齿轮是机械传动中最常见也最重要的零件。选错参数，噪声大、寿命短；算错强度，齿面点蚀、轮齿断裂。很多设计人员画齿轮时只关心模数和齿数，其他参数照着手册抄，结果样机跑起来嗡嗡响，用几个月就磨损。

齿轮设计有成熟的方法和标准，按步骤来做不会出大问题。

一、齿轮的基本参数

模数是齿轮尺寸的最基本参数。模数越大，轮齿越粗壮，承载能力越强。标准模数系列已经规定了优先选用的数值，如1, 1.25, 1.5, 2, 2.5, 3, 4, 5, 6, 8, 10。设计时应优先选用第一系列，避免非标模数——成本高、交货期长。

齿数影响传动比、齿轮尺寸和齿廓形状。小齿轮齿数过少会发生根切，标准直齿圆柱齿轮的最小齿数为17。齿数过少还会导致重合度下降，传动不平稳。在满足强度和不根切的前提下，齿数多一些有利于传动平稳性。

压力角标准为20°。汽车、航空等特殊场合用25°或其它，但一般不推荐，会增加刀具成本。压力角越大，齿根越厚，承载能力越强，但齿顶变尖。

齿宽影响承载能力和轴向尺寸。齿宽越大，承载能力越强，但载荷分布不均越严重。一般取齿宽系数φ_d = b/d1 = 0.6-1.2。悬臂布置取小值，对称布置取大值。齿宽不是越大越好，过宽会导致偏载。

中心距直接影响齿轮啮合质量。标准中心距通过公式计算，制造时有公差。实际中心距偏离理论值，侧隙会变化；偏差过大，可能卡死或冲击。

二、齿轮材料与热处理

齿轮材料的选择直接影响承载能力和寿命。45钢是最常用的齿轮材料，价格低、综合性能好，适用于一般传动。调质处理HB220-250，齿面可高频淬火HRC45-50。40Cr强度更高，适用于重载、重要齿轮，调质处理HB250-280，齿面高频淬火HRC50-55。20CrMnTi适用于既承受冲击又要求齿面耐磨的齿轮，渗碳淬火，齿面HRC58-62，心部HRC30-40。QT500-5球墨铸铁适用于低速、轻载、噪声要求高的场合。

软齿面齿轮（硬度≤350HB）工艺简单，适用于一般传动。硬齿面齿轮（硬度>350HB）承载能力高、精度保持好，但需要磨齿，成本高。一般载荷不大、转速不高的场合用软齿面；重载、高速、高精度场合用硬齿面。

三、齿轮强度计算

齿面接触疲劳强度防止齿面点蚀，齿根弯曲疲劳强度防止轮齿断裂。两个都要校核，缺一不可。

齿面接触疲劳强度主要取决于中心距和齿宽。中心距越大，接触应力越小；齿宽越大，接触应力越小。但齿宽过大会导致偏载。齿轮材料硬度和热处理质量对接触强度影响很大。

齿根弯曲疲劳强度主要取决于模数和齿宽。模数越大，齿根越厚，弯曲强度越高。齿宽越大，弯曲强度越高。齿根圆角半径对应力集中影响很大，圆角太小疲劳裂纹从这里开始。

强度校核的步骤

根据传递功率和转速计算转矩。按接触强度公式估算中心距或分度圆直径。确定模数、齿数、齿宽等基本参数。校核接触疲劳强度和弯曲疲劳强度。不满足时增大模数或中心距，重新校核。

实际设计中，往往先按弯曲强度估算模数，再按接触强度校核。模数决定齿厚，中心距决定齿面接触应力的大小。

四、齿轮精度等级

齿轮精度直接影响传动平稳性、噪声和寿命。GB/T 10095将精度分为0-12级，数字越小精度越高。6级用于高速、精密传动，如机床主轴、航空齿轮，需要磨齿。7级用于中高速传动，如汽车变速箱，需要磨齿或剃齿。8级用于一般传动，如普通减速机，滚齿或插齿即可。9级用于低速、低精度传动，开式齿轮。

精度越高成本越高，选择够用的等级即可。一般工业减速机选8级，汽车变速箱选7级，精密机床选6级。

五、齿轮的润滑

润滑方式选择取决于线速度。低速（<3m/s）用脂润滑，简单、无泄漏。中速（3-12m/s）用油浴润滑（油池飞溅），齿轮部分浸入油中，旋转时带起油。高速（>12m/s）用强制润滑（喷油），油泵将油喷到啮合点。

润滑油的粘度选择：载荷大、速度低的选高粘度；载荷小、速度高的选低粘度。闭式齿轮用工业闭式齿轮油L-CKC、L-CKD，开式齿轮用半流体润滑脂或高粘度油。

六、齿轮的结构设计

齿轮的结构形式主要根据齿顶圆直径确定。直径小的（<150mm）做齿轮轴，齿轮和轴做成一体，结构紧凑，刚性好。直径中等的（150-300mm）做辐板式齿轮，腹板减重，减少转动惯量。直径大的（>300mm）做轮辐式齿轮，进一步减重，铸造或焊接结构。

齿轮与轴的连接通常用键连接。平键最常用，花键用于重载、高精度场合，过盈配合用于高可靠性、不拆卸的场合。

七、齿轮的失效形式与预防

齿面点蚀是闭式齿轮最常见的失效形式，接触应力超过材料疲劳极限。提高齿面硬度，选用高粘度润滑油，增大中心距或齿宽。

轮齿折断是齿根弯曲应力超过材料强度极限或疲劳极限。增大模数，增大齿根圆角半径，齿根喷丸强化，采用正变位。

齿面胶合是高速重载时油膜破裂，齿面局部熔焊撕伤。选用极压抗磨润滑油，降低齿面粗糙度，限制油温。

齿面磨损是开式齿轮常见，磨料进入啮合区造成。改善密封防尘，采用闭式传动，开式齿轮选用硬齿面。

塑性变形是齿面材料流动变形。提高齿面硬度，选用高粘度润滑油，降低载荷。

八、齿轮设计的检查清单

• 模数是否选用了标准系列（优先第一系列）？

• 小齿轮齿数是否大于最小齿数（≥17）？

• 压力角是否为20°（标准）？

• 齿宽系数是否合理（0.6-1.2）？

• 材料选择是否适合工况（载荷、速度）？

• 热处理方式是否匹配（调质、渗碳、高频淬火）？

• 接触强度和弯曲强度是否校核通过？

• 精度等级是否与加工能力匹配？

• 润滑方式是否选择合理？

• 齿轮结构是否便于加工和装配？

九、给设计人员的建议

优先选用标准模数

非标模数不是不能做，是成本高、交货期长。能用标准模数就用标准模数，采购方便、价格低。

齿数不要太少

小齿轮齿数尽量取20以上，不但避免根切，啮合更平稳、噪声更低。空间受限时再考虑17齿甚至更少。

软齿面配硬齿面

配对齿轮的硬度要匹配。小齿轮齿数少、啮合次数多，硬度应比大齿轮高30-50HB。软齿面配硬齿面，寿命更长。

变位齿轮不是万能的

变位可以改善啮合性能、提高强度，但也会改变中心距、齿顶厚。不是必须就别用，标准齿轮最可靠。