第5章 其它常用机构

第5章 其它常用机构

在机器和仪表中，除了前儿章所介绍的典型机构外，还有很多其它机构。如棘轮机构、

槽轮机构、不完全齿轮机构等。这些机构有的时候单独使用即可满足工作要求，有的时候则

需要将几个基本机构组合在一起使用，才能满足生产上对机械设备的千变万化的工作要求，

这就是机构的组合设计问题。本章将对这样一些其它常用机构的工作原理、类型、特点及

应用等作简单介绍，同时还将就机构的组合设计问题进行必要的探讨。

§5.1棘轮机构

5.1.1棘轮机构的工作原理和类型

典型的棘轮机构见图5—l 所示．该机构主要由棘轮、棘爪和机架组成,当曲柄4连续

转动时,摇杆l 作往复摆动；当摇杆向左摆动时，装在摇杆上的棘爪3，嵌入棘轮的齿槽内

推动棘轮2向逆时针方向转过一个角度；当摇杆向右摆动时，棘爪3便在棘轮2的齿背上滑

回原位，棘轮2则在止回棘爪的作用下静止不动。

改变摇杆1的结构形状．可以得到如图5—2所示的双动式棘轮机构。当棘轮齿制成方

形时，则可成为可变向棘轮机构。如图5－3a 所示的可变向棘轮机构。图5－3b 所示为另一

种可变向棘轮机构。当棘爪1提起并绕本身轴线转1800后再放下，则依靠棘爪端部结构两

面不同的待点，实现棘轮沿不同方向单向间歇转动。

图5－1 棘轮机构 图5－2 双动式棘轮机构

1－摇杆 2－棘轮 3－棘爪 4－曲柄 5－拔叉 1－构件 2－棘轮 3－棘爪 图5－3 可变向棘轮机构 图5－4 摩擦式棘轮机构

1－棘爪 2－棘轮

棘轮机构通常还有齿式和摩擦式之分。前述几种均为齿式，图5—4所示为摩擦式棘轮机构。它依靠棘爪和转缘问的摩擦楔紧作用，使棘轮只能按图示方向回转。摩擦式可实现无级性的传动，但其接触表面容易产生滑动，造成传动比不准确。

5.1.2棘轮机构的尺寸计算

1.棘轮与棘爪的轴心位置及棘轮齿面倾角ϕ的确定如图5—5所示，为了使棘爪在相同的推力作用下，棘轮获得最大力矩，应使推力的作用线O2A垂直于棘轮半径O1A，即∠O2AO1＝900。为了使棘爪顺利地进入齿档底部，则必须使法向反力N对棘爪轴心O2的力矩，大于摩擦力F对棘爪轴O2的反力矩，

图5－5 棘爪受力分析

即

NLsinϕ>FLcosϕ

因为 F=Nf

所以 tanϕ>f，tanφ>tanρ

故ϕ>ρ

式中，ρ为棘轮与棘爪之间的摩擦角，所以，齿面倾角ϕ大于摩擦角ρ，是棘爪落入齿槽底部的必要条件。

(2)棘轮、棘爪的几何尺寸计算棘轮的齿数，是根据工作要求选定的。可根据所要求的棘轮最小转角来确定棘轮齿数。对于轻载荷的进给机构．齿数可取得较多，一般可达z＝250，对于重载荷的起重设备类，为了安全，一般模数较大。通常取2＝8—30之间。

与齿轮—样，棘轮齿的大小也用模数来衡量。棘轮顶顶圆直径D与齿数z之比称为棘轮的模数，即m＝D/z。棘轮齿的模数由强度计算或类比法确定并选用标准值。当选定齿数z 和按照强度要求确定模数m之后，棘轮棘爪的主要几何尺寸可按下列公式计算：

顶圆直径 D＝mz

齿高 h＝0.75m

齿顶厚 a=m

齿槽夹角θ＝600或550

棘爪长度 L＝2πm

棘抡齿形的画法及其它结构尺寸可参考机械零件设计手册等有关参考资料。

5.1.3棘轮机构的特点及其应用

棘轮机构的持点是结构简单，制造方便．运动可靠、转角大小可以调节。但是，当棘爪落入齿槽底部，开始推动棘轮接触的瞬时会发生刚性冲击。故传动的平稳性较差。当棘爪返回在棘轮齿顶滑行时，会产生噪声和齿顶磨损。棘轮的转角不宜过大，因此．棘轮机构常用于低速、要求转角不太大或需要经常改变转角的场合。

