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中图分类号： TB857 文献标识码： A 文章编号：
第一章 概述
1.1 前言
风能是一种可再生、无污染而且储量巨大的能源。近年来，国内外风电企业犹如雨后春笋般蓬勃发展，装机容量迅猛增长。在中国新增装机容量中，风电也开始超过水电，成为中国第二大新增能源，中国风能发展潜力巨大。2010年后，中国将成为国际风能市场的中心，也可能成为风电市场的制造中心。但是，风机制造中的几个瓶颈问题依然制约着国内风机制造水平的提高，其中风机齿轮箱的设计和制造显得尤为突出。
1.2 风电齿轮箱的功能与运行特点
风力发电机组中的齿轮箱的主要功能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，故也将齿轮箱称之为增速箱。根据机组的总体布置要求，有时将与风轮轮毂直接相连的传动轴（俗称大轴）与齿轮箱合为一体，也有将大轴与齿轮箱分别布置，其间利用涨紧套装置或联轴节连接的结构。为了增加机组的制动能力，常常在齿轮箱的输入端或输出端设置刹车装置，配合叶尖制动（定浆距风轮）或变浆距制动装置共同对机组传动系统进行联合制动。
由于机组安装在高山、荒野、海滩、海岛等风口处，受无规律的变向变负荷的风力作用以及强阵风的冲击，且常年经受酷暑严寒和极端温差的影响，加之所处自然环境交通不便，齿轮箱安装在塔顶的狭小空间内，一旦出现故障，修复非常困难，故对其可靠性和使用寿命都提出了比一般机械高得多的要求。
因为风力发电受自然条件的影响，一些特殊气象状况的出现，皆可能导致风电机组发生故障，而狭小的机舱不可能像在地面那样具有牢固的机座基础，整个传动系的动力匹配和扭转振动的因素总是集中反映在某个薄弱环节上，大量的实践证明，这个环节常常是机组中的齿轮箱，根据国内外风电机组的维修情况，齿轮箱是风电机组各个结构件中故障率最高的的构件之一。因此，加强对齿轮箱的研究，优化其设计结构和重视对其进行维护保养的工作非常重要。
第二章我国风机的分布特点与风电齿轮箱的主要结构型式
可以说风机的分布、使用状况，决定了齿轮箱的结构型式和设计理念。不同形式的风力发电机组有不一样的要求，齿轮箱的布置形式以及结构也因此而异，在风电齿轮箱的设计中充分考虑风机的使用位置和所处的环境是必要的。
2.1 风电齿轮箱的主要结构型式
风电齿轮箱种类繁多。按照传统类型可分为圆柱齿轮增速箱和行星增速箱，以及它们互相组合起来的齿轮箱；按照传动的级数可分为单级和多级齿轮箱；按照传动的布置形式又可分为展开式、分流式和同轴式以及混合式等。
目前在风电行业大功率风机增速箱中，应用比较普遍的结构型式有三种：1、一级行星齿轮增速箱，2、一级行星加二级平行轴齿轮增速箱，3、二级行星加一级平行轴齿轮增速箱。如下图为一级行星齿轮增速箱的一种：
其传动路线是；叶轮——行星架——行星轮——太阳轮——发电机（齿轮箱输出轴与发电机输入轴通过花键、花键套联接）
2.2 我国风机分布及使用特点对齿轮箱结构设计的要求：<1> 过去小容量风电机组齿轮箱多采用平行轴斜齿轮增速结构，后来由于风电机组容量不断增大，为避免齿轮箱造价过高、重量体积过大，500kW以上的风电机组齿轮箱多为平行轴与行星轮的混合结构。
