一、齿轮箱概述
齿轮箱在机械传动中占据着至关重要的地位。它是一种将动力源的动能转换为机械动能，并在机械设备中将动力源的动能传递到其他零件的装置。
齿轮箱的应用领域极为广泛。在风力发电机组中，齿轮箱是一个重要的机械部件，将风轮在风力作用下产生的动力传递给发电机并使其得到相应转速。在印刷包装机械、立体车库设备、环保机械、输送设备、化工设备、冶金矿山设备、钢铁电力设备、搅拌设备、筑路机械、制糖工业、风力发电、扶梯电梯驱动、船舶领域、轻工领域、造纸领域、冶金行业、污水处理、建材行业、起重机械、输送线、流水线等大功率，大速比，高扭矩的场合，齿轮箱都有着良好的表现。
例如，通力科技的主导产品通用减速机、工业齿轮箱广泛应用于冶金、化工、环保、能源、制药、起重、输送、建材、粮油等国民经济的支柱产业领域，先后为中国一重、中国二重、中国中冶、中粮集团、青山控股、齐鲁制药、宁德时代、中央电视台春晚舞台、北京冬奥会等国内大型工业企业及国家重点工程项目提供高性能的配套减速机，并出口东南亚、南美、中东等国家和地区。
随着齿轮箱行业的不断飞速发展，越来越多的行业和不同的企业都运用到了齿轮箱，也有越来越多的企业在齿轮箱行业内发展壮大。齿轮箱根据单元结构模块化设计原理，大大减少了零部件种类，适合大规模生产及灵活多变的选型。
二、齿轮箱的结构组成
（一）齿轮
齿轮是齿轮箱内最核心的部件之一，其主要作用是将动力从一个轴传递到另一个轴。通过齿轮的啮合，实现转速和扭矩的转换。齿轮通常由合金钢或铝合金等材料制成，以确保其强度和耐磨性。齿轮的形状和齿数直接影响齿轮箱的传动比和扭矩输出。例如，齿数较少的齿轮与齿数较多的齿轮啮合时，可以实现高转速向低转速的转换，同时增大扭矩。
（二）轴
轴在齿轮箱中起着传递旋转运动的关键作用。输入轴连接动力源，如发动机，将动力引入齿轮箱。输出轴则将减速或增速后的动力传递给负载。此外，还有副轴，它与离合器轴或输入轴直接连接，通过齿轮将动力传递给输出轴。不同类型的轴在齿轮箱中各司其职，共同实现动力的传递。
（三）轴承
轴承在齿轮箱中起到支撑旋转轴、保证轴稳定性和减少摩擦的重要作用。根据具体需求，可能采用滚动轴承、滑动轴承等不同类型。轴承的选型对齿轮箱的运行效率和寿命有重要影响。例如，在一些高速运转的齿轮箱中，可能会选择深沟球轴承，因其能承受较高的转速；而在承受较大载荷的情况下，可能会选用滚子轴承。
（四）壳体
壳体作为齿轮箱的外部结构，具有重要的保护作用。它能保护内部组件免受外界灰尘、湿气等环境因素的影响。同时，壳体也有助于散热，保持齿轮箱内部温度稳定。在设计壳体时，需考虑强度、刚度和密封性等因素，以确保齿轮箱的正常运行。例如，为了提高强度，可以采用高强度合金材料；为了保证密封性，可能会采用机械密封等方式。
（五）润滑系统
润滑系统在齿轮箱中起着至关重要的作用。它由润滑油、润滑油泵、滤油器、冷却器等部件组成。其主要功能是保持齿轮箱内部润滑，防止部件之间的磨损，并有助于散热。定期检查润滑油的质量和数量，确保其符合规格要求，并及时更换老化的润滑油是维护润滑系统的关键。例如，在风力发电机组的齿轮箱中，润滑系统的正常运行对整个发电机组的工作状况及使用寿命起着关键性作用。
（六）密封系统
密封系统的作用是防止润滑油泄漏和外界杂质进入齿轮箱内部，保护内部组件免受污染。根据具体需求，可能采用机械密封、油封等不同类型。密封系统的良好性能对于齿轮箱的稳定运行至关重要。例如，如果密封不良，可能会导致润滑油泄漏，影响齿轮箱的润滑效果，甚至损坏齿轮和轴承。
（七）其他部件
离合器：在部分齿轮箱中，离合器用于连接或断开输入轴与齿轮箱的动力传递。例如，在汽车变速器中，离合器可以实现平稳换挡。
