棘轮机构 本发明涉及一种使运动能沿一个方向传递而不能沿另一相反方向传递的棘轮机构。这种机构也称作机械整流器(mechanical dliodes)、单向离合器或类似器械。在此所用的术语棘轮机构用来概括这种机构。
传统的棘轮机构通常具有多个棘爪，棘爪由弹簧偏压沿径向向外，从而使得棘爪在沿一个方向转动期间与棘齿啮合，将机构锁定；在沿相反方向转动时，棘爪超越棘齿，使棘轮机构自由转动。虽然这些机构确能适合于运作，但它们价昂贵，制作起来相当复杂，而且在某些环境中，尤其是用于快艇绞车中时，修理特别困难，而且即使是在比赛中，也需要修理快艇。
本发明的目的是提供一种能克服上述难题的棘轮机构。
本发明可以说是属于这样的一种棘轮机构，它包括：
一内件；
一外件；
在内件或外件之一上的至少一个齿；
在内件或外件中另一个上的一个啮合件，啮合件安装在所述的内件或外件的另一个上，使啮合件可相对所述的内件或外件的另一个运动；
在啮合件上的一啮合齿，以及
在啮合件上的一驱动部分，用于使啮合件与所述内件或外件之一接触，而将啮合件运动到位，由此啮合齿与所述至少一个齿啮合。
本发明的棘轮机构无需包括弹簧，因而在保养或修理棘轮机构时，不需要将小弹簧和棘爪机构定位固定。该棘轮机构只要求将啮合件插入到位，而且由于无需固定弹簧就可以做到使啮合件插入到位，所以修理和装配要比传统的棘轮机构简单得多。
最好使所述的内件或外件之一具有多个齿，所述的至少一个齿是多个齿中的至少一个齿，而且多个齿中的一个齿与啮合件接触而使啮合件运动，从而使啮合齿与多个齿中的至少一个齿啮合。
最好驱动部分包括啮合件的一表面，并且在所述地内件或外件中的一个与啮合件表面之间接触，使啮合件相对内件或外件中的另一个摆动，带动啮合件的啮合齿到位，因此啮合齿能与所述内件或外件之一的所述至少一个齿啮合。
提供驱动部分的啮合件表面可以是啮合件上的突起或是啮合件表面的平滑连续部分。
本发明也可以说是属于这样的一种棘轮机构，它包括：
一外环，在其内圆周面上至少有一个齿；
一啮合件，它至少具有一个齿与外环的至少一个齿啮合，啮合件安置在该外环内；
一用于使啮合件运动而与外环啮合的驱动件；以及
一用于支承驱动件的轴；其中
当轴沿一个方向转动时，驱动件就被转动，迫使啮合件上的至少一个齿与外环上的至少一个齿啮合，从而使轴、啮合件和外环如同单独的一个整体件那样运动；当轴沿相反方向转动时，驱动件使啮合件运动，因而啮合件上的至少一个齿运动，与外环上的至少一个齿的啮合脱开，这样，轴就能相对外环自由转动。
在一个实施例中，啮合件包括一个啮合环，啮合环只在其外周面的部分上具有多个齿。
在本发明的一实施例中，驱动件包括在啮合环上的一表面部分，并在该内环上有一凸轮件，凸轮件与啮合环上的一槽啮合，从而使得该内环沿所述的一个方向转动时，啮合环由于凸轮在槽中啮合而沿相同的方向转动，而且，环上的驱动表面接触外环，致使啮合环举升，而使啮合环的齿与外环的至少一个齿啮合。
在另一个实施例中，啮合件包括环绕外环内周面安置的多个扇形体，每个扇形体具有至少一个用于在轴沿所述的一个方向转动时，与外环的至少一个齿相啮合的齿。
在一实施例中，驱动件包括一凸轮盘，该盘上有固定于轴上的一凸轮，内环或扇形体具有用于接纳凸轮的槽部，从而当轴沿第一方向转动时，凸轮就与内环或扇形体啮合，由此而迫使在内环或扇形体上的至少一个齿与外环的至少一个齿啮合。
凸轮最好包括用于与内环或扇形体上相应凸肩啮合的凸肩，因此在轴转动时，凸轮上的凸肩贴靠内环或扇形体上的凸肩，而使齿进行啮合或脱开。
在另一实施例中，扇形体具有细长槽，凸轮则是圆柱形突起，这些突起容纳于该槽中。
在本发明的一实施例中，扇形体呈矩形块状，而且扇形体上的至少一个齿是由矩形块状扇形体的角顶部形成的。