<2> 由于我国有些地区地形地貌、气候特征与欧美相比有特殊性，可能对标准设计的齿轮箱正常运行有一定影响。我国风电场多数处于山区或丘陵地带，尤其是东南沿海及岛屿，地形复杂造成气流受地形影响发生崎变，由此产生在风轮上除水平来流外还有径向气流分量。我国相当一部分地区气流的阵风因子影响较大，对于风电机组机械传动力系来说，经常出现超过其设计极限条件的情况。作为传递动力的装置——齿轮箱，由于气流的不稳定性，导致齿轮箱长期处于复杂的交变载荷下工作，而且设备安装在几十米高空，不可能容易地送到工厂检修，因此经常进行状态监视可以及时发现问题，及时处理，还可以分析从出现故障征兆到彻底失效的时间，以便及时安排检修。 <3> 在我国北方地区，冬季气温很低，一些风场极端(短时)最低气温达到-40℃以下，而风力发电机组的设计最低运行气温在-20℃以上，个别低温型风力发电机组最低可达到-30℃。如果长时间在低温下运行，将损坏风力发电机组中的部件，如齿轮箱。由于齿轮油会因气温太低而变得很稠，采取飞溅润滑部位，无法得到充分的润滑，导致齿轮或轴承短时缺乏润滑而损坏，因此必须对齿轮箱进行加温。
第三章 风电齿轮箱的设计因素
如前所述，由于风电齿轮箱的特殊性，及多年来该类产品的设计和使用的经验，美国风能协会（AWEA）和美国齿轮协会（AGMA）于2003年10月修订了专门的风电齿轮箱标准，并于2004年1月升级为美国国家标准，即ANSI/AGMA/AWEA6006-A03“Standard for Design and Specification of Gearbox for Wind Turbines”，对40kW ～ 2 MW 的风力发电机组增速齿轮箱的设计制造和应用作了具体的规定。由于该标准在国际上应用的普遍性，国际标准化组织2005年也直接将该标准确定为国际标准，ISO81400-4:2005。此外我国也于2003年制定了首部风电齿轮箱标准：GB/T19073-2003《风力发电机组齿轮箱》标准，规定了风轮扫掠面积大于或等于40 m2的风力发电机组增速齿轮箱的技术要求、试验方法、检验规定和标志、包装、运输、贮存等要求。德国劳氏船级社的风力发电机组认证规范中也对齿轮箱的校核要求作了详细规定。
由于风电齿轮箱特殊的使用条件和功能，所以其设计的合理与否不仅决定了齿轮箱的性能，还会极大的影响到风电机组的可靠性。上述标准或规范从不同的方面，对风电齿轮箱的设计、制造、使用和维护等都给出了具体的规定，但总体来说，风电齿轮箱在设计阶段应对以下因素予以充分考虑：
3.1 增速比
由于叶尖线速度不能过高，所以通常风机风轮的转速很低，而随着风机单机容量的增大，齿轮箱额定输入转速逐渐降低，兆瓦级以上机组的额定转速一般不超過20r/min,而发电机的额定转速一般为1500或1800 r/min，因此大型风电齿轮箱的增速比一般在75～100左右。
3.2 齿轮箱结构设计及级数
由于风电齿轮箱的增速比比较高，而且又安装在狭小的空间内，所以在保证满足载荷传递的条件下，体积尽可能小，重量尽可能轻，可靠性要高，要求其寿命至少为20年。目前风电行业应用较多的是三级增速箱，一般为一级行星和两级圆柱齿轮组合，或由两级行星和一级圆柱齿轮组合。
3.3齿轮箱的设计载荷
齿轮箱作为传递动力的部件，在运行期间同时承受动、静载荷。其动载荷部分取决于风轮、发电机的特性和传动轴、联轴器的质量、刚度、阻尼值以及发电机的外部工作条件。为此要建立整个机组的动态仿真模型，对启动、运行、空转、停机、正常启动和紧急制动等各种工况进行模拟，针对不同的机型得出相应的动态功率曲线，利用专用的设计软件进行分析计算，求出零部件的设计载荷，并以此为依据，对齿轮箱主要零部件作强度计算。如哈飞1.5MW半直驱风力发电机组齿轮箱载荷计算采用ANSYS软件进行有限元分析。
