《机械设计基础 》课件第6章

6.1棘轮机构6.2槽轮机构6.3不完全齿轮机构6.4组合机构习题在机械和仪表中，常常需要原动件作连续运动，从动件作周期性时动时停的间歇运动，实现这种间歇运动的机构称为间歇运动机构。间歇运动机构的类型很多，本章着重介绍棘轮机构、槽轮机构、不完全齿轮机构的运动特性。连杆机构、凸轮机构、齿轮机构和间歇运动机构是工程上最常用的几种基本机构。对于比较复杂的运动变换，单独使用基本机构往往难以满足实际生产过程的需要。6.1.1棘轮机构的工作原理及应用

图6-1所示为外啮合棘轮机构。它由摆杆1、棘爪2、棘轮3、止回爪4和机架5和弹簧6组成。通常摆杆1为主动件、棘轮3为从动件。当摆杆1连同棘爪2顺时针转动时，棘爪进

入棘轮的相应齿槽，推动棘轮转过相应的角度；当摆杆逆时针转动时，棘爪在棘轮齿顶上滑过。为了防止棘轮跟随摆杆反转，弹簧迫使止回爪4顶住棘轮齿以避免其反转。这样，摆杆不断地作往复摆动，棘轮便得到单向的间歇运动。6.1棘轮机构图6-1外啮合棘轮机构图6-2内啮合棘轮机构图6-2所示为内啮合棘轮机构。图中4为压紧弹簧，固联于从动棘轮1上，棘爪2和棘轮1在A点构成转动副，5为机架。由图可知，当主动轮3往复摆动时，通过棘爪2驱动从动棘轮1顺时针间歇转动。

棘轮机构通常是将驱动杆的往复摆动变换为棘轮的间歇回转，但也可以将连续回转变换为间歇移动(见图6-3)，或将驱动杆的往复摆动变换为棘轮的间歇移动(见图6-4)。图6-3间歇回转图6-4回歇移动图6-1所示棘轮机构的缺点是：①驱动杆只能在一个方向驱动棘轮；②棘轮只能单向运动；③棘轮的转角必须是相邻两齿所夹中心角的倍数，也就是说，棘轮的转角不能连续改变；④驱动杆回摆时，驱动棘爪在棘轮齿背上滑过，既存在噪声，也加大了棘爪的磨损。针对这些缺点的改进结构如图6-5～图6-8所示。图6-5为双动式棘轮机构。主动件1往复摆动时都能使棘轮2沿同一方向转动。棘爪驱动棘轮可以是推(见图6-5(a)，也可以是拉(见图6-5(b))。

图6-6所示是实现无声棘轮的方法之一，其原理是：使驱动杆1回摆时，驱动棘爪2脱离与棘轮齿3的接触。图6-5双动式棘轮机构(a)驱动方式为推；(b)驱动方式为拉图6-6无声棘轮机构图6-7(a)所示为一种可变向棘轮机构，其变向原理是：当棘爪2在实线位置时，棘轮3将沿逆时针方向作间歇运动；当棘爪翻转到虚线位置时，棘轮将沿顺时针方向作间歇运动。

图6-7(b)所示为另一种可变向的棘轮机构。当棘爪2在图示位置时，棘轮3将沿逆时针方向作间歇运动。若将棘爪提起时并绕本身轴线转180°后再插入棘轮齿中，则可实现沿顺时针方向的间歇运动。若将棘爪提起并绕本身轴线转90°后放下，架在壳体顶部的平台上，使轮与爪脱开，则当棘爪往复摆动时，棘轮静止不动。这种棘轮机构常应用于牛头刨床工作台的进给装置中。图6-8所示为摩擦棘轮机构，当摆杆1作逆时针转动时，利用楔块2(驱动棘爪)与摩擦轮4之间的摩擦产生自锁，从而带动摩擦轮4和摆杆一起转动；当摆杆顺时针转动时，楔块2与摩擦轮4之间产生滑动。这时由于楔块3(制动棘爪)的自锁作用能阻止摩擦轮反转。

摩擦棘轮机构的优点是：可实现棘轮转角的无级改变，理论上也没有噪声。其缺点是接触表面间容易发生滑动。图6-7可变向棘轮机构图6-8摩擦棘轮机构棘轮机构除了常用于实现间歇运动外，还能实现超越运动。图6-9所示为自行车后轮轴上的棘轮机构。当脚蹬踏板时，经链轮1和链条2带动内圈具有棘齿的链轮3顺时针转动，再通过棘爪4的作用，使后轮轴5顺时针转动，从而驱使自行车前进。当自行车前进时，如果踏板不动，后轮轴5便会超越链轮3而转动，让棘爪4在棘轮齿背上划过，从而实现不蹬踏板的自由滑行。图6-9超越离合器(自行车后轮上的棘轮机构)6.1.2棘爪的工作条件

