Скидка на подшипники из наличия!
Новое поступление товара в 2026 году!
Мальтийский механизм — механизм прерывистого движения, преобразующий непрерывное равномерное вращение ведущего звена в прерывистое вращение ведомого звена с поворотом на фиксированный угол за один цикл. Состоит из ведущего диска (кривошипа) с пальцем-цевкой и ведомого звена — мальтийского креста с радиальными пазами. За каждый оборот ведущего диска палец входит в очередной паз креста, поворачивает крест на угол 360°/z (где z — число пазов), выходит из паза, и крест остаётся неподвижным до следующего входа.
Конструкция за счёт геометрии входа и выхода пальца по касательной к окружности паза обеспечивает плавный пуск и остановку креста — угловая скорость креста в моменты входа и выхода равна нулю. Это отличает мальтийский механизм от храповых и кулачковых механизмов прерывистого движения с ударными нагрузками. Положение креста на интервале простоя фиксируется запорным диском (стопорной шайбой), жёстко связанным с ведущим звеном. Мальтийский механизм применяется в индексирующих столах автоматических линий, упаковочных автоматах, поворотных револьверных головках, проекционных киноаппаратах и других задачах с требованием воспроизводимого пошагового позиционирования.
Мальтийский механизм — представитель класса шаговых механизмов (механизмов прерывистого движения). Задача — преобразовать непрерывное вращательное движение входного звена в одностороннее прерывистое вращательное движение выходного звена, разделённое на циклы «движение–простой».
Ведущий диск (кривошип) вращается с постоянной угловой скоростью. На диске на радиусе r закреплён цилиндрический палец (цевка). За один оборот диска палец один раз входит в радиальный паз ведомого звена — мальтийского креста — проводит по пазу, поворачивая крест, и выходит из паза. Пока палец движется по пазу, крест поворачивается на угол 2π/z, где z — число пазов креста. Пока палец не входит ни в один паз, крест остаётся неподвижным.
За один оборот ведущего диска ведомый крест поворачивается на 1/z часть полного оборота. За z оборотов диска крест совершает один полный оборот. Угол шага и время простоя задаются числом пазов и угловой скоростью диска.
Геометрия мальтийского механизма проектируется так, чтобы в моменты входа пальца в паз и выхода из паза вектор скорости пальца был направлен вдоль оси паза. При выполнении этого условия угловая скорость креста в эти моменты равна нулю, и переход «простой–движение» происходит без ударов и без бесконечно больших ускорений.
Геометрически это означает, что в моменты входа и выхода ось паза перпендикулярна радиусу пальца (т. е. перпендикулярна радиусу-вектору, проведённому от оси кривошипа к пальцу). На круговой развёртке движения пальца касательная к окружности пальца в момент входа совпадает с осью паза.
В сложных схемах ведущий диск может нести несколько пальцев (двух- или трёхпальцевые механизмы) — в этом случае за один оборот диска крест получает несколько шагов. Возможны также схемы с двумя ведомыми крестами для удвоения числа шагов.
В зависимости от взаимного расположения осей кривошипа и креста и направления входа пальца различают три основных варианта мальтийского механизма.
«Правильным» мальтийским механизмом называют схему с равными временами движения для всех шагов и равными углами поворота креста за каждый цикл. Большинство практических конструкций — правильные с равномерно расположенными радиальными пазами.
При проектировании мальтийского механизма исходными данными служат z — число пазов креста и r — радиус кривошипа (расстояние от оси кривошипа до центра пальца). Из условия плавности входа и выхода определяется межцентровое расстояние L и угол начального положения.
Межцентровое расстояние для внешнего мальтийского механизма (условие плавности входа):
L = r / sin(π / z)
где L — расстояние между осями кривошипа и креста, м; r — радиус кривошипа (длина пальца от оси), м; z — число пазов креста.
В моменты входа и выхода пальца линия, соединяющая ось кривошипа с пальцем, перпендикулярна оси соответствующего паза. Это даёт прямоугольный треугольник с вершиной в точке входа: один катет — радиус кривошипа r, другой — глубина паза до центра креста, гипотенуза — межцентровое расстояние L. Острый угол при оси кривошипа равен π/z, что и даёт связь L = r / sin(π/z).
Радиус мальтийского креста (расстояние от оси креста до точки касания пальца в крайнем положении):
R = L · cos(π / z) = r · ctg(π / z)
где R — расстояние от оси креста до точки входа пальца в паз, м.
Глубина паза (от внешней цилиндрической поверхности креста до его дна) выбирается так, чтобы в среднем положении (при прохождении центра паза) палец заходил на достаточную глубину, обеспечивающую передачу момента, но не достигал оси креста.
Цикл работы мальтийского механизма состоит из двух фаз: фазы движения (палец в пазу, крест поворачивается) и фазы простоя (палец вне всех пазов, крест неподвижен).
Угол поворота креста за один вход пальца:
β = 2π / z
где β — угол поворота креста за цикл движения, рад; z — число пазов.
Угол поворота ведущего диска за время одного входа пальца в паз и выхода из него:
Внешнее зацепление: 2φ1 = π − 2π/z = π · (z − 2)/z
2φ1 = π − 2π/z = π · (z − 2)/z
Внутреннее зацепление: 2φ1 = π + 2π/z = π · (z + 2)/z
2φ1 = π + 2π/z = π · (z + 2)/z
где 2φ₁ — полный угол поворота ведущего диска от входа до выхода пальца, рад.
