机械的设计基础 13间歇运动机构

摇杆往复摆动一次，棘轮作一次单向间歇转动。棘爪2 和止退棘爪4上装有扭簧5，可使棘爪贴紧在棘轮轮齿上。当 摇杆每次摆动的角度一定时，棘轮每次转过的角度也是定值。 改变棘爪和棘轮轮齿形状，如采用矩形或梯形轮齿(如 图13.2所示)，棘轮可实现双向间歇运动。当棘爪2在实线位 置时，棘轮作逆时针方向间歇运动；当棘爪2翻转到虚线位 置时，摇杆将推动棘轮作顺时针方向间歇运动。
2. 周节和模数 在棘轮齿顶圆上，相邻两齿间对应点的弧长称为周节，以p表示(如 图13.8所示)。设棘轮齿顶圆直径为 da ，则 zp πda 即 da p z π p 令 π m ，m称为棘轮的模数，则 d a mz p πm (13.2) (13.3) 棘轮模数已经标准化，使用时可查阅《机械设计手册》。
(a) 加调节摇杆 (b) 加遮挡板 图13.4 调节棘轮转角的方法
图13.5所示为提升机中使用的棘轮制动器，这种制动器安全可 靠，使用方便，广泛用于卷扬机、提升机及运输机等设备中。 图13.6所示为自行车后轴上的飞轮结构，是一种典型的超越机构。 当踩踏脚蹬时，链条带动内圈上有棘齿的链轮1顺时针转动，再通 过棘爪4带动后轮轴2一起在后轴3上转动，自行车前进。在前进过 程中，如果踏板不动，链轮1也就停止转动。这时，由于惯性作用， 后轮轴2带动棘爪4从链轮内缘的齿背上滑过，仍在继续顺时针转动， 即实现后轮轴的超越运动，这就是不蹬踏板自行车仍能自由滑行的 原理。
m
ts

图13.1 棘轮机构
图13.2 可变向棘轮机构
图13.3所示为双动式棘轮机 构。当原动件往复摆动一次时， 棘轮可实现两次单向间歇运动。 调节摇杆的摆角[如图13.4(a)所 示]，或是在棘轮上加遮挡板[如 图13.3 双动式棘轮机构 图13.4(b)所示]，并改变遮挡板 的位置，可调节棘轮转角的大小。 棘轮机构的单向间歇运 动特性可用于进给、制动、 超越和转位分度等机构中。
p m π
11 当摩擦系数 =0.2～0.3时， ～17 ， 通常取 20 。
图13.8 棘轮机构的几何尺寸
●13.1.3 主要参数和几何尺寸计算 1. 棘轮齿数 棘轮齿数是根据工作条件选定的。在一般棘轮机构中z=12～60；带 棘轮的制动器z=16～25；起重机中z=8～46；手动千斤顶z=6～8。
图13.9 槽轮机构 1—拨盘 2—槽轮
槽轮机构结构简单，转位迅速，效率较高，与棘轮机构 相比运转平稳，但制造与装配精度要求较高，且槽轮转角大 小不能调节。它在电影放映机送片机构、自动机床转位机构 等自动机械中得到广泛的应用。 图13.10所示为电影放映 机中的送片机构。 为了适应人眼的视觉暂 留现象，要求影片作间歇移 动。槽轮2上有4个径向槽， 拨盘1每转1周，圆销将拨动 槽轮转过1/4周，胶片移过一 幅画面，并停留一定时间。
●13.1.2 棘轮齿面的偏斜角 如图13.8所示，当棘轮的转距一定时，为了使棘爪施加给 棘轮的推力最小，应使棘轮的齿顶A和棘爪的转动中心 O2 的连线垂直于棘轮半径 O1 A ，即O1 AO2 90。这时，棘轮 对棘爪的作用力有正压力 Fn 和摩擦力 Fμ 。设棘轮齿面的 Fn 可分解为径向力 Fr Fn cos (通过棘爪的转 偏斜角为 ， 动中心)和切向力 Ft Fn sin 。Ft 有使棘爪向棘轮齿根滑 落的趋势，而摩擦力 Fμ 将阻止棘爪的滑落。为了使棘爪 能顺利落入齿根，应满足 Fn L sin > Fμ L cos 将Fμ Fn 代入上式并整理，有 sin ＞ cos tan ＞ tan 即 故 ＞ (13.1) ——棘轮轮齿与棘爪间的摩擦系数； 式中： arctan 。 ——摩擦角，
1
2
为了保证槽轮的运动，应使运动系数 0，由式(13.4)可知， 需槽数在Z>3，而且槽数越多，运转越平稳。但槽轮的槽数也不宜 太多，槽数愈多，槽轮尺寸愈大。通常取z=4～8。
t
2π
2π
2
z
2z
式(13.4)表明，对于只有一个圆销的槽轮机构，运动系数 0.5 即槽轮每次转动的时间总小于停歇时间。如果要求槽轮每次转动的 时间大于停歇时间，即 0.5 ，可在拨盘上装置多个圆销。设拨盘 上均匀分布K个圆销，则在一个运动循环内，槽轮的运动时间为只 有一个圆销时的K倍，即 K z 2 (13.5) 2z 为使槽轮能间歇转动而不是连续转动，还应使运动系数 1 ， 即 2z
● 13.1 棘 轮 机 构
