棘轮机构基础知识

棘轮机构基础知识
一棘轮机构(ratchet mechanism)的基本型式和工作原理
图示为机械中常用的外啮合式棘轮机构，它由主动摆杆，棘爪，
棘轮、止回棘爪和机架组成。

主动件空套在与棘轮固连的从动
轴上，并与驱动棘爪用转动副相联。

当主动件顺时针方向摆动
时，驱动棘爪便插入棘轮的齿槽中，使棘轮跟着转过一定角度，
此时，止回棘爪在棘轮的齿背上滑动。

当主动件逆时针方向转
动时，止回棘爪阻止棘轮发生逆时针方向转动，而驱动棘爪却
能够在棘轮齿背上滑过，所以，这时棘轮静止不动。

因此，当
主动件作连续的往复摆动时，棘轮作单向的间歇运动。

2 棘轮机构的分类方式有以下几种：
（1）按结构形式分为齿式棘轮机构和摩擦式棘轮机构
齿式棘轮机构结构简单，制造方便；动与停的时间比可通过选择合适的驱动机构实现。

该机构的缺点是动程只能作有级调节；噪音、冲击和磨损较大，故不宜用于高速。

齿式棘轮机构摩擦式棘轮机构
摩擦式棘轮机构是用偏心扇形楔块代替齿式棘轮机构中的棘爪，以无齿摩擦代替棘轮。

特点是传动平稳、无噪音；动程可无级调节。

但因靠摩擦力传动，会出现打滑现象，虽然可起到安全保护作用，但是传动精度不高。

适用于低速轻载的场合。

（2）按啮合方式分外啮合棘轮机构和内啮合棘轮机构
外啮合式棘轮机构的棘爪或楔块均安装在棘轮的外部，而内啮合棘轮机构的棘爪或楔块均在棘轮内部。

外啮合式棘轮机构由于加工、安装和维修方便，应用较广。

内啮合棘轮机构的特点是结构紧凑，外形尺寸小。

外啮合式棘轮机构内啮合式棘轮机构
（3）按从动件运动形式分单动式棘轮机构、双动
式棘轮机构和双向式棘轮机构
单动式式棘轮机构当主动件按某一个方向摆动
时，才能推动棘轮转动。

双动式棘轮机构，在主
动摇杆向两个方向往复摆动的过程中，分别带动
两个棘爪，两次推动棘轮转动。

双动式棘轮机构常用于载荷较大，棘轮尺寸受限，
齿数较少，而主动摆杆的摆角小于棘轮齿距的场
合。

双动式棘轮机构
以上介绍的棘轮机构，都只能按一个方向作单向间歇运动。

双向式棘轮机构可通过改变棘爪的摆动方向，实现棘轮两个方向的转动。

图示为两种双向式棘轮机构的形式，双向式棘轮机构必须采用对称齿形。

双向式棘轮机构
3 棘轮机构的应用
棘轮机构的主要用途有：间歇送进、制动和超越等，以下是应用实例。

1．间歇送进
图示为牛头刨床，为了切削工件，刨刀需作连续往复直线运动，工作台作间歇移动。

当曲柄1转动时，经连杆2带动摇杆5作往复摆动；摇杆5上装有双向棘轮机构的棘爪3，棘轮4与丝杠6固连，棘爪带动棘轮作单方向间歇转动，从而使螺母（即工作台）作间歇进给运动。

若改变驱动棘爪的摆角，可以调节进给量；改变驱动棘爪的位置（绕自身轴线转过180°后固定），可改变进给运动的方向。

2．制动
图示为杠杆控制的带式制动器，制动轮与外棘轮2固结，棘爪3铰接于制动轮4上A点，制动轮上围绕着由杠杆5控制的钢带6。

制动轮4按逆时针方向自由转动，棘爪3在棘轮齿背上滑动，若该轮向相反方向转动，则4轮被被制动。

3．超越
图示的棘轮机构可以用来实现快速超越运动。

运动由蜗杆传到蜗轮，通过安装在蜗轮上的棘爪3驱动棘轮固连的输出轴5按图示方向慢速转动。

当需要轴快速转动时，可按输出轴的方向快速转动输出轴上的手柄，这时由于手动转速大于蜗轮转速，所以棘爪在棘轮齿背滑过，从而在蜗轮继续转动时，可用快速手动来实现输出轴超越蜗轮的运动。

4 棘轮机构的设计要点
棘轮机构的设计主要应考虑：棘轮齿形的选择、模数齿数的确定、齿面倾斜角的确定、行程和动停比的调节方法
现以齿式棘轮机构为例，说明其设计方法
1．棘轮齿形的选择
图示为常用齿形，不对称梯形用于承受载荷较大的场合；当棘轮机构承受的载荷较小时，可采用三角形或圆弧形齿形；矩形和对称梯形用于双向式棘轮机构。

