棘轮机构的几何尺寸计算公式(优.选)

5.4 螺 旋 机 构
5.4.1 螺纹的参数、类型和应用 1.螺旋线、螺纹的形成 在直径为d2的圆柱面上，绕一底边长为πd2的 直角三角形，底边与圆柱体的底面重合，则斜边 在圆柱表面上将形成一条螺旋线，如图5.18（a） 所示。取一平面图形(如图5.18（b）所示)，使其 一边与圆柱体的母线贴合，并沿螺旋线移动，移 动时保持此平面图形始终通过圆柱体的轴线，此 平面图形在空间形成的轨迹构成螺纹。
按从动件的间歇运动方式分类，它又有以下 几种形式。 (1) 单向间歇转动如图5.1、图5.2所示，从动 件均作单向间歇转动。 （2) 单向间歇移动如图5.3所示，当主动件1 往复摆动时，棘爪2推动棘齿条3作单向间 歇移动。 （3) 双动式棘轮机构如图5.4所示，主动摇杆 1上装有主动棘爪2和2′，摇杆1绕O1轴来回 摆动都能使棘轮3沿同一方向间歇转动，摇 杆往复摆动一次，棘轮间歇转动两次。
2. 棘轮机构的类型 根据工作原理，棘轮机构可分为齿式棘 轮机构和摩擦式棘轮机构两大类。 1) 齿式棘轮机构 齿式棘轮机构的工作原理为啮合原理。 按啮合方式分类，它有外啮合(如图5.1所示) 和内啮合(如图5.2所示)两种型式。内啮合棘 轮机构由轴1、驱动棘爪2与止回棘爪4、棘 轮3以及弹簧5组成。
2) 摩擦式棘轮机构 摩擦式棘轮机构的工作原理为摩擦原理。在 图5.6所示的机构中，当摇杆往复摆动时， 主动棘爪2靠摩擦力驱动棘轮3作逆时针单 向间歇转动，止回棘爪4靠摩擦力阻止棘轮 反转。由于棘轮的廓面是光滑的，所以又 称为无棘齿棘轮机构。该类机构棘轮的转 角可以无级调节，噪声小，但棘爪与棘轮 的接触面间容易发生相对滑动，故运动的 可靠性和准确性较差。
1. 间歇式送进 图5.8所示为浇注流水线的送进装置，棘轮与带轮固连 在同一根轴上，当活塞1在汽缸内往复移动时，输送带2间 歇移动，输送带静止时进行自动浇注。 2. 超越运动 图5.9所示为自行车后轴上的内啮合棘轮机构，飞轮1 即是内齿棘轮，它用滚动轴承支承在后轮轮毂2上，两者 可相对转动。轮毂2上铰接着两个棘爪4，棘爪用弹簧丝压 在棘轮的内齿上。当链轮比后轮转的快时(顺时针)，棘轮 通过棘爪带动后轮同步转动，即脚蹬得快，后轮就转得快。 当链轮比后轮转的慢时，如自行车下坡或脚不蹬时，后轮 由于惯性仍按原转向转动，此时，棘爪4将沿棘轮齿背滑 过，后轮与飞轮脱开，从而实现了从动件转速超越主动件 转速的作用。按此原理工作的离合器称为超越离合器。

