第 6章 间歇运动机构
§ 6-1 棘 轮 机 构
§ 6-2 槽 轮 机 构
§ 6-3 不完全齿轮机构
§ 6-4 凸轮间歇运动机构
§ 6-1 棘 轮 机 构
一、棘轮机构的工作原理
? 如图 6-1所示, 棘轮机构主要由棘轮,
棘爪和机架所组成 。 棘轮 2固联在轴
4上, 其轮齿分布在轮的外缘 （ 也可
分布于内缘或端面 ）, 原动件 1空套
在轴 4上 。
? 当原动件 1逆时针方向摆动时, 与它相联的驱动棘爪 3便借
助弹簧或自重的作用插入棘轮的齿槽内, 使棘轮随着转过
一定的角度 。
? 当原动件 1顺时针方向摆动时，驱动棘爪 3便在棘轮齿背上滑过。
这时，簧片 6迫使制动棘爪 5插入棘轮的齿槽，阻止棘轮顺时针
方向转动，故棘轮静止不动。当原动件连续地往复摆动时，棘
轮作单向的间歇运动。
? 改变原动件 1的结构形
状, 可以得到如图 6-2
所示的双动式棘轮机
构 。 原动件 1往复摆动
时都能使棘轮 2沿同一
方向转动 。
?驱动棘爪 3可以制成直的 （ 图 a） 或带钩头的 （ 图 b） 。
? 当棘轮轮齿制成方形时，成为可变向棘轮机构，如图 6-3a所示。
其特点是当棘爪 1在实线位置时，棘轮 2将沿逆时针方向作间歇
运动；当棘爪翻转到虚线位置时，棘轮将沿顺时针方向作间歇
运动。
?图 6-3b所示为另一种可变向
棘轮机构 。 该机构可实现棘
轮顺时针方向和逆时针方向
作间歇运动, 还可使棘轮与
棘爪脱开, 则当棘爪往复摆
动时, 棘轮静止不动 。
? 上述棘轮机构，棘轮的转角都是相邻两齿所夹中心角的倍数，
也就是说，棘轮的转角是有级性改变的。如果要实现无级性
改变，就需要采用无棘齿的棘轮 。
? 图 6－ 4是通过棘爪 1与棘
轮 2之间的摩擦力来传递
运动的（ 3为制动棘爪），
故又称为 摩擦式棘轮机构 。
这种机构在传动过程中很
少发生噪声，但其接触表
面间容易发生滑动。
?当脚蹬踏板时，经链轮 1和链
条 2带动内圈具有棘齿的链轮 3
顺时针转动，再通过棘爪 4的
作用，使后轮轴 5顺时针转动，
从而驱使自行车前进。自行车
前进时，如果令踏板不动，后
轮轴 5便会超越链轮 3而转动，
让棘爪 4在棘轮齿背上滑过，
从而实现不蹬踏板的自由滑行。
? 棘轮机构除了实现间歇运动外，还能实现超越运动。如图
6-5所示为自行车后轮轴上的棘轮机构。
二, 棘爪工作条件
? 如 图 6-6所示，为了使棘爪受力最小，应使棘轮齿顶 A和
棘爪的转动中心 O2的连线垂直于棘轮半径 O1A，即
∠ O1AO2=90° 。轮齿对棘爪作用的力有：正压力 Fn和
摩擦力 Ff。当棘齿偏斜角为 φ时，力 Fn有使棘爪逆时针
转动落向齿根的倾向；而磨擦力 Ff阻止棘爪落向齿根。
为了保证棘轮正常工作，使棘爪啮紧齿根，必须使力 Fn
对 O2的力矩大于 Ff对 O2的力矩，即
FnLsinφ>FfLcosφ
? 因 Ff=fFn和 f=tgρ,代入上式得 tgφ>tgρ
? 故 φ>ρ （ 6-1）
? 式中 ρ为齿与爪之间的摩擦角。当摩擦系数 f=0.2时，
ρ≈11° 30′。为可靠起见，通常取 φ=20° 。
三, 棘轮, 棘爪的几何尺寸计算及棘轮齿形的画法
? 当选定齿数 z和按照强度要求