如图6-10所示，为使棘爪受力最小，应使棘轮齿顶A和棘爪的转动中心O2的连线垂直于棘轮半径O1A，即∠O1AO2＝90°。棘轮齿对棘爪的作用力有正压力Fn和摩擦力Ff。Fn可分为圆周力Ft(通过棘爪的转动中心O2)和径向力Fr。由图可见，当棘齿偏斜角为φ时，力Fn有使棘爪绕O2逆时针转动落向齿根的倾向，而摩擦力Ff阻止棘爪落向齿根。为了保证棘轮正常工作，使棘爪啮紧齿根，必须使力Fn对O2的力矩大于Ff

对O2的力矩。即(6-1)将Ff

＝fFn和f＝tanρ代入上式得tanφ＞tanρ

即φ＞ρ(6-2)式中，ρ为棘轮齿与棘爪间的摩擦角，当f＝0.2时，ρ≈11.5°。为安全起见，通常取φ＝20°。图6-10棘爪受力分析选定棘轮的齿数z和按强度要求确定模数m后，棘轮和棘爪的主要几何尺寸可按以下关系计算：

顶圆直径:D＝mz

齿高：h＝0.75m

齿顶厚：a＝m

齿槽夹角：φ＝60°或50°

棘爪长度：L＝2πm

其他结构尺寸可参阅机械设计手册。6.1.3棘轮机构的使用特点

棘轮机构的使用特点如下：

(1)棘轮机构结构简单，容易制造，常用作防止转动件反转的附加保险机构。

(2)棘轮的转角和动停时间比可调，常用于机构工况经常改变的场合。

(3)由于棘轮是在驱动棘爪的突然撞击下启动的，在接触瞬间，理论上是刚性冲击，故棘轮机构只能用于低速的间歇运动场合。6.2.1槽轮机构的工作原理

外啮合槽轮机构如图6-11所示，它由带圆销A的主动拨盘、具有径向槽的从动槽轮和机架组成。拨盘作匀速转动时，通过拨销驱动槽轮作时转时停的单向间歇运动。当拨盘上的圆销A未进入槽轮的径向槽时，由于槽轮的内凹止动弧β被拨盘的外凸圆弧α卡住，故槽轮静止。6.2槽轮机构图示位置是圆销A刚开始进入槽轮径向槽时的情况，这时止动弧刚被松开，因此槽轮受圆销A的驱动开始沿逆时针方向转动；当圆销A离开径向槽时，槽轮的下一个内凹止动弧又被拨盘的外凸圆弧α卡住，致使槽轮静止，直到圆销A在进入槽轮另一径向槽时，两者又重复上述的运动循环。

图6-12所示为内啮合槽轮机构，它适用于要求中心距很小的情况。图6-11外啮合槽轮机构图6-12内啮合槽轮机构与棘轮机构一样，槽轮机构也可以实现间歇移动，如图6-13所示。

槽轮机构由于结构简单，机械效率高，并且运动平稳，因此在自动机床的转位机构、电影放映机卷片机构等自动机械中得到广泛的应用。图6-14所示为电影放映机卷片机构。当槽轮2间歇运动时，胶片上的画面依次在方框中停留，通过视觉暂留而获得连续的场景。图6-13移动槽轮图6-14电影放映机卷片机构6.2.2槽轮机构的主要参数槽轮机构的主要参数是槽数z和拨盘圆销数K。如图6-11所示，为了使槽轮在开始和终止转动时的瞬时角速度为零，以避免圆销A与槽轮发生撞击，圆销进入或脱出径向槽的瞬时，径向槽的中线应与圆销中心相切，即O2A应与O1A垂直。设z为均匀分布的径向槽数，当槽轮转过2φ2＝2π/z弧度时，拨盘相应转过的转角为(6-3)在一个运动循环内，槽轮的运动时间t′与主动拨盘转一周的时间t之比，称为槽轮机构的运动系数，用τ表示。拨盘匀速转动时，时间之比可用槽轮与拨盘相应的转角之比来表示。如图6-11所示，对于只有一个圆销的槽轮机构，t′、t分别对应于拨盘的转角为2φ1、2π。因此，该槽轮机构的运动系数为(6-4)由式(6-4)可得如下结论：

(1)为保证槽轮间歇运动，应有τ＞0，因此必有z≥3。(2)这种单拨销槽轮机构的运动系数τ恒小于0.5，即槽轮运动时间t′总小于静止时间。欲使槽轮机构的运动系数τ＞0.5，可在拨盘上装数个圆销。设拨盘上均布K个圆销，当拨盘转一整周时，槽轮将被拨动K次。因此，槽轮的运动时间为单圆销时的K倍，即(6-5)运动系数τ

还应当小于1(τ＝1意味着槽轮与拨盘一样作连续转动，不能实现间歇运动)，故由上式可得(6-6)由式(6-6)可知，z＝3时，圆销的数目可为1～5；z＝4或5时，圆销数目可为1～3；而当z＞6时，圆销的数目为1或2。

