第6章 常用步进传动机构设计

第6章常用步进机构设计

1．教学目标

了解常用典型步进机构的工作原理、运动特点及其应用等情况。2．教学重点和难点

步进机构的工作原理

3．讲授方法：多媒体课件

当主动件作连续运动时，从动件作周期性的运动和停顿，这类机构称为间歇机构，也称为步进机构。它在各种自动化机械中得到广泛的应用，用来满足送进、制动、转位、分度、超越等工作要求。常用的步进机构可以分为两类：

1）主动件往复摆动，从动件间歇运动，如棘轮机构。

2）主动件连续运动，从动件间歇运动，如槽轮机构、不完全齿轮机构等。

步进机构种类很多，我们在这里主要学习最常用的：棘轮机构、槽轮机构和不完全齿轮机构。 §6.1 棘轮机构

1、棘轮的工作原理和类型

我们都会骑自行车，当我们脚等踏板转动时，带动链轮，通

过链条又带动后轮上的链轮，实现自行车的前进。但后轮的链轮

是只有外面的链轮带动里面的转轴，当我们不再登动脚踏板时，

自行车后轮可以继续转动。留心的同学可能知道这个零件的名称，

但是这个机构究竟是怎么工作的呢？实际上，这就是一个棘轮机

构。

典型的棘轮机构如图6-1所示。该机构为轮齿式外啮合棘轮

机构，由棘轮3、棘爪2、摇杆1和止动爪4、弹簧5和机架所组成。机轮3固装在传动轴上，机轮的齿可以制作在机轮的外缘、内缘或端面上，而实际应用中以作在外缘上居多。摇杆1空套在传动轴上。

当摇杆沿逆时针方向摆动时，棘爪2嵌入机轮3上的齿间，推动

机轮转动。当摇杆沿顺时针方向转动时，止动爪4阻止棘轮顺时针转

动，同时棘爪2

在棘轮齿背上滑过，此时棘轮静止。这样，当摇杆往

复摆动时，棘轮便可以得到单向的间歇运动。

如图6－2所示为一内接式棘轮机构。

如果工作需要，要求棘轮能作不同转向的间歇运动，则可把棘轮

的齿作成矩形，而将棘爪作成图6

－3所示的可翻转的棘爪。当棘爪处

在图示B 的位臵时，棘轮可得到逆时针方向的单向间歇运动；而当棘爪绕其

销轴A 翻转到虚线位臵'B 时，棘轮可以得到顺时针方向的单向间歇运动。

如图6-4所示为一种棘爪可以绕自身轴线转动的棘轮机构。当棘爪按

图6-2

图示位臵安放时，棘轮可以得到逆时针方向的单向间歇运动；而当棘爪提起，并绕本身轴线旋转 180后再放下时，就可以使棘轮获得

顺时针方向的单向间隙运动。

如果我们希望使摇杆来回摆动

时，使棘轮都能够棘轮向同一方向转

动，则可以采用所谓双动式棘轮机构，

如图6－5所示。此种机构的棘爪可以

制成直的或钩头的。 上述的轮齿式棘轮机构，棘轮是靠摇杆上的棘爪推动其

棘齿而运动的，所以棘轮每次转动角都是棘轮齿距角的倍数。

在摇杆一定的情况下，棘轮每次的转动角是不能改变的。若工

作时需要改变棘轮转动角，除采用改变摇杆的转动角外，还可

以采用如图6－6所示的结构，在棘轮上加一个遮板，用以遮

盖摇杆摆角范围内棘轮上的一部分齿。这样，当摇杆逆时针方

向摆动时，棘爪先在遮板上滑动，

然后才插入棘轮的齿槽推动

棘轮转动。被遮住的齿越多，棘轮每次转动的角度就越小。

如图

6－

7所示为摩擦式棘轮机构。这种棘轮机构是通过棘

轮2与棘爪3之间的摩擦而使棘爪实现间歇传动的。摩擦式棘

轮机构可无级变更棘轮转角，且噪声小，但与棘轮之间容易产

生滑动。为增大摩擦力，可将棘轮做成槽轮形。

在棘轮机构中，棘轮多为从动件，由棘爪推动其运动。而

棘爪的运动则可用连杆机构、凸轮机构或电磁装臵等来实现。

2、棘轮机构的特点和应用

轮齿式棘轮机构结构简单、运动可靠、棘轮的转角容易实现有级的

调节。但是这种机构在回程时，棘爪在棘轮齿背上滑过产生噪声；在运动开始和终了时，由于速度突变而产生冲击，运动平稳行差，且棘轮轮

齿容易磨损，故常用于低速轻载等场合。摩擦式棘轮传递运动较平稳、

无噪声，棘轮角可以实现无级调节，但运动准确性差，不易用于运动精

度高的场合。 图 6－5

图 6－7

棘轮机构常用在各种机床、自动机、自行车、螺旋千斤顶等各种机械中。棘轮还被广泛低用作防止机械逆转的制动器中，这类棘轮制动器常用在卷扬机、提升机、运输机和牵引设备中。图6-8所示为一提升机中的棘轮制动器，重物Q 被提升后，由于棘轮受到止动爪的制动作用，卷筒不会在重力作用下反转下降。

3、棘爪回转轴位臵的确定

在确定棘爪回转轴轴心'O 的位臵时，最好使'

O 点至棘

轮轮齿顶尖A 点的连线'O A 与棘轮过A 点的半径OA 垂直，

这样，当传递相同的转矩时，棘爪受力最小。

4、棘轮轮齿工作齿面偏斜角α的确定

棘轮齿与棘爪接触的工作齿面应与半径OA 倾斜一定角

度α，以保证棘爪在受力时能顺利地滑入棘轮轮齿的齿根。

偏斜角α的大小可如下得出：如图6-9所示，设棘轮齿对棘

爪得法向压力为n P ，将其分解成t P 和r P 两个分力。其中径向分力r P 把棘轮推向棘轮齿的根部。而当棘爪沿工作齿面向齿根滑动时，棘轮齿对棘爪的摩擦力n P f F ⋅=，将阻止棘爪滑入棘轮齿根。为保证棘爪的顺利滑入，必须保证有： αcos ⋅⋅>n r P f P

又 αsin n r P P =

所以可以得到： ϕαtan tan =>f （ϕ为摩擦角）

即 ： ϕα> ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．

．

（6-11）

在无滑动的情况下，钢对钢的摩擦系数2.0≈f ，所以'3011 ≈ϕ

所以，通常我们取

20≈α。