间歇运动机构设计
间歇运动机构设计
间歇运动机构设计
任务二 槽 轮 机 构
任务导入 图6-13所示为六角车床上刀架转位的槽轮机构,试根据
图形说明其工作原理。
间歇运动机构设计
图6-13 六角车床上的槽轮机构
间歇运动机构设计
任务实施 一、 槽轮机构的组成和工作原理
1.槽轮机构的组成 槽轮机构通常由拨盘、槽轮和机架等组成,如图6-14所 示。其中拨盘1为主动件,槽 轮2为从动件。
间歇运动机构设计
5.几何尺寸 槽轮的槽数z 和圆柱销数k 是由具体的工作要求确定的, 而槽轮机构的中心距a 和圆 柱销的半径则是根据受载情况和 实际机器所允许的空间尺寸的大小来确定的。其他几何尺 寸可由几何关系或经验公式求得,需要时可查阅有关文献。
间歇运动机构设计
四、 槽轮机构在六角车床上的应用 图6-1所示为槽轮机构在六角车床上的应用。当拨盘1转
间歇的进行转位。但因圆柱销 的突然进入与脱离径向槽,传 动存在柔性冲击,不适用于高速场合。此外,槽轮机构的转 角 不能调节,只能用于定转角的间歇运动机构中。
间歇运动机构设计 2.应用 图6-18所示为槽轮机构在电影放映机中的应用,用作送
片机构。
图6-18 电影放映机中槽轮机构
间歇运动机构设计
三、 槽轮机构的主要参数 1.转角 在槽轮机构中,当圆柱销开始进入槽轮的径向槽时,槽轮
间歇运动机构设计
图6-15 内啮合槽轮机构
间歇运动机构设计
2)根据圆柱销数分类 圆柱销可以是一个,也可以是多个。在单圆柱销槽轮机 构中,拨盘转动一周,槽轮转 动一次,如图6-14所示。如果有多 个圆柱销,拨盘转动一周,则槽轮转动多次。图6-16-所示为双 圆柱销外啮合槽轮机构,在这种机构中,拨盘1转动一周,槽轮 转动两次。

超越离合器
JM
返回
运动特点： 运动特点： 轮齿式棘轮工作时噪音大且转角为步进可调，但运动准确。 轮齿式棘轮工作时噪音大且转角为步进可调，但运动准确。 而摩擦棘轮正好相反。 而摩擦棘轮正好相反。 应用：在各类机床中实现进给、转位、或分度。 应用：在各类机床中实现进给、转位、或分度。 实例：止动器、牛头刨床、冲床转位、 实例：止动器、牛头刨床、冲床转位、 超越离合器（单车飞轮）。 超越离合器（单车飞轮）。
第五十六讲 棘轮机构
一、棘轮机构的组成及其工作原理 棘轮机构的组成及其工作原理 组成：摆杆、棘爪、棘轮、止动爪。 组成：摆杆、棘爪、棘轮、止动爪。 工作原理：摆杆往复摆动，棘爪推动棘轮间歇转动。 工作原理：摆杆往复摆动，棘爪推动棘轮间歇转动。 优点：结构简单、制造方便、运动可靠、转角可调。 优点：结构简单、制造方便、运动可靠、 缺点：工作时有较大的冲击和噪音，运动精度较差。 缺点：工作时有较大的冲击和噪音，运动精度较差。 适用于速度较低和载荷不大的场合。 适用于速度较低和载荷不大的场合。 二、棘轮机构的类型与应用 按轮齿分布有： 外缘、 内缘、 端面棘轮机构 按轮齿分布有： 外缘、 内缘、 端面棘轮机构。 棘轮机构。 按工作方式有： 按工作方式有： 棘轮 类型 单动式、 双动式棘轮机构 单动式、 双动式棘轮机构。 棘轮机构。 单向、双向运动棘轮机构。 单向、双向运动棘轮机构。 棘轮机构 固定转角、 固定转角、可调转角 轮齿棘轮、 轮齿棘轮、 摩擦棘轮
C
冲压工位
D
冲头 卸料工位
间歇转动
B
装料工位
A
JM
返回
三、设计要点 正压力－Pn 正压力－ 摩擦力－F 摩擦力－
L F M p r
要求在工作时，棘爪在Pn和F的作用下，能自动滑入棘轮齿槽。 的作用下，能自动滑入棘轮齿槽。 要求在工作时，棘爪在P 条件是两者对O’的力矩要满足 条件是两者对O’的力矩要满足 如下条件： 如下条件：

棘爪的几何尺寸计算及棘轮齿形的画法
当选定齿数 并按照强度要求确定模数 之后，棘 轮和棘爪的主要几何尺寸可按以下经验公式计算：
顶圆直径 齿高 齿顶厚 齿槽夹角 =60°或55° 棘爪长度 其它结构尺寸可参看机械零件设计手册。 由以上公式计算出棘轮的主要尺寸后，可按下述方法画出齿形： 如图6-8b 所示，根据Ｄ和 h 先画出齿顶圆和齿根圆；按照齿数等分齿顶圆，得 Ａ'、Ｃ、…等点，并由任一等分点Ａ' 作弦 A'B= = ；再由 B 到第二等分点 C 作弦 BC；然后自 B、C 点分别作角度∠O'BC=∠O'CB=90°- 得 O'点；以 O'为圆心，O'B 为半 径画圆交齿根圆于 E 点，连 CE 得轮齿工作面，连 BE 得全部齿形。

