机构应用２－２　使用齿条及小齿轮将环形旋转均等运动变换成直线运动

应用要点：

　　跟马达驱动的原理一样，如果想将环形旋转的动力，变换成直线运动，那么，齿条与小齿轮的结构组合就是其中的典型机构之一。使用齿条及小齿轮，成本即便宜，又可在环形旋转与直线运动之间做转换，所以常应用于机械结构设计当中。

（１）　使用齿条及小齿轮的钻床

　　如图所示，这是一个利用齿条与小齿轮的机械结构，通过牵引杠杆的旋转，来驱动钻床上的钻头做直进运动的机构。

　　小齿轮的外径变大的话，齿条的移动行程也会跟着变长。而齿条的移动量变大，则钻头的下压力道就会变小。当需要强大的下压力道时，小齿轮的外径就要变小，齿条的移动行程也会跟着变短。

（２）　使用齿条及小齿轮的装填装置

　　上图中，是一个机械装填装置，该装置的目的是利用齿条及小齿轮结构实现工件的上举过程。

　　根据图例，因为是从装填装置的上方依序拿取工件，当光电感应变成ＯＦＦ时，说是顶部没有功件将光电感应器收发过程阻断。于是，马达就开始转动，此时，齿条会往上移动，直到光电感应器变成ＯＮ，才停止上升。

　　上升途中，当上限的微动开关变成ＯＮ，而光电感应器仍为ＯＦＦ时，说明装填装置已经空无一物，并发出相应的报警，同时关闭马达。

　　一旦触发警报，作业员就会采取手动操作措施，将马达反转，直到下限的微动开关变成ＯＮ时，才可以开始重新在装填装置中叠放工件。当马达停止时，会因齿条和工件的重量导致齿条下滑。所以应该采取在马达和小齿轮之间，加装蜗轮等具有防止反转功能的机构，或改成附有刹车功能的马达等。

（３）　使用齿条及小齿轮的运动传达

　　如图所示，这是利用齿条及小齿轮的结构，实现旋转运动传递的一个事例。

　　通过小齿轮的旋转来驱动齿条，进而驱动其他相连接的小齿轮。这样的功能虽然在链条和正时皮带结构中，了同样可以实现。但是，若旋转的过程并非是循环往复的运动，而是在有限的旋转角度范围内进行时，使用齿条及小齿轮结构就会使机构变得更加简单。

（４）　使用齿条及小齿轮来变换直线运动的方向

　　如图，这是一个利用齿条及小齿轮来变换直线运动方向的事例。

　　齿条１因气压缸牵引而产生前进，后退的运动。这会让小齿轮１产生转动，并驱动在同一转轴上的小齿轮２的转动，进而导制齿条２地上、下移动。由于齿条２能够组装在任何角度上面，并将其变换成直线运动的方向。

（５）　使用齿条及小齿轮可以改变旋转角度

　　这是一组可以让从动握柄做任意角度摆动运动的机构。由气压缸来驱动齿条的行程。位于行程终端的挡块，具有调节气压缸行程的作用，进一步可以实现对从动握柄旋转角度的调节功能。

　　如果小齿轮的外径变小的话，旋转角度就可以变得更大。在这个装置里，如果把挡块装在从动握柄这一侧，会让小齿轮的轴承受到重力，这将导致小齿轮和从动轴的组合部发生松弛。所以，行程的调整要设在齿条的这一侧。

（６）　使用齿条及小齿轮来扩大行程的机构

　　图中所示，是使用小齿轮外径各异的２组齿条和齿轮组合，它可以让气压缸得到３倍的行程。因为小齿轮２是装在与小齿轮１同样的旋转轴上，所以２个小齿轮的旋转角度是一样的。

　　我们以行程４０ｍｍ的气压缸来进行深度探讨。当气压缸移动４０ｍｍ时，齿条也随之移动４０ｍｍ。齿条又直接牵引到不齿轮的圆周上，所以小齿轮转一圈的移动量也是４０ｍｍ。设，当圆周移动４０ｍｍ的∮Ｄ齿轮，它的旋转角度是，就得出公式①：

　∮Ｄｘ兀ｘ（／３６０）＝４０ｍｍ 　　公式①

　注： 　　∮Ｄ为齿轮圆周的直径

　　由于小齿轮２也是旋转相同角度，所以小齿轮２的外周边沿移动量Ｌ，就如公式②：

　　Ｌ＝３ｘ∮Ｄｘ兀ｘ（／３６０） 　　公式②

把公式①带入公式②，就得到公式③：

　　Ｌ＝３ｘ４０ｍｍ＝１２０ｍｍ 　　　公式③

　　这也说明了齿条２的行程是齿条１的３倍，也就是１２０ｍｍ。

总结：

　　齿条与小齿轮，是一种在运动行程范围内，输入动力与输出动力都能够维持一定变换比例关系的均等变换机构。当齿轮产生运动时，小齿轮的外部圆周长度和齿条的直线移动位移距离是等量的。

　　不论是用马达的旋转运动，还是用气压缸的直线移动来驱动齿条及小齿轮，齿条及小齿轮的输出动力几乎是马达和气压缸的运动特性原貌。

　　在前面的装填装置事例中，当马达停止后出现超越停止线的部分，那么工件多余的上升量就等同于超越停止线的距离大小。另外，在从动握柄任意摆动角度的机构中，当气压缸的行程未端突然停止的话，它的冲击力道就会直接施加在从动臂杆上面。