确定模数 m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 D＝ mz
齿 高 h＝ 0.75m
齿 顶 厚 a=m
齿槽夹角 θ=60° 或 55°
棘爪长度 L＝ 2πm
? 由以上公式算出棘轮的主要尺寸后, 可按下述方法画
出齿形：如 图 6－ 6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=a=m,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° － θ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 。
§ 6-2 槽 轮 机 构
一, 槽轮机构的工作原理
? 槽轮机构又称为马尔他机构, 如图 6－ 7
所示 。 它是由具有径向槽的槽轮 2,带
有圆销 A的拨盘 1和机架组成 。
?拨盘 1作匀速转动时, 驱使槽轮 2作时
转时停的间歇运动 。 拨盘 1上的圆销 A
尚未进入槽轮 2的径向槽时, 由于槽
轮 2的内凹锁住弧 β 被拔盘 1的外凸圆
弧 α 卡住, 故槽轮 2静止不动 。 图中
所示位置是当圆销 A开始进入增轮 2的
径向槽时的情况 。
? 这时锁住弧被松开, 因此槽轮 2受圆销 A驱使沿逆时针转动 。 当
圆销 A开始脱出槽轮的径向槽时, 槽轮的另一内凹锁住弧又被
拨盘 1的外凸圆弧卡住, 致使槽轮 2又静止不动, 直到圆销 A再
进入槽轮 2的另一径向槽时, 两者又重复上述的运动循环 。 为
了防止槽轮在工作过程中位置发生偏移, 除上述锁住弧之外也
可以采用其他专门的定位装置 。
? 槽轮机构构造简单, 机械效率高, 并且运动平稳, 因此在自动
机床转位机构, 电影放映机卷片机构等自动机械中得到广泛的
应用 。 图 6-8所示为电影放映机卷片机构 。 当槽轮 2间歇运动时,
胶片上的画面依次在方框中停留, 通过视觉暂留而获得连续的
场景 。
二, 槽轮机构的主要参数
? 槽轮机构的主要参数是槽数 z和拨
盘圆销数 K。
? 如 图 6-7所示, 为了使槽轮 2在开始
和终止转动时的瞬时角速度为零,
以避免圆销与槽发生撞击，圆销进入或脱出径向槽的瞬时，槽的
中心线 O2A应与 O1A垂直。设 z为均匀分布的径向槽数目，则槽轮
2转过 2φ2=2π/z弧度时，拨盘 1的转角 2φ1将为
）（ 26222 21 ?????????? z
? 在一个运动循环内, 槽轮 2的运动时间 tm对拨盘 1的运动时间 t之比
值 τ称为 运动特性系数 。 当拨盘 1等速转动时, 这个时间之比可用
转角之比来表示 。 对于只有一个圆销的槽轮机构, tm和 t分别对应
于拨盘 1转过的角度 2φ1和 2π。 因此其运动特性系数 τ为
? 为保证槽轮运动，其运动特性系数 τ应大于零。 由上式可知，
此时，径向槽的数目应等于或大于 3。但槽数 z=3的槽轮机构，
由于槽轮的角速度变化很大，圆销进出径向槽的瞬时，槽轮
的角加速度也很大。会引起较大的振动和冲击，故很少应用。
)36(2 21212
2
2
2 1 ?????
?
???
