在设计新的齿轮传动系统时，会遇到一些常见的陷阱和问题，这些问题往往源于对多个工程技术领域的知识储备不足或经验欠缺。例如，在润滑和冷却需求评估、完整的静态和动态负载分析、材料选择及热处理工艺评价，以及最新的制造技术等方面，如果评估不够充分，就可能导致设计失败。文章还讨论了齿轮设计过程中的一些常见问题，并提出了避免这些问题的建议。

      齿轮问题在齿轮行业中十分常见，通常是由于设计不当、材料选择错误或润滑系统无法适应实际工况所致。这些问题往往以噪音或振动等突发状况出现，修复起来可能耗费大量时间和成本，因此许多齿轮顾问也因此应接不暇。尽管并非所有问题都源于设计，但有时也可能是系统运行中不可避免或意外的状况导致的。因此，对于新设计，最好让经验丰富的工程师或顾问进行系统审查，因为多年的经验能让人更敏锐地察觉齿轮系统中的常见问题。本文旨在指出齿轮系统中一些常见问题，并提出避免至少部分问题的方法。

      在机械系统中，有时问题的根源在于未能为特定应用选择最合适的齿轮类型。这可能是因为在选型过程中忽略了某些特定的齿轮类型，或者没有充分考虑到选择齿轮类型时需要关注的重要参数。例如，对于平行轴系统，可以选择直齿轮、斜齿轮、人字齿轮，或者像Wildhaber Novikov齿轮这样的特殊类型。此外，不同的应用场景还可能需要考虑不同的接触比，以优化齿轮的性能和寿命。因此，仔细评估和应用这些因素对于确保系统的顺利运行至关重要。

      通常情况下，直齿轮的设计速度限制在50米/秒（10,000英尺/分钟）或更低，但在某些特定应用中，直齿轮成功运行速度已超过100米/秒（20,000英尺/分钟），这表明通过合理选择设计参数可以实现更高速度。然而，当直齿轮运行速度超过50米/秒时，可能会出现噪声、高动态载荷以及空气或油被困等问题，这些问题可能导致过度磨损或缩短使用寿命。

     螺旋齿轮之所以更适用于高速工况，主要是因为其具有较高的总接触比，这能有效降低运行中的噪音和动态载荷。此外，润滑油和空气能从齿轮齿端顺利排出，而不会产生过高的载荷或噪音。不过，螺旋齿轮会产生轴向推力和倾覆力矩，这些都需要在设计时加以考虑。在轻量化应用中，由倾覆力矩引起的变形往往难以降低到可接受的水平。因此，许多螺旋齿轮设计会采用推力环（如图1所示），通过合理设计，这些推力环能够承受轴向推力和力矩载荷，从而无需额外的推力轴承和沉重的力矩支撑结构。推力环与齿端之间应留有间隙，以便啮合时产生的油或空气能够顺利排出，同时推力环的圆角设计有助于在推力环与齿端之间楔入形成EHD（弹性流体动力）油膜，以减少摩擦和磨损。

      双螺旋齿轮常被用来消除单螺旋齿轮产生的轴向推力和力矩载荷，但如果制造不当，它本身也可能引发噪音和高动态载荷。这种齿轮能沿轴向移动以补偿两侧的间距误差和螺旋角误差，但当这些误差过大时，同样会导致噪音和动态载荷增加。正因如此，制造一个采用双螺旋齿轮的行星齿轮系统非常困难，因为每个行星齿轮需要同时调整与太阳轮和齿圈的对准，这极易引发剧烈振动。

      选择合适的齿轮精度对于特定应用至关重要，因为它直接影响制造成本、动态载荷和噪音水平。随着转速的增加，精度对动态载荷和噪音的影响会显著增强。例如，参考1指出，齿轮组的转速翻倍会使噪音水平大约增加6分贝。因此，对于中高速齿轮组，为了实现低噪音和减少动态载荷，应选用AGMA公差等级10至13级。

      要获得最高的齿轮精度，通常需要在优质的齿轮磨床上进行精磨加工。对于硬度不太高（洛氏硬度低于RC 45）的优质齿轮，可以通过剃齿工艺来制造；而对于硬度较高（洛氏硬度超过RC 50）的齿轮，也可以使用硬质合金剃齿刀进行剃齿加工，同样能达到较高的精度。

