征的零件如螺栓、
轴等以插入为约束方式。
4. 坐标系
使装配零件之间的坐标系对齐，X 轴对 X 轴，Y 轴对 Y 轴，Z 轴对 Z 轴。
5. 相切
在两个进行装配的零件中，各自指定一个曲面或一个平面、另一个为曲
面，使其相切。该约束类似于匹配约束，因为它使两个零件的面贴合，但是
这两个面并不对齐。
6. 线上点
在一个零件上指定一点，在另一个零件上指定一条边线，并使该点在这
条边线上。
7. 曲面上的点
在一个零件上指定一点，然后再另一个零件上指定一个曲面，使指定的
曲面与点接触。
8. 曲面上的边
在一个零件上指定一条边，在另一个零件上指定一个曲面，使指定的曲
面与边相接触。该约束通常与匹配、对齐的约束选项一起使用。
减速器的装配
下面是利用以上的这些约束类型把减速器装配到一块儿。
1. 齿轮和下箱座之间的装配过程。
首先选择齿轮的轴线和下箱座的轴线是对齐约束，然后再选择齿轮的端
面和下箱座的内平面为匹配约束，同时在对话框中输入要便宜的数值。这样
就把齿轮装到了下箱座上。
2. 轴和平键的装配过程
分别选择平键的侧平面、圆弧侧面、下平面对应轴上键槽的相应平面之
间的约束关系为匹配、匹配、插入。这样就把平键装到了键槽中。
3. 轴和轴承之间的装配
选择轴承内表面和大轴表面，添加插入约束；选择轴肩侧面和轴承侧面，
添加匹配约束，并将距离值设为 0，单击元件放置对话框中的确定按钮，即
可把轴承装到轴上。
4. 轴承端盖和轴承通盖的安装
选择轴承端盖侧面和轴表面，添加插入约束；选轴承端盖端面和下箱座
端面，添加匹配约束，并将距离值设为 0，单击元件放置按钮，即可完成装
配。
5. 上箱盖和定位销的装配
选择上箱盖的下端面和下箱座的上端面，添加匹配约束；选择上下壳体
的对应两组销孔，添加插入约束，单击元件放置对话框中的确定按钮，即可
将上箱盖和下箱座装配到一块。选择定位销的侧面和壳体上的销孔的内曲面，
添加插入约束；选择定位销的上平面和壳体的端面，添加匹配约束，并将距
离值设为 0，即可把定位销装到壳体上。
6. 窥视孔盖、螺钉和通气阀的装配
选择窥视孔盖的一组侧面和底面对应上壳体的侧面和上平面，添加对齐
约束，即可把窥视孔盖装到上箱盖上。选择螺钉的底平面和窥视孔盖的表面，
添加匹配约束且把距离设为 0；同时选择螺钉的螺纹表面和螺钉孔的螺纹表
面，添加插入约束，即可把螺钉装到上壳体上。
同样的装配方式可以把螺栓、垫片、螺母和放油堵头安装到对应的位置。
减速器的运动仿真
在运动仿真版块里，其约束类型有所变化，它里面分为刚性、销钉、滑
动杆、圆柱、平面、球、焊接、轴承、常规、6DOF、槽等。这里提一下本
次设计用得到的几个约束类型。
1. 刚性：限制 6 个自由度，顾名思义就是当做基准的元件来使用刚性约
束，本次设计选择的是下箱座作为基准。
2. 圆柱：限制 4 个自由度，使用圆柱约束可以来绕圆柱轴线旋转和沿轴
线平移，这个约束类型也是被设计用的最多的一种。
该运动仿真分为 6 个时间段：
1. 上箱盖相对于下箱座的运动；
2. 观察窗相对于上箱盖的运动；
3. 通气阀和观察窗上的螺钉相对于观察窗的运动；
4. 端盖和通盖相对于箱体的运动；
5. 端盖和通盖上螺钉相对于端盖或通盖的运动；
6. 螺栓、螺母相对于箱体的运动以及放油堵头、游标相对于箱体的运动。
根据各零件相对于各自参照零件的距离，设定其速度，让在同一时间段
里一块运动的零件所用的时间相等。这里我们设定第一时间段为 5 秒；第二
时间段为 5 秒；第三时间段为 4 秒；第四时间段为 5 秒；第五时间段为 5 秒；
第六时间段为 5 秒。总时间为 29 秒。组合到一块的零件如下图 8-1 所示（未
运动前）。
图 8-1
动画仿真可以参照档案袋中光盘。
结 论
本设计从分析和拟定传动方案开始，选用了最常见的原动机：电动机，
对其运动学和动力学参数进行计算后，进入设计的主要部分，由于是二级锥
齿轮减速器，首先对第一级减速的一对直齿锥齿轮进行设计校核，然后是一
对斜齿轮的选择、设计及校核。
由于这是以前接触过的课题，没有出现什么技术上的问题。关键在于动
态虚拟装配中参数的设置和运功轨迹的拟定。基于 P/roe 的三维动画来仿真
其装配过程则更能体现此次设计的特点，使我有对 P/roe 的了解和使用有更
深了一步。我相信以后再接触此类课题或任务我能更好的完成。
谢 辞
经过两个月的毕业设计忙碌之后，设计最终完成，心里有一种说不出的
轻松，设计过程中遇到许多的问题，在众多老师的帮助下予以解决。首先感
谢葛述卿老师对我的指导和督促，葛老师给我指出了正确的设计方向，使我
加深了对知识的理解，同时也避免了在设计过程中多走弯路，葛老师的督促
