参赛专用版 国防科大潘存云教授研制
第 12章 其它常用机构及其设计
§ 12－ 1 棘轮机构
§ 12－ 2 槽轮机构
§ 12－ 3 擒纵轮机构
§ 12－ 4 凸轮式间隙运动机构
§ 12－ 6 非圆齿轮机构
§ 12－ 5 不完全齿机构
§ 12－ 7 螺旋机构
§ 12－ 8 万向铰链机构
§ 12－ 9 组合 机构
参赛专用版 国防科大潘存云教授研制
一, 棘轮机构 的组成及其工作原理
组成,摆杆, 棘爪, 棘轮, 止动爪 。
§ 12－ 1 棘轮机构
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 。
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 。
棘轮
类型
按工作方式,
按轮齿分布,
按转角是否可调, 固定转角, 可调转角
轮齿棘轮, 摩擦棘轮 演示模型
外缘, 内缘, 端面 棘轮机构。
单向, 双向运动 棘轮机构。
二, 棘轮机构的类型与应用
按棘轮转向是否可调,
按工作原理分,
单动式, 双动式 棘轮机构。
调杆长摆角、加滑
动罩
参赛专用版 国防科大潘存云教授研制
双动棘轮机构
棘轮可双向运动
A
B’ B
参赛专用版 国防科大潘存云教授研制
可调转角的棘轮
牛头刨床进给调整机构
通过调整杆长来调摆角
0
2
3
4
5
1
φ φ
调滑动罩
参赛专用版 国防科大潘存云教授研制
2
1
摩擦棘轮 超越离合器
1
3
2
3
1
3
2 4
参赛专用版 国防科大潘存云教授研制
A B
C D
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）。
间歇转动
冲头
卸料工位
装料工位
冲压工位
参赛专用版 国防科大潘存云教授研制
da
o1
A o2
Σ =90°
L
pr
pn
F
三、设计要点
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。
Pn sinα
∵ F= Pn f 代入得,
tgα > f
∴ α >φ
当 f=0.2 时,φ ＝ 11° 30’ 通常取 α ＝ 20°
α
Ft
Fr
正压力 － Pn 摩擦力 － F
条件是两者对 O2的力
矩要满足如下条件,
Mpn>MF
将力分解成切向和径向分量
M
=tgφ
齿偏角
α
α
Fcosα > L L
pt
参赛专用版 国防科大潘存云教授研制
棘轮几何尺寸计算公式
模数 m 1,1.5,2,2.5,3,3.5,4,5,6,8,10
顶圆直径 da da =mz 与齿轮不同
齿间距 p P=π m
齿高 h h=0.75m
齿顶弦长 a a=m
棘爪工作面长度 a1 a1=(0.5~0.7)a
齿偏角 α α ＝ 20°
棘轮宽 b b=(1~4)m
棘爪斜高 h1,齿斜高 h’ h1=h’ ≈ h/cosα
棘轮齿根圆角半径 rf rf =1.5 mm
棘爪尖端圆角半径 r1 r1 =2 mm
棘爪长度 L 一般取 L=2p
a1
L p
60° ~80
°
a
da
α
o1
o2
齿数 z 12~25
棘轮参数 计算公式或取值
h’
h1
rf
r1
齿槽角
h
参赛专用版 国防科大潘存云教授研制
o2
ω 1
ω2
§ 12－ 2 槽轮机构 （ 马尔它机构 ）
一,槽轮机构 的组成及其工作特点
作用,将连续回转变换为间歇转动。
组成,带圆销的拨盘、带有径向
槽的槽轮。拨盘和槽轮上都有锁
止弧：槽轮上的凹圆弧、拨盘上
的凸圆弧，起锁定作用。
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。
o1
工作过程,拨盘连续回转，当两锁止
弧接触时，槽轮静止；反之槽轮运动。
锁止弧
槽轮
拨盘
圆销
参赛专用版 国防科大潘存云教授研制
二、槽轮机构的类型与应用
球面槽轮机构
应用实例,电影放映机, 自动摄影机,六角车床转塔 。
外啮合槽轮机构
内啮合槽轮机构
槽轮
机构
类型
轴线平行
轴线相交
放映机的反应用
外啮合槽轮机构
内啮合槽轮机构 球面槽轮机构
o1
o2
ω1 2φ
ω2
参赛专用版 国防科大潘存云教授研制
六槽内槽轮
拨盘
六角车床转塔
圆销 车螺纹 4
1 装牙膏筒
2 车帽口
6 卸牙膏筒
5 切尾
3 空闲
参赛专用版 国防科大潘存云教授研制
1.运动系数
拨盘等速回转，在一个运动循
环内，总的运动时间为,
t＝ 2π /ω1
定义,k=td / t 为运动系数，即,
k=td / t
为减少冲击，进入或退出啮合时，槽中心线与拨销中
心连线成 90° 角。故有,
2α 1
2φ 2
td＝ 2α 1/ω1
槽轮的运动时间为,
=2α 1/2π
2α 1=π － 2φ 2 =π － (2π/z)
= 2π (z-2)/2z 代入上式
ω1
ω2
90° 90°
三、槽轮机构的运动系数及运动特性
参赛专用版 国防科大潘存云教授研制
将 2α 1代入得,∵ k>0
可知：当只有一个圆销时,k=1/2-1/z
如果想得到 k≥0.5 的槽轮机构，则可在 拨盘上多装几个
圆销，设装有 n个均匀分布的圆销，则拨盘转一圈，槽
轮被拨动 n次。故运动系数是单圆柱销的 n倍，即,
k= n(1/2-1/z) ∵ k≤1
∴ 槽数 z≥3
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。
k =1/2-1/z
≥ 7
1~2
0.36~1
槽数 z
圆销数 n
运动系数 k
3
1~6
1/6~1
4
1~4
0.25~1
5, 6
1~3
0.3~1
即槽轮的运动时间总是小于其静止时间。
< 0.5
当 z=4及 n=2时
说明此时槽轮的 运动时间 和 静止时间 相等。
k=n(1/2－ 1/z) = 0.5
参赛专用版 国防科大潘存云教授研制
ω 2
ω 1
o1
2.运动特性
(1)外啮合槽轮机构
规定, 和在圆销进入区为正，在圆
销离开区为负，变化区间为,
－ α 1≤ α ≤ α 1
在△ ABO2中有如下关系,
BO
ABtg
2
??