由于风电齿轮箱的载荷计算是进行整机计算的依据之一，其确定的合理性和准确性，对整机的可靠性和经济性有着决定性影响。但是风速是瞬间变化的，所以风电齿轮箱的转速及载荷也具有复杂多变的随机性。最合理的载荷确定方法是对其应用的周期和工况载荷谱进行测定，并以此为当量载荷进行设计。由于不同的地域及气象条件下的载荷特征各不相同，因此目前齿轮箱设计时多以额定功率和额定转速，同时考虑1.3倍的使用系数进行计算。尽管这是一个并不令人满意的方法，但在现阶段也是较为实际和可接受的方法。
按照GB/T 19073-2003， 对于齿轮箱的使用系数（即动载荷放大因子）推荐如下:<1> 给定载荷谱计算时，通常先确定等效载荷，齿轮箱使用系数KA＝1；
<2> 无法得到载荷谱时，则采用经验数据，对于三叶片风力发电机组取KA=1.3。
3.4 齿轮设计
风力发电机组增速箱的主要承载零件是齿轮，其轮齿的失效形式主要是轮齿折断和齿面点蚀、剥落等。各种标准和规范都要求对齿轮的承载能力进行分析计算，常用的标准GB/T3480或DIN3990（等效采用ISO6336）中规定的齿根弯曲疲劳和齿面接触疲劳校核计算，对轮齿进行极限状态分析
齿轮传动设计参数的选择：
(1).齿形角α（分度圆压力角） 的选择
齿轮的标准齿形角为20°。为了提高强度，有时也采用大齿形角（如23°、25°、28°等），使轮齿的齿厚及节点处的齿廓曲率半径增大，从而提高承载能力，但会增大轴承上的负荷。采用小齿形角（小于20°）时，可使避免根切的最少齿数增多，加大了重合度，从而降低噪聲和动载荷，但会减小轮齿的强度。
根据实践经验，如果没有特别要求，建议采用20°标准齿形角。
(2).模数m的选择
在满足轮齿弯曲强度的条件下，选用较小的模数可以增大齿轮副的重合度，减小滑动率，也可以减小齿轮切削量，降低制造成本。但随之而来的因制造和安装的质量问题会增大轮齿折断的危险性，实际使用常常选用较大模数。模数的选择应符合GB/T1357的规定或按照经验数据取
m =（0.015～0.02）a 。
a ——齿轮传动的中心距。
齿轮的基本齿廓应符合GB/T1356 的规定。
(3).齿数z
受齿轮根切的限制，小齿轮有最少齿数的要求。对于尺寸一定的齿轮，齿数增加和模数减小可明显提高传动质量，故在满足轮齿弯曲强度的条件下，应尽量选用较多齿数。
(4).螺旋角β
β角太小，将失去斜齿轮的优点；取大值，可增大重合度，使传动平稳性提高，但会引起很大的轴向力，一般取β=8°～15°。人字齿轮可取大一些，例如取β=25°～40°。对于普通圆柱齿轮传动，低速级转速低扭矩大，可采用直齿轮；中间级通常取β=8°～12°；
高速级为减小噪音，可取较大的β角，如10°～15°。
(5).齿宽b齿宽是决定齿轮承载能力的主要尺寸之一，但齿宽越大，载荷沿齿宽分布不均的现象越严重。齿轮应根据其载荷要求给定一个最小齿宽bmin，以保证齿轮足够的刚度。
齿轮设计应以设计载荷为依据，进行强度计算，其结果应满足风电齿轮箱标准的基本要求，下表给出了不同标准规定的安全系数基本要求。风电齿轮箱要求可靠性比较高，因此其齿轮材料应采用高等级的优质齿轮钢，一般应在MQ级以上，齿面粗糙度应为Ra0.4或者更低，而且齿轮应进行适宜的修形处理，要求精度一般为GB/T10095的5级，并进行渗碳、氮化或淬火等处理。
表：齿轮强度计算安全系数
注：斜线下的数字对应于无载荷谱时的情况