?????? zzzztt m
? 由式（ 6-3）可知,这种槽轮机构的运动特性系数 τ总是小于 0.5，
即槽轮的运动时间总小于静止时间 ts。
? 如果拨盘 1上装有数个圆销，则可以得到 τ>0.5的槽轮机构。设
均匀分布的圆销数目为 K，则一个循环中，轮 2的运动时间为只
有一个圆销时的 K倍，即
? 运动系数 τ还应当小于 1（ τ=1表示槽轮 2与盘 1一样作连续转动，
不能实现间歇运动），故由上式得
)46(2 )2( ???? zzK
)56(22 ??? z zK
? 由上式可知, 当 z=3时, 圆销的数目可为 1至 5；当 z=4或
5时, 圆销数目可为 1至 3；而当 z≥6时, 圆销的数目可为
1或 2。
? 槽数 z>9的槽轮机构比较少见，因为当中心距一定时,z
越大槽轮的尺寸也越大，转动时的惯性力矩也增大。另
由式（ 6－ 3）可知，当 z>9时，槽数虽增加,τ的变化却
不大，起不到明显的作用，故 z常取为 4~8。
§ 6-3 不完全齿轮机构
? 图 6－ 9所示为不完全齿轮机构 。 这种机构的主动轮 1为只有一个
齿或几个齿的不完全齿轮, 从动轮 2由正常齿和带锁住弧的厚齿
彼此相间地组成 。
? 当主动轮 1的有齿部分作用时,
从动轮 2就转动；当主动轮 1的
无齿圆弧部分作用时, 从动轮
停止不动, 因而当主动轮连续
转动时, 从动轮获得时转时停
的间歇运动 。
? 不难看出, 每当主动轮 1连续转过一圈时, 图 6-9a,b所
示机构的从动轮分别间歇地转过 1/8圈和 1/4圈 。
? 为了防止从动轮在停歇期间游动，两轮轮缘上各装有锁
住弧。
? 当主动轮匀速转动时, 这种机构的从动轮在运动期间也
保持匀速转动, 但是当从动轮由停歇而突然到达某一转
速, 以及由某一转速突然停止时, 都会像等速运动规律
的凸轮机构那样产生刚性冲击 。 因此, 它不宜用于主动
轮转速很高的场合 。
? 不完全齿轮机构常应用于计数器、电影放映机和某些具
有特殊运动要求的专用机械中。
? 图 6－ 10所示的机构, 主
动轴 Ⅰ 上装有两个不完
全齿轮 A和 B,当主动轴
Ⅰ 连续回转时, 从动轴
Ⅱ 能周期性地输出正转
一停歇一反转运动 。 为
了防止从动轮在停歇期
间游动, 应在从动轴上
加设阻尼装置或定位装
置 。
§ 6-4 凸轮间歇运动机构
? 凸轮间歇运动机构通常有两种型式 。
? 一种是图 6-11所示的圆柱形凸轮间歇运动机构 。 凸轮 1呈圆柱
形, 滚子 3均匀分布在转盘 2的端面, 滚子中与转盘中心的距离
等于 R2。 当凸轮转过角度 δt时, 转盘以某种运动规律转过的角
度 δ2max=2π/z（ 式中 z为滚子数目 ） ；当凸轮继续转过其余
（ 2π-δt） 时, 转盘静止不动 。 当凸轮继续转动时, 第二个圆
销与凸轮槽相作用, 进入第二个运动循环 。 这样, 当凸轮连续
转动时, 转盘实现单向间歇转动 。 这种机构实质上是一个摆杆
长度等于 R2,只有推程和远休止角的摆动从动件圆柱凸轮机构 。
? 另一种是如图 6－ 12所示的
蜗杆形凸轮间歇运动机构 。
凸轮形状如同圆弧面蜗杆
一样, 滚子均匀分布在转
盘的圆柱面上, 犹如蜗轮
的齿 。 这种凸轮间歇运动
机构可以通过调整凸轮与
转盘的中心距来消除滚子
与凸轮接触面间的间隙以
补偿磨损 。
? 凸轮间歇运动机构常用于传递交错轴间的分度运动和需
要间歇转位的机械装置中 。
