[科普中国]-棘轮机构

棘轮机构（ratchet and pawl），由棘轮和棘爪组成的一种单向间歇运动机构。棘轮机构常用在各种机床和自动机中间歇进给或回转工作台的转位上，也常用在千斤顶上。在自行车中棘轮机构用于单向驱动，在手动绞车中棘轮机构常用以防止逆转。棘轮机构工作时常伴有噪声和振动，因此它的工作频率不能过高。

简介棘轮机构将连续转动或往复运动转换成单向步进运动。

棘轮轮齿通常用单向齿，棘爪铰接于摇杆上，当摇杆逆时针方向摆动时，驱动棘爪便插入棘轮齿以推动棘轮同向转动；当摇杆顺时针方向摆动时，棘爪在棘轮上滑过，棘轮停止转动。为了确保棘轮不反转，常在固定构件上加装止逆棘爪。摇杆的往复摆动可由曲柄摇杆机构、齿轮机构和摆动油缸等实现，在传递很小动力时，也有用电磁铁直接驱动棘爪的。棘轮每次转过的角度称为动程。动程的大小可利用改变驱动机构的结构参数或遮齿罩的位置等方法调节，也可以在运转过程中加以调节。如果希望调节的精度高于一个棘齿所对应的角度，可应用多棘爪棘轮机构。1

工作原理图示为机械中常用的外啮合式棘轮机构，它由主动摆杆，棘爪，棘轮、止回棘爪和机架组成。主动件空套在与棘轮固连的从动轴上，并与驱动棘爪用转动副相联。当主动件逆时针方向摆动时，驱动棘爪便插入棘轮的齿槽中，使棘轮跟着转过一定角度，此时，止回棘爪在棘轮的齿背上滑动。当主动件顺时针方向转动时，止回棘爪阻止棘轮发生顺时针方向转动，而驱动棘爪却能够在棘轮齿背上滑过，所以，这时棘轮静止不动。因此，当主动件作连续的往复摆动时，棘轮作单向的间歇运动。

类型及特点棘轮机构的分类方式有以下几种：

按结构形式

棘轮机构按结构形式分类可分为齿式棘轮机构和摩擦式棘轮机构。

齿式棘轮机构结构简单，制造方便；动与停的时间比可通过选择合适的驱动机构实现。该机构的缺点是动程只能作有级调节；噪音、冲击和磨损较大，故不宜用于高速。

摩擦式棘轮机构是用偏心扇形楔块代替齿式棘轮机构中的棘爪，以无齿摩擦代替棘轮。特点是传动平稳、无噪音；动程可无级调节。但因靠摩擦力传动，会出现打滑现象，虽然可起到安全保护作用，但是传动精度不高。适用于低速轻载的场合。

按啮合方式

棘轮机构按啮合方式分类可分为外啮合棘轮机构和内啮合棘轮机构。

外啮合式棘轮机构的棘爪或楔块均安装在棘轮的外部，而内啮合棘轮机构的棘爪或楔块均在棘轮内部。

外啮合式棘轮机构由于加工、安装和维修方便，应用较广。内啮合棘轮机构的特点是结构紧凑，外形尺寸小。

按从动件运动形式

棘轮机构按从动件运动形式分类可分单动式棘轮机构、双动式棘轮机构和双向式棘轮机构。

单动式式棘轮机构当主动件按某一个方向摆动时，才能推动棘轮转动。

双动式棘轮机构，在主动摇杆向两个方向往复摆动的过程中，分别带动两个棘爪，两次推动棘轮转动。

双动式棘轮机构常用于载荷较大，棘轮尺寸受限，齿数较少，而主动摆杆的摆角小于棘轮齿距的场合。

以上介绍的棘轮机构，都只能按一个方向作单向间歇运动。双向式棘轮机构可通过改变棘爪的摆动方向，实现棘轮两个方向的转动。图示为两种双向式棘轮机构的形式，双向式棘轮机构必须采用对称齿形。

