关键要点（跳到一节）

• 高效设计过程的关键应用程序信息
• 变速箱设计的工程方面：

齿轮类型选择

齿轮强度计算

AGMA齿轮质量水平

轴的选择和计算

轴承选择和公差

齿轮箱壳体

中心距和齿隙

中心距离计算

工作温度

润滑性能

• 齿轮质量和测试
• 齿轮传动设计常见问题解答笔记

• 为什么你需要一个齿轮系统？
• 你最关心的是定位吗？如果是这样的话，这个位置需要保持多久？ 
• 你想放大扭矩吗？
• 你想改变轴的方向吗？
• 你需要转换多少功率？

设计时需要了解的一些最重要的约束条件是：

齿轮类型选择

齿轮材料

此表给出了齿轮应用中最常用的材料的一般特性。选择正确的材料至关重要，正确的材料组合也是如此。在这里选择不当会导致高昂的成本。

齿轮强度

这是计算轮齿强度的众多公式之一：Lewis齿轮强度公式。这个公式适用于直齿圆柱齿轮。对于不同类型的齿轮，还有其他工具。该方程假设只有一个齿在传递载荷，并且本质上是一个简单的悬臂。它不考虑根部圆角或其他可能影响设计的关键方面。

齿轮油温度限制

齿轮系统的设计还包括对热性能的分析。当力从一个轮齿传递到另一个轮齿时，会发生多种类型的偏转和接触。

例如，对于蜗轮系统，蜗杆抵靠蜗轮滑动，通常为蜗杆的一整圈。这种滑动接触使蜗杆和蜗轮的齿偏转，并且在整个接触过程中存在摩擦。所有储存的能量都以热量的形式释放到变速箱中。在油分解或油从润滑脂中滴出之前，润滑将达到最高温度。保持在这个水平以下是很重要的。

此外，每个齿轮系统应具有最大扭矩和速度的额定值。超过规格的操作将违反热模型并导致过早故障。这种热量需要与齿轮箱壳体能够散发的热量相平衡。设计师有很多选择，包括调整齿轮箱的方向以最大限度地实现自由对流，添加散热片，或寻找其他方法来提取热量。

热额定值

确定齿轮传动热容量的变量包括：

• 齿轮箱尺寸
• 输入速度
• 扭矩

热极限最佳实践

齿轮传动设计人员应注意以下几点：

• 最高润滑剂温度
• 牙齿表面温度
• 最大输出扭矩和速度

有效的冷却方法

• 齿轮箱方向，最大限度地实现自由对流
• 小型齿轮箱：风扇、散热片
• 大型齿轮箱：冷却介质通过管道循环
• 高速/高负载系统：油浴

AGMA齿轮质量等级

我们经常看到混淆的一个领域是AGMA齿轮质量水平的使用。很多时候，人们认为更高的质量水平会带来更强的档位，或者会消除系统的齿隙。需要小心，因为随着齿轮质量的提高，成本可能会呈指数级增长。

AGMA Q14/Q15齿轮通常仅用于非常高精度的应用，或用作齿轮测试的校准工件。这些齿轮在非常可控的环境中精确研磨成形，是该尺寸最昂贵的齿轮之一。

示例：

• 主齿轮（校准工件）
• 航空航天应用，如卫星天线定位

AGMA Q12/Q13齿轮 用于效率高的应用中，例如在风力涡轮机驱动中。Q12齿轮的使用有助于确保最大量的输入功率被转换为电力，并且由于效率低下而造成的浪费被最小化。

示例：

• 航空航天应用，如陀螺仪和发动机零件
• 海军军舰等海洋应用
• 风力涡轮机驱动

AGMA Q10齿轮是精度和成本的平衡，在许多工业应用中都有使用。所有Berg目录齿轮均按照Q10标准生产，聚合物除外。

示例：

• 半拖拉机传动齿轮
• 造纸机械（主传动装置、干燥器和压机传动装置）
• 商业和海军补给船等海洋应用
• 钢厂（轧机小齿轮架、辊驱动装置）
• 水泥行业（开式传动装置、窑炉驱动装置）

AGMA Q8齿轮 是最常见的齿轮，用于扭矩、传动和成本比精度更重要的应用场合。典型的汽车变速器使用Q8齿轮。

示例：

• 汽车和摩托车传动齿轮
• 造纸和纸浆机械（切片机、搅拌机、箱式机器）
• 食品工业设备（搅拌机、输送机）
• 采矿破碎机

AGMA Q6齿轮更倾向于注塑或粉末金属齿轮——仍然能够传递大量扭矩，但成本在设计中至关重要。

示例：

• 电动工具（钻头、锯等）

就像链条一样，齿轮系统只有最薄弱的环节才有强度。也就是说，如果你为系统的一个部分指定了Q12档位以达到精度，但在其余部分都有Q8档位，你就不太可能获得预期的性能优势。重要的是要审视整个系统，以确定需要什么样的质量水平。