齿轮设计时还应进行极限载荷时的静强度核算，防止随机出现的极限载荷和风机紧急停机时可能出现的极限载荷对齿轮强度的影响，确保极端条件下齿轮强度的安全性。
3.5轴承设计
在风力机的运行过程中，风轮的受力状况极为恶劣，经常在急剧变化 的重载荷下连续运行数小时，其所受到的各种载荷都通过主轴直接传递给齿轮箱中的轴承。而且风力发电机组的设计通常要求在无人值班的运行条件下工作长达20年之 久，因此齿轮箱中的轴承在此受到了真正的考验。近年来国内外风力发电机组故障率最高的部件当数齿轮箱，而齿轮箱的故障绝大多数是由于轴承的故障造成。
轴承设计之前，应该充分考虑其使用的要求，一般可参循以下几个要素：
3.5.1可用空间
A：对小直径机轴可采用球轴承，对大直径机轴可采用圆柱，球面滚子，圆锥滚子轴承。
B：当径向空间有限时，需采用截面较小的轴承。当轴向空间有限时，可采用圆柱滚子或承受复合负荷的深沟球轴承。
3.5.2静态承载能力
轴承的额定静态承载能力定义为轴承的静态负载Co与等效静态负荷Po 之比。一般根据JB/T8567-1997规定计算得来，通常还需考虑极限载荷。极限负荷下的载荷承受能力，其安全系数不应小于2。 3.5.3 轴承的使用寿命
轴承的使用寿命，通常按额定运行载荷来计算。滚动轴承的寿命随载荷的增大而降低，寿命与载荷的关系曲线如下图。
其曲线方程为 ：PεL10=常数
总的来讲，轴承应用应考虑以上几个基本情况。
当确定好某个型号后，其寿命情况根据公式L10=（C/P）ε，可得其百万转为单位的额定寿命，其中
P——当量动载荷，N；
L10——基本额定寿命，（当寿命为一百万转时，L10=1）；
ε——寿命指数，球轴承ε=3，滚子轴承ε=10/3；
考虑到实际应用中会有很多条件，比如风力机的受力状态和工作 状态的不稳定性，以及日常的维护及保养等等，对额定载荷C和当量动载荷P应按实际情况加以修正。
3.6 润滑及冷却系统
由于风电齿轮箱传动比比较高，所以根据需要的润滑油量选用合理的润滑油泵、过滤器等，确保各啮合点及轴承都得到充分的润滑，以及选用合理的冷却方式，确保齿轮箱各部位都在适宜的温度中工作，可以极大地提高齿轮箱的可靠性和使用寿命。
风电齿轮箱的润滑油应具有良好的极压抗磨性、低温流动性、抗泡沫性、抗微点蚀性及较长的寿命，通常要求风电齿轮箱的换油周期为25000～50000h。
齿轮箱热平衡是衡量齿轮箱设计是否合理的一个重要指标，热平衡的计算一般通过公式：，（其中）来计算主增速箱啮合热量损失，得出润滑油总流量，并进行分配。
风电齿轮箱的冷却方式可以采用风冷和水冷或者两者结合的冷却方式，可以根据机组的结构和要求来定。在数十米高的塔架上，齿轮箱冷却系统的冷却器，用水作冷却介质虽然效果较好，但配置上有诸多困难。宜选用电动机鼓风冷却的风/油冷却器。可根据损耗功率大小选择相应规格的冷却器。一般采用的计算公式为：，式中:
P01 ——冷却器的当量冷却功率（KW/oC）
Pv ——损耗功率
Pk ——箱体散热功率
T1——齿轮箱期望的最高油温
T3——环境温度按夏季机舱可能的最高温度计算
第四章 结论
作为风电机组中最重要而且最容易出现故障的部件之一，齿轮箱的设计与制造正在被越来越多的制造厂家所重视，其决定整个风机的运行状态，降低齿轮箱的故障率对于整个风电机组来说至关重要，对于整机制造厂商来说，选择优质而价廉的齿轮箱是保证整个机组质量过关的关键。
参考文献
【1】刘忠明，段守敏，王长路《风力发电齿轮箱设计制造技术的发展与展望》机械传动，2006,6