??
???
c o s1
s i n1
?
?tg＝
－ φ 2≤ φ ≤ φ 2
?
?
c o s
s in
RL
R
?
?
令 λ＝ R / L,并代入上式得,
-φ 2
-α 1
图示槽轮在运动的任一瞬时，设拨盘位置角用 α 来表示，槽轮位置角用 φ 表示。
R
槽轮的运动是靠圆销的拨动来实现的，在一个运动循环内，槽轮经历
了从静止 → 运动 → 静止的过程，因此，槽轮的角速度是变化的，从而
具有角加速度，以下将分析槽轮运动的变化规律。
O2
A B
α 1
α
φ
φ 2
L
参赛专用版 国防科大潘存云教授研制
分别对时间求一阶导数、和二阶导数，得,
1
2 dt
d ?
? ?
令 i21=ω2/ω1 (传动比 ),kα =α 2/ω21 得,
221 c o s21
)( c o s
???
???
??
?
?i
将上述 i21,kα随 α 的变化绘制成曲线，称为槽
轮机构的
其中,dα /dt =ω 1
2
1
2
2
2 dt
d ?
? ?
12c o s21
)( c o s
?
???
???
?
??
?
?
2
122
1
2
)c o s21(
s i n)1(
?
???
???
?
??
??
?
22
1
2
)c o s21(
s i n)1(
???
???
? ??
??
?k
其中,dω 1 /dt = 0
运动特性曲线。
上式说明，当拨盘以等角速度运动时，槽轮随位置的变化而变化。因为 λ 随槽数 z的不同
而变化，因此，不仅随机构位置变化，而且随槽数变化。
参赛专用版 国防科大潘存云教授研制
槽轮运动的前半段，槽轮的
角速度 ω 2是增加的，角加速
度 α 2>0后半段正好相反。
运动特性曲线
z=3
z=3
z=4
z=6
z=4
z=6
运动特性分析,
① 槽轮运动的 ωmax,amax随 槽数 z的增多而减小。
a=1
kα =α 2/ ω21
-60? -40? -20? 0 20? 40? 60?
-50? -30? -10? 10? 30? 50?
8
6
4
2
-4
-6
-8
α
221 c o s21
)( c o s
???
???
??
??i
22
1
2
)c o s21(
s i n)1(
???
???
? ??
??
?k
α
5
4
3
2
1
-60? -40? -20? 0 20? 40? 60?
-50? -30? -10? 10? 30? 50?
1
2
21 ?
??i
6
圆销进入或退出径向槽时，角速度有突变,
② 存在柔性冲击。 Z愈少，冲击愈大。
参赛专用版 国防科大潘存云教授研制
1.0
0.75
0.5
0.25
0
-0.25
-0.5
-0.75
-1.0
2
1
2
?
?
2
1
2
?
?
z=4 12??
0.8
0.6
0.4
0.2
1
2
?
?
-135? -90? -45? 0 45? 90? 135?
