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第十一章 间歇运动机构
案例导入：通过自动机械和牛头刨床的进给机构，导入间歇运动机构的概念、工作原理、运动特点及其应用；介绍各种间歇运动机构的主要参数及几何尺寸的计算。
第一节 棘轮机构
一、棘轮机构的工作原理、特点和应用

图11-1 棘轮机构的组成 图11-2 外啮合式棘轮机构
典型的棘轮机构由棘爪1、棘轮2、摇杆3、机架4等组成（图11-1）。摇杆及铰接于其上的棘爪为主动件，棘轮为从动件。
图11-2所示为外啮合曲柄摇杆式棘轮机构。当主动曲柄连续转动时，摇杆3往复摆动。当摇杆逆时针摆动时，棘爪2嵌入棘轮1的齿槽内，推动棘轮沿逆时针方向转过一个角度；当摇杆顺时针摆动时，棘爪4在棘轮齿背上滑过，棘轮静止不动。在机架上安装止动棘爪可防止棘轮逆转。工作棘爪和止动棘爪均利用弹簧5使其与棘轮保持可靠接触。这样，当曲柄连续回转时，棘轮作单向的间歇运动。
如果要求摇杆往复运动时都能使棘轮向同一方向转动，则可采用图11-3所示的双动式棘轮机构。驱动棘爪可制成钩头（图11-3a）或直头（图11-3b）。

a) b) a) b)
图11-3 双动式驱动棘爪 图11-4 矩形齿双向棘轮机构
如果要求棘轮作双向间歇运动时，可采用具有矩形齿的棘轮以及与之相适应的双向棘爪。如图11-4所示为矩形齿双向棘轮机构。图11-4a)的驱动棘爪在实线位置时，棘轮作逆时针间歇转动；将驱动棘爪绕A点翻转成虚线位置时，棘轮作顺时针间歇转动。如图11-4b）所示为回转棘爪双向棘轮机构，当棘爪1按图示位置放置时，棘轮2作逆时针间歇转动。若将棘爪提起，并绕本身轴线转动180°后再插入棘轮齿槽时，棘轮作顺时针方向间歇转动。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，使轮与爪脱开，当棘爪往复摆动时，棘轮静止不动。

图11-5 自行车后轮轴的棘轮机构

除外啮合棘轮机构外，还有内啮合棘轮机构（如图11-5）和棘条机构等。
棘轮机构结构简单，但不能传递大的动力，而且传动平稳性较差，不适宜于高速传动。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、牛头刨床的送进机构等，也广泛用于卷杨机、提升机及牵引设备中，用它作为防止机械逆转的止动器。
二、棘轮机构的主要参数及几何尺寸
1.主要参数
(1)棘轮齿数z 。想知道收腹运动机一般应由整个机器工作的需要来决定，通常取z =12~25。
(2)模数m。仿照齿轮标准确定，与齿轮不同之处是从棘轮齿顶圆测量求得。令
图11-6 棘轮齿形
（mm）
式中：m为模数，mm，已系列化，见表11-1；
p为周节，mm，由p=πD/z可导出
D = mz （mm）。
(3)齿顶圆直径da棘轮的最大直径称为棘轮的齿顶圆直径，da。
(4)棘轮齿高 h = 0.75m。
(5)棘齿偏斜角。如图11-6所示，棘轮机构工作时，为使棘爪受载最小而推动棘轮的有效力最大，棘爪回转中心O1应位于棘轮齿顶圆的切线上。当棘爪与棘齿在A点接触时，棘齿对棘爪的作用有正压力N和阻止棘爪下滑的摩擦力F (=Ntgρ),为保证棘爪在此二力作用下仍能向棘齿根部滑动而不从齿槽滑脱，其合力R应使棘爪有逆时针回转的力矩，为此，轮齿工作面相对棘轮半径应有一个负倾角，称为棘齿偏斜角，可以证明，角与摩擦角 之间应有如下关系：
（11-1）
式中：为摩擦角，,为摩擦系数取,=11.3°~14°时，为了保证运转安全可靠，一般可取20°。棘轮齿槽夹角由铣刀刃面夹角决定，一般取θ=60°，因此，在绘制棘轮齿形时，需对齿顶厚或棘齿偏斜角进行修正。
2.棘轮机构几何尺寸计算
棘轮机构几何尺寸按表11-1计算。
表11-1 棘轮机构几何尺寸
尺寸名称
符 号
计算公式与参数
模 数
m
常用1,2,3,4,5,6,8,10,12,14,16等
周 节
p
P=πD/z
齿顶圆直径
D
D = zm
齿 高
h
h = 0.75m
齿 顶 高
s
s = m
齿 槽 夹 角
θ
θ=60°或55°
齿根圆角半径
r
≥
棘 爪 长 度
L
2πm
第二节 槽轮机构
一、槽轮机构的工作原理、特点和应用