      在设计齿轮时，工程师们经常采用经验方法来确定某些参数，比如齿轮的轮缘厚度。一种常见的设计实践是将轮缘厚度设定为齿高的值，这种方法对于直径相对于齿高较小的齿轮特别有效。当齿轮直径较小时，轮缘非常刚硬，不会出现低频振动问题。然而，当齿轮直径较大时，轮缘变得更加柔软，容易产生低频振动模式。这种增加的柔韧性还可能由于齿间力矩与轮缘挠曲的联合作用而增加弯曲应力。更优的方法是采用一个恒定的半径与厚度比，使轮缘厚度与齿轮半径成比例增加，这样可以在不显著增加齿轮重量的情况下，确保轮缘具有足够的厚度。

    齿轮制造商经常交付不符合要求的齿轮，这主要是因为齿轮图纸和规格不完善。如今，仅仅在齿轮图纸上注明AGMA等级和要求渗碳淬火是不够的。图纸应包含齿轮公差、类似图2的齿廓图以及齿廓修形和公差的详细说明。此外，图纸还应列出所需的检测项目、材料及热处理规格，这些规格应非常具体，包括材料类型、材料认证、热处理要求及用于验证方法的样品。除了完善的热处理规格，还应选择可靠的供应商，确保他们能按规格执行并提供必要的控制和记录以验证工艺。最后，成品齿轮应附带材料样品，验证渗碳层深度和硬度，并随齿轮提供一份报告，证明所有要求条件均已满足。

     在齿轮设计中，材料的选择至关重要，但很多时候所选材料无法满足所需的表面耐久性或弯曲强度。例如，一些适用于小型齿轮的钢材在用于大型齿轮时可能无确热处理，而某些低合金钢在小型齿轮中硬化良好，但在大型齿轮中由于冷却时间较长而保持较软、强度降低。设计师拥有广泛的选择，必须根据低成本和高可靠性的需求进行合理挑选，图8展示了不同齿轮材料的大致成本水平。塑料齿轮在载荷和温度适宜的情况下表现优异，而软钢齿轮虽应用广泛，但通常比渗碳淬火齿轮更大更重。当重量、尺寸和可靠性是关键因素时，渗碳淬火齿轮通常是最佳选择，不过大多数渗碳淬火齿轮在热处理后需要精磨，而氮化钢通过氮化处理变形很小，可能无需后续磨削工序。

      成功的热处理需要两个关键要素：一是良好的热处理规范，二是能够严格遵守规范并出色完成材料热处理的设备或操作人员。然而，现实中规范往往未能得到严格执行，导致热处理质量不佳，齿轮变得过软或变形。大多数渗碳淬火齿轮需要良好的淬火模具来防止过度变形，而尺寸更大、结构更复杂的零件在淬火模具设计上需要更加谨慎，以获得最佳效果。在齿轮齿的拐角和尖锐部位，渗碳和氮化处理时需格外小心，因为这些区域可能会因表面压缩应力的累积而开裂，如图9所示（参考5）。这种开裂可以通过遮蔽齿端和齿尖来限制碳含量，从而避免。同样，在窄而尖的齿轮齿进行氮化处理时也可能发生类似问题，通过遮蔽不需要硬化的区域（如齿端）来减少角部应力，可以有效避免这些问题。此外，齿轮必须获得足够的渗层深度，以防止渗层压碎，如图10所示。参考6详细阐述了防止渗碳齿轮渗层压碎的渗层深度要求，通常渗层深度应远低于最大次表面剪切应力的深度，以避免渗层压碎。

      齿轮传动中许多常见问题可以在设计和制造过程中避免。为了以最低成本实现预期效果，必须根据具体应用选择合适的齿轮类型并确定精度要求。对于轻量化设计，需仔细评估轮缘厚度，以防止振动问题并控制最大弯曲应力。图纸和规格应详尽具体，包含所有必要信息，以确保最终产品的准确性。齿轮的弯曲和表面疲劳设计寿命必须满足应用需求。齿轮材料及热处理对特定应用的使用寿命和成本至关重要，需谨慎确定。润滑系统必须设计得当，以提供良好的冷却和润滑，防止齿轮过早失效。近年来，噪声已成为重要的设计考量因素，必须进行评估以确保齿轮系统满足相关要求。

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本期编辑：小艾