α
(2)内啮合槽轮机构
用同样方法可求得内啮合槽轮机构
的运动曲线如图所示。
③ 曲线呈单调变化而不
象外槽轮那样有两个
峰值。
特性分析,
① 存在柔性冲击。 a=1
圆销进入或退出径向槽时，
角速度有突变，且值与外槽
轮相等。
② 但随着转角增大,
角加速度值迅速下
降并趋于零； a=1
④ 内槽轮机构的动力性能比外槽轮机构要好得多。
参赛专用版 国防科大潘存云教授研制
四、槽轮机构的几何尺寸计算
圆销半径 r 由受力大小确定 r≈ R/6
中心距 L 由安装空间确定
回转半径 R R=Lsinφ =Lsin(π /z)
槽顶半径 s s=Lcosφ =Lcos(π /z)
槽深 h h≥ s-(L-R-r)
拨盘轴径 d1 d1≤ 2(L-s)
槽轮轴径 d2 d2≤ 2(L-R-r)
参 数 计算公式或依据
槽数 z 由工作要求确定
圆销数 n
s
d2
r
槽顶侧壁厚 b b=3~5 mm 经验确定
b
锁止弧半径 r0 r0=R-r-b
R
L
h
1
2
d1
r0
φ
参赛专用版 国防科大潘存云教授研制
5
6 4
1
2
1‘
3 3’
8
游丝摆轮
擒纵轮
擒纵叉
§ 12－ 3 擒纵轮机构
一, 擒纵轮机构的组成及其工作原理
组成,擒纵轮, 擒纵叉, 游丝摆轮 。
工作原理,
擒纵轮受发条力矩的驱动, 游
丝摆轮系统往复摆动, 带动擒纵叉
往复摆动, 卡住或释放擒纵轮, 并
使它间歇转动 。
参赛专用版 国防科大潘存云教授研制
二, 擒纵轮轮机构的类型与应用
固有振动系统型擒纵轮轮机构
无固有振动系统型擒纵轮轮机构
3
1
4
2 1 2
4
3
----计时精度高,
用于钟表 。
----结构简单, 成本低, 计时精度不高, 用于自动记
录仪, 时间继电器, 计数器, 定时器, 测速器, 照
相机快门和自拍器等 。
5
6 4
1
2
1‘
3 3’
8
参赛专用版 国防科大潘存云教授研制
§ 12－ 4 凸轮式 间歇运动机构
1.工作原理及特点
圆柱凸轮连续回转，推动均布有柱销的从动圆盘间歇
转动。
特点,从动圆盘的运动规律取决于凸轮廓线的形状。
优点,可通过选择适当的运动规律来减小动载荷、避
免冲击、适应高速运转的要求。定位精确、且
结构紧凑。
缺点,凸轮加工较复杂、安装调整要求严格。
2.类型及应用
类型,圆柱凸轮间歇运动机构、蜗杆凸轮间歇运动机构
参赛专用版 国防科大潘存云教授研制
R2
圆柱凸轮间歇运动机构
蜗杆凸轮间歇运动机构
牙膏灌浆机
应用,适用于高速、高精度的分
度转位机械制瓶机、纸烟、包装机、
拉链嵌齿、高速冲床、多色印刷机
等机械。
封口 灌浆
参赛专用版 国防科大潘存云教授研制
§ 12－ 5 不完全齿轮机构
1.工作原理及特点
工作原理,在主动齿轮只做出一个或几个齿，根据运
动时间和停歇时间的要求在从动轮上做出与主动轮相
啮合的轮齿。其余部分为锁止圆弧。当两轮齿进入啮
合时，与齿轮传动一样，无齿部分由锁止弧定位使从
动轮静止。
优点,结构简单、制造容易、工作可靠、从动轮运动
时间和静止时间的比例可在较大范围内变化。
2.类型及应用
类型,外啮合不完全齿轮机构, 内啮合不完全齿轮机构
缺点,从动轮在开始进入啮合与脱离啮合时有较大
冲击，故一般只用于低速、轻载场合。
参赛专用版 国防科大潘存云教授研制
外啮合不完全齿轮机构 内啮合不完全齿轮机构
应用,适用于一些具有特殊运动要求的专用机械中。
如乒乓球拍周缘 铣削加工机床, 蜂窝煤饼压制机 等。
参赛专用版 国防科大潘存云教授研制
铣刀
不完全齿轮 1
乒乓球拍专用靠模铣床
1
2
3 4
5
8
9
7
6
球拍
靠模凸轮
不完全齿轮 1
参赛专用版 国防科大潘存云教授研制
瞬心线附加杆 蜂窝煤饼压制机
退煤饼
填料
填料
锁止弧
锁止弧 使运动平稳
压制
不完全齿轮
参赛专用版 国防科大潘存云教授研制
§ 12－ 6 非圆齿轮机构
应用实例,滚筒式平板印刷机、压力机、机床转位机构、非
线性函数电位机构、流量计、书心脊背加工联动机构等。
非圆齿轮机构是一种用于变传动比传动的齿轮机构。其节线不是
圆，常用的有椭圆形、心形和螺旋线形曲线等。 有专门书籍介绍
2
ω 2
1
ω 1
椭圆齿轮
参赛专用版 国防科大潘存云教授研制
滚筒式平板印刷机
压力机 自动机床转位机构
参赛专用版 国防科大潘存云教授研制
非圆齿轮
非线性函数电位机构
椭圆齿轮
书心脊背加工联动机构
椭圆齿轮 流量计
参赛专用版 国防科大潘存云教授研制
§ 12－ 7 螺旋机构
组成,螺杆、螺母、机架。
运动特点,一般情况下是螺杆连续回转，螺母轴向移动。
优点,获得很大的减速比和力的增益。
缺点,机械效率较低。
应用,螺旋压力机、千斤顶、机床进给装置、微调
机构等。 肥皂输送机构
1,螺旋机构 及其应用
在 γ >φ v 时,也可以螺母为作轴向移动，迫
使螺杆转动。 如修理摩托车用的起子
参赛专用版 国防科大潘存云教授研制
2.运动分析
导程 l－－螺旋转一圈 (2π )，螺母前进的距离。
螺旋转过任意 φ 角时，螺母的位移 s为,
s / rφ =l /r2π
l
r2π
s
s=lφ /2π
螺距 p－－ 相邻螺纹牙齿同侧齿面之间 的距离。
两者的关系为,l = z p,z为螺纹的头数。 强调 Z=1
rφ
将螺纹在中径圆柱处展开得一斜三角形，于是,
2 1
3
K
K向
参赛专用版 国防科大潘存云教授研制
