4.5.5.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 рис. 4.23.
Рис. 4.97
Наиболее простым из шаговых механизмов является мальтийский механизм (рис. 4.24), являющийся частным случаем кулисного механизма.
Рис. 4.98
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
.
По определению коэффициент движения
.
Поскольку для любых мальтийских крестов 3 z 24, пределы изменения коэффициента движения равны:
У мальтийских механизмов с внутренним зацеплением (рис. 4.25) не может быть более одного ролика, в то время как у механизмов с внешним зацеплением может быть несколько роликов на кривошипе.
Рис. 4.99
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 рис. 4.23.
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 (рис. 4.25), 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.