在本发明的另一实施例中，将啮合件装在轴上，驱动件是配设于啮合件上的一突部，因此在沿一个方向转动时，外环上的至少一个齿与该突部啮合，然后使啮合件上的齿运动，而与外环上的至少一个齿脱开；在沿相反方向转动时，该突部与外环上的至少一个齿啮合，从而使啮合件上的该齿与外环上的至少一个齿啮合，由此通过啮合件将驱动从外环传递至该轴。
在本发明一实施例中，安排内环使其与外环大体上同轴。但是在一替换实施例中，安排内环相对外环偏置。
从另一方面看，本发明也可以说是属于这样的一种棘轮机构，它包括：
一在其内圆周面上具有多个齿的外件；
一具有制动部分的内件；
一个安装的啮合件，用于在内件的制动部分上摆动；
在啮合件上的至少一个齿；
一在啮合件上的驱动部分；和
其中在外环沿一个方向转动时，外环上的齿与啮合件上的驱动部分啮合，使啮合部分相对制动部分摆动，从而使啮合部分的至少一个齿与外件的齿脱开，允许内件和外件可彼此相对转动；在沿相反方向转动时，外件的齿与驱动部分啮合，使啮合件摆动，使啮合部分的至少一个齿与外环的至少一个齿啮合，因此将驱动从外环经过啮合件传递至内件。
最好制动部分包括一在内件上的弧形槽，和邻近该槽的弧状扇形凹口(scallop)，其确定一个在内件上的制动突台。
最好使啮合件具有一个用于啮合制动突台(Boss)的制动槽，以便于将啮合件定位固定在制动突台上，用以使啮合件随着内件转动，并用来使啮合件在制动突台上相对内件摆动。
最好驱动部分包括一在啮合部分上的突起(projection hump)。
啮合部分最好具有一个尾部，尾部有一用来与外环的齿啮合的贴靠部分，以便于啮合件的摆动。
下面对本发明最佳实施例以示例方式参照附图进行介绍。其中：
图1是本发明第一实施例棘轮机构的视图；
图2是本发明第二实施例棘轮机构的视图；
图3是本发明第三实施例的视图；
图4和5是另一实施例的视图；
图6是又一实施例的视图；
图7是本发明又一实施例的视图；
图8-22是展示图7所示实施例运作的视图；
图23是本发明又一实施例的视图；
图24是本发明另一实施例的剖视图；
图25是展示处于稍微不同位置上的图24所示实施例；
图26是处于驱动或锁定位置的图24所示实施例的视图；
图27是处于松开位置的图24所示实施例的视图。
参看图1，所示棘轮机构10包括一外环12，外环12在其内周面上有棘齿14。一内环16安置在外环12内。内环16只在其外周面部分上配设与齿14啮合的齿18。
环16也有一由凸肩22及曲面24确定的槽20。安排一轴28与内环16及外环12同轴，而且其上安装有一整体凸轮盘30。凸轮盘30设置有凸轮34，凸轮34提供一凸轮曲面36及一凸肩38。
在轴28沿图1中箭头A所示方向转动时，凸轮盘30被转动，从而使表面36与表面24啮合，以将内环16大体上朝图1右方推动，由此而使齿18与齿12啮合。轴28的继续转动，将使凸轮30、内环16及外环12如同一个整体沿箭头A所示方向转动。因此，转动就从轴28传递到外环12。
如果轴28沿与箭头A所示相反的方向转动，在凸轮34上的凸肩38就与槽20的凸肩22接合，将环16大体上向图1的左方拉曳。这样就使齿18与齿14脱开，因此随着继续沿与箭头A所示相反的方向转动，轴28和内环16就相对外环12转动。
参照图1介绍的棘轮机构10，在绞车或类似装置中有特殊的用途。在用于绞车中时，轴28被连接于绞车手柄，环12则构成绞车外圆柱筒的一部分。因此，沿一个方向转动时，圆柱筒12就被转动，向内拉曳缆索；沿相反方向转动时，环12可以相对于手柄28自由转动。棘轮机构也可应用于如传动机构等的齿轮装置系统中，在传动机构中，棘轮机构要求能在一个方向上使齿轮和轴一起转动；但在相反的方向上能使齿轮和轴相对转动。
图2展示本发明的第二实施例，除了其内环16相对外环12是偏心地安装这一点外，该实施例与图1所示的相似。
