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第5章其他机构

5.1 棘轮机构

5.1.1 棘轮机构的工作原理及类型

1．棘轮机构的工作原理

棘轮机构是机械中常见的一种间歇运动机构。图5.1所示为外啮合棘轮机构，由摇杆1、棘爪2、棘轮3、止回爪4、机架5和弹簧6、7组成。通常以摇杆1为主动件，棘轮3为从动件。当摇杆1连同棘爪2以ω1顺时针转动时，棘爪插入棘轮的相应齿槽，推动棘轮转过相应的角度；当摇杆以ω′1逆时针转动时，棘爪在棘轮齿顶上滑过，棘轮静止不动。为了防止棘轮跟随摇杆反转，设置止回爪4。当摇杆1作连续往复摆动时，棘轮单向间歇转动。

2．棘轮机构的类型

常用的棘轮机构可分为轮齿式和摩擦式棘轮机构。

1）轮齿式棘轮机构

轮齿式棘轮机构按啮合方式分为：外啮合棘轮机构、内啮合棘轮机构和棘条机构。

图5.1所示为外啮合棘轮机构，棘轮为外棘轮；图5.2所示为内啮合棘轮机构，棘轮为内棘轮；棘轮半径无限大时，棘轮就变为棘条，摇杆1的连续往复摆动变为棘条的单向间歇移动，如图5.3所示。

图5.1 外啮合棘轮机构

图5.2 内啮合棘轮机构

按运动形式分为单向间歇转动棘轮机构、单向间歇移动棘轮机构、双动式棘轮机构和双向式棘轮机构。

图5.1、图5.2所示棘轮机构中的棘轮3都以ω3单向间歇转动。图5.3所示棘条机构中的棘条以v3单向间歇移动。图5.4所示为双动式棘轮机构，棘爪3是双头，实现棘轮双动，棘爪的结构有直推式（见图5.4（a））和钩头式（见图5.4（b））。图5.5所示棘轮机构可实现双向的间歇运动，把棘轮的齿形设计加工成矩形齿，棘爪设计加工成可翻转的棘爪。双向式棘轮机构中的棘爪调节方式有翻转式和提转式。图5.5（a）中的棘爪是翻转式，棘轮机构中的棘爪处在图示BO2位置时，棘轮逆时针单向间歇转动；棘爪绕销O2轴翻转处在图示B′O2位置时，棘轮顺时针单向间歇转动。图5.5（b）中的棘爪为提转式，提起棘爪并转动180°，实现双向间歇运动，如图5.5（c）所示。

图5.3 棘条机构

图5.4 双动式棘轮机构

（a）直推式；（b）钩头式

图5.5 双向式棘轮机构

2）摩擦式棘轮机构

摩擦式棘轮机构有外接摩擦式、内接摩擦式和滚子内接摩擦式。

图5.6（a）所示为外接摩擦式棘轮机构，当摇杆1带动滚子2逆时针方向转动时，由于摩擦力的作用使滚子2楔紧在构件1、3的狭隙处，从而带动构件3一起逆时针方向转动；当摇杆1带动滚子2顺时针方向转动时，滚子2松开，构件3静止不动。

图5.6（b）所示为内接摩擦式棘轮机构，当摆轴1带动滚子2逆时针方向转动时，由于摩擦力的作用使滚子2楔紧在构件1、3的狭隙处，从而带动构件3一起逆时针方向转动；当摆轴1带动滚子2顺时针方向转动时，滚子2松开，构件3静止不动。

图5.6（c）所示为滚子内接摩擦式棘轮机构，又称超越离合器。当主动星轮1逆时针转动时，滚柱4靠摩擦力滚向空隙小端，将套筒2楔紧，使之与星轮1一同转动；反之，滚柱4滚向空隙大端，套筒2松开而静止，实现单向离合器的功能。当主动星轮1逆时针转动时，套筒2逆时针转动时的速度超过主动星轮1的转速，套筒2高速自由旋转，实现超越离合器的功能。

图5.6 摩擦式棘轮机构

5.1.2 棘轮机构的特点及应用

1．棘轮机构的特点

（1）棘轮机构结构简单，制造容易，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）棘轮是在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。

2．棘轮机构的应用

图5.7所示为牛头刨床工作台的横向进给机构，曲柄1经连杆2带动摇杆3作往复摆动，摇杆3上装有棘爪，从而推动棘轮4作间歇转动；由于棘轮与丝杠固连，使螺母5（工作台）作横向进给运动。若改变曲柄的长度，就可以改变棘爪的摆角，以调节进给量。

图5.7 牛头刨床工作台的横向进给机构

棘轮棘爪机构还可以用来实现快速的超越运动。图5.8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。