齿轮是机械系统中不可或缺的重要组成部分，它们主要用于传递动力、调整运动的速度和方向，是机械传动中最常见的零部件之一。齿轮的应用极为广泛，几乎覆盖了所有涉及动力传递的机械设备。通过齿轮的传动，机械设备的功率可以达到接近十万千瓦。齿轮的优点包括高效、结构紧凑、运行可靠、寿命长且传动比稳定，这使得齿轮在众多工业应用中扮演着至关重要的角色。
在选择齿轮材料时，必须综合考虑其工作环境和可能的失效形式。根据不同的工作条件，齿轮材料需要具备以下几项基本性能：
高弯曲疲劳强度：齿轮需要具备足够的齿根强度与韧性，以避免因疲劳、冲击或过载引发断裂。
高接触疲劳强度：齿面硬度和耐磨性必须足够高，以防止齿面出现损伤。
良好的加工性：材料应具备良好的切削性能、热处理性能以及焊接工艺性，确保在生产过程中不会出现较大问题。
齿轮材料的选择原则
齿轮的材料选择，首先要满足其工作环境的要求。这是选择材料时需要优先考虑的核心因素。还应综合考虑齿轮的尺寸、毛坯的成型方式、热处理和制造工艺等方面的要求。对于不同的工作载荷情况，选择的材料也有所不同：
正火碳钢：适用于承载平稳或轻度冲击负荷的齿轮，不能承受较大的冲击载荷。
调质碳钢：适用于承受中等冲击负荷的齿轮。
合金钢：常用于高速、重载以及在冲击载荷下工作的齿轮。
例如，汽车与拖拉机中的齿轮通常用于变速箱和差速器，这些齿轮承载的负荷较大，经常处于超载和频繁受冲击的环境中。通常选用 20CrMnTi合金渗碳钢，这类钢材具有较高的强度（σ=1100MPa），并且经过淬火和低温回火处理后，表面硬度可达 HRC58~62，心部硬度在 HRC30~45 之间。这种材料不仅具有较好的切削性能，且渗碳速度快、变形小，对过热不敏感，渗碳后可直接进行淬火处理。
齿轮传动尺寸的确定
齿轮传动的主要尺寸可以通过以下几种方法来确定：
1. 模数与压力角
齿轮的模数是决定齿轮强度、质量、传动噪音和工艺要求等的关键因素。在设计时，减小模数和增加齿宽可以降低传动噪音，但反过来会增加变速器的重量。在工艺要求的考虑下，所有的斜齿轮法向模数一般取 mt=5mm，直齿轮的模数则取 m=4mm。
根据标准，齿轮的标准压力角通常为 20°，因此变速器齿轮通常也采用这一标准。
2. 螺旋角
变速器中斜齿轮的螺旋角一般设计在 10°到35° 之间。设计时，应尽量使中间轴上同时工作的两对齿轮的轴向力保持平衡。这是因为，中间轴上的所有齿轮的螺旋方向应保持一致，通常都选为右旋，而第一轴和第二轴上的斜齿轮则选用左旋，轴向力通过轴承盖传递到壳体中。
在设计时，为确保轴向力的平衡，需考虑齿轮节圆半径和螺旋角的关系。较大的齿轮半径通常需要较大的螺旋角，但为了加工的便利性，实际设计中通常会统一采用一种螺旋角。
3. 齿轮齿数的分配
齿数分配主要是确定变速器各档齿轮的齿数。这一过程通常基于已知的变速器传动比、轴中心距以及齿轮模数等参数。在确定了变速器的结构形式后，齿数分配显得尤为重要。由于齿轮模数相同，齿数的和也要相同。
4. 齿数与传动比的关系
主、从动齿轮的齿数 z 和 z' 必须满足一定的数学关系式，这样才能确保各挡齿轮的传动比满足设计要求。
齿轮几何尺寸的计算
齿轮的失效形式通常包括轮齿断裂、齿面磨损、齿面点蚀、齿面胶合和塑性变形等。为了减少齿轮的失效，设计时应尽量减小齿轮的质量和转动惯量，这样不仅能够减少设备的总重量，还能提高换挡操作的便捷性。
常见的做法是调整齿轮的结构设计，比如将齿轮做成腹板式或孔板式结构，这样能够有效地减轻齿轮的重量和惯性。
1. 齿轮精度的确定
齿轮精度通常通过圆周线速度的计算来确定，精度等级可以根据手册来选择。齿轮副的侧隙、齿厚偏差等精度问题都需要在设计时严格控制，常见的精度检验项目包括齿距累积总偏差、齿廓总公差、螺旋线公差和径向跳动公差。
2. 齿坯精度的考虑
齿坯的精度对于齿轮副的接触状态和运行情况有着重要影响。齿坯的尺寸偏差和齿轮箱体的尺寸偏差直接影响齿轮的精度，因而要特别注意提高齿坯的精度，确保切齿工序的精度达到要求。
齿轮加工工艺
齿轮的加工工艺路线通常为：
下料 → 锻造 → 预热处理 → 粗加工 → 最终热处理 → 精加工
其中，预处理的主要目的是改善锻造材料的结构，以获得合适的硬度，便于后续的加工。最终热处理的目的是提升零件表面的硬度和耐磨性，同时确保齿轮心部的强度、塑性和韧性。
对于一些重要齿轮，通常需要进行表面淬火处理。常用的表面淬火方法包括高频或中频感应淬火处理。对于较大模数的齿轮，淬火时需要沿齿沟加热，以保证均匀的硬化效果。
例如，20CrMnTi 材料的输出齿轮，在渗碳淬火后，表面硬度可达到 HRC58~62，而心部硬度为 HRC32~45。加工工艺包括下料、锻造、正火、加工齿形、渗碳淬火、低温回火等步骤，以确保齿轮具有优异的强度和耐磨性。