第八章其他常用机构 内容提要 本章主要介绍棘轮机构、槽轮机构、不完全齿轮机构、凸轮式间歇运动机构、螺旋机构和万 向联轴节机构等常用机构，重点描述了这些机构的工作原理、类型、特点、应用实例及设计要点。 在许多机器中，除了采用前面介绍的平面连杆机构、凸轮机构、齿轮机构外，还经常采用其 他类型的机构，如间歇运动机构、螺旋机构、万向联轴节机构等。其中间歇运动机构的功能是当 主动件作连续运动时，从动件产生周期性的运动和停歇。常见的间歇运动机构有棘轮机构、槽轮 机构、不完全齿轮机构等。 8.1棘轮机构 8.1.1棘轮机构的工作原理、应用和特点 如图8-l所示为一棘轮机构(ratchet mechanism),主动件1是一个可以连续往复摆动的摇杆。 当摇杆1逆时针摆动时，驱动棘爪2卡在棘轮的齿槽中（图中A处），拔动棘轮逆时针转过一个 角度，此时止动棘爪4在棘轮的齿背上滑过：当摇杆1顺时针摆动时，驱动棘爪2在棘轮的齿背 上滑过，而止动棘爪则卡在棘轮的齿槽中（图中B处），阻止棘轮顺时针转动，故此时棘轮静山 不动。弹簧5的作用是保证止动棘爪4和棘轮3始终接触。由此可见，当摇杆1作连续摆动时， 棘轮3则作单向间歇运动。 2 图&1棘轮机构工作原理 178
178 第八章 其他常用机构 内容提要 本章主要介绍棘轮机构、槽轮机构、不完全齿轮机构、凸轮式间歇运动机构、螺旋机构和万 向联轴节机构等常用机构，重点描述了这些机构的工作原理、类型、特点、应用实例及设计要点。 在许多机器中，除了采用前面介绍的平面连杆机构、凸轮机构、齿轮机构外，还经常采用其 他类型的机构，如间歇运动机构、螺旋机构、万向联轴节机构等。其中间歇运动机构的功能是当 主动件作连续运动时，从动件产生周期性的运动和停歇。常见的间歇运动机构有棘轮机构、槽轮 机构、不完全齿轮机构等。 8.1 棘轮机构 8.1.1 棘轮机构的工作原理、应用和特点 如图 8-1 所示为一棘轮机构（ratchet mechanism），主动件 1 是一个可以连续往复摆动的摇杆。 当摇杆 1 逆时针摆动时，驱动棘爪 2 卡在棘轮的齿槽中（图中 A 处），拔动棘轮逆时针转过一个 角度，此时止动棘爪 4 在棘轮的齿背上滑过；当摇杆 1 顺时针摆动时，驱动棘爪 2 在棘轮的齿背 上滑过，而止动棘爪则卡在棘轮的齿槽中（图中 B 处），阻止棘轮顺时针转动，故此时棘轮静止 不动。弹簧 5 的作用是保证止动棘爪 4 和棘轮 3 始终接触。由此可见，当摇杆 1 作连续摆动时， 棘轮 3 则作单向间歇运动。 图 8-1 棘轮机构工作原理
棘轮机构一般用作机床及自动机械的进给机构、送料机构、刀架的转位机构、精纺机的成型 机构、牛头侧床的进给机构等。如图8-2所示为牛头刨床的进给机构，当齿轮1转动后，经连杆 2带动摇杆3作往复摆动，摇杆3上的棘爪推动棘轮4作间歇转动，与之固连的丝杠5也作同样 的间歇转动，从而实现牛头侧床工作台的间歇进给运动。 棘轮机构也广泛应用于卷扬机、提升机及牵引设备中，用它作为防止机械逆转的止动器。如 图83所示的起重止动器，机构工作时，驱动力使轴2逆时针转动，通过键3带动棘轮1及卷筒 逆时针转动，而提起重物，此时棘爪4在棘轮的齿背上滑动。当撤掉驱动力后，卷筒与棘轮在重 物的作用下有顺时针转动的趋势，此时棘爪4卡在棘轮的齿槽中，防止机构逆转。 0 图8-2牛头创床的进给机构 图83起重止动器 棘轮机构结构简单，制造方便，运动可靠，且棘轮轴每次转过的角度的大小可以在较大的范 围内调节。但棘轮机构不能传递大的动力，而且传动平稳性较差，工作时有较大的冲击和噪声， 不适于高速传动。 