【2】中国船级社，《风力发电机组规范》，北京，2008.6.1。
第一章 概述
1.1 前言
风能是一种可再生、无污染而且储量巨大的能源。近年来，国内外风电企业犹如雨后春笋般蓬勃发展，装机容量迅猛增长。在中国新增装机容量中，风电也开始超过水电，成为中国第二大新增能源，中国风能发展潜力巨大。2010年后，中国将成为国际风能市场的中心，也可能成为风电市场的制造中心。但是，风机制造中的几个瓶颈问题依然制约着国内风机制造水平的提高，其中风机齿轮箱的设计和制造显得尤为突出。
1.2 风电齿轮箱的功能与运行特点
风力发电机组中的齿轮箱的主要功能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，故也将齿轮箱称之为增速箱。根据机组的总体布置要求，有时将与风轮轮毂直接相连的传动轴（俗称大轴）与齿轮箱合为一体，也有将大轴与齿轮箱分别布置，其间利用涨紧套装置或联轴节连接的结构。为了增加机组的制动能力，常常在齿轮箱的输入端或输出端设置刹车装置，配合叶尖制动（定浆距风轮）或变浆距制动装置共同对机组传动系统进行联合制动。
由于机组安装在高山、荒野、海滩、海岛等风口处，受无规律的变向变负荷的风力作用以及强阵风的冲击，且常年经受酷暑严寒和极端温差的影响，加之所处自然环境交通不便，齿轮箱安装在塔顶的狭小空间内，一旦出现故障，修复非常困难，故对其可靠性和使用寿命都提出了比一般机械高得多的要求。
因为风力发电受自然条件的影响，一些特殊气象状况的出现，皆可能导致风电机组发生故障，而狭小的机舱不可能像在地面那样具有牢固的机座基础，整个传动系的动力匹配和扭转振动的因素总是集中反映在某个薄弱环节上，大量的实践证明，这个环节常常是机组中的齿轮箱，根据国内外风电机组的维修情况，齿轮箱是风电机组各个结构件中故障率最高的的构件之一。因此，加强对齿轮箱的研究，优化其设计结构和重视对其进行维护保养的工作非常重要。
第二章我国风机的分布特点与风电齿轮箱的主要结构型式
可以说风机的分布、使用状况，决定了齿轮箱的结构型式和设计理念。不同形式的风力发电机组有不一样的要求，齿轮箱的布置形式以及结构也因此而异，在风电齿轮箱的设计中充分考虑风机的使用位置和所处的环境是必要的。
2.1 风电齿轮箱的主要结构型式
风电齿轮箱种类繁多。按照传统类型可分为圆柱齿轮增速箱和行星增速箱，以及它们互相组合起来的齿轮箱；按照传动的级数可分为单级和多级齿轮箱；按照传动的布置形式又可分为展开式、分流式和同轴式以及混合式等。
目前在风电行业大功率风机增速箱中，应用比较普遍的结构型式有三种：1、一级行星齿轮增速箱，2、一级行星加二级平行轴齿轮增速箱，3、二级行星加一级平行轴齿轮增速箱。如下图为一级行星齿轮增速箱的一种：
其传动路线是；叶轮——行星架——行星轮——太阳轮——发电机（齿轮箱输出轴与发电机输入轴通过花键、花键套联接）
2.2 我国风机分布及使用特点对齿轮箱结构设计的要求：<1> 过去小容量风电机组齿轮箱多采用平行轴斜齿轮增速结构，后来由于风电机组容量不断增大，为避免齿轮箱造价过高、重量体积过大，500kW以上的风电机组齿轮箱多为平行轴与行星轮的混合结构。
