常用机构选型指南：连杆、凸轮、棘轮，何时用？怎么用

在机械设计的广阔天地中，连杆、凸轮和棘轮如同三位各怀绝技的伙伴。选对伙伴，设计事半功倍；选错则可能步履维艰。本文将深入探讨这三种常用机构的核心特点与应用场景，助您精准决策。

一、连杆机构：实现轨迹与运动的变换大师

• 何时用？

  1. 需要实现特定轨迹：如起重机需要吊钩近似直线运动，或电影放映机需要间歇抓片。

  2. 需要运动形式转换：将旋转运动转换为往复摆动（如颚式破碎机）或往复直线运动（如活塞发动机）。

  3. 需要增力或放大位移：利用“死点”位置进行夹紧，或通过杠杆原理放大输出件的位移。

  4. 对成本和可靠性要求高：连杆机构通常由刚性构件和转动副组成，结构简单、耐用、成本低。

• 怎么用？

  • 核心优势：设计灵活，能实现复杂的平面运动轨迹；高承载能力，传动平稳。

  • 设计要点：重点关注其运动学设计，利用图解法或解析法确定各杆长度。需注意可能存在死点位置（需额外措施越过），且运动规律不易精确控制，高速时动平衡问题较突出。

二、凸轮机构：精确控制从动件运动规律的编程高手

• 何时用？

  1. 需要精确控制从动件的运动规律：这是凸轮最核心的应用。例如，内燃机气门需要严格的“升-停-回”运动，以控制进排气时间。

  2. 要求紧凑的结构实现复杂运动：一个凸轮可以驱动多个从动件，在自动化设备、纺织机械中非常常见。

  3. 高速、高频率的往复运动：只要凸轮廓线设计合理，可以很好地控制高速下的冲击与振动。

• 怎么用？

  • 核心优势：运动规律完全由凸轮廓线决定，可实现任意预定运动，设计自由度极高。

  • 设计要点：核心在于凸轮轮廓曲线的设计。需根据工作要求选择从动件的运动规律（如等速、等加速、余弦加速度等），并校核压力角以避免自锁。凸轮与从动件为高副接触，易磨损，对润滑和材料硬度要求高。

三、棘轮机构：实现可靠单向间歇传动的安全卫士

• 何时用？

  1. 需要实现单向间歇运动：如千斤顶、绞车中的防逆转装置，以及机床的进给机构。

  2. 需要超越离合器功能：当主动件速度低于从动件时，从动件可以自由运动，如自行车后轴。

  3. 需要简单的步进输送：在自动化生产线的物料输送中，实现定距离的间歇推进。

• 怎么用？

  • 核心优势：结构简单，单向锁止可靠，制造方便。

  • 设计要点：关键在于棘轮和棘爪的齿形设计。需保证棘爪能顺利滑入齿槽并可靠啮合，同时考虑回程时棘爪能顺利抬起。棘轮机构在工作时有冲击和噪声，不适合高速场合。送进量（步长）的调节通常通过改变棘爪的摆角来实现。

总结对比

选择哪种机构，取决于设计的核心诉求：是追求轨迹的灵活性，还是运动的精确性，或是单向锁止的可靠性。理解它们的内在特性，方能使其在设计中各展所长。