8.1.2棘轮机构的类型 在基本的棘轮机构的基础上作些改变，即可得到不同的棘轮机构。按其工作原理可分为齿式 棘轮机构和摩擦式棘轮机构两大类。 1,齿式棘轮机构 齿式棘轮机构的特点是棘轮上分布着若干刚性的棘齿，由棘爪推动棘齿使棘轮作间歇运动， 其类型有以下几种分类方式。 1)按轮齿分布方式不同分类 棘轮机构可分为外棘轮机构（如图8-4妇所示）入、内棘轮机构（如图84b所示）和棘爪棘条 机构（如图84c所示）。棘爪棘条机构可将棘爪的连续摆动变为棘条的间歇移动。 2)按工作方式分类 按照工作方式棘轮机构可分为单动式棘轮机构（如图84所示）和双动式棘轮机构（如图 85所示)。 单动式棘轮机构的特点是当主动摆杆向一个方向摆动时，棘轮沿同一方向转过某一角度，而 当主动摆杆反向摆动时，棘轮静止不动，即主动摆杆往复摆动一次，只能使棘轮沿一个方向间歇 120
179 棘轮机构一般用作机床及自动机械的进给机构、送料机构、刀架的转位机构、精纺机的成型 机构、牛头刨床的进给机构等。如图 8-2 所示为牛头刨床的进给机构，当齿轮 1 转动后，经连杆 2 带动摇杆 3 作往复摆动，摇杆 3 上的棘爪推动棘轮 4 作间歇转动，与之固连的丝杠 5 也作同样 的间歇转动，从而实现牛头刨床工作台的间歇进给运动。 棘轮机构也广泛应用于卷扬机、提升机及牵引设备中，用它作为防止机械逆转的止动器。如 图 8-3 所示的起重止动器，机构工作时，驱动力使轴 2 逆时针转动，通过键 3 带动棘轮 1 及卷筒 逆时针转动，而提起重物，此时棘爪 4 在棘轮的齿背上滑动。当撤掉驱动力后，卷筒与棘轮在重 物的作用下有顺时针转动的趋势，此时棘爪 4 卡在棘轮的齿槽中，防止机构逆转。 图 8-2 牛头刨床的进给机构 图 8-3 起重止动器 棘轮机构结构简单，制造方便，运动可靠，且棘轮轴每次转过的角度的大小可以在较大的范 围内调节。但棘轮机构不能传递大的动力，而且传动平稳性较差，工作时有较大的冲击和噪声， 不适于高速传动。 8.1.2 棘轮机构的类型 在基本的棘轮机构的基础上作些改变，即可得到不同的棘轮机构。按其工作原理可分为齿式 棘轮机构和摩擦式棘轮机构两大类。 1．齿式棘轮机构 齿式棘轮机构的特点是棘轮上分布着若干刚性的棘齿，由棘爪推动棘齿使棘轮作间歇运动， 其类型有以下几种分类方式。 1）按轮齿分布方式不同分类 棘轮机构可分为外棘轮机构（如图 8-4a 所示）、内棘轮机构（如图 8-4b 所示）和棘爪棘条 机构（如图 8-4c 所示）。棘爪棘条机构可将棘爪的连续摆动变为棘条的间歇移动。 2）按工作方式分类 按照工作方式棘轮机构可分为单动式棘轮机构（如图 8-4 所示）和双动式棘轮机构（如图 8-5 所示）。 单动式棘轮机构的特点是当主动摆杆向一个方向摆动时，棘轮沿同一方向转过某一角度，而 当主动摆杆反向摆动时，棘轮静止不动，即主动摆杆往复摆动一次，只能使棘轮沿一个方向间歇
转动一次。 (a) (b) (c) 图84单动式棘轮机构 双动式棘轮机构的棘爪即可以制成钩头的，又可以制成平头的。图85所示为钩头棘爪棘 轮机构。工作时，摆杆1往复摆动，棘爪2和3交替钩动棘轮4的棘齿，带动棘轮4顺时针间歇 转动两次。当1个棘爪驱动棘轮转动时（如图的棘爪2），另一个棘爪在棘轮的齿背上滑过（如 图中的棘爪3)。图85b所示为平头棘爪棘轮机构，与钩头棘爪棘轮机构不同的是摆杆1往复摆 动时靠棘爪2和3推动棘轮4逆时针间歇转动两次， (b) 图85双动式棘轮机构 3)按棘轮转向是否可调分类 按照棘轮转向是否可调棘轮机构可分为单向运动棘轮机构（如图8-4、8-5所示）和可变向 运动棘轮机构（如图8-6所示）。 