齿轮机构的设计通常需要满足两个基本要求：一是传动平稳，即保持瞬时传动比恒定，以减小冲击、振动和噪音；二是承载能力大，要求在尺寸小、重量轻的前提下，轮齿具有足够的强度、耐磨性和寿命。
齿轮可按多种方式分类。按轴线相对位置可分为平行轴（如圆柱齿轮）、相交轴（如锥齿轮）和交错轴（如蜗杆蜗轮）传动。按齿线形状可分为直齿、斜齿、人字齿和曲线齿。
为实现定传动比传动，齿廓曲线必须满足齿廓啮合基本定律：即两齿廓在任意接触点的公法线必须通过连心线上的一个固定点（节点）。目前最常用的渐开线齿廓因其具有啮合线为直线、传动比恒定、中心距可分性等优良特性而被广泛采用。
齿轮设计涉及一系列关键几何参数的计算。
模数是决定齿轮尺寸的基本参数，与齿数共同决定了分度圆直径。压力角是影响齿形和啮合性能的重要参数，标准值通常为20°。设计计算还包括齿顶高、齿根高、齿厚等。
对于渐开线齿轮，为避免根切现象（削弱轮齿强度），需确保齿数不少于最少齿数，或采用变位齿轮进行修正。此外，重合度是衡量传动平稳性的重要指标，值越大表示同时啮合的齿对数越多，传动越平稳。
为确保齿轮在工作载荷下的可靠性，必须进行强度设计，主要包括齿根弯曲疲劳强度和齿面接触疲劳强度计算。材料选择与热处理工艺直接影响齿轮的承载能力和寿命。
常用材料包括调质钢、渗碳钢、铸钢及铸铁等，并通过淬火、回火、渗碳等热处理工艺来提高硬度、耐磨性和抗疲劳性能。
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