5. Мальтийские механизмы

В некоторых случаях требуется обеспечить движение выходного звена в одном направлении с периодически повторяющимися выстоями. Механизмы, обеспечивающие одностороннее прерывистое движение выходного звена, называются шаговыми механизмами.

Пусть ₁ – угол поворота выходного звена шагового механизма между двумя выстоями, t₁ и t₂ – время движения и покоя выходного звена. Т=t₁+t₂ – время цикла, через которое повторяются одинаковые фазы движения механизма.

Один и тот же механизм может обеспечить разные величины перечисленных параметров за один оборот входного звена. Если время Т цикла и время t₁ для механизма единственны, то механизм можно охарактеризовать коэффициентом движения

= t₁/Т.

Типичный график движения выходного звена шагового механизма показан на рисунке 5.10.

Наиболее простым из шаговых механизмов является мальтийский механизм (рисунок 5.11), являющийся частным случаем кулисного механизма.

Звено 1 (кривошип) имеет один ролик 3, который входит в прорезь звена 2, называемого крестом, и поворачивает его на угол

,

где z – число вырезов.

Тогда угол покоя

.

Рисунок 5.97

Рисунок 5.98

По определению коэффициент движения

.

Поскольку для любых мальтийских крестов 3  z  24, пределы изменения коэффициента движения равны:

У мальтийских механизмов с внутренним зацеплением (рисунок 5.12) не может быть более одного ролика, в то время как у механизмов с внешним зацеплением может быть несколько роликов на кривошипе.

Рисунок 5.99

Пусть число вырезов z фиксировано и пусть m – число роликов. Число m должно удовлетворять условию 1  m  m₀, где число m₀ определяется из условия, что каждый ролик должен входить в зацепление с крестом только после выхода из зацепления остальных роликов. В противном случае механизм будет заклинен. Для этого достаточно, чтобы угол движения ₁ был меньше углового шага роликов  (₁< называется углом движения). Здесь z – число прорезей в кресте. За время поворота креста на угол ₁, кривошип поворачивается на угол.

,

т.к. угол О₁АО₂ в мальтийских механизмах всегда равен /2.

После поворота на угол ₁ крест остается в покое до тех пор, пока ролик не попадет в следующую прорезь креста.

За время покоя t₂ креста кривошип поворачивается на угол

.

В состоянии покоя крест фиксируется двумя замыкающими дугами  и  окружностей.

Если кривошип вращается равномерно со скоростью , то

.

Отсюда видно, что движение креста внутри цикла, то есть коэффициент движения , определяется однозначно числом пазов z. Поэтому мальтийские механизмы могут воспроизводить только простейшие графики движения, типа указанного на рисунке 5.10.

Поскольку  > 0 и z – целое число, минимальное число пазов креста равно трем. Пределы изменения коэффициента движения равны:

В действительности же число z трудно сделать более 24 и поэтому

.

Для рассмотренного мальтийского механизма всегда выполняется условие t₁<t₂. Для получения времени движения больше времени покоя, то есть t₁>t₂, используются мальтийские механизмы с внутренним зацеплением (рисунок 5.12), в которых кривошип и крест движутся в одном направлении. При переходе ролика из одной прорези в другую крест фиксируется замыкающими дугами окружностей  и . Для такого механизма угол движения определяется из условия

,

откуда

или

.

Тогда

.

Отсюда

.

Поскольку m и z числа целые, получается:

при z = 3, m₀ = 6 и m=5;

при z = 4, m₀ = 4 и m =3;

при z = 5, m₀ = 10/3 и m=3;

при z  6, m₀  3 и m = 2.

Коэффициент движения  мальтийского механизма с внешним зацеплением можно увеличивать, увеличивая число роликов m. При этом если 2 неизменно, то с увеличением m угол движения ₁ и угол ₁ не изменяются, а угол покоя ₂ уменьшается, так как теперь цикл движения совершается не за один оборот кривошипа, а за время поворота на угол  = 2/m.

При равномерном вращении кривошипа с m роликами мальтийский механизм внешнего зацепления имеет коэффициент движения

,

который больше в m раз коэффициента движения механизма с одним роликом.

Из изложенного следует, что синтез мальтийских механизмов состоит в подборе величин z и m для механизмов с внешним зацеплением и величины z для механизмов с внутренним зацеплением, при которых обеспечивается заданный коэффициент движения .

В тех случаях, когда рабочий процесс совершается при неподвижном кресте, время движения t₁, а значит и коэффициент движения стремятся уменьшить. Если число пазов уменьшить нельзя, то уменьшение  достигается увеличением скорости кривошипа на стадии движения и уменьшением ее на стадии покоя. Этого можно достигнуть зубчатым механизмом с переменным передаточным отклонением или другим каким-либо способом, например установкой ролика на шатуне шарнирного четырехзвенника, у которого шатунная кривая такова, что время движения ролика в контакте с вырезом больше времени движения ролика вне выреза. В некоторых случаях для этих же целей вырезы в кресте делают криволинейными, что превращает мальтийский механизм в кулачковый и позволяет получить почти любой закон движения креста. Однако при этом теряется главное достоинство мальтийских механизмов – простота изготовления.

Рассмотренные выше мальтийские механизмы имеют два существенных недостатка: малый диапазон значений коэффициента движения и мягкие удары, сопровождающие вход ролика в прорезь и выход ролика из прорези. Дело в том, что при входе ролика в прорезь и при выходе ролика из прорези скорость ролика относительно креста равна нулю, если направления скорости центра ролика и ось прорези совпадают, но ускорение ролика не равно нулю. Поэтому ускорение креста меняется скачком, что является причиной мягких ударов. Мягкие удары нежелательны потому, что они порождают ненужные колебания в механизме.