1.3.5 其他常用机构——拓展知识

在工程实际中，除了应用前述的平面连杆机构和凸轮机构，还会应用棘轮机构、槽轮机构、不完全齿轮机构、螺旋机构和万向联轴器等。在机械的创新设计中占据十分重要的地位。掌握基本机构的特点和机构组合的基本方法，是机械创新设计的前提和基础。

在生产中，当主动件做连续运动时，从动件做周期性的运动和停顿，这类机构称为间歇运动机构，也称为步进机构。它在各种自动化机械中得到了广泛的应用，用来满足送进、制动、转位、分度、超越等工作要求。

1.棘轮机构

图1-3-16所示为一典型的外啮合棘轮机构。该机构由棘轮、棘爪、摇杆、止回棘爪、弹簧及机架等组成。弹簧用来使止回棘爪与棘轮保持接触。棘轮与从动轴固连，摇杆空套在从动轴上。棘爪与摇杆用转动副连接。当摇杆沿逆时针方向摆动时，棘爪便插入棘轮的齿槽，推动棘轮转过某一角度，而此时，止回棘爪在棘轮的齿背上滑过。当摇杆沿顺时针方向摆动时，止回棘爪阻止棘轮沿顺时针方向转动。此时，棘爪在棘轮的齿背上滑过，因此棘轮静止不动。这样，当摇杆做连续往复摆动时，棘轮便做单向间歇转动。摇杆的摆动，可用平面连杆机构、棘轮机构等来实现。图1-3-17所示为内啮合棘轮机构。

（1）棘轮机构的分类

1）单向式棘轮机构。图1-3-16所示为单向式棘轮机构。该机构的特点是：当摇杆向某一方向摆动时，棘爪推动棘轮转过某一角度；当摇杆反向摆动时，棘轮静止不动。改变摇杆的结构形状，可以得到如图1-3-18所示的双动式棘轮机构。当摇杆来回摆动时，都能使棘轮沿单向转动。单向式棘轮机构的轮齿形状为不对称形，常用的是锯齿形（图1-3-16）、三角形（图1-3-17）。

2）双向式棘轮机构。如果将棘轮齿制成方形，则可成为如图1-3-19a所示的可变向棘轮机构。图1-3-19b为另一种可变向棘轮机构，若棘爪提起并绕自身轴线转180°后再放下，则可依靠棘爪端部结构两面不同的特点，实现棘轮沿相反方向单向间歇转动。

对以上各机构，可以在棘轮上加一遮板（图1-3-20），变换遮板的位置可使棘爪行程的一部分在遮板上滑过，而不与棘轮的齿面接触，可以达到改变棘轮转角的目的。

3）摩擦式棘轮机构。图1-3-21所示为摩擦式棘轮机构，它的工作原理是，当往复摆动的摇杆沿逆时针方向摆动时，其上半径逐渐增大的楔块就与摩擦轮的侧表面楔紧成一体来实现摩擦轮的运动；当摇杆沿顺时针方向摆回时，楔块在摩擦轮的侧表面上滑过，摩擦轮保持静止，从而实现了单向的间歇转动。为了防止从动轮随楔块反向转动，因此装有止动楔块。

（2）棘轮机构的特点

1）齿式棘轮机构。齿式棘轮机构的主动件和从动件之间是刚性推动，因此转角比较准确，而且转角大小可以调整。棘轮和棘爪的主从动关系可以互换，但是刚性推动将产生较大的冲击力，而且棘轮是从静止状态突然增速到与主动摇杆同步，也将产生刚性冲击，因此齿式棘轮机构一般只宜用于低速轻载的场合，如工件或刀具的转位、工作台的间歇送进等。棘爪在棘轮的齿背上滑过时，在弹簧力的作用下将一次次地打击棘齿根部，发出噪声。

2）摩擦式棘轮机构。这种机构的结构十分简单，工作起来没有噪声；棘轮的转角可调，主动与从动的关系也可以互换。但是由于是利用摩擦力楔紧之后传动，因此从动件的转角准确程度较差。通常只适用于低速轻载场合。

（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，常用在各种机床、自动机、自行车、螺旋千斤顶等各种机械中。图1-3-22所示为牛头刨床的间歇送进机构，为了切削工件，刨刀需做连续往复直线运动，工作台7做间歇移动。当曲柄1转动时，经连杆2带动摇杆3做往复摆动；摇杆3上装有双向棘轮机构的棘爪4，棘轮5与丝杠6固连，棘爪带动棘轮做单方向间歇转动，从而使螺母（即工作台）做间歇进给运动，若改变驱动棘爪的摆角，则可以调节进给量；若改变驱动棘爪的位置（绕自身轴线转过180°后固定），则可改变进给运动的方向。