制动器：用于在需要时停止齿轮箱的输出轴，确保设备的安全运行。比如在起重机的齿轮箱中，制动器可以在紧急情况下迅速停止设备。
传感器：现代齿轮箱可能配备传感器，用于实时监测齿轮箱的运行状态，如温度、振动等。通过传感器的数据反馈，可以及时发现问题并采取相应的措施，提高设备的可靠性和安全性。
三、不同类型齿轮箱结构特点
（一）平行轴齿轮箱
1. 平行直列齿轮箱
在平行直列齿轮箱中，输入轴和输出轴相互偏移一定量，但它们之间没有角度。平行齿轮箱中使用的主要齿轮类型有正齿轮、斜齿轮或双斜齿轮。
正齿轮噪声相对较大，由于其齿表面积较小，承受的应力较大，通常适用于低扭矩、低速应用。例如在一些小型的搅拌设备中，对噪音要求不高且扭矩需求较小的情况下可以使用正齿轮的平行直列齿轮箱。
斜齿轮具有更好的齿啮合特性，可以在类似的效率水平下传输更多的动力，同时噪音要小得多。不过，斜齿方向会沿轴产生很大的推力，有时需要特殊的轴承。斜齿轮的平行直列齿轮箱适用于对噪音有一定要求，且动力传输需求较大的场景，比如液体混合过程中的搅拌器。
双螺旋齿轮类似于并排的两个相对齿轮，有助于消除推力，同时保持相似的性能。由于其有效利用空间，平行直列齿轮箱非常适用于空间有限的应用。
2. 同轴直列齿轮箱
同轴直列齿轮箱的结构特点是齿轮箱的输入和输出共享同一轴线，因此通过输入轴中心的假想线也将通过输出轴中心。同轴直列齿轮箱使用行星系统，具有出色的性能特点。
行星齿轮箱非常紧凑，可以处理高扭矩和高加速度，同时遇到一点间隙。单级减速比高，可轻松连接，实现极高的减速比。例如在一些对空间要求严格且需要高减速比的设备中，同轴直列齿轮箱能发挥重要作用。
但同时，行星齿轮箱也有一些缺点，包括维护比其他齿轮系统更复杂，价格会稍微贵一点。
（二）直交轴齿轮箱
直交轴齿轮箱顾名思义，就是输入轴和输出轴成直角，从而在扭矩传输中产生 90 度的方向变化。直角齿轮箱有分为正交型齿轮箱或偏斜型齿轮箱。
正交直角齿轮箱是轴成直角并共享同一平面，通常使用直齿锥齿轮或螺旋锥齿轮。直齿锥齿轮箱是许多工业环境的标准配置，可提供良好的效率和动力传输，不过噪音更大，会产生很大的轴向力，导致效率损失很小。螺旋锥齿轮箱具有更好的轮齿啮合特性，噪音更小，动力传输能力更高。
斜直角齿轮箱的特点是输入轴和输出轴都成直角并相互偏移，轴的轴线不会与同一点相交。这些齿轮箱中主要使用蜗轮和准双曲面齿轮。蜗轮蜗杆齿轮箱的效率相对较低并会产生大量热量，使其不适用于高速或高效应用。但其优势包括低成本、高减速比、低噪声、低振动，在某些情况下，具有自锁能力。工业应用包括输送机、提升机和升降机等。
四、齿轮箱的工作原理
齿轮箱的工作原理主要是利用齿轮之间的啮合作用，将动力源的动能传递到机械设备的其他部件上。当动力源的动能传递到输入轴上时，齿轮箱内的齿轮就会开始转动。由于齿轮的齿数和直径不同，通过不同齿轮的相互啮合，可以实现转速和扭矩的转换。
调速器在齿轮箱中起着改变转速的重要作用。常见的调速方法有多种，如更换电机、更换齿轮组件、使用变频器、使用调速器、调整电源电压和使用机械变速器等。更换不同类型和规格的电机可以获得不同的转速范围；更换不同规格或齿数的齿轮，可以改变电机的输出转速；变频器通过调整频率和电压，能够精确控制齿轮减速电机的转速，还能提供平稳的启动和停止过程；调速器通常包括速度传感器、控制器和执行器等组件，通过监测电机的转速并根据设定的要求进行调整，实现精确的转速调节；调整电源电压可在一定程度上实现简单的转速调节，但需注意过高或过低的电压可能会对电机造成损坏；在一些特殊情况下，使用机械变速器可以通过改变齿轮组件的位置或切换不同的齿轮来实现转速调节。
