齿条：螺纹连接的设计和计算是否正确？

如果我们真的想要节约装配成本和时间的话，那么我们首先就需要去选择设计正确的齿条螺钉。那么这时候就紧接着产生了第二个问题：我们应该如何评估并优化这种设计。

当我们去观察比较齿轮和齿条这两种典型的机床零部件的时候，他们看上去长得完全不一样。齿轮是圆形的，中心对称的，而齿条却是长条状的。然而，当我们去考察其基本的工作原理的时候，我们就会发现，齿条实际上就是一个直径无限大的齿轮。正是因为这种特殊性，从而使得齿条和齿轮的分级和设计准则完全一致，甚至还包括了对它们的公差要求和强度要求。

但是，如果我们现在反过头来考察他们的生产制造工艺时，我们却又会发现，齿条的热处理和齿轮热处理工艺大相径庭。这其中的原因在于，对于齿条而言，它的工作面这一端是无数的齿，而它另一端的安装面区域却是整块的材料，因此，在进行热处理加工的时候，齿条的工艺复杂程度要远远高于齿轮。

基于上面提及的共同点和不同点，我们才能理解，为什么VDI2230技术标准里面，哪怕螺钉都是位于同一公差带，甚至装配内径都是一致，而齿条的螺纹连接的技术要求，却依然不同于齿轮的螺纹连接，要复杂很多。 譬如在VDI准则里面写着，当固定齿条的一排螺钉与应力流方向平行的时候，实际分布到每个螺钉上的应力却并不是均匀分配的。这排螺钉的最外两端的两颗螺钉，需要承载的荷载是最大的。

实践是原理的试金石。

在过去的若干年里，ATLANTA作为传动领域的领军企业，为了通过以理论联系实际的方式来解决难题，曾经进行了成千上万次的研究实验。在此期间，我们利用计算机辅助的建模程序，模拟了数不清的应用场景，包括螺钉的数量，大小，带辅助定位销，不带辅助定位销，甚至包括接触面，承载面的不同形状，以及齿条的制作工艺。这里面就只有一个唯一的例外，那就是以上提及的实验和计算，均不涉及到正齿和斜齿的模拟，否则的话，情况将会过于复杂。

在这个模拟程序中，我们主要计算的是螺钉所能产生的“位移阻力(Movement Resistant Force)”，针对这个专用名词，亚特兰传动技术有限公司的研发部经理，Mr.Marcus Timmermann做出了如下的解释：在通常的应用条件下，如果让一根装配好的齿条产生位移，在这个瞬间所对应的最大推力，就是上文所说的“位移阻力(MRF)”。由此，我们就可以将螺纹连接的安全设计定义为，齿条螺纹需要设计得足够强大，从而在设备急停的时候，对齿条上的定位销不产生任何影响。

“如果我们可以大幅度的减少装配工序，以及与此相关的物流消耗，那么我们就可以非常显著地减少装配总用时。因此，螺纹连接的设计就显得非常地重要，因为它需要负责引导由床身传向齿条的应力流”Mr.Timmermann进一步解释到。在此，应用工程师就需要注意，在螺纹连接中，不应产生任何额外的多余应力。在拉伸的时候，不允许有额外的横切力作用在螺纹上；或者在拉伸过程中不会侧向拉歪。螺钉一旦拉歪，那么就会产生内应力以及额外的荷载力，从而导致齿轮在齿条上的脱轨，或者造成螺钉的松动。

所需螺钉越少，可装配距离越长

“如果想让齿条产生的微量位移在完全可控的范围之内，那么此时装配工的认知水平就起了绝对重要的作用。可是，按照一般人的思维，大部分的装配工都会想当然地认为，螺钉的尺寸大小，在机床的装配过程当中，不会产生啥大的区别和影响。”Mr. Timmermann苦笑道。

举个例子：

按照我们的工业标准，1根1米长的模5的齿条，一般需要钻8个M12的装配孔。如果此时可以产生的位移阻力为100%的话，如果我们采用了16个M12的螺钉，共计可以达到200%的阻力。但是此时我们却需要2倍的长度，以及2倍的装配用时，才可以完成设计目标。

而如果我们继续保持2倍的长度，而此时我们采用2米的同模级齿条，那么我们仅仅需要8个M16的螺钉，在我们满足达到200%的位移阻力的同时，装配的时间也与1根1米的齿条相同。

这一点其实比较好理解，当我们装配长距离的齿条时，如果我们不去使用1米的齿条，而是采用2米的齿条去装配的话，并不意味着所需要的螺钉和接缝会自动多一倍，也不意味着所需要的装配时间也会多一倍。

除此以外，对于有经验的装配工来说，2米长的齿条的长度误差只是1米的齿条的1.3倍，这也就意味着，如果拿2米的齿条来装配长距离设备的话，其装配的总精度要远远优于1米齿条装配的设备。

箴言：

齿条的可控位移取决于设计人员，而不是取决于齿条本身

在齿条上力量的传递不仅仅是发生在齿面接触上，而且还发生在螺纹连接上。因此，位移阻力成为了决定因素之一

不管是大螺钉，还是小螺钉，只要它们数量相同，那么所需的装配时间也相同长距离的齿条会使用更多的螺钉，可以承载更大的位移阻力，因此我们要避免采用短齿条。如果设计正确，实际上安装定位销这道工序完全可以被省略。