棘轮机构还被广泛地用于防止机械逆转的制动器中，这类棘轮制动器常用在卷扬机、提升机和牵引设备中。如图1-3-23所示卷扬机提升机构中的棘轮制动器，重物被提升后，由于棘轮受到止动的制动作用，卷筒不会在重力作用下反转下降，防止在提升过程中重物Q意外地落下造成事故。

棘轮机构也可以完成超越运动，即从动件的速度超过了主动件的速度。如图1-3-24所示自行车后轴处的飞轮实际上就是一个内啮合的棘轮机构，当蹬动自行车的踏板时，链条带动内圈具有棘齿的链轮沿顺时针方向转动，通过棘爪使后轴转动，从而驱使自行车前进。当自行车前进时，如果不蹬踏板（即链轮的转速为0），后轴则借助惯性超越链轮而转动，同时带动棘爪在棘轮齿背上滑过，实现自行车自动滑行。

2.槽轮机构

（1）槽轮机构的工作原理 如图1-3-25所示，槽轮机构由带有圆销A的拨盘、具有径向槽的槽轮及机架组成。拨盘为主动件，槽轮为从动件。当拨盘上的圆销A未进入槽轮时，拨盘的外凸圆弧abc（外锁住弧）锁住槽轮的内凹圆弧efg（内锁住弧），使槽轮静止不动。当圆销A开始进入径向槽时，内、外锁住弧处在图1-3-25a所示位置（a点与f点重合），此时已不起锁住作用，于是圆销带动槽轮转动；当槽轮转过角度2φ₂，即圆销A脱离径向槽时（图1-3-25b），拨盘的外锁住弧又将槽轮的内锁住弧锁住，使槽轮不能转动。当拨盘连续转动时，上述过程重复出现，即使槽轮做单向间歇转动，其转向与拨盘的转向相反。图1-3-25所示为单圆销外槽轮机构，拨盘转一周，槽轮转动一次。另外，还有内槽轮机构（图1-3-26a）及双圆销槽轮机构（图1-3-26b）等。内槽轮机构的槽轮的转动方向与拨盘的转动方向相同。在双圆销槽轮机构中，拨盘上装有两个圆销A、B，当拨盘转过一周时，槽轮转动两次。

（2）槽轮机构的特点和应用 槽轮机构结构简单、工作可靠，在进入和脱离啮合时运动比较平稳。但在运动过程中的加速度变化较大，冲击较严重，因而不适用于高速。在每一个运动循环中，槽轮转角与其径向槽数和拨盘上的圆销数有关，每次转角大小固定而不能任意调节。所以，槽轮机构一般用于转速不很高、转角不需要调节的自动机械和仪器仪表中。例如，在电影放映机中用作送片机构（图1-3-27），在槽轮上开有4条径向槽，当传动轴每转过一周时，槽轮转过90°，可以使影片的画面做短暂停留。

图1-3-28所示为槽轮机构在自动机床刀架转位装置中的应用。为了按照零件加工工艺的要求自动地改变所需要的刀具，采用了槽轮机构。此槽轮上开有6条径向槽，圆销进、出槽轮一次，可推动槽轮转60°，这样刀架上就可以装6种刀具，因而可以间歇地将下一工序需要的刀具，依次转换到工作位置上。

3.不完全齿轮机构

（1）不完全齿轮机构的工作原理和类型 不完全齿轮机构是由普通齿轮机构演变而成的一种间歇运动机构，在图1-3-29所示的不完全齿轮机构中，主动轮1的轮齿没有布满整个圆周，所以当主动轮1做连续转动时，从动轮2做间歇转动。当从动轮2停歇时，靠主动轮1的锁住弧（外凸圆弧g）与从动轮2的锁住弧（内凹圆弧f）相互配合，将从动轮2锁住，使其停歇在预定的位置上，以保证主动轮1的首齿S下次再与从动轮相应的轮齿啮合传动。

不完全齿轮机构也有外啮合和内啮合两种类型。图1-3-29a所示为外啮合不完全齿轮机构，主动轮1只有一段锁住弧，从动轮2有四段锁住弧，当主动轮1转一周时，从动轮2转四分之一周，两轮转向相反；图1-3-29b所示为内啮合不完全齿轮机构，主动轮1只有一段锁住弧，从动轮2有十二段锁住弧，当主动轮1转一周时，从动轮2转十二分之一周，两轮的转向相同。

（2）不完全齿轮机构的特点和应用 不完全齿轮机构常用于多工位、多工序的自动机械或生产线上。在不完全齿轮机构中，主动轮和从动轮的分度圆直径、锁住弧的段数、锁住弧之间的齿数，均可在较大范围内选取，故当主动轮等速转动一周时，从动轮停歇的次数、每次停歇的时间及每次转过角度的变化范围要比槽轮机构大得多。但是，不完全齿轮机构的加工工艺较复杂，且从动轮在运动开始和终止时有较大的冲击。因此，一般只用于低速、轻载的场合，如在自动机床和半自动机床中用作工作台的间歇转位机构、间歇进给机构和计数机构等。