? 凸轮间歇运动机构的优点是 运转可靠, 传动平稳, 转
盘可以实现任何运动规律, 还可以用改变凸轮推程运
动角来得到所需要的转盘转动与停歇时间的比值 。
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§ 6-1 棘 轮 机 构
§ 6-2 槽 轮 机 构
§ 6-3 不完全齿轮机构
§ 6-4 凸轮间歇运动机构
§ 6-1 棘 轮 机 构
一、棘轮机构的工作原理
? 如图 6-1所示, 棘轮机构主要由棘轮,
棘爪和机架所组成 。 棘轮 2固联在轴
4上, 其轮齿分布在轮的外缘 （ 也可
分布于内缘或端面 ）, 原动件 1空套
在轴 4上 。
? 当原动件 1逆时针方向摆动时, 与它相联的驱动棘爪 3便借
助弹簧或自重的作用插入棘轮的齿槽内, 使棘轮随着转过
一定的角度 。
? 当原动件 1顺时针方向摆动时，驱动棘爪 3便在棘轮齿背上滑过。
这时，簧片 6迫使制动棘爪 5插入棘轮的齿槽，阻止棘轮顺时针
方向转动，故棘轮静止不动。当原动件连续地往复摆动时，棘
轮作单向的间歇运动。
? 改变原动件 1的结构形
状, 可以得到如图 6-2
所示的双动式棘轮机
构 。 原动件 1往复摆动
时都能使棘轮 2沿同一
方向转动 。
?驱动棘爪 3可以制成直的 （ 图 a） 或带钩头的 （ 图 b） 。
? 当棘轮轮齿制成方形时，成为可变向棘轮机构，如图 6-3a所示。
其特点是当棘爪 1在实线位置时，棘轮 2将沿逆时针方向作间歇
运动；当棘爪翻转到虚线位置时，棘轮将沿顺时针方向作间歇
运动。
?图 6-3b所示为另一种可变向
棘轮机构 。 该机构可实现棘
轮顺时针方向和逆时针方向
作间歇运动, 还可使棘轮与
棘爪脱开, 则当棘爪往复摆
动时, 棘轮静止不动 。
? 上述棘轮机构，棘轮的转角都是相邻两齿所夹中心角的倍数，
也就是说，棘轮的转角是有级性改变的。如果要实现无级性
改变，就需要采用无棘齿的棘轮 。
? 图 6－ 4是通过棘爪 1与棘
轮 2之间的摩擦力来传递
运动的（ 3为制动棘爪），
故又称为 摩擦式棘轮机构 。
这种机构在传动过程中很
少发生噪声，但其接触表
面间容易发生滑动。
?当脚蹬踏板时，经链轮 1和链
条 2带动内圈具有棘齿的链轮 3
顺时针转动，再通过棘爪 4的
作用，使后轮轴 5顺时针转动，
从而驱使自行车前进。自行车
前进时，如果令踏板不动，后
轮轴 5便会超越链轮 3而转动，
让棘爪 4在棘轮齿背上滑过，
从而实现不蹬踏板的自由滑行。
? 棘轮机构除了实现间歇运动外，还能实现超越运动。如图
6-5所示为自行车后轮轴上的棘轮机构。
二, 棘爪工作条件
? 如 图 6-6所示，为了使棘爪受力最小，应使棘轮齿顶 A和
棘爪的转动中心 O2的连线垂直于棘轮半径 O1A，即
∠ O1AO2=90° 。轮齿对棘爪作用的力有：正压力 Fn和
摩擦力 Ff。当棘齿偏斜角为 φ时，力 Fn有使棘爪逆时针
转动落向齿根的倾向；而磨擦力 Ff阻止棘爪落向齿根。
为了保证棘轮正常工作，使棘爪啮紧齿根，必须使力 Fn
对 O2的力矩大于 Ff对 O2的力矩，即
FnLsinφ>FfLcosφ
? 因 Ff=fFn和 f=tgρ,代入上式得 tgφ>tgρ
? 故 φ>ρ （ 6-1）
? 式中 ρ为齿与爪之间的摩擦角。当摩擦系数 f=0.2时，
ρ≈11° 30′。为可靠起见，通常取 φ=20° 。