单向运动棘轮机构只能实现棘轮沿一个方向的单向转动，而可变向运动棘轮机构可通过改变 驱动棘爪的位置，实现棘轮分别沿两个方向单向转动，其棘轮必须采用对称齿形，常用的有梯形 齿和矩形齿。图85所示的可变向运动棘轮机构中，棘爪具有对称的爪端，可绕其转动中心A 翻转至虚线位置，从而实现棘轮不同转向的间歇运动。图85b所示为另一种可变向运动棘轮机 构，其棘爪具有单侧的工作面。在图示位置时，棘爪推动棘轮齿槽的左侧，使棘轮作逆时针方向 的间歇转动：若将棘爪提起绕其自身轴线转180°后放下，棘爪则推动棘轮齿槽的右侧，使棘轮 作顺时针方向的间歇转动：若将棘爪提起绕本身轴线转动90°，棘爪将被架在壳体的平面上，使 棘轮与棘爪脱开，当棘爪往复摆动时，棘轮静止不动。 180
180 转动一次。 （a） （b） （c） 图 8-4 单动式棘轮机构 双动式棘轮机构的棘爪即可以制成钩头的，又可以制成平头的。图 8-5a 所示为钩头棘爪棘 轮机构。工作时，摆杆 1 往复摆动，棘爪 2 和 3 交替钩动棘轮 4 的棘齿，带动棘轮 4 顺时针间歇 转动两次。当 1 个棘爪驱动棘轮转动时（如图的棘爪 2），另一个棘爪在棘轮的齿背上滑过（如 图中的棘爪 3）。图 8-5b 所示为平头棘爪棘轮机构，与钩头棘爪棘轮机构不同的是摆杆 1 往复摆 动时靠棘爪 2 和 3 推动棘轮 4 逆时针间歇转动两次。 （a） （b） 图 8-5 双动式棘轮机构 3）按棘轮转向是否可调分类 按照棘轮转向是否可调棘轮机构可分为单向运动棘轮机构（如图 8-4、8-5 所示）和可变向 运动棘轮机构（如图 8-6 所示）。 单向运动棘轮机构只能实现棘轮沿一个方向的单向转动，而可变向运动棘轮机构可通过改变 驱动棘爪的位置，实现棘轮分别沿两个方向单向转动，其棘轮必须采用对称齿形，常用的有梯形 齿和矩形齿。图 8-5a 所示的可变向运动棘轮机构中，棘爪具有对称的爪端，可绕其转动中心 A 翻转至虚线位置，从而实现棘轮不同转向的间歇运动。图 8-5b 所示为另一种可变向运动棘轮机 构，其棘爪具有单侧的工作面。在图示位置时，棘爪推动棘轮齿槽的左侧，使棘轮作逆时针方向 的间歇转动；若将棘爪提起绕其自身轴线转 180°后放下，棘爪则推动棘轮齿槽的右侧，使棘轮 作顺时针方向的间歇转动；若将棘爪提起绕本身轴线转动 90°，棘爪将被架在壳体的平面上，使 棘轮与棘爪脱开，当棘爪往复摆动时，棘轮静止不动
(a) (b) 图8-6可变向运动棘轮机构 2.摩擦式棘轮机构 齿式棘轮机构中棘轮转角可在较大范围内调节，但是只能进行有级调整，其大小为一个棘齿 所对中心角的整数倍。如果需要无级调整棘轮的转角，则可采用摩擦式棘轮机构（如图87所示）， 其传动过程与齿式棘轮机构相似，用楔块代替齿式棘轮机构的棘爪，用没有棘齿的摩擦轮代替棘 轮。 (a)楔块外接摩擦式 (b)楔块内接摩擦式 (c)滚子内接摩擦式 图87摩擦式棘轮机构 8.13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 如图8-8所示为棘轮常用齿形。图8-8a所示的不对称梯形棘轮齿形主要用于承受载荷较大 的单向式棘轮：当棘轮机构承受的载荷较小时，可采用图&8b所示的不对称三角形齿形或图8-8© 所示的圆弧形齿形：图8-8d所示的对称梯形齿形和图8-8所示的对称矩形齿形用于双向式棘轮 机构。 2.棘轮模数m、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d。来计算，即 d。=me (8-1)