2 A
3
B 且, l
A≠ lB
s =( lA－ lB)φ /2π
当差 (lA－ lB)很小时,s将很小。
这种螺旋机构称为 微 (差 )动螺旋 机构，用于测微计（千
分尺）、分度机构、调节机构（ 镗刀微调机构 ）中。
s1=lAφ /2π
螺母 2相对于螺杆 1的位移为,
s2=－ lBφ /2π
螺母 2相对于机架 3的位移为,
K
K向
B
lB
lA-lB
lA
图示螺旋机构中，螺母 A固
定，螺母 2可沿轴向移动,
当 A,B段螺纹 旋向相同 时,
螺杆 1相对于机架 3的位移为,
lA lB
参赛专用版 国防科大潘存云教授研制
2 A
3
B
当 A,B段螺纹旋向相反时,
螺母 2的位移为,
s =( lA＋ lB)φ /2π
lA
LA+lB
lB
l1=1.25 mm(右 )
l2=1 mm(右 )
镗刀进给量调整
微动螺旋机构
F E
称为 复式螺旋 机构，用于车辆的快
速靠近或离开、电杆拉线机构等。
差动螺旋应实例,
复式螺旋机构
参赛专用版 国防科大潘存云教授研制
作用,用于传递两相交轴之间的动力和运动，而且在
传动过程中，两轴之间的夹角还可以改变。 共轴,有夹角
应用,广泛应用于汽车、机床等机械传动系统中。
α
单万向联轴器
§ 12－ 8 万向铰链机构
参赛专用版 国防科大潘存云教授研制
A
ω '2
A
α
ω 1
B
vA1 = rω1
结构特点,两传动轴末端各有一个叉形支架，用铰链
与中间的“十字形”构件相联，“十字形”构件的中
心位于两轴交点处,
运动分析,
α
α
两轴平均传动比为 1，但
瞬时传动比是动态变化的。
在图示位置 I,以轴 1为参考
系，对 A点有,
以轴 2为参考系，对 A点有,
vA2 = r’ω’2
r
r’
= r cosα ω’ 2
显然有, vA1 = vA2
α =0~45?
轴间角为,
ω 2＝ ω 1＋ ω 21
ω 2
ω 1
ω 21
参赛专用版 国防科大潘存云教授研制
r”
其它位置,
代入得,
α
α
ω 1
B
B
A
ω "2 在图示位置 II,以轴 2为参考系，对 B点有,
vB2 = rω”2
以轴 1为参考系，对 B点有,
vB1 = r”ω1 = ω1 r cosα
同样有, vB1 = vB2
r
代入得,ω’’2=ω1 cosα
ω’2 〉 ω1
=>ω”2 <ω1
ω1
cosα ω 1cos α ≤ ω 2 ≤
ω1 =cosα ω’2
参赛专用版 国防科大潘存云教授研制
2.双万向铰链机构
将两个单万向铰链机构串联使用，构成双万向铰链机构。
安装要求,
① 主动、从动、中间三轴共面；
② 主动轴、从动轴的轴线与中间轴的轴线之间的夹
角应相等；
③ 中间轴两端的叉面应在同一平面内。
α α
C
2 α
α 1
2 1
C
为了消除从动轴变速转动的缺点，常
参赛专用版 国防科大潘存云教授研制
3,小型双万向联轴器
结构如图所示，通常采用合金钢制造。
A
A
A--A
α
α α α
动画演示
参赛专用版 国防科大潘存云教授研制
§ 12－ 9 组合机构
组合机构,将几种基本机构组合在一起，并形成一个
封闭的传动系统，以满足工程上对机械运动的多样化
和复杂性要求。
组成,可以是同类基本机构的组合、也可以是不同类
型基本机构的组合。
1.联动凸轮组合机构 写 R字
3.凸轮－齿轮组合机构
4.凸轮－连杆组合机构 P432~P431
5.齿轮－连杆组合机构 (变行程冲床 )
6.多种基本机构的组合（ 压力机 ）
2.双连杆组合机构 钉书机
参赛专用版 国防科大潘存云教授研制
两组径向凸轮机构的组合
参赛专用版 国防科大潘存云教授研制
小型电影放映机抓片机构
径向凸轮与端面凸轮的组合
参赛专用版 国防科大潘存云教授研制
圆珠笔芯线上的自动送料机构
参赛专用版 国防科大潘存云教授研制
凸轮－齿轮组合机构 机床校正机构
蜗杆主动，因制造误差使蜗轮运动精度达不到
要求，由误差设计一凸轮机构，经齿轮齿条、
差动机构 K使蜗杆得到一附加转动，以校正误差。
参赛专用版 国防科大潘存云教授研制
凸轮－齿轮组合机构
参赛专用版 国防科大潘存云教授研制
凸轮－连杆组合机构可实现多种复杂的运动规律
相当于连架杆长度可变的四杆机构。
相当于连杆长度 (BD)可变的四杆机构。
参赛专用版 国防科大潘存云教授研制
凸轮 — 连杆 机构
可实现预定轨迹。
罐头封口机构，要求
C点沿接合缝运动。
参赛专用版 国防科大潘存云教授研制
压砖机成型机构
9(凸轮 )
1 2
3
4
5(上冲头 )
6(下冲头 )
10(耐火砖 )
8
重物
参赛专用版 国防科大潘存云教授研制
饼干、香烟包装
机中的推包机构
第 12章 其它常用机构及其设计
§ 12－ 1 棘轮机构
§ 12－ 2 槽轮机构
§ 12－ 3 擒纵轮机构
§ 12－ 4 凸轮式间隙运动机构
§ 12－ 6 非圆齿轮机构
§ 12－ 5 不完全齿机构
§ 12－ 7 螺旋机构
§ 12－ 8 万向铰链机构
§ 12－ 9 组合 机构
参赛专用版 国防科大潘存云教授研制
一, 棘轮机构 的组成及其工作原理
组成,摆杆, 棘爪, 棘轮, 止动爪 。
§ 12－ 1 棘轮机构
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 。
