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摘要：齿轮转动设计中，要在保证机车运行安全、可靠的基础上，尽量使传动齿轮副满足重量轻、体积小、噪声低、运行平稳的要求。
关键词：机械工程；齿轮转动设计；要点
1.前言
机车的传动齿轮有受力大、冲击大特点；齿轮所受负荷是随机负荷，它依机车运行工况而变化。因此，对于齿轮转动设计的要求也要更加严格。
2.齿轮失效方式的探讨
齿轮在传动过程中会出现各种形式的失效，甚至丧失传动能力。齿轮传动的失效方式与齿轮的材料、热处理方式、润滑条件、载荷大小、载荷变化规律以及转动速度等有关。人们对齿轮失效的认识是一个发展的过程。18世纪中叶人们就开始对齿轮的失效进行研究。对齿轮摩擦磨损、点蚀形成和齿面胶合有了初步的认识。1928年，白金汉发表了有关齿轮磨损的论文，并将齿面失效分为点蚀、磨粒磨损、胶合、剥落、擦伤和咬死等6种失效形式。1939年，Ｒideout将齿轮损伤分为正常磨损、点蚀、剥落、胶合、擦伤、切伤、滚轧和锤击等8种形式。1953年Borsoff和Sorem将齿轮损伤分为6类。1967年尼曼根据大量试验，对渐开线齿轮的4种失效形式画出了承载能力的限制关系图，并指出当齿轮转速较低时，影响软齿面齿轮承载能力的主要因素是点蚀，影响硬齿齿轮承载能力的是断齿;而对于高速重载传动齿轮，影响因素往往是胶合。自上世纪50年代以来，一些国家以标准的形式对齿轮损伤形式进行分类，对名词术语、表现特征、引发原因等都有规定。如1951年美国将齿轮损伤分为两大类，一类是齿面损坏，包括磨损、塑性变形、胶合、表面疲劳等，另一类是轮齿的折断。前一大类齿面损坏是齿轮作为高副由于摩擦学原因而引起的表面损伤;后一大类轮齿的折断是轮齿作为受力构件由于体积强度不够而发生的破坏。1968年奥地利国家标准规定了齿轮损伤的名词术语。1983年，我国颁布了齿轮轮齿损伤的术语、特征和原因国家标准(GB/T3481－83)，将齿轮损伤形式分为5大类，即磨损、齿面疲劳(包括点蚀和剥落)、塑性变形、轮齿折断和其他损伤，共26种失效形式。
1997年，我国颁布了对GB/T3481－1983修订的GB/T3481－1997国家标准。目前我国在大多数的机械设计教材和机械设计手册中齿轮失效方式都进行了简化，一般分为5大类，即轮齿折断、齿面疲劳点蚀、齿面胶合、齿面磨损和塑性变形。
3.齿轮转动的失效形式及设计准则
3.1齿轮传动就装置型来说，有开式、半开式及闭式之分；就使用情况来说，有低速、高速及轻载、重载之别；齿轮有较脆、较韧、齿面有较硬、较软，所以齿轮材料的性能及热处理工艺不同。由于上述条件的不同，齿轮传动自然就出现了各种不同的失效形式，齿轮传动出现问题轮齿也就失效了，一般就会出现轮齿折断和工作齿面磨损、点蚀、胶合及塑性变形等。
3.2轮齿折断
轮齿受载后的齿根处产生的变曲应力为最大，再加上齿根处过渡部分的尺寸发生了急剧的变化，以及沿齿宽方向留下的加工刀痕等引起的应力集中作用，当轮齿重复受载后，齿根处就会产生疲劳裂纹，并逐步扩展，致使齿轮折断。在斜圆柱齿轮传动中，轮齿工作面上的接触线为一斜线，轮齿受载后，如有荷载集中时，就会发生局部折断。若制造及安装不良或轴的弯曲变形过大，轮齿局部受载过大时，即使是直齿圆柱齿轮，也会发生局部折断。增大齿根过渡圆角的半径，消除该处的加刀痕，可以降低应力集中作用；增大轴及支撑的刚度，可以减小齿面上局部受载的程度；使齿芯材料具有足够的韧性；以及在齿根处施加适当的强化措施等，都可提高轮齿的折断能力。
3.3设计准则