太大 ,但当 z 值过小时 , 会导致棘爪不能换向 , 为便于拉刀的分
度 ,以提高棘轮的分度精度 ,一般常选择能够除尽 360°的整数 ,
如 20 ,24 ,25 ,30 ,32 ,36 ,40 ,45 ,48 ,50 ,60 ,72 等 。
(2) 棘爪齿数的选择 。
棘爪的齿数 z G越多 ,扳手的承载能力越大 。或者说 ,扳手的
棘轮扳手是工具行业的重要产品之一 ,但目前在国内外并 没有可查取的计算方法 ,各生产厂家都是用实验法或模拟法进 行设计 ,工作效率低而不经济 。
内齿棘轮扳手的结构有许多种 ,主要是因棘爪的形状不同 而异 。最常见的有 : (1) 多齿棘爪 ,棘爪与榫头之间的承载面为 一小圆柱面 。此类扳手代称 N Y 型扳手 ,其棘爪称 N Y 型棘爪 ; (2) 多齿棘爪 ,棘爪与榫头之间的承载为一平面 。此类扳手称 “N P”型扳手 ,其棘爪代称 N P 型棘爪 。以下介绍 N P 型扳手设 计计算的基本思路 。
l。
5 强度计算
5. 1 齿面抗压强度计算 扳手的切向力 FQ 与扭力作用圆半径 RN 的乘积应等于扳
手的输出扭矩 Mo ,即 :
FQ = Mo / R N
图 2 内齿棘轮基本形状 (8) 内齿棘轮扳手有以下几个专用术语需要加以说明 : ①集中力作用点 ———为了简化受力分析 , 假设各棘爪齿 上分散的受力集中到棘爪的某一点上 , 该点称为集中力作用 点 ,用符号 F 表示 。 ②扭力作用圆 ———F 点所在的以棘轮中心为圆心的圆称 为扭力作用圆 ,其半径用 RN 表示 。 ③集中力作用点的齿面压力角 ———F 点指向棘轮中心的 径向力 FJ 与齿面之间的夹角称为集中力作用点的齿面压力角 , 用符号 αF 表示 。 ④集中力作用点的径力角 ———榫头给棘爪的支反力 FH 与 FJ 之间的夹角称为集中力作用点的径力角 ,用符号 γF 表示 ⑤扭力作用圆当量齿数 ———扭力作用圆半径用模数和某 一系数表示时 , 该系数叫做扭力作用圆当量齿数 , 用符号 zN 表 示。

通常取α＝20°
o1
棘爪对棘轮的总反力Pr的作用线在棘轮轴心O2和棘爪轴心O1之间穿过。
棘轮几何尺寸计算公式
齿槽角
棘轮参数 齿数z 模数m
计算公式或取值 12~25 1、1.5、2、2.5、3、 3.5、4、5、6、8、10
o2
L
p h1 h’ a1 a
60°~80°
顶圆直径da
齿间距p 齿高h 齿顶弦长a 棘爪工作面长度a1 齿偏角α 棘轮宽b 棘爪斜高h1 、齿斜高h’ 棘轮齿根圆角半径rf 棘爪尖端圆角半径r1
da =mz
P=π m h=0.75m a=m a1=(0.5~0.7)a α＝20° b=(1~4)m h1=h’ ≈h/cosα rf =1.5 mm r1 =2 mm
da
α
o1
h
r1 rf
棘爪长度L
一般取 L=2p
棘轮转角大小的调整
（1）采用棘轮罩
通过改变棘轮罩的位置 实现棘轮转角大小的调 整
棘轮机构设计中的主要问题
棘轮机构的可靠工作条件： 欲使棘爪顺利的滑入棘轮齿根， 则必须有：
L F M p r
α Ft
A
Mpn>MF
将两个力分解成切向和径向分量
o2
Fr
α
pn
Σ =90° da
pt
Pn sinα L
∵ F= Pn f
> Fcosα L
α
齿偏角
代入得：
tgα> f =tgφ ∴ α>φ
棘轮转角大小的调整 （2）改变摆杆转角 通过改变滑块A的位置 ，改变摆杆转角的大小， 从而实现棘轮转角大小的 调整
棘轮机构的应用
牛头刨床
棘轮机构的应用