<2> 由于我国有些地区地形地貌、气候特征与欧美相比有特殊性，可能对标准设计的齿轮箱正常运行有一定影响。我国风电场多数处于山区或丘陵地带，尤其是东南沿海及岛屿，地形复杂造成气流受地形影响发生崎变，由此产生在风轮上除水平来流外还有径向气流分量。我国相当一部分地区气流的阵风因子影响较大，对于风电机组机械传动力系来说，经常出现超过其设计极限条件的情况。作为传递动力的装置——齿轮箱，由于气流的不稳定性，导致齿轮箱长期处于复杂的交变载荷下工作，而且设备安装在几十米高空，不可能容易地送到工厂检修，因此经常进行状态监视可以及时发现问题，及时处理，还可以分析从出现故障征兆到彻底失效的时间，以便及时安排检修。 <3> 在我国北方地区，冬季气温很低，一些风场极端(短时)最低气温达到-40℃以下，而风力发电机组的设计最低运行气温在-20℃以上，个别低温型风力发电机组最低可达到-30℃。如果长时间在低温下运行，将损坏风力发电机组中的部件，如齿轮箱。由于齿轮油会因气温太低而变得很稠，采取飞溅润滑部位，无法得到充分的润滑，导致齿轮或轴承短时缺乏润滑而损坏，因此必须对齿轮箱进行加温。
第三章 风电齿轮箱的设计因素
如前所述，由于风电齿轮箱的特殊性，及多年来该类产品的设计和使用的经验，美国风能协会（AWEA）和美国齿轮协会（AGMA）于2003年10月修订了专门的风电齿轮箱标准，并于2004年1月升级为美国国家标准，即ANSI/AGMA/AWEA6006-A03“Standard for Design and Specification of Gearbox for Wind Turbines”，对40kW ～ 2 MW 的风力发电机组增速齿轮箱的设计制造和应用作了具体的规定。由于该标准在国际上应用的普遍性，国际标准化组织2005年也直接将该标准确定为国际标准，ISO81400-4:2005。此外我国也于2003年制定了首部风电齿轮箱标准：GB/T19073-2003《风力发电机组齿轮箱》标准，规定了风轮扫掠面积大于或等于40 m2的风力发电机组增速齿轮箱的技术要求、试验方法、检验规定和标志、包装、运输、贮存等要求。德国劳氏船级社的风力发电机组认证规范中也对齿轮箱的校核要求作了详细规定。
由于风电齿轮箱特殊的使用条件和功能，所以其设计的合理与否不仅决定了齿轮箱的性能，还会极大的影响到风电机组的可靠性。上述标准或规范从不同的方面，对风电齿轮箱的设计、制造、使用和维护等都给出了具体的规定，但总体来说，风电齿轮箱在设计阶段应对以下因素予以充分考虑：
3.1 增速比
由于叶尖线速度不能过高，所以通常风机风轮的转速很低，而随着风机单机容量的增大，齿轮箱额定输入转速逐渐降低，兆瓦级以上机组的额定转速一般不超過20r/min,而发电机的额定转速一般为1500或1800 r/min，因此大型风电齿轮箱的增速比一般在75～100左右。
3.2 齿轮箱结构设计及级数
由于风电齿轮箱的增速比比较高，而且又安装在狭小的空间内，所以在保证满足载荷传递的条件下，体积尽可能小，重量尽可能轻，可靠性要高，要求其寿命至少为20年。目前风电行业应用较多的是三级增速箱，一般为一级行星和两级圆柱齿轮组合，或由两级行星和一级圆柱齿轮组合。
3.3齿轮箱的设计载荷
齿轮箱作为传递动力的部件，在运行期间同时承受动、静载荷。其动载荷部分取决于风轮、发电机的特性和传动轴、联轴器的质量、刚度、阻尼值以及发电机的外部工作条件。为此要建立整个机组的动态仿真模型，对启动、运行、空转、停机、正常启动和紧急制动等各种工况进行模拟，针对不同的机型得出相应的动态功率曲线，利用专用的设计软件进行分析计算，求出零部件的设计载荷，并以此为依据，对齿轮箱主要零部件作强度计算。如哈飞1.5MW半直驱风力发电机组齿轮箱载荷计算采用ANSYS软件进行有限元分析。
