齿轮(卷名：机械工程)
gear
能互相啮合的有齿的机械零件。在机械传动及整个机械领域中应用极其广泛。现代齿轮技术已达到：齿轮模数m=0.004～100毫米；齿轮直径由1毫米～150米左右；传递功率可达100000千瓦；转速可达100000转／分；最高的圆周速度达300米／秒。
简史 齿轮在传动中应用很早。公元前300多年，希腊哲学家亚里士多德在《机械问题》中就阐述了用青铜或铸铁齿轮传递旋转运动的问题。中国古代发明的指南车中已应用了整套的轮系。不过，古代的齿轮是用木料制造或用金属铸成的，只能传递轴间的回转运动，不能保证传动的平稳性，齿轮的承载能力也很小。随着生产的发展，齿轮运转的平稳性受到重视。1674年丹麦天文学家O.罗默提出用外摆线作齿廓曲线，以得到运转平稳的齿轮。18世纪工业革命时期，齿轮技术得到高速发展，人们对齿轮进行了大量的研究。1733年法国数学家M.卡米发表了齿廓啮合基本定律（见齿轮传动）。1765年瑞士数学家L.欧拉建议采用渐开线作齿廓曲线。19世纪出现的滚齿机和插齿机，解决了大量生产高精度齿轮的问题。1900年H.普福特在滚齿机上装上差动装置，能在滚齿机上加工出斜齿轮，从此滚齿机滚切齿轮得到普及，展成法加工齿轮占了压倒优势，渐开线齿轮成为应用最广的齿轮。1899年O.拉舍最先实施了变位齿轮的方案。变位齿轮不仅能避免轮齿根切，还可以凑配中心距和提高齿轮的承载能力。1923年美国E.怀尔德哈伯最先提出圆弧齿廓的齿轮，1955年苏联Μ.Α.诺维科夫对圆弧齿轮进行了深入的研究，圆弧齿轮遂得以应用于生产。这种齿轮的承载能力和效率都较高，但尚不及渐开线齿轮那样易于制造，还有待进一步改进。
齿轮名词术语 图中标示出齿轮各部分的名称。
轮齿（齿）──齿轮上的每一个用于啮合的凸起部分。一般说来，这些凸起部分呈辐射状排列。配对齿轮上轮齿互相接触，导致齿轮的持续啮合运转。
齿槽──齿轮上两相邻轮齿之间的空间。
端面──在圆柱齿轮或圆柱蜗杆上垂直于齿轮或蜗杆轴线的平面。
法面──在齿轮上，法面指的是垂直于轮齿齿线的平面。
齿顶圆──齿顶端所在的圆。
齿根圆──槽底所在的圆。
基圆──形成渐开线的发生线在其上作纯滚动的圆。
分度圆──在端面内计算齿轮几何尺寸的基准圆，对于直齿轮，在分度圆上模数和压力角均为标准值。
齿面──轮齿上位于齿顶圆柱面和齿根圆柱面之间的侧表面。
齿廓──齿面被一指定曲面（对圆柱齿轮是平面）所截的截线。
齿线──齿面与分度圆柱面的交线。
端面齿距pt──相邻两同侧端面齿廓之间的分度圆弧长。
模数m──齿距除以圆周率π所得到的商，以毫米计。
径节p──模数的倒数，以英寸计。
齿厚s ──在端面上一个轮齿两侧齿廓之间的分度圆弧长。
槽宽e ──在端面上一个齿槽的两侧齿廓之间的分度圆弧长。
齿顶高hɑ──齿顶圆与分度圆之间的径向距离。
齿根高hf──分度圆与齿根圆之间的径向距离。
全齿高h──齿顶圆与齿根圆之间的径向距离。
齿宽b──轮齿沿轴向的尺寸。
端面压力角 ɑt── 过端面齿廓与分度圆的交点的径向线与过该点的齿廓切线所夹的锐角。
分类 齿轮可按齿形、齿轮外形、齿线形状、轮齿所在的表面和制造方法等分类。
① 齿轮的齿形包括齿廓曲线、压力角、齿高和变位。表为齿轮按齿形的分类。