轴类型选择

一旦确定了齿轮组，我们的工程师接下来的步骤就是确定应该使用什么轴来传递动力。识别出明显的参数，例如：

• 轴元件
• 施加到轴上的扭矩量
• 轴支架
• 轴的修改
• 实际扭转挠度和弯曲挠度

以及不那么明显的问题：

• 是否会有键槽，或者项目是否会压配合到轴上？

轴承类型选择

Berg提供了一个方便的轴承参考，根据轴承的ABEC额定值确定内圈和外圈公差，以帮助您在设计过程中：

变速箱壳体设计

设计住房本身通常是最后要做的事情。关键因素包括：

• 信封大小： 

你有多少空间装变速箱？

是否存在由于其他组件而需要避免的区域？

• 齿轮箱安装：

它是轴安装还是底座安装？

你需要支撑齿轮箱和反作用扭矩的螺纹孔吗？

实际的齿轮箱放置需要多少精度？

• 中心距公差：

对于所需的齿隙，需要保持多大的中心距离？

材料特性会对此产生什么影响？

• 齿轮箱密封：

设计是否适合所需的润滑系统？

它能把油脂或油留在里面，把污染物挡在外面吗？

• 环境：

变速箱是否处于可能发生腐蚀的环境中？

变速箱需要得到多好的保护？

根据所有这些信息，您可以为变速箱壳体选择合适的材料。良好的工程计算对于确保外壳具有足够的强度来传输所需的功率非常重要。

齿轮中心距离和齿隙

正如我们之前所讨论的，在精确应用中，齿隙可能是齿轮系统性能的关键参数。齿隙的产生是由于齿没有完全接触并且能够在系统中自由移动。随着操作中心距离的增加——注意操作中心距离可能与设计中心距离不同——齿具有更大的间隙，因此齿隙增加。

然而，在减小的同时，操作中心距离将产生相反的效果。也就是说：反弹将会减少。需要小心，以确保在牙齿底部脱落时不会发生粘连。给定足够的扭矩，这可能会导致轮齿和齿根磨损，或导致轮齿断裂。

中心距离如何影响齿隙

• 中心距误差影响齿轮传动的有效运行能力
• 如果中心距离增加：齿隙增加，轮齿接触比降低
• 如果中心距离减小：齿隙减小，直到发生粘结
• 配合齿轮之间的最小和最大齿隙值基于“标准”中心距安装

这些表是中心距离对Q10 C齿轮组齿隙影响的参考，压力角为20°，左侧为英寸，右侧为毫米。

中心距离计算中的更改

正如你所看到的，微小的变化会对齿轮组的齿隙产生很大的影响。这就是为什么Berg工程团队通常致力于评估齿轮系统，而不是提高齿轮质量。许多其他参数会影响齿隙，需要以不同的方式解决。如果中心距离公差太宽，则没有更高质量的齿轮可以解决齿隙问题。

计算中心距离

在设计齿轮系统时，以下是在给定输入的情况下计算中心距离的一些常见做法。

首先：如果你知道齿轮的弦齿厚度，并且小齿轮固定到位，就可以计算出齿轮正确啮合并满足齿隙要求的中心距离。

或者：如果您知道中心距离和公差，则可以计算齿轮的弦齿厚度。

这可以与AGMA质量信息进行比较，以便为系统选择合适的档位。

齿轮箱设计如何影响工作温度

回到应用限制：尽可能多地确定齿轮箱的操作环境至关重要。电机风扇和其他空气流动源等物品可以显著提高性能。然而，一些常见的聚合物涂层可以提供显著的腐蚀保护，也可以起到毯子的作用，限制热量的流动。仔细审查这些信息和结果。这将是至关重要的。

齿轮设计如何影响润滑性能

与运行温度非常相似，齿轮对准不当会对齿轮箱的润滑性能产生重大负面影响。这种对准可能导致接触面积超过流体动力润滑层能够支撑的最大力。这可能会导致金属与金属之间的间接接触，正如你所料，还会显著加速磨损。

齿轮的齿精度，更具体地说是齿表面的粗糙度，也对润滑剂的性能有影响。过于粗糙的表面将允许金属与金属接触，而过于光滑的表面可能会增加显著的成本。需要找到一个令人满意的平衡，以获得目标成本的正确性能。

齿轮油选择

负载、速度和预期工作温度是用于选择齿轮润滑剂的三个因素。有许多好的资源在线和通过您当地的润滑油经销商。请利用这些资源，确保您使用适当的润滑剂。

一旦选择了润滑剂，设计者必须决定如何确保在接触时润滑剂存在于齿轮表面。对于轻载低速系统，在装配过程中涂一层薄薄的润滑脂就足够了。由于系统移动缓慢，润滑脂不太可能从牙齿上脱落。此外，由于负载较轻，润滑脂的降解可能需要更长的时间。需要注意确保系统的热容量（包括润滑剂）不会超过。