由于风电齿轮箱的载荷计算是进行整机计算的依据之一，其确定的合理性和准确性，对整机的可靠性和经济性有着决定性影响。但是风速是瞬间变化的，所以风电齿轮箱的转速及载荷也具有复杂多变的随机性。最合理的载荷确定方法是对其应用的周期和工况载荷谱进行测定，并以此为当量载荷进行设计。由于不同的地域及气象条件下的载荷特征各不相同，因此目前齿轮箱设计时多以额定功率和额定转速，同时考虑1.3倍的使用系数进行计算。尽管这是一个并不令人满意的方法，但在现阶段也是较为实际和可接受的方法。
按照GB/T 19073-2003， 对于齿轮箱的使用系数（即动载荷放大因子）推荐如下:<1> 给定载荷谱计算时，通常先确定等效载荷，齿轮箱使用系数KA＝1；
<2> 无法得到载荷谱时，则采用经验数据，对于三叶片风力发电机组取KA=1.3。
3.4 齿轮设计
风力发电机组增速箱的主要承载零件是齿轮，其轮齿的失效形式主要是轮齿折断和齿面点蚀、剥落等。各种标准和规范都要求对齿轮的承载能力进行分析计算，常用的标准GB/T3480或DIN3990（等效采用ISO6336）中规定的齿根弯曲疲劳和齿面接触疲劳校核计算，对轮齿进行极限状态分析
齿轮传动设计参数的选择：
(1).齿形角α（分度圆压力角） 的选择
齿轮的标准齿形角为20°。为了提高强度，有时也采用大齿形角（如23°、25°、28°等），使轮齿的齿厚及节点处的齿廓曲率半径增大，从而提高承载能力，但会增大轴承上的负荷。采用小齿形角（小于20°）时，可使避免根切的最少齿数增多，加大了重合度，从而降低噪聲和动载荷，但会减小轮齿的强度。
根据实践经验，如果没有特别要求，建议采用20°标准齿形角。
(2).模数m的选择
在满足轮齿弯曲强度的条件下，选用较小的模数可以增大齿轮副的重合度，减小滑动率，也可以减小齿轮切削量，降低制造成本。但随之而来的因制造和安装的质量问题会增大轮齿折断的危险性，实际使用常常选用较大模数。模数的选择应符合GB/T1357的规定或按照经验数据取
m =（0.015～0.02）a 。
a ——齿轮传动的中心距。
齿轮的基本齿廓应符合GB/T1356 的规定。
(3).齿数z
受齿轮根切的限制，小齿轮有最少齿数的要求。对于尺寸一定的齿轮，齿数增加和模数减小可明显提高传动质量，故在满足轮齿弯曲强度的条件下，应尽量选用较多齿数。
(4).螺旋角β
β角太小，将失去斜齿轮的优点；取大值，可增大重合度，使传动平稳性提高，但会引起很大的轴向力，一般取β=8°～15°。人字齿轮可取大一些，例如取β=25°～40°。对于普通圆柱齿轮传动，低速级转速低扭矩大，可采用直齿轮；中间级通常取β=8°～12°；
高速级为减小噪音，可取较大的β角，如10°～15°。
(5).齿宽b齿宽是决定齿轮承载能力的主要尺寸之一，但齿宽越大，载荷沿齿宽分布不均的现象越严重。齿轮应根据其载荷要求给定一个最小齿宽bmin，以保证齿轮足够的刚度。
齿轮设计应以设计载荷为依据，进行强度计算，其结果应满足风电齿轮箱标准的基本要求，下表给出了不同标准规定的安全系数基本要求。风电齿轮箱要求可靠性比较高，因此其齿轮材料应采用高等级的优质齿轮钢，一般应在MQ级以上，齿面粗糙度应为Ra0.4或者更低，而且齿轮应进行适宜的修形处理，要求精度一般为GB/T10095的5级，并进行渗碳、氮化或淬火等处理。
表：齿轮强度计算安全系数
注：斜线下的数字对应于无载荷谱时的情况
齿轮设计时还应进行极限载荷时的静强度核算，防止随机出现的极限载荷和风机紧急停机时可能出现的极限载荷对齿轮强度的影响，确保极端条件下齿轮强度的安全性。