181 （a） （b） 图 8-6 可变向运动棘轮机构 2．摩擦式棘轮机构 齿式棘轮机构中棘轮转角可在较大范围内调节，但是只能进行有级调整，其大小为一个棘齿 所对中心角的整数倍。如果需要无级调整棘轮的转角，则可采用摩擦式棘轮机构（如图 8-7 所示）， 其传动过程与齿式棘轮机构相似，用楔块代替齿式棘轮机构的棘爪，用没有棘齿的摩擦轮代替棘 轮。 （a）楔块外接摩擦式 （b）楔块内接摩擦式 （c）滚子内接摩擦式 图 8-7 摩擦式棘轮机构 8.1.3 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 如图 8-8 所示为棘轮常用齿形。图 8-8a 所示的不对称梯形棘轮齿形主要用于承受载荷较大 的单向式棘轮；当棘轮机构承受的载荷较小时，可采用图 8-8b 所示的不对称三角形齿形或图 8-8c 所示的圆弧形齿形；图 8-8d 所示的对称梯形齿形和图 8-8e 所示的对称矩形齿形用于双向式棘轮 机构。 2．棘轮模数 m 、齿数 z 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 a d 来计算，即 d = mz a （8-1） A
为了方便设计和制造，应使齿顶圆直径d,为整数，模数m应标准化。常用的模数m(单位 为mm)值有1、1.25、1.5、2、2.5、3、4、5、6、8、10等。 棘轮齿数：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日来确定棘轮的齿数，即：≥2π/日。，一般取：=8、30， 然后选定模数，确定棘轮的齿顶圆直径d, d 图88棘轮齿形 3.棘轮齿面偏斜角α的确定 如图89所示为棘爪与棘轮齿尖A点接触时棘爪受力分析图。为了使在传递相同转矩时棘爪 受力最小，棘爪转动中心O,与棘轮齿尖A的连线02A(设长度为L)应垂直于过棘轮齿尖A的 向径O,A。棘轮的轮齿工作面与齿尖向径间的夹角《为齿面偏斜角，其作用是使棘爪受力时能 自动滑向棘轮齿根面，保证棘轮机构可靠工作。棘爪进入棘轮齿槽时，棘轮对棘爪的作用力有正 压力P和摩擦力F。 图89棘爪受力分析 为了使棘爪能顺利进入棘轮齿槽，应使正压力P对棘爪转动中心O2产生的力矩大于摩擦力 F对其产生的力矩，即 182
182 为了方便设计和制造，应使齿顶圆直径 a d 为整数，模数 m 应标准化。常用的模数 m（单位 为 mm）值有 1、1.25、1.5、2、2.5、3、4、5、6、8、10 等。 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 min 来确定棘轮的齿数，即 min z 2 / ，一般取 z = 8 ~ 30 ， 然后选定模数，确定棘轮的齿顶圆直径 a d 。 （a） （b） （c） （d） （e） 图 8-8 棘轮齿形 3．棘轮齿面偏斜角 的确定 如图 8-9 所示为棘爪与棘轮齿尖 A 点接触时棘爪受力分析图。为了使在传递相同转矩时棘爪 受力最小，棘爪转动中心 O2 与棘轮齿尖 A 的连线 O2 A （设长度为 L）应垂直于过棘轮齿尖 A 的 向径 O1A 。棘轮的轮齿工作面与齿尖向径间的夹角 为齿面偏斜角，其作用是使棘爪受力时能 自动滑向棘轮齿根面，保证棘轮机构可靠工作。棘爪进入棘轮齿槽时，棘轮对棘爪的作用力有正 压力 P 和摩擦力 F 。 图 8-9 棘爪受力分析 为了使棘爪能顺利进入棘轮齿槽，应使正压力 P 对棘爪转动中心 O2 产生的力矩大于摩擦力 F 对其产生的力矩，即