减速器则主要用于减少齿轮箱的转矩。它可以通过改变齿轮的传动比，将输入轴的高速低扭矩转化为输出轴的低速高扭矩。例如，当驱动齿轮的齿数较少，从动齿轮的齿数较多时，输出轴的速度将较低，但扭矩较大。这种减速方式适用于需要增加扭矩而减少速度的应用场景。
总之，齿轮箱通过齿轮的啮合作用传递动力，调速器和减速器分别在改变转速和转矩方面发挥着关键作用，从而满足不同机械设备的工作要求。
五、齿轮箱的分类及特性
（一）按操作方式分类
手动变速箱（MT）
特点：手动变速箱通过手动拨动变速杆改变变速器内的齿轮啮合位置，进而改变传动比。其结构相对简单，主要由变速传动机构和操纵机构组成，有些汽车还有动力输出机构。传动机构大多用普通齿轮传动，也有的用行星齿轮传动。
优势：结构简单、制造成本以及维护费用较低、可靠性高、省油、传动效率高、换挡反应快，能给汽车驾驶爱好者带来更多的操控快感。
缺点：操作较为繁琐，而且换挡时伴有的顿挫感也是无法改变的。
自动变速箱
AT（液力自动变速箱）
特点：通过液力传动和行星齿轮的结合来实现自动变速。一般由液力变矩器、行星齿轮机构、换档执行器、换档控制系统、换档控制机构等装置组成。
优势：操作简单，省力；能保持行驶稳定性；只要把换挡杆放在 D 位置，就可以随意踩油门和刹车，省去了繁琐的换挡，操作方便；故障率相对较小；提高发动机和传动系的使用寿命，适应性好，能自动适应汽车驱动轮载荷的变化。
缺点：对速度变化反应较慢，没有手动变速箱灵敏；费油不经济，传动效率低变矩范围有限；结构复杂、制造成本高、传动效率低。
CVT（无级自动变速箱）
特点：主要部件是由滑轮和一条金属带组成，通过缩窄或者拉宽轮盘的间距来改变金属带与滑轮接触的直径，从而实现不同的转速转换。
优势：使用感觉平顺、挡位设定更为自由、燃油经济性高于其他自动变速箱，仅次于手动变速箱；废气排放相对较低，更为环保。
缺点：成本较高，操作不当容易出问题；传动的钢带能承受的力量有限，很多 CVT 车型会出现后劲不足的现象。
AMT（电控机械式自动变速箱）
特点：在传统手动变速器的基础上改进而来，是集 AT（自动）和 MT（手动）优点于一身的机电液一体化自动变速器。
优势：既有液力自动变速器自动变速的优点，又保留了原手动变速器效率高、成本低、结构简单、易于制造的优点。
缺点：操作不佳容易产生强烈的顿挫感，大大影响舒适性。
DCT（双离合自动变速箱）
特点：采用两组离合器，交替工作，达到无间隙换挡的效果。分为干式双离合和湿式双离合。
优势：换挡速度快，动力损失低，燃油经济性好；除了手动变速箱的灵活性和自动变速箱的舒适性之外，还能提供不间断的动力输出。
缺点：低速平顺性相对 AT 差些，目前可靠性问题依然值得关注，机构复用率低，体积限制了更多的档位。
（二）按转动布置形式分类
展开式齿轮箱
性能结构特点：
通常具有较大的减速比，能够实现较高的扭矩输出。
结构较为简单，易于维护，通常适用于低速、重载的传动场合。
输入轴和输出轴不在同一轴线上，需要通过联轴器或其他连接装置与设备连接。
适用范围：适用于需要较大减速比和较高扭矩输出的场合，如矿山机械、起重设备、输送设备等。
分流式齿轮箱
性能结构特点：
通过多个传动轴和齿轮的组合，实现扭矩的分流和传递。
结构紧凑，传动效率高，能够实现较大的减速比和扭矩输出。
通常具有较小的体积和重量，适用于对空间有要求的场合。
适用范围：适用于需要较大减速比和较高扭矩输出，同时对设备体积和重量有要求的场合，如工业机器人、精密机床等。
同轴式齿轮箱
性能结构特点：
输入轴和输出轴在同一轴线上，结构紧凑，安装方便。
由于其传动比相对较小，适用于高速、轻载的传动场合。