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设计要点棘轮机构的设计主要应考虑：棘轮齿形的选择 、模数齿数的确定 、齿面倾斜角的确定 、行程和动停比的调节方法

现以齿式棘轮机构为例，说明其设计方法齿形的选择

图示为常用齿形，不对称梯形用于承受载荷较大的场合；当棘轮机构承受的载荷较小时，可采用三角形或圆弧形齿形；矩形和对称梯形用于双向式棘轮机构。

模数、齿数的确定

与齿轮相同，棘轮轮齿的有关尺寸也用模数m作为计算的基本参数，但棘轮的标准模数要按棘轮的顶圆直径da来计算。

m = da/z

棘轮齿数z一般由棘轮机构的使用条件和运动要求选定。对于一般进给和分度所用的棘轮机构，可根据所要求的棘轮最小转角来确定棘轮的齿数（z ≤250，一般取z = 8～30），然后选定模数。

齿面倾斜角的确定

棘轮齿面与径向线所夹α称为齿面倾斜角。棘爪轴心O1与轮齿顶点A的连线O1A与过A点的齿面法线nn的夹角β称为棘爪轴心位置角。

为使棘爪在推动棘轮的过程中始终紧压齿面滑向齿根部，应满足棘齿对棘爪的法向反作用力N对O1轴的力矩大于摩擦力Ff沿齿面）对O1轴的力矩，即N·O1Asinβ > Ff·O1Acosβ

则 Ff/N

因为 f = tanψ = Ff/N

所以 tanβ > tanψ

即 β >ψ

式中f和分别为棘爪与棘轮齿面间的摩擦系数和摩擦角，一般f取0.13 ～0.2。

行程和动停比调节

1）采用棘轮罩

通过改变棘轮罩的位置，使部分行程棘爪沿棘轮罩表面滑过，从而实现棘轮转角大小的调整。

2）改变摆杆摆角

通过调节曲柄摇杆机构中曲柄的长度，改变摇杆摆角的大小，从而实现棘轮机构转角大小的调整。

3） 采用多爪棘轮机构

要使棘轮每次转动的角度小于一个轮齿所对应的中心角γ时，可采用棘爪数为m的多爪棘轮机构。

如n=3的棘轮机构，三棘爪位置依次错开γ/3 ，当摆杆转角Ф1在γ≥Ф1≥γ/3 范围内变化时，三棘爪依次落入齿槽，推动棘轮转动相应角度Ф2为 γ≥Ф2≥γ/3 范围内γ/3 整数倍。

应用棘轮机构的主要用途有：间歇送进、制动和超越等，以下是应用实例。

间歇送进图示为牛头刨床，为了切削工件，刨刀需作连续往复直线运动，工作台作间歇移动。当曲柄1转动时，经连杆2带动摇杆5作往复摆动；摇杆5上装有双向棘轮机构的棘爪3，棘轮4与丝杠6固连，棘爪带动棘轮作单方向间歇转动，从而使螺母（即工作台）作间歇进给运动。若改变驱动棘爪的摆角，可以调节进给量；改变驱动棘爪的位置（绕自身轴线转过180°后固定），可改变进给运动的方向。

制动图示为杠杆控制的带式制动器，制动轮与外棘轮2固结，棘爪3铰接于制动轮4上A点，制动轮上围绕着由杠杆5控制的钢带6。制动轮4按逆时针方向自由转动，棘爪3在棘轮齿背上滑动，若该轮向相反方向转动，则4轮被被制动。

超越图示的棘轮机构可以用来实现快速超越运动。运动由蜗杆传到蜗轮，通过安装在蜗轮上的棘爪3驱动棘轮固连的输出轴5按图示方向慢速转动。当需要轴快速转动时，可按输出轴的方向快速转动输出轴上的手柄，这时由于手动转速大于蜗轮转速，所以棘爪在棘轮齿背滑过，从而在蜗轮继续转动时，可用快速手动来实现输出轴超越蜗轮的运动。1

本词条内容贡献者为:

王强 - 副教授 - 西南大学