三, 棘轮, 棘爪的几何尺寸计算及棘轮齿形的画法
? 当选定齿数 z和按照强度要求
确定模数 m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 D＝ mz
齿 高 h＝ 0.75m
齿 顶 厚 a=m
齿槽夹角 θ=60° 或 55°
棘爪长度 L＝ 2πm
? 由以上公式算出棘轮的主要尺寸后, 可按下述方法画
出齿形：如 图 6－ 6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=a=m,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° － θ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 。
§ 6-2 槽 轮 机 构
一, 槽轮机构的工作原理
? 槽轮机构又称为马尔他机构, 如图 6－ 7
所示 。 它是由具有径向槽的槽轮 2,带
有圆销 A的拨盘 1和机架组成 。
?拨盘 1作匀速转动时, 驱使槽轮 2作时
转时停的间歇运动 。 拨盘 1上的圆销 A
尚未进入槽轮 2的径向槽时, 由于槽
轮 2的内凹锁住弧 β 被拔盘 1的外凸圆
弧 α 卡住, 故槽轮 2静止不动 。 图中
所示位置是当圆销 A开始进入增轮 2的
径向槽时的情况 。
? 这时锁住弧被松开, 因此槽轮 2受圆销 A驱使沿逆时针转动 。 当
圆销 A开始脱出槽轮的径向槽时, 槽轮的另一内凹锁住弧又被
拨盘 1的外凸圆弧卡住, 致使槽轮 2又静止不动, 直到圆销 A再
进入槽轮 2的另一径向槽时, 两者又重复上述的运动循环 。 为
了防止槽轮在工作过程中位置发生偏移, 除上述锁住弧之外也
可以采用其他专门的定位装置 。
? 槽轮机构构造简单, 机械效率高, 并且运动平稳, 因此在自动
机床转位机构, 电影放映机卷片机构等自动机械中得到广泛的
应用 。 图 6-8所示为电影放映机卷片机构 。 当槽轮 2间歇运动时,
胶片上的画面依次在方框中停留, 通过视觉暂留而获得连续的
场景 。
二, 槽轮机构的主要参数
? 槽轮机构的主要参数是槽数 z和拨
盘圆销数 K。
? 如 图 6-7所示, 为了使槽轮 2在开始
和终止转动时的瞬时角速度为零,
以避免圆销与槽发生撞击，圆销进入或脱出径向槽的瞬时，槽的
中心线 O2A应与 O1A垂直。设 z为均匀分布的径向槽数目，则槽轮
2转过 2φ2=2π/z弧度时，拨盘 1的转角 2φ1将为
）（ 26222 21 ?????????? z
? 在一个运动循环内, 槽轮 2的运动时间 tm对拨盘 1的运动时间 t之比
值 τ称为 运动特性系数 。 当拨盘 1等速转动时, 这个时间之比可用
转角之比来表示 。 对于只有一个圆销的槽轮机构, tm和 t分别对应
于拨盘 1转过的角度 2φ1和 2π。 因此其运动特性系数 τ为
? 为保证槽轮运动，其运动特性系数 τ应大于零。 由上式可知，
此时，径向槽的数目应等于或大于 3。但槽数 z=3的槽轮机构，
由于槽轮的角速度变化很大，圆销进出径向槽的瞬时，槽轮
的角加速度也很大。会引起较大的振动和冲击，故很少应用。
)36(2 21212
2
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2 1 ?????
?
???
