棘轮机构的发展史

棘轮机构的发展史

首先棘轮是什么？棘轮是一种间歇运动机构.当在主动件连续运动时,从动件能够产生周期性的间歇运动.

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。

一、棘轮机构的类型(Types of Ratchet Mechanism)

常用棘轮机构可分为轮齿式与摩擦式两大类：

1、轮齿式棘轮机构(Tooth Ratchet Mechanism)

按啮合方式可分成外啮合(externally meshed，如图7-1所示)和内啮合(internally meshed，如图7-2所示)棘轮机构。根据棘轮的运动又可分为两种情况：

(1) 单向式棘轮机构

单向式棘轮机构的特点是摆杆向一个方向摆动时，棘轮沿同一方向转过某一角度；而摆杆向另一个方向摆动时，棘轮静止不动(如图7-1)。双动式棘轮机构，摆杆的往复摆动，都能使棘轮沿单一方向转动，棘轮转动方向是不可改变的(如图7-3)。

图 7-2 图 7-3

(2)双向式棘轮机构

若将棘轮轮齿做成短梯形或矩形时，变动棘爪的放置位置或方向后，可改变棘轮的转动方向。棘轮在正、反两个转动方向上都可实现间歇转动。

图 7-4

2、摩擦式棘轮机构(Friction Ratchet Mechanism or Silent Ratchet Mechanism)

(1) 偏心楔块式棘轮机构

偏心楔块式棘轮机构的工作原理与轮齿式棘轮机构相同，只是用偏心扇形楔块代替棘爪，用摩擦轮代替棘轮。利用楔块与摩擦轮间的摩擦力与楔块偏心的几何条件来实现摩擦轮的单向间歇转动。

b)

a)

图 7-5

(2) 滚子楔紧式棘轮机构

图7-6为常用的摩擦式棘轮机构，构件1逆时针转动或构件3顺时针转

动时，在摩擦力作用下能使滚子2楔紧在构件1、3形成的收敛狭隙处，则构件1、3成一体，一起转动；运动相反时，构件1、3成脱离状态。

图 7-6

三、棘轮机构的特点和应用(Features and Application of Ratchet Mechanism)

轮齿式棘轮机构结构简单，易于制造，运动可靠，从动棘轮转角容易实现有级调整，但棘爪在齿面滑过引起噪声与冲击，在高速时尤为严重。故常于低速、轻载的场合用作间歇运动控制。

摩擦式棘轮机构传递运动较平稳，无噪音，从动件的转角可作无级调整。但难以避免打滑现象，因而运动准确性较差，不适合用于精确传递运动的场合。

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。

间歇送进：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。

制动：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。超越：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。

四、棘轮机构设计中的主要问题(Main Problems in Ratchet Mechanism Design)

1、棘轮齿形的选择

最常见的棘轮齿形为不对称梯形，如图7-12所示。为了便于加工，当棘轮机构承受载荷不大时，可采用三角形棘轮轮齿（见图7-1和图7-9），三角形轮齿的非工作齿面可作成直线型和圆弧形。双向式棘轮机构，由于需双向驱动，因此常采用矩形或对称梯形作为棘轮齿形(图7-4)。

2、棘轮转角大小的调整

(1) 采用棘轮罩

采用棘轮罩，使棘爪的部分行程沿棘轮罩表面滑过，若改变棘轮罩位置，即可调整棘轮转角的大小，如图7-9所示。

(2) 改变摆杆摆角

图7-10所示棘轮机构中，通过改变曲柄摇杆机构曲柄长度OA的方法来改变摇杆摆角的大小，从而调整棘轮机构转角的大小。

图 7-9 图 7-10

(3) 多爪棘轮机构

要使棘轮每次转动小于一个轮齿所对的中心角γ时，可采用棘爪数为

n的多爪棘轮机构。如图7-11所示n=3的棘轮机构，三棘爪位置依次错开γ/3，当摆杆转角1在[γ/3，γ] 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2为[γ/3，γ]范围内γ/3整数倍，即棘轮转角为γ/3或2γ/3。

图 7-11

3、棘轮机构的可靠工作条件

(1) 棘爪可靠啮合条件

图7-12中，θ为棘轮齿工作齿面与径向线间的夹角，称齿面角，L为棘爪长，O1为棘爪轴心，O2为棘轮轴心，啮合力作用点为P（为简便起见，设P 点在棘轮齿顶），当传递相同力矩时，O1位于O2P的垂线上，棘爪轴受力最小。

为使棘爪能顺利地滑入棘轮齿根，要求齿面角θ大于摩擦角，即是棘爪受的总反作用力FR的作用线必须在棘爪轴心O1和棘轮轴心O2之间穿过。