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 。
棘轮
类型
按工作方式,
按轮齿分布,
按转角是否可调, 固定转角, 可调转角
轮齿棘轮, 摩擦棘轮 演示模型
外缘, 内缘, 端面 棘轮机构。
单向, 双向运动 棘轮机构。
二, 棘轮机构的类型与应用
按棘轮转向是否可调,
按工作原理分,
单动式, 双动式 棘轮机构。
调杆长摆角、加滑
动罩
参赛专用版 国防科大潘存云教授研制
双动棘轮机构
棘轮可双向运动
A
B’ B
参赛专用版 国防科大潘存云教授研制
可调转角的棘轮
牛头刨床进给调整机构
通过调整杆长来调摆角
0
2
3
4
5
1
φ φ
调滑动罩
参赛专用版 国防科大潘存云教授研制
2
1
摩擦棘轮 超越离合器
1
3
2
3
1
3
2 4
参赛专用版 国防科大潘存云教授研制
A B
C D
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）。
间歇转动
冲头
卸料工位
装料工位
冲压工位
参赛专用版 国防科大潘存云教授研制
da
o1
A o2
Σ =90°
L
pr
pn
F
三、设计要点
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。
Pn sinα
∵ F= Pn f 代入得,
tgα > f
∴ α >φ
当 f=0.2 时,φ ＝ 11° 30’ 通常取 α ＝ 20°
α
Ft
Fr
正压力 － Pn 摩擦力 － F
条件是两者对 O2的力
矩要满足如下条件,
Mpn>MF
将力分解成切向和径向分量
M
=tgφ
齿偏角
α
α
Fcosα > L L
pt
参赛专用版 国防科大潘存云教授研制
棘轮几何尺寸计算公式
模数 m 1,1.5,2,2.5,3,3.5,4,5,6,8,10
顶圆直径 da da =mz 与齿轮不同
齿间距 p P=π m
齿高 h h=0.75m
齿顶弦长 a a=m
棘爪工作面长度 a1 a1=(0.5~0.7)a
齿偏角 α α ＝ 20°
棘轮宽 b b=(1~4)m
棘爪斜高 h1,齿斜高 h’ h1=h’ ≈ h/cosα
棘轮齿根圆角半径 rf rf =1.5 mm
棘爪尖端圆角半径 r1 r1 =2 mm
棘爪长度 L 一般取 L=2p
a1
L p
60° ~80
°
a
da
α
o1
o2
齿数 z 12~25
棘轮参数 计算公式或取值
h’
h1
rf
r1
齿槽角
h
参赛专用版 国防科大潘存云教授研制
o2
ω 1
ω2
§ 12－ 2 槽轮机构 （ 马尔它机构 ）
一,槽轮机构 的组成及其工作特点
作用,将连续回转变换为间歇转动。
组成,带圆销的拨盘、带有径向
槽的槽轮。拨盘和槽轮上都有锁
止弧：槽轮上的凹圆弧、拨盘上
的凸圆弧，起锁定作用。
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。
o1
工作过程,拨盘连续回转，当两锁止
弧接触时，槽轮静止；反之槽轮运动。
锁止弧
槽轮
拨盘
圆销
参赛专用版 国防科大潘存云教授研制
二、槽轮机构的类型与应用
球面槽轮机构
应用实例,电影放映机, 自动摄影机,六角车床转塔 。
外啮合槽轮机构
内啮合槽轮机构
槽轮
机构
类型
轴线平行
轴线相交
放映机的反应用
外啮合槽轮机构
内啮合槽轮机构 球面槽轮机构
o1
o2
ω1 2φ
ω2
参赛专用版 国防科大潘存云教授研制
六槽内槽轮
拨盘
六角车床转塔
圆销 车螺纹 4
1 装牙膏筒
2 车帽口
6 卸牙膏筒
5 切尾
3 空闲
参赛专用版 国防科大潘存云教授研制
1.运动系数
拨盘等速回转，在一个运动循
环内，总的运动时间为,
t＝ 2π /ω1
定义,k=td / t 为运动系数，即,
k=td / t
为减少冲击，进入或退出啮合时，槽中心线与拨销中
心连线成 90° 角。故有,
2α 1
2φ 2
td＝ 2α 1/ω1
槽轮的运动时间为,
=2α 1/2π
2α 1=π － 2φ 2 =π － (2π/z)
= 2π (z-2)/2z 代入上式
ω1
ω2
90° 90°
三、槽轮机构的运动系数及运动特性
参赛专用版 国防科大潘存云教授研制
将 2α 1代入得,∵ k>0
可知：当只有一个圆销时,k=1/2-1/z
如果想得到 k≥0.5 的槽轮机构，则可在 拨盘上多装几个
圆销，设装有 n个均匀分布的圆销，则拨盘转一圈，槽
轮被拨动 n次。故运动系数是单圆柱销的 n倍，即,
k= n(1/2-1/z) ∵ k≤1
∴ 槽数 z≥3
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。
k =1/2-1/z
≥ 7
1~2
0.36~1
槽数 z
圆销数 n
运动系数 k
3
1~6
1/6~1
4
1~4
0.25~1
5, 6
1~3
0.3~1
即槽轮的运动时间总是小于其静止时间。
< 0.5
当 z=4及 n=2时
说明此时槽轮的 运动时间 和 静止时间 相等。
k=n(1/2－ 1/z) = 0.5
参赛专用版 国防科大潘存云教授研制
ω 2
ω 1
o1
2.运动特性
(1)外啮合槽轮机构
规定, 和在圆销进入区为正，在圆
销离开区为负，变化区间为,
－ α 1≤ α ≤ α 1
在△ ABO2中有如下关系,
BO
ABtg
2
??