从提高生产效率的观点看，希望槽数z小些为好，因为此时τ也相应减小，槽轮静止时间(一般为工作行程时间)增大，故可提高生产效率；从动力特性考虑，适当增大槽数z较好，因为此时槽轮角加速度减小，可减小振动和冲击，有利于机构正常工作。但槽数z最好不要大于9，因为槽数过多，则槽轮机构尺寸过大，转动惯性力矩也大。另外，由式(6-4)可知，当z＞9时，槽数虽增加，运动系数τ的变化却不大，故常取z

＝4～8。图6-15所示为外啮合不完全齿轮机构。这种机构的主动轮1为只有一个齿或几个齿的不完全齿轮，从动轮2可以是普通的完整齿轮，也可以由正常齿和带锁住弧的厚齿彼此相间地组成。当主动轮1的有齿部分作用时，从动轮2就转动；当主动轮1的无齿圆弧部分作用时，从动轮停止不动，因而当主动轮连续转动时，从动轮获得时转时停的间歇运动。不难看出，每当主动轮1连续转过1周时，图6-15(a)、(b)所示机构的从动轮分别间歇地转过1/8和1/4周。为了防止从动轮在停歇期间游动，两轮轮缘上各制有锁住弧。6.3不完全齿轮机构图6-15外啮合不完全齿轮机构(a)主动轮为一齿不完全齿轮，从动轮为完整齿轮；(b)主动轮为多齿不完全齿轮，从动轮为正常齿和厚齿相间齿轮当主动轮匀速转动时，这种机构的从动轮在运动期间也保持匀速转动，但是当从动轮由停歇而突然到达某一转速以及由某一转速突然停止时，都会像等速运动规律的凸轮机构那样产生刚性冲击。

不完全齿轮机构也可以是内啮合的(见图6-16)。图6-16内啮合不完全齿轮机构与其他间歇运动机构相比，不完全齿轮机构结构简单，制造方便，从动轮的运动时间和静止时间的比例不受机构结构的限制。缺点是从动轮在转动开始和终止时，角速度有突变，冲击较大，故一般只适用于低速或轻载场合。不完全齿轮机构常用于多工位自动机床和半自动机床工作台的间歇转位及某些间歇进给机构中。6.4.1串联式组合机构

若干个单自由度的基本机构顺序联接就构成了串联式组合机构。通常，前置机构的输出运动作为后置机构的运动输入。

图6-17所示的双曲柄—槽轮机构就是一种串联式组合机构。前置机构是双曲柄机构ABCD，后置机构是槽轮机构，前置双曲柄机构的输出构件D的运动作为后置槽轮机构的运动输入。6.4组合机构该机构利用双曲柄机构输出构件变速转动的特性，使槽轮机构随着槽轮受力半径的减小而降低主动拨盘的转速，从而降低了槽轮角速度的波动。

图6-18所示为连杆与棘轮两个基本机构的串联机构。棘轮5的单向步进运动是由摇杆3的摆动通过棘爪4推动的，而摇杆3的往复摆动是曲柄摇杆机构ABCD的输出。该机构实现将输入构件(曲柄1)的等角速度回转运动转换成输出构件(棘轮5)的步进转动。图6-17双曲柄—槽轮机构图6-18连杆—棘轮机构第2章图2-28所示的筛料机主体机构就是一个双曲柄机构和一个曲柄滑块机构的串联。图2-29所示的手动冲床机构则是两个连杆机构的串联。6.4.2并联式组合机构

两个或多个基本机构并列布置以完成某种任务就构成了并联式组合机构。在并联式机构中，各基本机构的输入、输出有三种关系：①各基本机构有共同的输入、输出构件；②各基本机构有共同的输入构件，不同的输出构件；③各基本机构有共同的输出构件，不同的输入构件。图6-19所示的钉扣机针杆传动机构就是一种并联式机构。其基本机构是曲柄滑块机构1237、摆动导杆机构6547，曲柄1、6是输入构件，输出构件是针杆3。

图6-20所示为双凸轮机构，由两个凸轮机构协调配合控制十字滑块3上一点M准确地描绘出虚线所示预定的轨迹。图6-19钉扣机针杆传动机构图6-20双凸轮机构6.4.3复合式组合机构

一个具有两个自由度的基础机构和一个单自由度的附加机构以一定方式相联接就构成了复合式组合机构。通常，基础机构的两个输入运动中，一个来自基础机构的主动构件，另一个则与附加机构的输出相联系。

图6-21所示的凸轮—连杆机构就是一种复合式组合机构，其基础机构是五杆机构12345，有两个自由度，凸轮机构是附加机构。杆2既是五杆机构的连杆，又是凸轮机构的摆杆，杆1既是五杆机构的曲柄(主动件)，又是凸轮机构的活动机架。经合理设计，该机构滑块4的行程可比单一凸轮机构推杆的行程大许多倍，而凸轮机构的压力角仍不会超过许用值。图6-21凸轮—连杆机构图6-22所示的是一种机床用误差补偿机构，其基础机构是具有两个自由度的蜗杆机构(蜗杆1可转可移)，凸轮机构是附加机构。由于凸轮机构的从动件与蜗杆相联，因此主动蜗杆1带动从动蜗轮2转动的同时，还在凸