m≥
K 0M 0 bΡb
(37)
(3) 棘爪销轴抗剪强度计算
棘爪销轴所受剪切力等于支反力 F H , 受剪
截面为销轴横截面, 剪切强度按常规的方法进
行计算。
编辑: 辛节之
大轴同轴度测量达先进水平
大轴同轴度测量是重型机电设备的关键技术难 题, 国内外尚缺少有效的方法和仪器。北京机械工业学 院进行了该课题的研究, 其项目为国家八五攻关项目 的一个子课题。测量装置的特点是: 11 能直接用于加工 现场的机床上进行在位测量; 21 采用非接触测量; 31 采用三测点法分离了机床主轴误差; 41 利用激光准直 系统, 使漂移控制在允许范围; 利用 CCD 和图象处理 手段探测光斑能量中心, 定位准确。 经查新, 未发现与 该课题相同原理与用途的报道。鉴定意见为“已达到国 内领先、国际水平”。测量精度优于 (0101×5×10- 6L )。
由上节的分析得知, 最好选择 ΧF = 90°。 但
是, 对于本文所述的扳手来说, ΧF 角不可能达
到 90°。于是需要寻找 ΧF 角的最大值。通过数学
分析得知, ΧF 角的最大值为
ΧFm ax =
a rcsin
A RN
=
a rcsin Z
2ZA 2+ ZJ
(24)
当 ΧF 为最大值时, F 点的安放角为
3. 基本规定和基本公式
(1) 对于内齿棘轮作如下规定:
以根圆作为分度圆; 齿面形状为平面; 槽根
角 (棘轮槽两侧面间的夹角) 为 90°; 槽根角的
平分线通过棘轮中心。
用 如 下 符 号 分 别 代 表 棘 轮 的 相 应 意 义:
m —模数; Z —齿数; h—齿顶高; f 0—齿顶高系 数 (负值) ; hJ —齿尖高; f J —齿尖高系数; d f—分 度圆直径; R f—分度圆半径; D e—齿顶圆直径; R e—齿顶圆半径; R J —齿尖圆半径; Z J —齿尖圆

双动棘轮机构
A
B
B’
洛阳高专用
棘轮可双向运动
可调转角的棘轮
φ
0 1 2 3 4 5
调滑动罩
牛头刨床进给调整机构 通过调整杆长来调摆角
洛阳高专用
1 2 3
摩擦棘轮
3 2 1
超越离合器
3 4 2
1
洛阳高专用
运动特点： 轮齿式棘轮工作时噪音大且转角为步进可调，但运动 准确。而摩擦棘轮正好相反。
应用：在各类机床中实现进给、转位、或分度。 实例：止动器、牛头刨床、冲床转
da =mz 与齿轮不同 P=πm
齿高h
齿顶弦长a 棘爪工作面长度a1
齿偏角α
h=0.75m
a=m a1=(0.5~0.7)a α＝20°
棘轮宽b
b=(1~4)m
棘爪斜高h1 、齿斜高h’ 棘轮齿根圆角半径rf 棘爪尖端圆角半径r1
棘爪长度L
洛阳高专用
h1=h’ ≈h/cosα
rf =1.5 mm r1 =2 mm 一般取 L=2p
槽轮
弧接触时，槽轮静止；反之槽轮运动。
ω2
作用：将连续回转变换为间歇转动。
特点：结构简单、制造容易、工作可靠、机械效率高，
能平稳地、间歇地进行转位。因槽轮运动过程中角速
度有变化 ，不适合高速运动场合。
洛阳高专用
二、槽轮机构的类型与应用
槽轮 机构
外啮合槽轮机构 内啮合槽轮机构
轴线平行
类型 球面槽轮机构 轴线相交
k= n(1/2-1/z) ∵ k≤1 得：n≤2z/ (z -2)
提问：why k≤1？ 事实上，当k=1时，槽轮机构已经不具备间歇运动特性了。
槽数z
3

