齒條：螺紋連接的設計和計算是否正確？

如果我們真的想要節約裝配成本和時間的話，那么我們首先就需要去選擇設計正確的齒條螺釘。那么這時候就緊接著產生了第二個問題：我們應該如何評估并優化這種設計。

當我們去觀察比較齒輪和齒條這兩種典型的機床零部件的時候，他們看上去長得完全不一樣。齒輪是圓形的，中心對稱的，而齒條卻是長條狀的。然而，當我們去考察其基本的工作原理的時候，我們就會發現，齒條實際上就是一個直徑無限大的齒輪。正是因為這種特殊性，從而使得齒條和齒輪的分級和設計準則完全一致，甚至還包括了對它們的公差要求和強度要求。

但是，如果我們現在反過頭來考察他們的生產制造工藝時，我們卻又會發現，齒條的熱處理和齒輪熱處理工藝大相徑庭。這其中的原因在于，對于齒條而言，它的工作面這一端是無數的齒，而它另一端的安裝面區域卻是整塊的材料，因此，在進行熱處理加工的時候，齒條的工藝復雜程度要遠遠高于齒輪。

基于上面提及的共同點和不同點，我們才能理解，為什么VDI2230技術標準里面，哪怕螺釘都是位于同一公差帶，甚至裝配內徑都是一致，而齒條的螺紋連接的技術要求，卻依然不同于齒輪的螺紋連接，要復雜很多。 譬如在VDI準則里面寫著，當固定齒條的一排螺釘與應力流方向平行的時候，實際分布到每個螺釘上的應力卻并不是均勻分配的。這排螺釘的最外兩端的兩顆螺釘，需要承載的荷載是最大的。

實踐是原理的試金石。

在過去的若干年里，ATLANTA作為傳動領域的領軍企業，為了通過以理論聯系實際的方式來解決難題，曾經進行了成千上萬次的研究實驗。在此期間，我們利用計算機輔助的建模程序，模擬了數不清的應用場景，包括螺釘的數量，大小，帶輔助定位銷，不帶輔助定位銷，甚至包括接觸面，承載面的不同形狀，以及齒條的制作工藝。這里面就只有一個唯一的例外，那就是以上提及的實驗和計算，均不涉及到正齒和斜齒的模擬，否則的話，情況將會過于復雜。

在這個模擬程序中，我們主要計算的是螺釘所能產生的“位移阻力(Movement Resistant Force)”，針對這個專用名詞，亞特蘭傳動技術有限公司的研發部經理，Mr.Marcus Timmermann做出了如下的解釋：在通常的應用條件下，如果讓一根裝配好的齒條產生位移，在這個瞬間所對應的最大推力，就是上文所說的“位移阻力(MRF)”。由此，我們就可以將螺紋連接的安全設計定義為，齒條螺紋需要設計得足夠強大，從而在設備急停的時候，對齒條上的定位銷不產生任何影響。

“如果我們可以大幅度的減少裝配工序，以及與此相關的物流消耗，那么我們就可以非常顯著地減少裝配總用時。因此，螺紋連接的設計就顯得非常地重要，因為它需要負責引導由床身傳向齒條的應力流”Mr.Timmermann進一步解釋到。在此，應用工程師就需要注意，在螺紋連接中，不應產生任何額外的多余應力。在拉伸的時候，不允許有額外的橫切力作用在螺紋上；或者在拉伸過程中不會側向拉歪。螺釘一旦拉歪，那么就會產生內應力以及額外的荷載力，從而導致齒輪在齒條上的脫軌，或者造成螺釘的松動。

所需螺釘越少，可裝配距離越長

“如果想讓齒條產生的微量位移在完全可控的范圍之內，那么此時裝配工的認知水平就起了絕對重要的作用。可是，按照一般人的思維，大部分的裝配工都會想當然地認為，螺釘的尺寸大小，在機床的裝配過程當中，不會產生啥大的區別和影響。”Mr. Timmermann苦笑道。

舉個例子：

按照我們的工業標準，1根1米長的模5的齒條，一般需要鉆8個M12的裝配孔。如果此時可以產生的位移阻力為100%的話，如果我們采用了16個M12的螺釘，共計可以達到200%的阻力。但是此時我們卻需要2倍的長度，以及2倍的裝配用時，才可以完成設計目標。

而如果我們繼續保持2倍的長度，而此時我們采用2米的同模級齒條，那么我們僅僅需要8個M16的螺釘，在我們滿足達到200%的位移阻力的同時，裝配的時間也與1根1米的齒條相同。

這一點其實比較好理解，當我們裝配長距離的齒條時，如果我們不去使用1米的齒條，而是采用2米的齒條去裝配的話，并不意味著所需要的螺釘和接縫會自動多一倍，也不意味著所需要的裝配時間也會多一倍。

除此以外，對于有經驗的裝配工來說，2米長的齒條的長度誤差只是1米的齒條的1.3倍，這也就意味著，如果拿2米的齒條來裝配長距離設備的話，其裝配的總精度要遠遠優于1米齒條裝配的設備。

箴言：

齒條的可控位移取決于設計人員，而不是取決于齒條本身

在齒條上力量的傳遞不僅僅是發生在齒面接觸上，而且還發生在螺紋連接上。因此，位移阻力成為了決定因素之一

不管是大螺釘，還是小螺釘，只要它們數量相同，那么所需的裝配時間也相同長距離的齒條會使用更多的螺釘，可以承載更大的位移阻力，因此我們要避免采用短齒條。如果設計正確，實際上安裝定位銷這道工序完全可以被省略。

總結

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