图11-7 槽轮机构

槽轮机构又称马氏机构。如图11-7所示，它由具有径向圆销的主动拨盘1、具有径向槽的槽轮2和机架组成。
当构件1作均匀连续转动时，槽轮时而转动，时而静止。在构件1的圆销A尚未进入槽轮的径向槽时，槽轮内凹锁住弧被构件1的外凸圆弧卡住，因而槽轮静止不动。图中所示是构件1的圆销开始进入槽轮径向槽的位置，这时锁住弧被松开，因此圆销便驱使槽轮转动。当圆销开始脱出径向槽时，槽轮的另一内凹锁住弧又被构件1的外凸锁住弧卡住，致使槽轮静止不动，直到圆销在进入另一径向槽时，两者又重复上述的运动循环。图11-7所示的具有四个槽的槽轮机构，当原动件回转一周时，从动件只转1/4周。同理，具有n个槽的槽轮机构，当原动件回转一周时，槽轮转过1/n周。如此重复循环，使槽轮实现单向间歇转动。
槽轮机构的特点是结构简单，工作可靠，机械效率高，在进入和脱离接触时运动较平稳，能准确控制转动的角度，但槽轮的转角不可调节，故只能用于定转角的间歇运动机构中，如自动机床、电影机械、包装机械等。
图11-8所示为六角车床的刀架转位机构。刀架上装有六种刀具，与刀架固连的槽轮2上开有六个径向槽，拨盘1上装有一圆销A，每当拨盘转动一周，圆柱销A就进入槽轮一次，驱使槽轮转过60°，刀架也随之转动60°，从而将下一工序的刀具换到工作位置上。图11-9所示为电影放映机构中的槽轮机构。为了适应人眼的视觉暂留现象，采用了槽轮机构，使影片作间歇运动。
图11-8 刀架的转位机构 图11-9 放映机的卷片机构

1-圆销拨盘 2-槽轮 1-圆销拨盘 2-槽轮

二、槽轮机构的主要参数及几何尺寸
1.槽轮机构的基本参数
(1)槽轮的槽数z。如图11-7所示，为使槽轮开始和终止转动的瞬时角速度为零，以避免圆柱销与槽轮发生冲击，圆销进入径向槽或退出径向槽时，径向槽的中心线应切于圆销中心的轨迹。设径向槽的数目为z，当槽轮2转过时，构件1的转角为

(2)运动系数τ和圆柱销数k。 槽轮每次运动的时间tm对主动件回转一周的时间 t之比称为运动系数，以τ表示。当构件1等速回转时，τ可用构件1的转角之比来表示，即
，
因此， （11-2）
因为运动系数τ必须大于零，所以由上式可知，径向槽的数目应等于或大于3。对于图11-7所示的槽轮机构，槽轮的运动系数τ总小于1/2，也就是说，槽轮的运动时间总小于静止时间。如需得到τ＞1/2的槽轮机构则须在构件1上安装多个圆销。设k为均匀分布的圆销数，则一个循环中槽轮的运动时间比只有一个圆销时增加k倍，故有

τ=1表示槽轮作连续转动，故τ应小于1，即有

由上式可知：当时，可取1~5；当z=4或5时，可取1~3；当z≥6，则可取1~2。
由于z=3时，工作过程中槽轮的角速度变化大，而z≥9时，槽轮的尺寸将变得较大，转动时的惯性力矩也较大，但对τ的变化却不大，因此槽数z常取为4~8。
2.槽轮的基本尺寸（图11-7）
可以按下列公式计算：
槽底高 b≤L- ( R1 +r)
圆销回转半径 R1 = Lsin
槽顶高 R2 =Lcos
式中:r为圆销的半径。
第三节 不完全齿轮机构
不完全齿轮机构的主动轮上只有一个或数个轮齿，而从动轮上的轮齿分布视机构运动时间与静止时间的要求而定。如图11-10所示，主动轮1连续转动一周，从动轮2分别转1/8（图a）和1/4(图b)周，达到主动轮连续转动，从动轮作间歇转动的目的。为防止从动轮在静止时间内游动，主、从动轮上分别有外凸圆弧和内凹锁住弧。
不完全齿轮机构与其它间歇机构相比，只要适当地选取齿轮的齿数、锁住弧的段数和锁住弧之间的齿数，就能使从动轮得到预期的停歇次数、停歇时间及每次转过的角度。

图11-10不完全齿轮机构

但不完全齿轮机构在从动轮进入或退出啮合时，因速度突变，从而引起刚性冲击，故一般只用于低速轻载场合，常在计数器和某些间歇进给机构中采用。
a) b)
图11-10不完全齿轮机构
习题十一
11-1 棘轮机构的工作原理及运动特点是什么？
11-2 棘轮机构、槽轮机构和不完全齿轮机构是怎样组成的？它们如何实现从动件的单向间歇运动？
11-3 何谓槽轮机构的运动系数τ？为什么运动系数必须大于1？槽轮的槽数常取多少？
11-4 某单销槽轮机构的槽数z=6，中心距l=80mmm，圆销直径为10mm。(1)计算该槽轮机构的基本尺寸并按比例绘出该槽轮的简图；(2)计算该槽轮机构的运动系数。

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