§5.2 槽轮

5.2.1槽轮机构的工作原理和类型

槽轮机构也是一种间歇运动机构，又被称为马耳他机构。它由槽轮、销轮和机架组成。有外啮合(图5－6)和内啮合(图5—7)两种类型。具有圆销3的销轮l是主动件。具有径向槽的槽轮2是从动件，当销轮作连续回转时．圆销进入从动槽轮的径向槽时，即拨动槽轮转动；当圆销由径向槽滑出时，槽轮即停止运动。为使槽轮具有精确的间歇运动，当圆销脱离径向槽时，销轮圆盘上的锁住弧应恰好卡在槽轮的凹圆弧上，迫使槽轮停止运动、直到圆销再次进入下—个径向槽时，锁住弧脱开，槽轮才能继续回转。

图5－6 外啮合槽轮机构图5－7 内啮合槽轮机构

1－销轮2－槽轮3－圆销1－销轮2－槽轮3－圆销

由图可见，对于外啮合的槽轮机构，槽轮转向与销轮的转向相反。而内啮合的槽轮机构槽轮与销轮的转向相同。

5.2.1槽轮机构的运动特性和运动设计

如图5—6所示，为了使槽轮2在开始和终止转动的瞬时角速度为零，以避免圆销与槽发生冲击，圆销在进入或脱出径向槽时，槽的中心线O2A应与O1A垂直。设z为径向槽数,

则槽轮2转过2φ2＝2π／z弧度时，销轮1的转角2φ1将为:

2φ1=π-2φ2=π-z π2 (5-1)

在一个运动循环内，槽轮2的运动时间t m 对销轮l 的运动时间t 之比值τ称为运动系数。

当销轮l 匀速转动时，这个时间之比可用转角之比来表示。对于单销槽轮机构，其运动系数

τ为：

τ＝t t m =πφ221=πππ

22

z -=21-z 1=z z 22-

当τ=0时，意味着槽轮始终不动。因此，运动系数τ必须大于零，即槽轮槽数z 必须

大于或等于3。当z ≥3时,由于τ＝21-z 1

可知，τr ＜0.5，即槽轮的运动时间总小于静止的时间。由于槽轮回转时间t m 为机器的非加工时间，为了提高劳动生产率，希望τ越小越好，

即希望槽数z 越少越好。另一方面，从槽轮运动的角速度和角加速度变化情况来看，当圆销

进入槽口的瞬时，槽轮的角速度ω2＝0，随后ω2逐渐增大，当圆销转过φ1角时，槽轮转过

φ2角。圆销正处于径向槽的槽底，圆销的速度方向与径向槽垂直，此时

212111)(ωωA O O O A O v -=∙=即2ω11

211

ωA O O O A O -＝，即槽轮的角速度为最大值；之后2ω又逐渐减小，直到圆销脱离槽口时，2ω＝0。所以当主动件销轮作匀速转动时，槽轮以变角速

度作变速转动。由于角速度2ω的变化，产生了角加速度2ε，使槽轮在转动中产生惯性力矩，

因而引起冲击和磨损。特别是当槽数减少时，A O O O 121-会进一步减小，

导致max 2ω和max 2ε愈大，引起的冲击、振动愈大。故从槽轮机构运动的平稳性和寿命方面考虑，希望z 愈多愈

好。所以通常取z ＝4—8。

5.2.3槽轮机构的特点

槽轮机构结构简单，工作可靠，在进入和退出啮合时槽轮的运动要比棘轮的运动较为

平稳。但由于槽轮每次转过的角度大小与槽数有关，要想改变转角的大小，必须更换具有相

应槽数的槽轮。所以槽轮机构多用于不需要经常调整转动角度的分度装置中，例如一些自动

机和半自动机上的转位机构，间歇地转动工作台或刀架。由于槽轮转动过程中有较大的角加

速度，因此不宜用于转速过高的场合，尤其是从动系统的转动惯量较大时，将会引起较大的

惯性力矩。

§5.3 不完全齿轮机构

5.3.1不完全齿轮机构的工作原理

图5—8所示为不完全齿轮机构。这种机构是由齿轮机构演变而来的一种间歇传动机构，

主动轮1为只有—个齿或几个齿的不完全齿轮，从动轮2可以是普通齿轮(图5—8c)，也可

以由正常齿和带锁住弧的加厚齿相间地组成(图5—8a 、b)，当主动轮连续转动时，依靠其

有齿部分的工作。带动从动轮作时转时停的间歇运动。由图5—8中不难看出．每当主动轮

转过一周时，几个从动轮将分别间歇地转过1／8，1／4和1周。为了防止从动轮在停歇期

间游动，两轮轮缘上各装有锁住弧。

5.3.2不完全齿轮机构的持点及应用

不完全齿轮机沟是由圆柱齿轮机构演变而来的，它具有齿轮机构的某些特点。当不完全