对于高速或高负载系统，油浴可能是优选的解决方案。该系统将具有更高的热容量，因为油将与齿轮箱壳体接触，并且可以更容易地将热量传导出去。然而，通过机油转动齿轮将需要额外的动力并产生更多的热量。油浴也可能需要在磨合期后或通过定期计划进行更换。

齿轮制造中的质量控制

确保齿轮系统性能的关键项目之一是在整个齿轮制造过程中进行质量控制。Berg通过使用双面测试方法来确保我们的齿轮质量，这一过程在Berg制造齿轮的50多年中已经证明是非常可靠的。

为了让我们的运营和质量团队了解他们正在测试的内容，我们为每个生产批次填写了一份设置表。有关正在生产的齿轮以及将要使用的主齿轮的信息都输入到数据表中。

需要的一个关键信息——但很多时候被忽视了——是乔木的尺寸。选择轴颈尺寸以适应孔尺寸并允许安装齿轮，但公差足够小，不会影响结果。

我们之前讨论过AGMA Q12和更高齿轮的高成本。主齿轮是这一成本的驱动因素之一。为了确保准确的测试，主齿轮的质量必须高于正在生产的齿轮。

齿轮测试

一旦收集了设置信息，就执行测试。从这些数据中，我们可以从两个关键因素中寻找结果。这两种类型的误差都被视为测试半径误差，当在测试台上对主设备进行复合测试时会显示这些误差。

• 总合成误差是齿轮一整圈内最高中心距离和最低中心距离的差值
• 齿误差是图表上任何一个齿顶到相邻齿根的最大偏差

这对设计者来说很重要，因为AGMA将这两个测量值定义为用该测试方法对齿轮进行质量评级所需的读数。理论上，完美成形的牙齿不会出现中心距离偏差。因此，该测试考虑了轮廓、节距、导程、齿厚和总跳动。

齿轮设计、应用限制和质量规范

齿轮传动设计常见问题解答

在设计齿轮传动时，人们应该考虑的最重要的事情是什么？

我指导我的团队在设计齿轮传动时要考虑的最重要的事情是提前获得所有的应用程序信息。在没有完整应用程序细节的情况下进行设计通常会导致至少一个返工循环，当然，这会增加项目的时间。提前获得所有这些信息可以确保您能够在整个设计过程中解决所有问题，从而使最终产品满足应用程序的要求。

如何减少系统中的反弹？

其中一个关键因素是从系统设计的角度来看待齿隙。所以你有一个已经设计好的变速箱，系统中有不希望有的齿隙。你如何回到过去，想办法消除这种情况？因此，从系统设计的角度来看，并问：到底是什么促成了这一点？

中心距离公差是我们通常关注的领域之一，确保中心距离公差与我们的预期一致，并且它们是实际制造的：因此使用CMM或其他精确工具来测量它们。

如果中心距离公差看起来是一致的，我们将评估更高质量的齿轮，看看收紧这些公差是否会减少齿隙。或者在其他情况下，我们实际上会使用防反弹装置，这几乎会消除系统中的反弹。

可以对牙齿进行哪些修改以提高性能？

首先，我想请大家在看牙齿修饰时要小心。它们可能非常昂贵，如果你不真正知道自己在做什么，可能会导致大量成本，而不会带来很大的性能优势。成本在很大程度上是由这样一个事实驱动的，即当你超出标准时，将需要定制的工具，而且测试还需要定制的主齿轮，这些成本很快就会增加。

我们试验的一个常见领域是压力角，试图将其用于特定的客户应用。例如，您可以从20°压力角更改为14.5°压力角，这将导致较低的轴承力，因为力的角度会发生变化，但它也会使齿轮的齿至少减弱10%。

AGMA质量水平如何影响强度？它是否影响准确性？

AGMA质量水平：它确实会通过收紧齿形公差来影响强度和精度。而且，由于这些更严格的公差，它还减少了牙齿表面的“缺陷”数量。因为这些缺陷减少了，它们实际上会加强牙齿，因为它们不再是牙齿表面的应力集中位置。同样，对于精度，齿轮齿形精度的提高可以减少齿隙，这仅仅是因为允许齿形具有较小的公差。

材料选择如何影响齿轮系统的强度或性能？

正如我们之前在Lewis齿轮计算中看到的那样，所选材料将对齿轮的计算齿强度产生直接影响。确保正确执行此操作将确保齿轮具有足够的强度。也就是说，特别是在具有滑动接触的螺旋和蜗杆系统中，材料的选择也需要作为一个系统来考虑，以确保在两个表面相互滑动时，不会在它们之间产生磨损，或者在金属在金属部件上滑动时可能发生的其他一些现象。

你有关于齿轮传动设计的问题没有在这里得到回答？请联系Berg的技术和应用支持团队。

关于演示者

本演示文稿由Regal Rexnord专业零部件集团的工程总监撰写，负责包括WM Berg在内的三个不同品牌的产品开发和生命周期。在加入Specialty Components之前，他曾在Rexnord的研发部门Rexnord创新中心担任产品管理和工程管理职务。他参与了许多新产品的开发，包括Falk