是我一直把毕业设计放在心上，保证按质按量完成；还要感谢宿舍同学，是
大家营造了良好的学习环境，在做毕业设计的过程中互帮互助，是我的 CAD
和 PRO/E 操作水平比以前有了很大的提高，同时较全面的掌握了 Word 的编
辑功能；还要感谢给我提出建议和意见的同学，使我能够按时完成毕业设计。
大学生活至此画上了圆满的句号，在洛阳理工学院这块土地上有众多莘
莘学子辛勤的耕耘，在这块土地上我健康快乐的成长，我永远不会忘记可亲
的同学可敬的老师，我永远记得这片土地。
设计者：杨延强
参考文献
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[2] 同济大学，上海交通大学，等 .机械制图 .第 4 版 .北京：高等教育
出版社，1997
[3] 张建中.机械设计基础.北京：高等教育出版社，2007
[4] 吴宗泽，罗圣国.机械设计课程设计手册.北京：高等教育出版社，
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[5] 唐增宝，常建娥.机械设计课程设计.武汉：华中科技大学出版社，
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[6] 王三民.机械原理与设计课程设计.北京：机械工业出版社，2005
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Wildfire 工程应用 .北京：化学工业出版社，2004
[15] 李绗 . Pro/ENGINEER 工程建模实例与技巧 .西安：西安电子科大
出版社，2004
外文资料翻译
无齿轮减速器的发展与滚球
摘要
为了满足不同的需求 no-backlash 等特点 ,因此 ,我们有新开发的三种类型
的 no-backlash 减速器：摆线球减速器 ,运动球减速器和往复运动输入型球减
速器。特别值得注意的是这些正在研制的机器人关节。同样,这种减速机是一
种恒速度滚球凸轮机构，他们用岁差运动、偏心运动和往复运动。这个运动
原理和侧面的计算方法在减速机的基础上,提出了利用矢量分析。
关键词:球减速器；No-backlash；岁差运动；偏心运动；往复运动。
1.介绍
no-backlash 传播的特点,提出了一种最对于工业机器人的重要表现。为了
满足性能、多品种的 no-backlash 减速器[1-3 了]。然而,传统的 no-backlash 减
速机有一个有限的减薄率。所以 ,我们不能选择武断地减薄率。同样 ,这种减
速器不能经常被用来机器人手腕关节,大小是有限的。与常规正交轴输出式减
速器无法消除的反作用。要解决这些问题 ,它是容易发展 ,只有一种减速。因
此,注意如下:
(1)的行星运动可以产生减少旋转减薄率高。
(2)的凸轮机构设计采用运动轨迹 ,也就是说,no-backlash 在理论计算。
(3)最简单的滚动的球形状。
考虑到这些要点 ,我们已研制出三种输入运动式减速器是一种恒速度用
滚球凸轮机构运动 ,他们有偏心、岁差运动、往复运动。偏心输入类型是有用
的同轴输出减速器。与岁差运动输入类型是有用的减少垂直的轴向旋转。输
出同时,往复输入类型适用于运动的空心形状和大直径减速器的元素。
2.发展的偏心运动输入类型球减速器
单一阶段式摆线针轮减速机球
单一阶段式摆线针轮减速机[4]球组成两个部分 :减少部分和运动传与许
多圆形截面的凹槽 ,如图 1。这个减少部分被偏心轴显示在图 1 为 1。消除所
造成的激励偏心运动 ,一个反重量是必要的 ,如 2。减少部分由一个固定的阀
瓣 4 有 epi-trochoidal。
偏心波沟瓣 6 败 ,hypotrochoidal 运动波槽、许多滚球。消除古怪的旋转
运动 ,发射区由许多滚球 11,圆形的凹槽 10 偏心的运动 ,被安排在 8 瓣恰恰相
反一个 trochoidal 波槽 ,输出的阀瓣 9 圆形的凹槽。同时,生成的减少运动旋转
出力轴 12
二阶段式摆线针轮减速机球
在单级行星减速器的激励 ,以消除而造成偏心运动 ,被看做是什么所需要
的。再者 ,改善减速器的配置是必要的 ,以满足重量轻、体积小。所以 ,我们开
发了一个两阶段式摆线针轮减速机[5]的球 ,这是由两个部分 ,减少部分和与许
多圆形截面运动传递的凹槽,如图 2。每一个基本要素是相似的单级行星减速
器,如图 3。每个术语定义在表 1。
运动学分析减少部分
一般来说 ,企业 / hypo-trochoidal 曲线是众所周知的这个位点的滚圈上任
