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。