通常具有较高的传动效率，适用于对传动精度和稳定性要求较高的场合。
适用范围：适用于需要高速、轻载传动的场合，如食品机械、包装机械等。同时，由于其结构紧凑、安装方便，也适用于空间受限的场合。
混合式齿轮箱
性能结构特点：结合了展开式、分流式和同轴式齿轮箱的特点，具有多种传动方式的优势。可以根据不同的应用需求进行设计和调整。
适用范围：适用于复杂的传动系统，能够满足多种不同的工作条件和要求。例如在一些大型工业设备中，需要同时具备高减速比、高扭矩输出、紧凑的结构和高精度的传动，混合式齿轮箱可以发挥重要作用。
六、齿轮箱在工业中的应用
（一）工业机械
在起重机中，齿轮箱起着至关重要的作用。起重机需要提升和搬运重物，这就要求其具备强大的扭矩和稳定的运行。齿轮箱能够将电机的高速低扭矩转换为低速高扭矩，满足起重机的动力需求。例如，大型起重机通常采用大型工业齿轮箱，通过多级齿轮传动，实现高减速比，使起重机能够轻松地吊起数十吨甚至上百吨的重物。同时，齿轮箱还能保证起重机在不同负载下的平稳运行，提高工作效率和安全性。
在搅拌机中，齿轮箱的作用同样不可忽视。搅拌机需要将不同的物料充分混合，这就需要一定的转速和扭矩。齿轮箱可以根据搅拌物料的特性和工艺要求，调整搅拌机的转速，确保物料能够均匀混合。例如，在混凝土搅拌机中，齿轮箱能够承受较大的冲击载荷，保证搅拌机在恶劣的工作环境下长期稳定运行。此外，齿轮箱还能降低电机的功率和负荷，延长电机和搅拌机的使用寿命。
（二）机床设备
在机床设备中，齿轮箱主要用于控制刀具的转速，并且使其能够输出足够的扭矩以进行切削加工。不同的加工工艺和材料需要不同的刀具转速和扭矩，齿轮箱可以通过调整传动比来满足这些需求。例如，在加工硬度较高的材料时，需要较低的转速和较大的扭矩，以防止刀具磨损过快；而在加工软性材料时，可以适当提高转速，提高加工效率。
此外，齿轮箱还能提高机床设备的精度和稳定性。通过精确的齿轮传动，可以保证刀具的转速和进给量的准确性，从而提高加工精度。同时，齿轮箱的刚性和稳定性也能减少机床在加工过程中的振动，提高加工质量。
（三）物流设备
在物流设备中，齿轮箱常用于驱动各种运输设备，例如输送带、滚筒等，以达到较大的牵引力和低速的输出。在物流行业中，高效、稳定的运输设备是保证物流效率的关键。齿轮箱能够为输送带和滚筒提供足够的动力，使其能够顺利地运输各种货物。
例如，在大型物流中心，输送带系统需要长时间连续运行，对齿轮箱的可靠性和耐久性要求很高。齿轮箱能够承受较大的负载和冲击，保证输送带的稳定运行。同时，齿轮箱还可以根据不同的物流需求，调整输送带的速度，提高物流效率。
（四）风力发电
在风力发电机组中，齿轮箱是一个极其重要的组成部分。风力发电机组通常安装在高山、荒野、海滩等风口处，受无规律的变向变负荷的风力作用以及强阵风的冲击，常年经受酷暑严寒和极端温差的影响。齿轮箱必须具有足够的可靠性和使用寿命，以保证风力发电机组的正常运行。
齿轮箱的主要作用是将风轮在风力作用下所产生的动力传递给发电机并使其得到相应的转速。通常风轮的转速很低，远达不到发电机发电所要求的转速，必须通过齿轮箱齿轮副的增速作用来实现。例如，一个典型的风力发电机组中，风轮的转速可能只有每分钟几十转，而通过齿轮箱的增速后，发电机的转速可以达到每分钟几千转。
风力发电齿轮箱的技术参数要求非常严格。例如，齿轮箱的减速比通常较大，一般在几十甚至上百倍。同时，齿轮箱必须具有足够的强度和刚性，能够承受来自风轮的巨大作用力和齿轮传动时产生的反力。此外，齿轮箱还需要具备良好的润滑和冷却系统，以保证在恶劣的工作环境下长期稳定运行。根据相关数据，一个大型风力发电机组的齿轮箱重量可能达到几十吨甚至上百吨，其外径也可能达到几米。