2．模数、齿数的确定
与齿轮相同，棘轮轮齿的有关尺寸也用模数m作为计算的基本参数，但棘轮的标准模数要按棘轮的顶圆直径da来计算。

m = da/z
棘轮齿数z一般由棘轮机构的使用条件和运动
要求选定。

对于一般进给和分度所用的棘轮机
构，可根据所要求的棘轮最小转角来确定棘轮
的齿数（z ≤250，一般取z = 8～30），然后选
定模数。

3．齿面倾斜角的确定
棘轮齿面与径向线所夹α称为齿面倾斜角。

棘
爪轴心O1与轮齿顶点A的连线O1A与过A
点的齿面法线nn的夹角β称为棘爪轴心位置
角。

为使棘爪在推动棘轮的过程中始终紧压齿面滑向齿根部，应满
足棘齿对棘爪的法向反作用力N对O1轴的力矩大于摩擦力Ff
沿齿面）对O1轴的力矩，即
N·O1Asinβ > Ff·O1Acosβ
则Ff/N < tanβ
因为f = tan= Ff/N
所以tanβ > tan
即β >
式中f和分别为棘爪与棘轮齿面间的摩擦系数和摩擦角，一般f取0.13 ～0.2。

4. 行程和动停比的调节方法
1）采用棘轮罩
通过改变棘轮罩的位置，使部分行程棘爪沿棘轮罩表面滑过，从而实现棘轮转角大小的调整。

2）改变摆杆摆角
通过调节曲柄摇杆机构中曲柄的长度，改变摇杆摆角的大小，从而实现棘轮机构转角大小的调整。

3）采用多爪棘轮机构
要使棘轮每次转动的角度小于一个轮齿所
对应的中心角γ时，可采用棘爪数为m的多
爪棘轮机构。

如n=3的棘轮机构，三棘爪位置依次错开
γ/3 ，当摆杆转角Ф1在γ≥Ф1≥γ/3 范围内变
化时，三棘爪依次落入齿槽，推动棘轮转动
相应角度Ф2为γ≥Ф2≥γ/3 范围内γ/3 整数
倍。

棘轮机构设计的若干问题
图7.1.3-1所示为几种常用的棘轮齿形。

最常用的齿形为不对称梯形，如图(a)所示。

当棘轮机构承受载荷不大时，为便于加工，可选用三角形齿形。

三角形的非工作面可作成直线型（如
图(b) 所示）和圆弧型两种（如图(c) 所示）。

(a) (b)
(c)
图
7.1.3-1
图7.1.3-2 由棘轮机构的工作原理可知，当棘爪在推动棘轮的过程
中，要求棘爪始终紧压齿面且顺利滑向齿根部。

显然这同棘
爪与棘轮的轴心O 1、O 2的相对位置及棘轮齿面倾角α（齿面
与径向线的夹角）大小有关。

不考虑棘爪和棘轮齿接触面间的摩擦时，取轴心O 1、O 2
与棘轮齿顶点A 的相对位置满足
，即，且使棘轮齿面与径向线 AO 2重合，即α=0º，
如图 7.1.3-2所示。

这样可使棘轮在承受同样载荷的情况
下，棘爪1的受力最小。

图7.1.3-3 实际上棘爪和棘轮齿接触面间存在摩擦，如图7.1.3-3所示。

N ── 棘轮齿对棘爪的法向反作用力； F ── 棘轮齿给予棘爪的摩擦力。

为了保证工作时棘爪顺利滑向棘齿根部而不被挤出，则应保
证使棘爪顺时针转动滑向齿根的力矩大于阻止棘爪滑向齿根的力
矩。

也即保证以下关系
(7.1.3-1)
式中β为棘爪轴心位置角。

式(7.1.3-1)左侧为何种力矩？
法向反作用力N 使棘爪顺时针转动滑向齿根的力矩
式(7.1.3-1)右侧为何种力矩？
摩擦力F 阻止棘爪滑向齿根的力矩。

因为
f 和ϕ分别为摩擦系数和摩擦角，一般取f=0.15 ~ 0.2。

由此得
由此可知，棘爪能顺利滑向齿根部的条件为：棘爪轴心位置角β应大于摩擦角ϕ，即棘轮对棘爪的总反力
R 的作用线与轴心连线的交点应位于O 1与O 2之间。

因为β角与棘轮齿面法线位置有关，也即与齿面倾角α有关。

为使棘爪受力尽可能小，通常取轴心O 1、O 2
和A 点的相对位置满足，则
α=β
故当取f=0.15 ~ 0.2时，齿面倾斜角α通常取10° ~ 15°。

设计时α角应根据齿根强度要求选定。

负载大时，α应取值较小，必要时可取为零或负值。

选定α后，再考虑摩擦角确定总反力R 的作用线，进而确定轴心 O 1的位置，保证满足条件β>ϕ，且受力情况较好。

棘轮机构具有结构简单，制造方便和运动可靠等优点，但也有不足之处。

对于齿式棘轮机构，由于回程时棘爪在棘轮齿上滑行，齿尖容易磨损，并产生噪声。

为了使棘爪能顺利的啮入棘轮的轮齿，棘爪位移必须大于棘轮运动角的相应位移，这就不可
避免的存在空程和冲击。