本发明的这一实施例中，内环16上的槽20具有两个凸肩22及24。凸肩22的作用方式与图1中凸肩22的完全一样。图2中的凸肩24代替图1中的曲面24，而且由于内环16相对外环12的偏心设置，凸肩24与凸轮盘30上的相应凸肩40的啮合，会使内环16运动，从而使内环16的齿18与外环12的齿14啮合。轴28沿箭头A所示方向的转动，会使齿16、18啮合，因而将驱动传递至环12；沿相反方向的转动会使齿脱开，如同前一实施例，因此轴28、凸轮盘30和环16可相对环12转动。
在另一实施例中(未示出)，可以配置一对内环24。每个环在其周面的部分上可以有如同图1和2上的齿18那样的齿。这两个环可安置得彼此相差180°，以便在齿18与14啮合将驱动从轴28传递至环12时，将载荷大体上均匀地分布在整个棘轮机构上。
参看图3，图3展示本发明第三实施例。在此图中相同标引数表示与上述实施例中介绍的相同的零件。
在本发明的该实施例中，内环16由多个扇形体50代替。在图3展示的实施例中采用了两个扇形体。但是，如果需要也可采用更多个扇形体。
每个扇形体50上有用以与外环12的齿14相啮合的齿18。扇形体50上配设槽20，槽20具有凸肩22及24。凸轮盘30上配置有分别与各槽接合的两凸轮34。凸轮34则有凸肩38和40。
随着轴28沿箭头A所示方向转动，凸肩40与槽20的凸肩24接合，而迫使扇形体50大体沿顺时针方向转动，从而使齿18与齿14啮合，因此将运动传递至外环12。扇形体50的运动大体上是相对凸轮盘30和外环相切的运动，因而使齿18运动与外环的齿14啮合。这样，齿18就牢固地与齿14啮合。
随着轴28沿与箭头A所示相反的方向运动，凸肩38与凸肩22接合，以将扇形体50远离环12，从而使齿18和14脱开。因此，环12与轴28就可彼此相对自由转动。
最好在齿18与齿14脱开时，齿18只是与齿14脱开并骑跨在齿14上，从而随着沿箭头A所示方向转动齿18和14能迅速和可靠地重新进行啮合。通过合适地确定凸轮34及槽20的尺寸就能够做到这一点。另外，可在邻近凸轮盘30的扇形体上设置纽扣状突起60(button)，以限制扇形体50脱离环12的运动量。突起60或凸轮34和槽20的尺寸也可以用来确保在重力作用下，扇形体50不可能沿径向向内运动，因而使齿18与14突然地脱开。这一点对于棘轮机构的某些应用场合，尤其是在应用于快艇绞车中时是很重要的。快艇可能向一侧倾斜，于是使扇形体50受到重力作用，这可能造成扇形体稍微掉落而与齿18脱离啮合。凸轮34与槽20的尺寸或突起60的设置，将确保齿18和14之间的可靠啮合，经常维持到轴12沿与箭头A所示相反的方向转动，以便拉曳齿18脱离与齿14的啮合为止。
图3所示实施例具备的优点是，载荷均匀地分布于整个棘轮机构，而不是如图1和2中所示方案中那样仅仅施加于机构的一侧。
图4、5展示本发明的又一实施例。为了清楚起见，外环只展示一部分，并且只展示一个扇形体50。相同的标引数表示与上述实施例中介绍的相同的零件。
在本发明的该实施例中，扇形体50上的至少一个齿18是由扇形体50的一导引前角提供，而不是扇形体50外表面上形成的多个齿。每个扇形体50均有一外靠贴部75，靠贴部75大体上是沿外环12的齿14分布的。盘30沿箭头A所示方向转动时，驱动构成齿18的扇形体50的导引边缘，以与上述实施例中介绍的相同方式与外环12的齿14中的一个齿啮合。
如在图5中最清楚地展示那样，为了使齿18从齿14中脱开，沿箭头B所示方向的凸轮盘30的转动，将使贴靠部75骑跨于齿14上，因此使扇形体50朝内、外摆动，于是齿18与齿14脱离，允许环12和凸轮盘30与轴28(未示出)一起相对于外环12转动。