意点滑动的圆圈。确定任意位置滚圈上,我们有新定义 trochoid 因子。因此,用
标准的半径 ,trochoid 因子和 trochoidal 波数的圆圈 ,epitrochoidal 每个基课件
定义为情商的曲线(1)和 hypotrochoidal 刚被定义为情商的曲线(2)。αa 定义的
trochoid 因素 trochoidal 的形状曲线。在案件中,那么这个因素是 ,那曲线有
摆线针轮的形状 ,和当高于 ,曲线有一个波形与一个循环。因此 ,trochoid 因
子应该被选为式(3)。这个中心轨迹的沟槽上符合每瓣波浪 trochoidal 曲线,分
析了中心 ,所以我们，当固定的阀瓣具有 hypo-trochoidal 波槽 ,偏心运动阀瓣
具有 epi-trochoidal 波槽 ,减少的几何形状截面图（4）。这个 epi-trochoidal 运
动轨迹的古怪拉丁化波运动的定义是由情商的圆盘(5)。
在这个方程 ,得到了δ显示减少旋转角度在第一阶段的偏心轴。另一方
面,hypo-trochoidal 波道固定盘符合式(2)。当这些槽是紧密联系的横跨许多球,
作为如图 4,第一阶段的设计条件的如下。
在案件中 ,所有的网状分球相符这个点的切线 epi-trochoidal 曲线与海波
-trochoidal 曲线 ,所有的球都被安排球场。这个数目的球是 n1 + 1。在第二阶
段的运动分析,是相似的第一阶段的部分。然而,旋转以不变的速度,这个 f1 必
须整数的设计情况参数,如情商波数(8)。
运动学分析的一个运动传递区
在这两个阶段 ,这两个减少减速器章节两种怪癖 ,驱动是不平等的。所以 ,
传送部分是需要消除不同的旋转阶段和不同的怪癖。圆形槽的偏心运动光盘
被安排在了相反的结论每个 trochoidal 波的状态。几何模型显示在图 6。第二
阶段的偏心定义如下 e2 式(9)。
第二阶段是安排在一个相对偏心率的阶段对方。初始位置的圆形槽的位
置在一个相对相位。运用情绪智商(7)、标准的半径 r8,r7 半径的圆槽 ,旋转角
度的每一个阶段θ8,θ7、圆形的轨迹曲线 p6 的第一阶段的一面定义为式(10)、
圆形的轨迹曲线上的 P7，第二阶段是定义为式(11)。在这个方程 ,γ显示减少
旋转角度第二阶段的偏心轴。当这些槽网状横跨许多球,设计所需的条件情绪
智商(12)。
3.发展运动输入型的岁差球减速器
同轴输出类型岁差球减速
同轴类型的运动球减速[6]由一个 1 语言中 ,一种斜轴旋转运动运动 ,转子
2 在输入轴自如 ,许多滚球上三、一个固定转子槽与空间的圆形环四 5 的和输
出环内表面波的 trochoidal 6 例 7 的内表面沟槽,如图所示图 7。输出的戒指有
一个同轴输出与输入轴。许多球的安排在转子与空间的通告五、槽来生成一
个岁差运动的 pre-cession 转子。空间摆线针轮或 trochoidal 槽 ,波 7 基于一个
岁差运动 ,产生了降低旋转运动。这种空间波动槽的一个岁差减少的旋转运动,
产生采用相对运动的一个岁差转子和输出环。pre-cession 两边的转子,许多转
动球被安排在一个统一的角。对于每一个球 ,旋转的相位而造成倾斜输入轴不
同的。
Orthogonal-axis 输出类型岁差球减速器
这个 orthogonal-axis 输出类型岁差球减速[7]由许多部件如图 8。发电部
分由一个倾斜的运动运动输入轴 1 和 2,斜轴旋转自如 ,一个岁差运动的转子
旋转在附近的三轴的自由 ,许多滚球 4 和固定环岁差运动与空间的圆形的槽
内表面的一个。这些圆形槽让岁差运动空间运动。转换部分的岁差运动方向
组成的 7 许多滚转换转子,第 11 条和第 13 条 9 球转子。有许多凹槽的岁差转
子的 8 转换这种运动的方向。和许多圆形槽 10 被分配围绕着那个转子 ,生成
岁 差 运 动 输 出 轴 。 同 时 , 部 分 减 少 输 出 运 动 由 一 个 输 出 转 子 与 空 间
trochoidal-wave12 的内表面沟槽。这音乐是产生任意要求减薄率。生成的减
少运动输出轴的转动是 14 正交输入轴方向。
运动学分析空间圆形的凹槽固定环
总的来说 ,这个岁差运动是众所周知的旋转议案的锥不滑倒。这个动作即
可为运动的光盘 ,转速周围的等效在转动轴圈和 i-axis 一致这个笛卡尔空间。
当一个岁差运动产生的 ,它吗是必要的限制任意空间运动。所以 ,空间固定环
沟槽圆是必要的。同时 ,减少了旋转运动是由运动运动转子。为减少扭矩的反
应旋转运动对岁差转子。这样的机制拥有一个反应所需的扭矩以及一般的行
星在这个提议,传动系统的最佳方法。因此,圆形的凹槽固定环。