??
???
c o s1
s i n1
?
?tg＝
－ φ 2≤ φ ≤ φ 2
?
?
c o s
s in
RL
R
?
?
令 λ＝ R / L,并代入上式得,
-φ 2
-α 1
图示槽轮在运动的任一瞬时，设拨盘位置角用 α 来表示，槽轮位置角用 φ 表示。
R
槽轮的运动是靠圆销的拨动来实现的，在一个运动循环内，槽轮经历
了从静止 → 运动 → 静止的过程，因此，槽轮的角速度是变化的，从而
具有角加速度，以下将分析槽轮运动的变化规律。
O2
A B
α 1
α
φ
φ 2
L
参赛专用版 国防科大潘存云教授研制
分别对时间求一阶导数、和二阶导数，得,
1
2 dt
d ?
? ?
令 i21=ω2/ω1 (传动比 ),kα =α 2/ω21 得,
221 c o s21
)( c o s
???
???
??
?
?i
将上述 i21,kα随 α 的变化绘制成曲线，称为槽
轮机构的
其中,dα /dt =ω 1
2
1
2
2
2 dt
d ?
? ?
12c o s21
)( c o s
?
???
???
?
??
?
?
2
122
1
2
)c o s21(
s i n)1(
?
???
???
?
??
??
?
22
1
2
)c o s21(
s i n)1(
???
???
? ??
??
?k
其中,dω 1 /dt = 0
运动特性曲线。
上式说明，当拨盘以等角速度运动时，槽轮随位置的变化而变化。因为 λ 随槽数 z的不同
而变化，因此，不仅随机构位置变化，而且随槽数变化。
参赛专用版 国防科大潘存云教授研制
槽轮运动的前半段，槽轮的
角速度 ω 2是增加的，角加速
度 α 2>0后半段正好相反。
运动特性曲线
z=3
z=3
z=4
z=6
z=4
z=6
运动特性分析,
① 槽轮运动的 ωmax,amax随 槽数 z的增多而减小。
a=1
kα =α 2/ ω21
-60? -40? -20? 0 20? 40? 60?
-50? -30? -10? 10? 30? 50?
8
6
4
2
-4
-6
-8
α
221 c o s21
)( c o s
???
???
??
??i
22
1
2
)c o s21(
s i n)1(
???
???
? ??
??
?k
α
5
4
3
2
1
-60? -40? -20? 0 20? 40? 60?
-50? -30? -10? 10? 30? 50?
1
2
21 ?
??i
6
圆销进入或退出径向槽时，角速度有突变,
② 存在柔性冲击。 Z愈少，冲击愈大。
参赛专用版 国防科大潘存云教授研制
1.0
0.75
0.5
0.25
0
-0.25
-0.5
-0.75
-1.0
2
1
2
?
?
2
1
2
?
?
z=4 12??
0.8
0.6
0.4
0.2
1
2
?
?
-135? -90? -45? 0 45? 90? 135?