●13.1.1 工作原理及应用 棘轮机构主要由棘轮、棘爪和机架组成。如图13.1所示，棘轮3 固联在输出轴上，原动件摇杆1空套在棘轮轴上，可绕棘轮轴自由 摆动。当摇杆1逆时针方向摆动时，止退棘爪4阻止棘轮转动，铰接 在摇杆上的棘爪2在棘轮3齿面上滑过；当摇杆顺时针方向摆动时， 止退棘爪4在棘轮齿面上滑过，棘爪2插入棘轮齿槽推动棘轮3转过 一定角度。
K z2
(13.6)
由式(13.6)可知，当z=3时，K=1～5；当 z 4 ~ 5 时，K=1～3； 当 z ≥ 6时,K=1～2。
习
题
1. 牛头刨床工作台横向进给丝杠导程为 Ph 5 mm，与丝杠联动的棘 轮数 z 40，求棘轮的最小转动角和工作台的最小横向进给量。 2. 已知一棘轮机构，棘轮模数m=5mm，齿数z=12，计算机构的主 要几何尺寸。若齿形为锯齿形，铣刀角度为 55 ，画出棘轮的齿形。 3. 在一单圆销外啮合槽轮机构中，已知槽轮槽数z=4，拨盘转速 。求槽轮运动时间 和静止时间 。 tm n 120r / m 4. 在一外啮合槽轮机构中，已知槽轮槽数 z=6 ts ，运动时间 是静止 1 tm t 时间 的2倍。求槽轮机构的运动系数 及所需的圆销数K 。
第13章 间歇运动机构
● 13.1 棘轮机构 ●13.1.1 工作原理及应用 ●13.1.2 棘轮齿面的偏斜角 ●13.1.3 主要参数和几何尺寸计算 ● 13.2 槽轮机构
● 13.2.1 工作原理及应用
● 13.2.2 槽轮的槽数和拨盘的圆销数
● 本章习题
能够将原动件的连续运动转变为从动件的周期性间歇 运动的机构称为间歇运动机构。在机械中，特别是在各种 自动和半自动机械中，间歇运动机构有广泛的应用，例如 机床的进给机构、分度机构、自动进料机构，电影放映机 的送片机构及计数器的进位机构等。本章只介绍棘轮机构 和槽轮机构。
3. 主要几何尺寸 棘轮齿数z和模数m确定后，棘轮和棘爪的其他主要几何尺寸可按以 下公式计算： 齿 高：h=0.5m 齿顶厚： a m 60°或55° (视铣刀角度而定) 齿槽夹角： 棘爪长度：L 2πm 【例13.1】 某机床上，用与丝杠固联在一起的棘轮带动丝杠，来实 现工作台的间歇进给运动。已知丝杠的导程 Ph 6mm ，现要求最小 进给量 s 0.12mm，求所需棘轮的最少齿数。 解 棘轮与丝杠固联在一起，工作时两者以相同的速度转动，即棘 轮每转过一周，工作台也移动一个导程。当工作台移动一个最小进 给量时，棘轮至少应转过一个齿。为此，棘轮的齿数应满足 z ≥ Ph s 故最少齿数
zmin Ph s 6 0.12 50
● 13.2 槽 轮 机 构 ●13.2.1 工作原理及应用 如图13.9所示，槽轮机构由带有圆销的拨盘1、具有径向槽 的槽轮2和机架组成。当原动件拨盘以等角速度连续转动时，槽 轮作反向间歇转动。在拨盘上的圆销A未进入槽轮的径向槽时， ¼ ¼ f g 被拨盘的外凸圆弧 a 槽轮由于内凹锁止弧 e b c卡住，所以槽轮 静止不动，图示为圆销刚开始进入槽轮径向槽时的位置，这时 锁止弧被松开，槽轮开始由圆销A驱动而转动。当圆销A脱出径 向槽时，槽轮的另一内凹锁止弧又被拨盘的外凸圆弧卡住，槽 轮又静止不动。直到圆销A再进入槽轮的另一径向槽时，又将重 复上述运动。
图13.10 电影放映机的卷片槽轮机构 1—拨盘的圆销数 如图13.9所示，为了避免圆销与轮槽发生突然撞击，应使圆销 进入或脱离径向槽的瞬时，圆销与拨盘中心的连线 O A垂直于轮槽 的中心线 O A。设z为均匀分布的径向槽数，则当槽轮2转过 22 2π z 角度时，拨盘1的转角21 为 21 π 22 π 2π z 在一个运动循环内，槽轮运动的时间 t m与拨盘运动时间t的比值 称为运动系数。当拨盘等角速转动时，该比值可用转角的比值来 表示。对于只有一个圆销的槽轮机构，t m 和t分别对应于拨盘转过的 角度 21和 2 π ，因此 tm 21 π 2π z 1 1 z 2 (13.4)
图13.5 棘轮制动器
图13.6 自行车后轴超越机构 1—链轮 2—后轮轴 3—后轴 4—棘爪
上述轮齿式棘轮机构的优点是：结 构简单，运动可靠，转角大小可在一定 范围内调节。缺点是：棘爪在棘轮齿面 滑过时会产生噪声，当棘爪和棘轮轮齿 开始接触的瞬间还产生冲击，故不适用 于高速机械。为了克服这些缺点，可采 用图13.7所示的摩擦式棘轮机构。摩擦 式棘轮机构的工作原理与轮齿式棘轮机 构相同，所不同的是棘爪为一扇形偏心 图13.7 摩擦式棘轮机构 轮，棘轮为一摩擦轮，其缺点是接触面 1—摇杆 2、4—棘爪 3—棘轮 间易产生滑动，运动可靠性低。