图6展示本发明的另一个实施例。在该实施例中，采用了大量的扇形体50。在图示的实施例中采用了七个扇形体，扇形体大体上为矩形块形状。矩形块有一个构成齿18的顶角部，用以与齿14啮合。凸轮盘30配置有大体上为圆柱状突起的凸轮34，每个扇形体50上均配置有用以接纳圆柱状凸轮34的长槽51。在沿一个方向转动时，凸轮34如先前介绍过的那样大体上沿径向将扇形体50相对凸轮盘30和外环12推动，从而使齿18与齿14之一啮合，由此而将盘30与轴一起锁定在外环12上。如果轴28沿相反方向转动，凸轮34就在槽51中略微移动，而将扇形体50向下拉曳，使齿18与齿14脱开，因而轴28与盘30能够相对外环12自由转动。
由于本发明的最佳实施例不与传统设计那样采用弹簧将棘爪元件偏压而与棘爪啮合，故在本实施例中的棘轮机构比传统的棘轮机构更平稳，因而在棘轮自由运行(亦即处于脱开状态)时，棘轮机构一般不会发出卡搭、卡搭的噪声。如果希望有如传统设计的棘轮机构那种卡搭声响，可以连接弹簧(未示出)，将扇形体50或内环16大体上朝向外环的齿14推动，从而在轴沿箭头B所示方向转动时，使一个或多个齿18强制地越过齿14而产生卡搭声音。应该理解，该弹簧并非是棘轮机构的运行所需要的，而只是在希望明确地提供棘轮机构正在运行的信息的情况下，为了提供卡搭声音而设置的。
本发明最佳实施例的棘轮机构的优点是，它只用很少几个部件构成，由于只是简单地将内环16定位在外环内，并将轴28及凸轮盘30定位于内环内，所以，与其他棘轮机构相比，它能比较容易地装配。本发明不需要如同现有技术那样，将棘轮齿偏压在另一元件上，以使该齿与另一元件上的齿啮合的弹簧，因而可使其结构和组装工作大大地简化。
图7-22展示本发明的另一实施例。在此实施例中，外环70在其内周面73上具有多个齿72。齿72是由顶部或向内突出部74和一传送曲面76确定的，曲面76从一个齿的根部77朝一个相邻齿的齿顶78延伸。
将一内件80安置在外环70中，在本发明的一实施例中，图7所示的棘轮机构可以用于绞车。其中，棘轮外环70与绞车齿轮箱的输出相连，内环80连接于绞车轮鼓，并有效的形成供给输出回转动力的输出轴。从下面介绍中可以证实，环70沿一个方向的转动能使环70相对内环80空转，而外环70沿相反方向的转动可以将驱动从环70传递至内环80。
内环80至少有一个制动件90。制动件由一弧形槽92限定，弧形槽92从内环80的外表面93朝内环80内部延伸。相邻弧形槽92的是在外表面93中的一个扇形凹口94。部分圆柱形的制动突台95限定在扇形凹口94与槽92之间。
将一啮合件100安装在制动突台95上。啮合件100具有一容纳在槽92内的弧形臂102，及一与扇形凹口94廓形一致的尾部104。部分圆柱槽106被确定在臂102和尾部104之间，通过使啮合件沿侧向滑动至制动突台95而使槽106安放在制动突台95上，从而将啮合件100有效地固定在或保持在制动突台95上，用于随内件80例如沿图7箭头G所示方向转动，并且也可以使其沿图7中双向箭头F所示方向在制动突台上摆动(将在下面更详尽地解释)。
尾部74有一靠贴端部108，啮合件100有一沿与臂102大体上相反的方向延伸的齿110。齿110由逐渐与臂102会合的曲面111、及一反向曲面113形成，在这两个曲面之间确定一齿顶114。
尾部104具有外表面115及内表面116，内表面116大致位于扇形凹口94上。在表面113和115之间安排的是突伸驱动件120，驱动件120被成形如一驼峰即突起，构成了表面113和115之间的过渡区域。