?????? zzzztt m
? 由式（ 6-3）可知,这种槽轮机构的运动特性系数 τ总是小于 0.5，
即槽轮的运动时间总小于静止时间 ts。
? 如果拨盘 1上装有数个圆销，则可以得到 τ>0.5的槽轮机构。设
均匀分布的圆销数目为 K，则一个循环中，轮 2的运动时间为只
有一个圆销时的 K倍，即
? 运动系数 τ还应当小于 1（ τ=1表示槽轮 2与盘 1一样作连续转动，
不能实现间歇运动），故由上式得
)46(2 )2( ???? zzK
)56(22 ??? z zK
? 由上式可知, 当 z=3时, 圆销的数目可为 1至 5；当 z=4或
5时, 圆销数目可为 1至 3；而当 z≥6时, 圆销的数目可为
1或 2。
? 槽数 z>9的槽轮机构比较少见，因为当中心距一定时,z
越大槽轮的尺寸也越大，转动时的惯性力矩也增大。另
由式（ 6－ 3）可知，当 z>9时，槽数虽增加,τ的变化却
不大，起不到明显的作用，故 z常取为 4~8。
§ 6-3 不完全齿轮机构
? 图 6－ 9所示为不完全齿轮机构 。 这种机构的主动轮 1为只有一个
齿或几个齿的不完全齿轮, 从动轮 2由正常齿和带锁住弧的厚齿
彼此相间地组成 。
? 当主动轮 1的有齿部分作用时,
从动轮 2就转动；当主动轮 1的
无齿圆弧部分作用时, 从动轮
停止不动, 因而当主动轮连续
转动时, 从动轮获得时转时停
的间歇运动 。
? 不难看出, 每当主动轮 1连续转过一圈时, 图 6-9a,b所
示机构的从动轮分别间歇地转过 1/8圈和 1/4圈 。
? 为了防止从动轮在停歇期间游动，两轮轮缘上各装有锁
住弧。
? 当主动轮匀速转动时, 这种机构的从动轮在运动期间也
保持匀速转动, 但是当从动轮由停歇而突然到达某一转
速, 以及由某一转速突然停止时, 都会像等速运动规律
的凸轮机构那样产生刚性冲击 。 因此, 它不宜用于主动
轮转速很高的场合 。
? 不完全齿轮机构常应用于计数器、电影放映机和某些具
有特殊运动要求的专用机械中。
? 图 6－ 10所示的机构, 主
动轴 Ⅰ 上装有两个不完
全齿轮 A和 B,当主动轴
Ⅰ 连续回转时, 从动轴
Ⅱ 能周期性地输出正转
一停歇一反转运动 。 为
了防止从动轮在停歇期
间游动, 应在从动轴上
加设阻尼装置或定位装
置 。
§ 6-4 凸轮间歇运动机构
? 凸轮间歇运动机构通常有两种型式 。
? 一种是图 6-11所示的圆柱形凸轮间歇运动机构 。 凸轮 1呈圆柱
形, 滚子 3均匀分布在转盘 2的端面, 滚子中与转盘中心的距离
等于 R2。 当凸轮转过角度 δt时, 转盘以某种运动规律转过的角
度 δ2max=2π/z（ 式中 z为滚子数目 ） ；当凸轮继续转过其余
（ 2π-δt） 时, 转盘静止不动 。 当凸轮继续转动时, 第二个圆
销与凸轮槽相作用, 进入第二个运动循环 。 这样, 当凸轮连续
转动时, 转盘实现单向间歇转动 。 这种机构实质上是一个摆杆
长度等于 R2,只有推程和远休止角的摆动从动件圆柱凸轮机构 。
? 另一种是如图 6－ 12所示的
蜗杆形凸轮间歇运动机构 。
凸轮形状如同圆弧面蜗杆
一样, 滚子均匀分布在转
盘的圆柱面上, 犹如蜗轮
的齿 。 这种凸轮间歇运动
机构可以通过调整凸轮与
转盘的中心距来消除滚子
与凸轮接触面间的间隙以
补偿磨损 。
? 凸轮间歇运动机构常用于传递交错轴间的分度运动和需
要间歇转位的机械装置中 。
? 凸轮间歇运动机构的优点是 运转可靠, 传动平稳, 转
盘可以实现任何运动规律, 还可以用改变凸轮推程运
动角来得到所需要的转盘转动与停歇时间的比值 。
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