3.5轴承设计
在风力机的运行过程中，风轮的受力状况极为恶劣，经常在急剧变化 的重载荷下连续运行数小时，其所受到的各种载荷都通过主轴直接传递给齿轮箱中的轴承。而且风力发电机组的设计通常要求在无人值班的运行条件下工作长达20年之 久，因此齿轮箱中的轴承在此受到了真正的考验。近年来国内外风力发电机组故障率最高的部件当数齿轮箱，而齿轮箱的故障绝大多数是由于轴承的故障造成。
轴承设计之前，应该充分考虑其使用的要求，一般可参循以下几个要素：
3.5.1可用空间
A：对小直径机轴可采用球轴承，对大直径机轴可采用圆柱，球面滚子，圆锥滚子轴承。
B：当径向空间有限时，需采用截面较小的轴承。当轴向空间有限时，可采用圆柱滚子或承受复合负荷的深沟球轴承。
3.5.2静态承载能力
轴承的额定静态承载能力定义为轴承的静态负载Co与等效静态负荷Po 之比。一般根据JB/T8567-1997规定计算得来，通常还需考虑极限载荷。极限负荷下的载荷承受能力，其安全系数不应小于2。 3.5.3 轴承的使用寿命
轴承的使用寿命，通常按额定运行载荷来计算。滚动轴承的寿命随载荷的增大而降低，寿命与载荷的关系曲线如下图。
其曲线方程为 ：PεL10=常数
总的来讲，轴承应用应考虑以上几个基本情况。
当确定好某个型号后，其寿命情况根据公式L10=（C/P）ε，可得其百万转为单位的额定寿命，其中
P——当量动载荷，N；
L10——基本额定寿命，（当寿命为一百万转时，L10=1）；
ε——寿命指数，球轴承ε=3，滚子轴承ε=10/3；
考虑到实际应用中会有很多条件，比如风力机的受力状态和工作 状态的不稳定性，以及日常的维护及保养等等，对额定载荷C和当量动载荷P应按实际情况加以修正。
3.6 润滑及冷却系统
由于风电齿轮箱传动比比较高，所以根据需要的润滑油量选用合理的润滑油泵、过滤器等，确保各啮合点及轴承都得到充分的润滑，以及选用合理的冷却方式，确保齿轮箱各部位都在适宜的温度中工作，可以极大地提高齿轮箱的可靠性和使用寿命。
风电齿轮箱的润滑油应具有良好的极压抗磨性、低温流动性、抗泡沫性、抗微点蚀性及较长的寿命，通常要求风电齿轮箱的换油周期为25000～50000h。
齿轮箱热平衡是衡量齿轮箱设计是否合理的一个重要指标，热平衡的计算一般通过公式：，（其中）来计算主增速箱啮合热量损失，得出润滑油总流量，并进行分配。
风电齿轮箱的冷却方式可以采用风冷和水冷或者两者结合的冷却方式，可以根据机组的结构和要求来定。在数十米高的塔架上，齿轮箱冷却系统的冷却器，用水作冷却介质虽然效果较好，但配置上有诸多困难。宜选用电动机鼓风冷却的风/油冷却器。可根据损耗功率大小选择相应规格的冷却器。一般采用的计算公式为：，式中:
P01 ——冷却器的当量冷却功率（KW/oC）
Pv ——损耗功率
Pk ——箱体散热功率
T1——齿轮箱期望的最高油温
T3——环境温度按夏季机舱可能的最高温度计算
第四章 结论
作为风电机组中最重要而且最容易出现故障的部件之一，齿轮箱的设计与制造正在被越来越多的制造厂家所重视，其决定整个风机的运行状态，降低齿轮箱的故障率对于整个风电机组来说至关重要，对于整机制造厂商来说，选择优质而价廉的齿轮箱是保证整个机组质量过关的关键。
参考文献
【1】刘忠明，段守敏，王长路《风力发电齿轮箱设计制造技术的发展与展望》机械传动，2006,6
【2】中国船级社，《风力发电机组规范》，北京，2008.6.1。