参看图8-22，详细介绍本棘轮机构的运作情况。当将驱动从环70最终传递至内件80时，在顶部78和根部77之间的齿72的齿面，可与啮合件100的齿110的表面111啮合。当外环70沿箭头H方向转动时，表面121如图9所示那样从齿110处脱开，图9中以72′标示的下一个相邻齿，则与啮合件100上的驱动突起120啮合。齿72′和驱动突起120的啮合使啮合件100相对突台95沿图9中箭头J所示方向摆动。这种摆动如同图10、11及12中的情况那样，在没有传递任何驱动给啮合件100及由此传递给内件80的情况下，使啮合件100的齿110与外环70上的齿72完全脱开，于是齿72能有效地骑跨在啮合件100上。图9-11展示了在啮合件100沿箭头J方向在突台95上摆动时，臂102进一步移动进入槽92中，图12则表示啮合件100已完全与外环70的齿72脱开的情况。
如同图12、13及14所清楚地表示，外环70继续沿箭头H方向的转动，如这些图中的L线所标示的那样，使啮合件100完全脱开正好骑跨在尾部104上的驱动突起120和贴靠部108的齿72上。
如图15所示，在刚刚骑跨的驱动突起120上的外环70的齿72到达啮合件100的齿110处时，开始如图15所示在C处出现接触，这种接触只是使啮合件100再次沿箭头J所示方向在突台95上摆动即作枢轴转动，从而使尾部104向上浮动。其贴靠部分108作弧形运动进入由齿72及表面76所确定的空间中，如图15及16所示。如继续沿箭头H所示方向转动，图17所示，会使图10中的齿72″接触尾部104的贴靠部108，从而使啮合件100沿图10中箭头K所示方向摆动，因而在没有将驱动传递给啮合件100的情况下使齿72″能骑跨在尾部104上。如图18所示，摆动继续进行。如图18所示，外环70沿箭头H所示方向的连续转动，会使齿72再次接触驱动突起120，于是使啮合件100的摆动如图9-17所示那样继续进行。因此，在没有将任何驱动传递给啮合件100进而传递给内件80的情况下，由于外环70沿箭头H所示方向的转动，只是使啮合件100在制动突台95上来回摆动。因此外环70实际上可相对内环80空转而不传递驱动。
外环70沿图19中M箭头所示相反方向的转动，将使驱动被传递给内件80。图19中的齿72接合驱动突起120，如图20所示，这将使啮合件100在制动突台95上沿箭头K所示方向再次摆动，所以齿110就如同箭头N所示向上运动进入齿72′的轨迹中(图20所示)。
图21和22展示齿72在驱动突起120上方运动，以及通过在齿72′的表面121上的滑动而使齿110连续运动进入齿72′的轨迹内。如图22所示，沿箭头M所示方向的继续转动，将使驱动通过齿72′的表面121和齿110的齿表面之间的接触，而从环70传递出去，从而使驱动沿箭头M所示方向传递到啮合件100，继而沿相同的方向传递给内件80，使内件80也沿M所示方向转动。这样，在图22所示的位置中，啮合件100已摆动到与外环70的一个齿72进行啮合，而且还通过这种接触和环70的转动，啮合件保持在这样的位置上，因此使得驱动经过啮合件100传递至内件80，使内件转动。
如图7所示，棘轮机构包括三个啮合件100和相应的三个制动突台95。然而，啮合件100的数目是可以任意选取的，如果想要多一些的话，所增加的啮合件可以围绕内件80的周面排布。
图7所示优选实施例的优点是，棘轮机构可以在极高速下运行，并且还可十分精确地停止，只需很小量的运动即可达到。
图23是一个类似于图7-22所示实施例的实施例，但具有高速运作的更多优点。具体地说，在啮合位置和脱开位置之间，该实施例提供了一种相当低活动性的啮合件(即啮合件的运动量相当小)，这有助于平稳的高速运行。
参看图23，外环200配置有齿210，内环220则有切口240。切口240包括一曲面突台即台阶241和一个后深槽242，在台阶241对面处有一较浅的前槽243。通过在啮合件250上的一台阶即突肩251将啮合件250安装在台阶241上。因此，啮合件250可在台阶241上沿图23中箭头M所示方向来回摆动。