运动特点： 运动特点： 轮齿式棘轮工作时噪音大且转角为步进可调， 轮齿式棘轮工作时噪音大且转角为步进可调，但 运动准确。而摩擦棘轮正好相反。 运动准确。而摩擦棘轮正好相反。 应用：在各类机床中实现进给、转位、或分度。 应用：在各类机床中实现进给、转位、或分度。 实例：止动器、牛头刨床、 实例：止动器、牛头刨床、冲床转 超越离合器（单车飞轮） 位、超越离合器（单车飞轮）
规定: 和在圆销进入区为正， 规定 和在圆销进入区为正，在圆 销离开区为负，变化区间为： 销离开区为负，变化区间为： － α 1≤α ≤α 1 － φ 2≤φ ≤φ 2 中有如下关系： 在△ABO2中有如下关系：
AB R sin α tg = = O2B L R cos α
ω1
o1
R
α
α 1 -α 1
东华大学专用 作者：潘存云教授 计算公式或取值 12~25
L o2 h’ a 1 da
p h1 a
1、1.5、2、2.5、3、 、 、 、 、 、 3.5、4、5、6、8、10 、 、 、 、 、
da =mz 与齿轮不同 P=πm π h=0.75m a=m a1=(0.5~0.7)a α＝ ° α＝20° b=(1~4)m h1=h’ ≈h/cosα rf =1.5 mm r1 =2 mm 一般取 L=2p
ω1
2α1 90° 90° ° ° 2φ2
ω2
为减少冲击，进入或退出啮合时， 为减少冲击，进入或退出啮合时，槽中心线与拨销中 故有： 心连线成90° 心连线成 °角。故有： 2α1=π－2φ2 =π－(2π/z) α π π (2π/z) 2π(z= 2π(z-2)/2z 代入上式
东华大学专用 作者：孙志宏
槽数z 槽数 圆销数n 圆销数 运动系数k 运动系数 3 1~6 1/6~1

?对于只有一个圆柱销的槽轮机构t1和t2分别对应拨盘1的转角2和槽轮2运动时对应的拨盘1转角21因此槽轮机构运动系数为222212?zzztt22221??74在一个运动循环内槽轮停歇时间t2可由值按下式计算ttttt11t1112212???t7一5?要使槽轮2运动必须使其运动时间t20?故由式74可得z2即径向槽的数目z应大于2?这样槽轮机构的运动系数0
9
图7－7所示为牛头刨床工作台 横向进给机构，
当曲柄1转动时，经连杆2带动 摇杆4作往复摆动；摇杆4上装 有图7—4b 所示的 双向棘 轮机
构的棘爪，棘轮3与丝杠5固连， 棘爪带动棘轮作单方向间歇转 动，从而使螺母6（工作台） 作间歇进给运动。
若改变驱动棘爪摆角，可以调
节进给量；改变驱动棘爪的位
1
§7－1 棘轮机构 §7－2 槽轮机构 §7－3 不完全齿轮机构 §7－4 万向联轴节
2
一、棘轮机构的基本结构和工作原理
棘轮机构基本结构如图7—l所示， 由棘轮3、棘爪2、4与主动摆杆 1、机架5组成。 主动摆杆1空套在与棘轮3固联 的从动轴上，驱动棘爪2与主动 摆杆1用转动副O1相联，止动棘 爪4与机架5用转动副O2相联， 弹簧6可保证棘爪与棘轮啮合。
当主动摆杆作往复摆动时，从动棘 轮作单向间歇转动。
二、棘轮机构的类型
常用棘轮机构可分为轮齿式与摩擦式两大类： 1、轮齿式棘轮机构 按啮合方式可分成外啮合、内啮合棘轮机构。
4
根据棘轮的运动又可分为两种情况：
(1) 单向式棘轮机构
•单向式棘轮机构的特点是摆杆向一个方向摆动时， 棘轮沿同一方向转过某一角度；而摆杆向另一个方 向摆动时，棘轮静止不动。 •双动式棘轮机构，摆杆的往复摆动，都能使棘轮沿 单一方向转动，棘轮转动方向是不可改变的。