渐开线齿轮比较容易制造，因此现代使用的齿轮中渐开线齿轮占绝对多数，而摆线齿轮和圆弧齿轮应用较少。在压力角方面，以前有些国家采用过14.5°和15°，但是多数国家已统一规定为20°。小压力角齿轮的承载能力较小；而大压力角齿轮，虽然承载能力较高，但在传递转矩相同的情况下轴承的负荷增大，因此大压力角齿轮仅用于特殊情况。齿高已标准化，一般均采用标准齿高。变位齿轮优点较多，已遍及各类机械设备中。
② 齿轮按其外形分为圆柱齿轮、锥齿轮、非圆齿轮、齿条、蜗杆-蜗轮。
③ 按齿线形状齿轮分为直齿轮、斜齿轮、人字齿轮、曲线齿轮。
④ 按轮齿所在的表面齿轮分为外齿轮、内齿轮。外齿轮齿顶圆比齿根圆大；而内齿轮齿顶圆比齿根圆小。
⑤ 按制造方法齿轮分为铸造齿轮、切制齿轮、轧制齿轮、烧结齿轮等。
齿轮材料 材料和热处理对齿轮的承载能力和尺寸、重量有很大的影响。20世纪50年代前多用碳钢，60年代改用合金钢，而70年代多用表面硬化钢。齿面按硬度可区分为软齿面和硬齿面两种。
① 软齿面：齿面硬度HB≤350，在调质或正火热处理之后进行精切齿。这种齿轮承载能力较低，但制造比较容易，跑合性好，用于传动尺寸和重量无严格限制以及小量生产的一般机械中。因为配对的齿轮中小轮负担较重，为使大小齿轮工作寿命大致相等，小轮齿面硬度比大轮的高HB20～50。
② 硬齿面:齿面硬度HB＞350。这种齿轮承载能力高，在齿轮精切之后进行淬火、表面淬火或渗碳淬火，一般齿面硬度HRC45～65。但在热处理中，齿轮不可避免地产生变形，因此在热处理之后须进行磨削、研磨或精切，以消除因变形产生的误差，提高齿轮的精度。如果硬齿面齿轮精度不够，其承载能力往往不如软齿面的。经渗氮处理的齿面硬度HV≥600，抗胶合能力较高。由于渗氮时温度较低，齿轮的变形很小，可不再进行机械加工，但渗氮层较薄，适于制造小尺寸的齿轮，但不能承受冲击载荷或磨料磨损。
制造齿轮常用的钢有调质钢、淬火钢、渗碳淬火钢和渗氮钢。铸钢的强度比锻钢稍低，用于尺寸较大的齿轮。灰铸铁机械性能较差，可用于轻载的开式齿轮传动中。球墨铸铁可部分地代替钢制造齿轮。塑料齿轮用于轻载和要求噪声低的地方，与其配对的齿轮一般用导热性好的钢齿轮。
展望 齿轮正向重载、高速、高精度和高效率等方向发展，并力求尺寸小、重量轻、寿命长和经济可靠。齿轮理论和制造工艺的发展方向是：①进一步研究轮齿损伤的机理，这是建立可靠的强度计算方法的依据，是提高齿轮承载能力，延长齿轮寿命的理论基础；②发展以圆弧齿廓为代表的新齿形；③研究新型的齿轮材料和制造齿轮的新工艺（包括成型工艺和热处理工艺）；④对中、小型齿轮采用冷成型加工、精密铸造和粉末冶金等工艺方法，在保证精度的前提下提高生产率和降低成本；⑤考虑齿轮的弹性变形、制造和安装误差以及温度场的分布，进行轮齿修形，以改善齿轮运转的平稳性，并在满载时增大轮齿的接触面积，从而提高齿轮的承载能力；⑥摩擦、润滑理论和润滑技术是基础性工作，研究弹性流体动压润滑理论，推广采用合成润滑油和在油中适当地加入极压添加剂（见润滑剂），这不仅可提高齿面的承载能力，而且也能提高传动效率；⑦改进齿轮传动的结构，例如采用行星传动或把单轮驱动改为多个小轮同时驱动中央大轮的挠性多点啮合传动，以提高齿轮的承载能力。
参考书目
会田俊夫监修，金公望译：《圆柱齿轮的设计》，中国农业机械出版社，北京，1983。（会田俊夫監修：《円筒歯車の設計》，大河出版社，1976。）
Gustav Niemann， Machine Elements，Vol. Ⅱ， Springer Verlag，Berlin，1978.