棘轮机构：分类、特点及应用

1.棘轮机构的组成

图3-38（a）所示为一种典型的外啮合齿式棘轮机构，在机械传动系统中经常使用。它主要由摇杆3、棘爪4、棘轮5和机架6所组成。棘轮5与机构的输出轴O固连；摇杆3空套在机构的输出轴O上，并可绕轴O往复摆动；而棘爪4用转动副铰接在摇杆3上。此外，机构中有时还设有弹簧7和制动棘爪8。

图3-38　齿式棘轮机构

1—曲柄；2—连架杆；3—摇杆；4—棘爪；5—棘轮；6—机架；7—弹簧；8—制动棘爪
（a）棘轮机构；（b）棘轮

2.棘轮机构的工作原理

在棘轮机构中，一般棘爪为主动件，棘轮为从动件。棘爪可由曲柄摇杆机构、凸轮机构、齿轮齿条机构等推动。

如图3-38（a）所示的棘轮机构是通过曲柄摇杆机构来推动棘爪运动的。在曲柄摇杆机构中，曲柄1做匀速连续的转动，而摇杆3则做往复摆动。当摇杆3逆时针方向摆动时，棘爪4插入棘轮的齿槽内，推动棘轮逆时针转过一定的角度，此时制动棘爪8在棘轮的齿上滑过。而当摇杆顺时针方向摆动时，棘爪在棘轮的齿上滑过并落入棘轮的下一个齿槽内。同时在弹簧7的作用下，制动棘爪8插在棘轮的齿槽中，阻止棘轮顺时针方向转动，因此棘轮静止不动。这样，当摇杆做连续的往复摆动时，可以使棘轮实现单向的间歇运动。为了保证制动棘爪8工作可靠，通常利用弹簧7使其与棘轮5保持接触。如果需要棘轮做双向的间歇运动，可以把棘轮的轮齿做成矩形，棘爪做成可翻转的结构，如图3-39所示。当棘爪1位于实线位置时，摇杆将推动棘轮沿逆时针方向做单向间歇运动；当把棘爪1绕销轴转过180°时，棘轮2将沿顺时针方向做单向间歇运动。

图3-39　双向棘轮机构

1—棘爪；2—棘轮

3.棘轮机构的分类及特点

棘轮机构可分为齿式棘轮机构和摩擦式棘轮机构。在齿式棘轮机构中，棘轮外缘或内缘上具有刚性轮齿，依靠棘爪与棘轮齿间的啮合传递运动，如图3-38所示。这种棘轮机构的结构简单、制造方便、运动可靠，且棘轮的转角可以在一定的范围内有级调节。但在运动开始和终止时，会产生噪声和冲击，运动的平稳性较差，轮齿容易磨损，高速时尤其严重。因此，常用于低速、轻载和转角要求不大的场合。

摩擦式棘轮机构采用没有棘齿的棘轮，棘爪为扇形的偏心轮，如图3-40所示。其依靠棘爪1与棘轮2之间的摩擦力来传递运动，棘爪3为制动棘爪。这种机构可以实现棘轮转角的无级调节，在传动的过程中，很少发生噪声，传递运动较平稳。但由于靠摩擦楔紧传动，在其接触表面之间容易发生滑动现象，因而运动的可靠性和准确性较差，不宜用于运动精度要求高的场合。

另外，根据棘轮机构的啮合方式，棘轮机构又可分为外啮合棘轮机构和内啮合棘轮机构两种。外啮合棘轮机构的轮齿分布在棘轮的外缘，如图3-38（a）所示；内啮合棘轮机构的轮齿分布在棘轮的内缘，如图3-38（b）所示。工程实际中常用外啮合齿式棘轮机构。

4.棘轮机构的应用实例

在生产中，棘轮机构的单向间歇运动的特性可满足多种要求。(www.xing528.com)

图3-41所示为牛头刨床上用于控制工作台横向进给的齿式棘轮机构。当主动曲柄1转动时，摇杆3做往复摆动，通过棘爪使棘轮做单向间歇运动，从而带动工作台4做横向进给运动。

棘轮机构除了能够实现间歇运动外，还能实现超越运动。图3-42所示为自行车后轴上的飞轮机构，这是一种典型的超越机构。

图3-40　摩擦式棘轮机构

1，3—棘爪；2—棘轮

图3-41　牛头刨床工作台横向进给机构

1—曲柄；2—连架杆；3—摇杆；4—工作台

图3-42　自行车后轴上的飞轮超越机构

1—内齿棘轮；2—后轮轴；3—轴心；4—棘爪

图3-43　棘轮制动器

当脚蹬踏板时，链条带动内圈具有棘齿的链轮1顺时针转动。通过棘爪4的作用，带动后轮轴2一起做顺时针转动，从而驱使自行车前进。在前进的过程中，如果脚不蹬踏板，则踏板不动，链轮也就停止转动。这时，由于惯性的作用，后轮轴2带动棘爪4从棘轮的齿上滑过，使得后轮轴2超越链轮1而继续转动，这种运动称为超越运动。因此，在不蹬踏板的时候，自行车仍能自由地滑行，从而实现了超越运动。

棘轮机构还可以起到制动的作用。在一些起重设备或牵引设备中，经常用棘轮机构作为制动器，以防止机构的逆转。图3-43所示为起重机的棘轮制动器。在提升重物的过程中，由于设备故障或意外停电等原因造成动力源被切断，此时，棘爪插入棘轮的齿槽中，制止棘轮在重物作用下的顺时针转动，使得重物停留在这个瞬时位置上，从而防止重物坠落而造成事故。

当重物提升到任何需要的高度位置时，为了节省能源，也可以人为地切断动力源而保持重物不动。

此外，棘轮机构在钟表机构以及电器设备中，也得到了广泛的应用。