KHK 齿轮与齿条如何在旋转与直线运动之间转换？

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  要点速览
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  KHK 齿轮与齿条如何将旋转转为直线移动
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  加工前对 KHK 齿轮齿条副选型
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  齿条传动的侧隙与预紧设置
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  加工保证齿条对中的安装特征
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  齿条与齿轮的材料及热处理选择
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  分步指南：搭建齿条齿轮轴
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  齿条传动方案对比

齿条相当于展开成平面的齿轮毛坯。其齿形与齿轮相同的渐开线轮廓，因此两者啮合方式与任何直齿轮副一致。齿轮旋转时，接触点沿齿条移动，滑座作直线运动。反向输入时，齿条驱动齿轮。

齿轮每转一圈的行程等于节圆周长：π × 模数 × 齿数。模数 2、20 齿的齿轮每转约 125.66 mm。注意外径不参与此计算。按外径选型是我们在图纸上最常见的计算错误。

KHK 为每款目录齿条和齿轮公布节线、压力角与齿数，可直接选型而无需重算几何。仍需决定的是齿条如何固定、侧隙如何设定以及轴如何润滑。

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  节圆周长π × 模数 × 齿数 = 齿轮每转行程。
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  压力角KHK 齿条标准为 20°，它决定齿轮轴承上的推力载荷。
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  斜齿选项斜齿条运行更安静、承载更高，但会增加轴向推力。
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  齿条接缝两根齿条对接时，接缝处齿距必须保持连续。

从载荷开始，而非齿数。累加滑座质量、切削或压紧力以及导轨摩擦力。对带冲击的换向轴乘以 1.5 至 2.0 的使用系数。该数值即齿轮需承受的切向齿力。

将切向力换算为齿轮扭矩：扭矩 = 力 × 节圆半径。与减速比后的电机扭矩比较，再按同一力校核齿条齿根弯曲应力。跳过此步，就会出现 300 kg 龙门架上用模数 1.5 齿条副的情况。

齿条长度由行程加安全余量决定。两端各至少留一个齿的超程，使齿轮不会跑出末齿。若轴行程超过约 2 m，应将齿条设计为多段并错开接缝。

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  使用系数换向或冲击载荷轴取 1.5–2.0。
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  节圆半径模数 × 齿数 ÷ 2，单位为毫米。
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  超程每个行程极限外至少留一个完整齿。

侧隙是啮合齿非工作齿面之间的间隙。在定位轴上，换向时直接表现为失动量。在慢速分度轴上影响很小。侧隙数值应由工况决定，而非习惯。

多数机床和自动化轴，节线处 0.02–0.10 mm 侧隙可行。低于此值，热膨胀和安装误差会使齿面卡滞。高于此值，伺服轴会振荡，表面质量会反映出来。

正确消除侧隙的两种方式。剖分式齿轮在两半之间加弹簧或垫片，将两排齿压向相反齿面。双齿轮布置用两个齿轮相互预载驱动同一齿条。两者都增加成本和装夹时间。若轴仅单向运动，则无需采用。

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  在节线处测量百分表打在滑座上，而非齿顶。
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  注意温度1 m 钢齿条升温 30 °C 约伸长 0.36 mm。
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  润滑间隙为油膜留出空间；干齿比紧齿磨损更快。

齿条的直线度取决于其安装面。齿条安装面全长平面度加工至 0.02 mm 以内，并保持齿轮轴线与该面平行。实际做法是：在零件尺寸允许时，一次装夹加工安装面、定位销孔和齿轮轴承孔。

我们的五轴加工中心在这些孔上可达 ±0.005 mm，定位面常规精加工至 Ra 0.8–1.6 μm，使齿条贴合无翘动。最大 4,000 mm 加工范围可覆盖长龙门床身和机床框架，无需二次装夹。

用定位销定位每段齿条，不要只用螺栓。螺栓负责夹紧，定位销负责定位。在 2 m 行程、三段齿条组成的轴上，正是定位销的布置让齿距在接缝处保持连续。定位销孔与安装面在同一次装夹中铰削。

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  一次装夹端面、定位销孔和轴承内孔在同一次装夹中加工完成，不重新夹紧。
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  先装定位销每段齿条至少两个定位销，然后再拧紧螺栓。
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  用直尺检查沿齿条背面架精密直尺，用塞尺检查间隙。

S45C 等碳钢齿条是通用机床轴的默认选择。切削性能好，可做表面淬火，成本低于合金钢。齿载荷更高时，用渗碳合金钢，表面硬、芯部韧，既耐磨又抗冲击。

304 或 17-4PH 等不锈钢牌号适用于食品、医疗和冲洗设备。它们比表面淬火碳钢软，需降低齿载荷或增大模数。对于洁净室和医疗设备，我们常加工 304 和 316L，表面粗糙度做到 Ra 0.8–1.6 μm。

6061-T6 或 7075 铝齿条适合轻载自动化和取放头，这类场合惯性比载荷更重要。干运行的轴可对齿面做阳极氧化，但涂层要薄。每齿面增厚 0.05 mm 的硬质氧化会改变装配时设定的背隙。

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  S45C通用机床轴，切齿后表面淬火。
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  17-4PH耐腐蚀，强度优于 304。
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  6061-T6轻载、快速轴；薄层阳极氧化，或裸面加润滑。