α
(2)内啮合槽轮机构
用同样方法可求得内啮合槽轮机构
的运动曲线如图所示。
③ 曲线呈单调变化而不
象外槽轮那样有两个
峰值。
特性分析,
① 存在柔性冲击。 a=1
圆销进入或退出径向槽时，
角速度有突变，且值与外槽
轮相等。
② 但随着转角增大,
角加速度值迅速下
降并趋于零； a=1
④ 内槽轮机构的动力性能比外槽轮机构要好得多。
参赛专用版 国防科大潘存云教授研制
四、槽轮机构的几何尺寸计算
圆销半径 r 由受力大小确定 r≈ R/6
中心距 L 由安装空间确定
回转半径 R R=Lsinφ =Lsin(π /z)
槽顶半径 s s=Lcosφ =Lcos(π /z)
槽深 h h≥ s-(L-R-r)
拨盘轴径 d1 d1≤ 2(L-s)
槽轮轴径 d2 d2≤ 2(L-R-r)
参 数 计算公式或依据
槽数 z 由工作要求确定
圆销数 n
s
d2
r
槽顶侧壁厚 b b=3~5 mm 经验确定
b
锁止弧半径 r0 r0=R-r-b
R
L
h
1
2
d1
r0
φ
参赛专用版 国防科大潘存云教授研制
5
6 4
1
2
1‘
3 3’
8
游丝摆轮
擒纵轮
擒纵叉
§ 12－ 3 擒纵轮机构
一, 擒纵轮机构的组成及其工作原理
组成,擒纵轮, 擒纵叉, 游丝摆轮 。
工作原理,
擒纵轮受发条力矩的驱动, 游
丝摆轮系统往复摆动, 带动擒纵叉
往复摆动, 卡住或释放擒纵轮, 并
使它间歇转动 。
参赛专用版 国防科大潘存云教授研制
二, 擒纵轮轮机构的类型与应用
固有振动系统型擒纵轮轮机构
无固有振动系统型擒纵轮轮机构
3
1
4
2 1 2
4
3
----计时精度高,
用于钟表 。
----结构简单, 成本低, 计时精度不高, 用于自动记
录仪, 时间继电器, 计数器, 定时器, 测速器, 照
相机快门和自拍器等 。
5
6 4
1
2
1‘
3 3’
8
参赛专用版 国防科大潘存云教授研制
§ 12－ 4 凸轮式 间歇运动机构
1.工作原理及特点
圆柱凸轮连续回转，推动均布有柱销的从动圆盘间歇
转动。
特点,从动圆盘的运动规律取决于凸轮廓线的形状。
优点,可通过选择适当的运动规律来减小动载荷、避
免冲击、适应高速运转的要求。定位精确、且
结构紧凑。
缺点,凸轮加工较复杂、安装调整要求严格。
2.类型及应用
类型,圆柱凸轮间歇运动机构、蜗杆凸轮间歇运动机构
参赛专用版 国防科大潘存云教授研制
R2
圆柱凸轮间歇运动机构
蜗杆凸轮间歇运动机构
牙膏灌浆机
应用,适用于高速、高精度的分
度转位机械制瓶机、纸烟、包装机、
拉链嵌齿、高速冲床、多色印刷机
等机械。
封口 灌浆
参赛专用版 国防科大潘存云教授研制
§ 12－ 5 不完全齿轮机构
1.工作原理及特点
工作原理,在主动齿轮只做出一个或几个齿，根据运
动时间和停歇时间的要求在从动轮上做出与主动轮相
啮合的轮齿。其余部分为锁止圆弧。当两轮齿进入啮
合时，与齿轮传动一样，无齿部分由锁止弧定位使从
动轮静止。
优点,结构简单、制造容易、工作可靠、从动轮运动
时间和静止时间的比例可在较大范围内变化。
2.类型及应用
类型,外啮合不完全齿轮机构, 内啮合不完全齿轮机构
缺点,从动轮在开始进入啮合与脱离啮合时有较大
冲击，故一般只用于低速、轻载场合。
参赛专用版 国防科大潘存云教授研制
外啮合不完全齿轮机构 内啮合不完全齿轮机构
应用,适用于一些具有特殊运动要求的专用机械中。
如乒乓球拍周缘 铣削加工机床, 蜂窝煤饼压制机 等。
参赛专用版 国防科大潘存云教授研制
铣刀
不完全齿轮 1
乒乓球拍专用靠模铣床
1
2
3 4
5
8
9
7
6
球拍
靠模凸轮
不完全齿轮 1
参赛专用版 国防科大潘存云教授研制
瞬心线附加杆 蜂窝煤饼压制机
退煤饼
填料
填料
锁止弧
锁止弧 使运动平稳
压制
不完全齿轮
参赛专用版 国防科大潘存云教授研制
§ 12－ 6 非圆齿轮机构
应用实例,滚筒式平板印刷机、压力机、机床转位机构、非
线性函数电位机构、流量计、书心脊背加工联动机构等。
非圆齿轮机构是一种用于变传动比传动的齿轮机构。其节线不是
圆，常用的有椭圆形、心形和螺旋线形曲线等。 有专门书籍介绍
2
ω 2
1
ω 1
椭圆齿轮
参赛专用版 国防科大潘存云教授研制
滚筒式平板印刷机
压力机 自动机床转位机构
参赛专用版 国防科大潘存云教授研制
非圆齿轮
非线性函数电位机构
椭圆齿轮
书心脊背加工联动机构
椭圆齿轮 流量计
参赛专用版 国防科大潘存云教授研制
§ 12－ 7 螺旋机构
组成,螺杆、螺母、机架。
运动特点,一般情况下是螺杆连续回转，螺母轴向移动。
优点,获得很大的减速比和力的增益。
缺点,机械效率较低。
应用,螺旋压力机、千斤顶、机床进给装置、微调
机构等。 肥皂输送机构
1,螺旋机构 及其应用
在 γ >φ v 时,也可以螺母为作轴向移动，迫
使螺杆转动。 如修理摩托车用的起子
参赛专用版 国防科大潘存云教授研制
2.运动分析
导程 l－－螺旋转一圈 (2π )，螺母前进的距离。