综上分析介绍可知，所设计出的齿轮传动在具体的工作状况下，必须具备各项充足的工作能力，来确保一整个工作期间的寿命不会导致失效。因此，针对各种工作中发生的情况及导致失效的形式，应该分别确立相应的设计准则。但是如齿面磨损、塑性变形等由于尚未建立起广为工程实际使用，而且行之有效的计算方法及设计数据，所以目前设计出一般使用的齿轮传动时，通常只按保证齿根弯曲疲劳强度及保证齿面接触疲劳强度两准则进行计算。相对于高速大功率的齿轮传动，还要按保证齿面抗效合能力的准则进行计算。至于维护其他失效的能力，就目前虽然一般不进行计算，但应该采取相应的防范措施，以增强轮齿抵抗这些失效的能力。由实践得知，在闭式齿轮传动中，通常以保证齿面接触疲劳强度为主。但对于齿面的硬度很高，齿芯强度又低的齿轮或材质较脆的齿轮，则以保证齿根弯曲疲劳强度为主。目前仅以保证齿根弯曲疲劳强度作为设计准则。
4.齿轮传动结构
在考虑改变齿形提高性能的同时，人们也力图从齿轮传动结构上突破，如出现了谐波齿轮、活齿少齿差传动，摆线针轮等各种新型行星齿轮机构。谐波齿轮传动是20世纪50年代后期由美国MUSSER发明，其后国内外的很多学者做了大量的研究工作。如孙涛等从结构到动力学等方面做了系统研究，北京飞达克美谐波传动技术创新有限公司李克美等研制成功的新齿形短筒柔轮谐波传动技术，提高了承载能力和传动精度，且减小了产品的体积和质量。活齿传动是由少齿差行星齿轮传动演化而成的新型齿轮传动，国内外已推出了多种结构，其中比较典型的有摆动活齿传动、套筒活齿传动、滚子活齿传动、推杆活齿传动和平面钢珠传动、少齿差传动等。近年来，张佑林等首次提出了一种活齿端面谐波齿轮传动装置，能增加同时啮合的齿数，加大齿轮的模数，从而使其所传递的功率增加数十倍，因此具有广泛的应用前景。此外，朱景梓教授在1956年提出双曲柄输入式少齿差的传动结构，重庆钢铁设计院成功研制出三环减速器及单(双)环减速器。重庆大学崔建昆提出一种新型轴销式少齿差行星齿轮传动，并对其进行了理论分析。
5.齿轮的结构设计
齿轮的结构设计与齿轮的几何尺寸，毛坯、材料、加工方法、使用要求及经济性等因素有关，进行齿轮的结构设计时，必须综合以上各方面的因素，通常是先按齿轮的直径大小，选定合适的结构形式，然后再根据荐用的经验数据进行结构设计。对于直径很小的钢制齿轮，当为圆柱齿轮时，若齿根圆到键槽底部的距离e＜2mt；当为圆锥齿轮时，按齿轮小端尺寸计算而得的e＜1.6m时，均应将齿轮和轴做成一体，叫做齿轮轴。若e值超过上述尺寸时，齿轮与轴以分开制造为合理。当齿顶圆直径da≤160mm时，可做成实心结构的齿轮，但航空产品中的齿轮，虽da≤160mm，也有做成腹板式的。当齿顶圆直径d＜500mm，可做成腹板式的结构，腹板上开孔的数目按结构尺寸大小及需要确定。齿顶圆直径da＞300mm的铸造圆锥齿轮，可做成带加强肋的腹板式结构，加强肋的厚度C1≈0.8C，其他结构对与腹板式相同。当齿顶圆直径400＜da＜1000mm时，可做成轮辐剖面为十字形的轮辐式结构的齿轮。齿轮结构设计时，还要进行齿轮和轴的联接设计。通常采用单键连接。但当齿轮转速较高时，要考虑轮芯的平衡及中性。这时齿轮和轴的联接应采用花键或双键连接。对于沿轴滑称的齿轮，为了操作灵活，也就应采用花键或双导键连接。
6.结束语
总之，机械中的任何一个重要的部件都要进行严格的设计，机械工业起到重要的作用是为国民经济提供技术装备和改进技术的重要作用。
参考文献
[1]成大先.机械设计手册[M].北京：机械工业出版社，2015
[2]何有志.关于机车牵引齿轮可靠性的几个问题[J].机车车辆工艺，2016（4）：1-4.