开槽部分242具有一限制啮合件250沿图23中箭头P所示方向运动的后壁245，其沿与箭头P所示相反方向的运动是通过台阶241与突肩251间的啮合来防止的。
当内件220沿图23中箭头R所示方向转动时，齿210中的一个齿将与大体上朝向件250后部的、件250的最外表面255啮合，并使件250在突肩251上沿图23中箭头N所示方向摆动，从而将件250的啮合齿258沿径向朝外拉出。图23中以250′标示的件及以210标示的齿表示了表面255′与齿210′之间的这种啮合，这种啮合使件250开始摆动而将啮合齿258抬升到可以与齿210中的一个齿相啮合的位置。内环220的继续转动将迫使件250′的后端260′向下进入槽部242′。该位置用图23中以250″标示的啮合件表示。在此位置上，啮合件250″是处于与齿210″啮合的位置，因此当齿258″与齿210″啮合时，齿258″就向上运动进入与齿210″完全啮合状态。在本发明的实施例中，只有一个啮合件250与齿210啮合并将驱动传递给外环200。如果内环220沿与箭头R所示的相反的方向转动，则啮合件250就被拉出而脱离与齿210″的啮合，而且由齿210使件250如图23所示沿箭头J所示的方向摆动，因此环220能够相对环200自由转动。
在本实施例中，由件250的平滑表面255构成的驱动部分，造成啮合件250在啮合位置和脱开位置之间运动量相当小，这会进一步有助于高速运动。而且，齿210和驱动表面255之间的啮合并不是迫使件250与齿完全进入啮合，而是使啮合齿258定位，所以啮合齿与齿210接触，而且通过这种接合，迫使齿258完全与齿210啮合。与上述实施例相比不同，上述实施例中的驱动突起120使啮合件上的啮合齿完全插入到外环的齿中。
图24-27展示了类似于图1-5所示的一种实施例，但它具有用以有助于使棘轮进入啮合位置的驱动表面。
参看图24，一外环300上配设了齿301。一内环320可以与轴构成一体或作为轴的一部分，内环320具有在一表面上的凸轮突缘321。一松配合的啮合环330设在环320上，环330包括一接纳凸轮321的槽322。环330在槽322附近有一驱动面323，驱动面323相对环330的其余部分朝外沿径向突出。环330的构形大体上是圆形的，但在驱动面323附近的一个侧面略微平坦些。当内环320沿箭头Q所示方向转动时，机构可以空转，凸轮321接触槽322的端面335，使环330也沿箭头Q所示方向转动，由此而使驱动面321直接骑跨在齿301上。
内环330具有多个齿335，齿335在棘轮机构空转时处于图24所示位置上，这些齿与齿301离开或直接骑跨在齿301上。
图25展示一类似于图24的视图，驱动面323骑跨在齿301上，齿335与齿301脱开。
在需要接合棘轮机构时，环320沿图26中的箭头S所示方向转动。这就使凸轮321运动到槽322的另一端，从而使凸轮321与槽322的端面339接合。内环320沿箭头S方向的继续转动，将使环也沿箭头S所示方向开始转动。随着环沿箭头S所示方向的转动，驱动面323与齿301接触，因而可能将环330抬高或沿图26中J箭头所示方向略微转动。这就拉动环330的齿335与外环330的齿301进行啮合。因此而产生了可靠的啮合，并且将驱动经过啮合环330从内环320传递至外环301。如果沿图27中箭头V所示方向相反转动，则凸轮321就运动到槽322的另一端，而且使啮合环330也沿箭头V所示方向运动。驱动面323与齿301的啮合可能将环330沿图27中箭头W所示方向略微向下拉动，因此齿335与齿301脱开，于是棘轮可能沿相反方向空转。
因为在本发明的构思和范围内，可以由本领域普通技术人员容易地做出改型，因此应理解，本发明并不局限于上面通过示例方式介绍的具体实施例。