螺旋转过任意 φ 角时，螺母的位移 s为,
s / rφ =l /r2π
l
r2π
s
s=lφ /2π
螺距 p－－ 相邻螺纹牙齿同侧齿面之间 的距离。
两者的关系为,l = z p,z为螺纹的头数。 强调 Z=1
rφ
将螺纹在中径圆柱处展开得一斜三角形，于是,
2 1
3
K
K向
参赛专用版 国防科大潘存云教授研制
2 A
3
B 且, l
A≠ lB
s =( lA－ lB)φ /2π
当差 (lA－ lB)很小时,s将很小。
这种螺旋机构称为 微 (差 )动螺旋 机构，用于测微计（千
分尺）、分度机构、调节机构（ 镗刀微调机构 ）中。
s1=lAφ /2π
螺母 2相对于螺杆 1的位移为,
s2=－ lBφ /2π
螺母 2相对于机架 3的位移为,
K
K向
B
lB
lA-lB
lA
图示螺旋机构中，螺母 A固
定，螺母 2可沿轴向移动,
当 A,B段螺纹 旋向相同 时,
螺杆 1相对于机架 3的位移为,
lA lB
参赛专用版 国防科大潘存云教授研制
2 A
3
B
当 A,B段螺纹旋向相反时,
螺母 2的位移为,
s =( lA＋ lB)φ /2π
lA
LA+lB
lB
l1=1.25 mm(右 )
l2=1 mm(右 )
镗刀进给量调整
微动螺旋机构
F E
称为 复式螺旋 机构，用于车辆的快
速靠近或离开、电杆拉线机构等。
差动螺旋应实例,
复式螺旋机构
参赛专用版 国防科大潘存云教授研制
作用,用于传递两相交轴之间的动力和运动，而且在
传动过程中，两轴之间的夹角还可以改变。 共轴,有夹角
应用,广泛应用于汽车、机床等机械传动系统中。
α
单万向联轴器
§ 12－ 8 万向铰链机构
参赛专用版 国防科大潘存云教授研制
A
ω '2
A
α
ω 1
B
vA1 = rω1
结构特点,两传动轴末端各有一个叉形支架，用铰链
与中间的“十字形”构件相联，“十字形”构件的中
心位于两轴交点处,
运动分析,
α
α
两轴平均传动比为 1，但
瞬时传动比是动态变化的。
在图示位置 I,以轴 1为参考
系，对 A点有,
以轴 2为参考系，对 A点有,
vA2 = r’ω’2
r
r’
= r cosα ω’ 2
显然有, vA1 = vA2
α =0~45?
轴间角为,
ω 2＝ ω 1＋ ω 21
ω 2
ω 1
ω 21
参赛专用版 国防科大潘存云教授研制
r”
其它位置,
代入得,
α
α
ω 1
B
B
A
ω "2 在图示位置 II,以轴 2为参考系，对 B点有,
vB2 = rω”2
以轴 1为参考系，对 B点有,
vB1 = r”ω1 = ω1 r cosα
同样有, vB1 = vB2
r
代入得,ω’’2=ω1 cosα
ω’2 〉 ω1
=>ω”2 <ω1
ω1
cosα ω 1cos α ≤ ω 2 ≤
ω1 =cosα ω’2
参赛专用版 国防科大潘存云教授研制
2.双万向铰链机构
将两个单万向铰链机构串联使用，构成双万向铰链机构。
安装要求,
① 主动、从动、中间三轴共面；
② 主动轴、从动轴的轴线与中间轴的轴线之间的夹
角应相等；
③ 中间轴两端的叉面应在同一平面内。
α α
C
2 α
α 1
2 1
C
为了消除从动轴变速转动的缺点，常
参赛专用版 国防科大潘存云教授研制
3,小型双万向联轴器
结构如图所示，通常采用合金钢制造。
A
A
A--A
α
α α α
动画演示
参赛专用版 国防科大潘存云教授研制
§ 12－ 9 组合机构
组合机构,将几种基本机构组合在一起，并形成一个
封闭的传动系统，以满足工程上对机械运动的多样化
和复杂性要求。
组成,可以是同类基本机构的组合、也可以是不同类
型基本机构的组合。
1.联动凸轮组合机构 写 R字
3.凸轮－齿轮组合机构
4.凸轮－连杆组合机构 P432~P431
5.齿轮－连杆组合机构 (变行程冲床 )
6.多种基本机构的组合（ 压力机 ）
2.双连杆组合机构 钉书机
参赛专用版 国防科大潘存云教授研制
两组径向凸轮机构的组合
参赛专用版 国防科大潘存云教授研制
小型电影放映机抓片机构
径向凸轮与端面凸轮的组合
参赛专用版 国防科大潘存云教授研制
圆珠笔芯线上的自动送料机构
参赛专用版 国防科大潘存云教授研制
凸轮－齿轮组合机构 机床校正机构
蜗杆主动，因制造误差使蜗轮运动精度达不到
要求，由误差设计一凸轮机构，经齿轮齿条、
差动机构 K使蜗杆得到一附加转动，以校正误差。
参赛专用版 国防科大潘存云教授研制
凸轮－齿轮组合机构
参赛专用版 国防科大潘存云教授研制
凸轮－连杆组合机构可实现多种复杂的运动规律
相当于连架杆长度可变的四杆机构。
相当于连杆长度 (BD)可变的四杆机构。
参赛专用版 国防科大潘存云教授研制
凸轮 — 连杆 机构
可实现预定轨迹。
罐头封口机构，要求
C点沿接合缝运动。
参赛专用版 国防科大潘存云教授研制
压砖机成型机构
9(凸轮 )
1 2
3
4
5(上冲头 )
6(下冲头 )
10(耐火砖 )
8
重物
参赛专用版 国防科大潘存云教授研制
饼干、香烟包装
机中的推包机构