1
§7－1 §7－2 §7－3 §7－4
棘轮机构 槽轮机构 不完全齿轮机构 万向联轴节
2

一、棘轮机构的基本结构和工作原理
棘轮机构基本结构如图7—l所示， 由棘轮3、棘爪2、4与主动摆杆 1、机架5组成。 主动摆杆1空套在与棘轮3固联 的从动轴上，驱动棘爪2与主动 摆杆1用转动副O1相联，止动棘 爪4与机架5用转动副O2相联， 弹簧6可保证棘爪与棘轮啮合。
（7－8）
30
由上式知，这种槽轮机构运动系数总大于0．5。 又因τ ＜1时槽轮2才能出现停歇，所以 z＞2， 即径向槽数目应为z≥3。 如均布 k个圆柱销，槽轮 2运动仍应满足，
z2 k( ) 1 2z
即
2z k z2
当z≥3时k＜2，说明这种槽轮机构圆柱销数量只 能有1个。



图7-6所示滚子楔紧式棘轮机构， 滚子受力情况如图7-14所示。 图中当套筒1逆时针方向转动时， 在摩擦力FA作用下，滚子2有逆 时针滚动的趋势，因此星轮3在 接触点B对滚子有图示摩擦力FB。 摩擦力FA与FB使滚子楔紧，其夹 角为楔紧角β，而滚子2在接触 点A、B的正压力FNA和FNB欲将 滚子挤向楔形大端而松开。 因此滚子楔紧条件为：楔紧角 小于两倍的摩擦角。但β角选择 过小，反向运动时滚子将不易 退出楔紧状态。
9
图7－7所示为牛头刨床工作台 横向进给机构，


当曲柄1转动时，经连杆2带动 摇杆4作往复摆动；摇杆4上装 有图7—4b所示的双向棘轮机构 的棘爪，棘轮3与丝杠5固连， 棘爪带动棘轮作单方向间歇转 动，从而使螺母6（工作台） 作间歇进给运动。 若改变驱动棘爪摆角，可以调 节进给量；改变驱动棘爪的位 置（绕自身轴线转过180o后固 定），可改变进给运动的方向。

JM 返回
1 2
3
3 2
1
摩擦棘轮
超越离合器
3 4 2
1
JM 返回
运动特点： 轮齿式棘轮工作时噪音大且转角为步进可调，但运动准确。
而摩擦棘轮正好相反。
应用：在各类机床中实现进给、转位、或分度。
实例：止动器、牛头刨床、冲床转位、 超越离合器（单车飞轮）。
C D
冲压工位
冲头 卸料工位
B
装料工位
间歇转动
A
JM 返回
三、设计要点
正压力－Pn
摩擦力－F
要求在工作时，棘爪在Pn和F的作用下，能自动滑入棘轮齿槽。
条件是两者对O’的力矩要满足 如下条件：
Mpn>MF
L
o2 M pr
F α Ft
Fr A
将两个力分解成切向和径向分量
Pn sinα L > Fcosα L
pn
α
pt
Σ=90°
α
∵ F= Pn f 代入得：
h
o1
r1 rf
JM 返回
h=0.75m a=m a1=(0.5~0.7)a α＝20°
棘轮宽b
b=(1~4)m
棘爪斜高h1 、齿斜高h’ 棘轮齿根圆角半径rf 棘爪尖端圆角半径r1
棘爪长度L
h1=h’ ≈h/cosα
rf =1.5 mm r1 =2 mm 一般取 L=2p
齿槽角
L
p
o2
h1 a
h’ a1 α
da
60°~80°
棘轮 类型
按工作方式有： 单动式、 双动式棘轮机构。
按棘轮转向是否可调:
单向、双向运动棘轮机构。
按转角是否可调: 固定转角、可调转角