Коэффициент движения (коэффициент работы цикла) k — отношение времени движения креста к полному времени цикла. При постоянной угловой скорости ведущего диска коэффициент движения равен отношению угла поворота диска в фазе движения к 2π:
Коэффициент движения для одного пальца:
Внешнее зацепление: k = 2φ1 / (2π) = (z − 2) / (2z)
k = 2φ1 / (2π) = (z − 2) / (2z)
Внутреннее зацепление: k = 2φ1 / (2π) = (z + 2) / (2z)
k = 2φ1 / (2π) = (z + 2) / (2z)
У внешнего мальтийского механизма коэффициент движения всегда меньше 1/2: время простоя больше времени движения. У внутреннего — наоборот, время движения больше. С ростом числа пазов разница между фазами движения и простоя уменьшается.
В фазе движения мальтийский крест поворачивается с переменной угловой скоростью: от нуля в момент входа пальца до максимума при прохождении пальцем линии центров и снова до нуля в момент выхода. Соответственно изменяются угловое ускорение и крутящий момент на валу креста.
При постоянной угловой скорости кривошипа ω₁ угловая скорость креста ω₂ определяется из условия передачи движения через палец. В системе координат с осью x вдоль линии центров и углом поворота кривошипа φ₁ от среднего положения справедливы соотношения, выводимые из геометрии плоского механизма.
Передаточное отношение по угловым скоростям (отношение угловых скоростей креста и кривошипа в фазе движения, внешнее зацепление):
i(φ1) = ω2 / ω1 = λ · [cos(φ1) − λ] / [1 − 2λ · cos(φ1) + λ²]
где λ = r / L = sin(π / z) — относительная длина кривошипа; φ₁ — угол поворота кривошипа, отсчитываемый от линии центров.
Из формулы видно, что при φ₁ = ±φ1,max (моменты входа и выхода) cos(φ1,max) = sin(π/z) = λ, числитель обращается в ноль и передаточное отношение тоже — крест не вращается. В среднем положении (φ₁ = 0) передаточное отношение принимает максимальное значение λ / (1 − λ).
Угловое ускорение креста ε₂ — производная угловой скорости ω₂ по времени — характеризуется двумя пиками: в моменты входа и выхода пальца ускорение конечно (плавный пуск), а максимум приходится на участки разгона и торможения. Чем меньше z (число пазов), тем больше относительная амплитуда углового ускорения и больше динамические нагрузки на пальце и в пазу.
Малые числа пазов (z = 3, 4) дают наибольший шаг (120° и 90° соответственно), но при этом — максимальные ударные ускорения в начале и конце поворота. Для нагруженных индексирующих столов и устройств с большими маховыми массами выбирают увеличенное число пазов (z = 6, 8 и более), что снижает пиковые ускорения и переменные напряжения в звеньях.
В ответственных применениях с большими моментами инерции ведомого звена применяют кулачковые шаговые механизмы (например, конические кулачки с винтовой канавкой), у которых закон движения ведомого звена задаётся профилем кулачка. Это позволяет получить заранее рассчитанный закон ускорения (с непрерывным и ограниченным значением рывка), но конструктивно сложнее и дороже мальтийского.
В фазе простоя (когда палец не находится в пазу) крест должен оставаться неподвижным под действием возможных моментов от инерции присоединённых масс, технологических усилий или внешних возмущений. Эту задачу решает запорный диск (стопорная шайба) — конструктивный элемент, жёстко связанный с ведущим звеном.
Запорный диск имеет цилиндрическую (или сегментную) поверхность с вырезом в зоне действия пальца. Между двумя соседними пазами на торцевой поверхности креста выполнены ответные круговые впадины. В фазе простоя цилиндрическая поверхность запорного диска входит в круговую впадину креста и удерживает крест от поворота. В фазе движения вырез запорного диска приходится на зону, где палец работает в пазу, и крест получает возможность поворачиваться.
В четырёхпазовом мальтийском механизме с внешним зацеплением (z = 4): угол поворота диска за фазу движения 2φ₁ = 90°. В этом секторе вырез запорного диска открывает крест. Остальные 270° оборота диска цилиндрическая часть запорного диска зафиксирована во впадине креста, и крест удержан неподвижно до следующего цикла.
Фиксация запорным диском обеспечивает надёжное удержание положения без дополнительных элементов (тормозов, защёлок) и автоматически согласована по фазе с входом пальца. Это одно из ключевых конструктивных преимуществ мальтийского механизма перед храповыми и фрикционными решениями.
Выбор числа пазов z определяется требуемым углом шага β = 2π/z, требуемым соотношением времени движения и времени простоя (коэффициент k), а также допустимыми динамическими нагрузками.
На практике массово применяются механизмы с z = 4 (киноаппараты, простые индексаторы), z = 6 (револьверные головки и многопозиционные автоматы), z = 8, z = 12 (тяжёлые индексирующие столы и инструментальные магазины станков с ЧПУ).
Мальтийский механизм применяется там, где требуется циклическое прерывистое движение с воспроизводимым углом шага, плавным началом и концом поворота, и встроенной фиксацией положения в интервале простоя.
В автоматических линиях и автоматах с многопозиционной обработкой деталь устанавливается на поворотный стол, который пошагово перемещает её через позиции загрузки, обработки, контроля и разгрузки. Мальтийский механизм обеспечивает требуемое число равноотстоящих позиций (равное числу пазов z) и время простоя для технологических операций. Стол фиксируется запорным диском в каждой позиции без дополнительных защёлок.
На станках с многоинструментальными головками и в инструментальных магазинах токарных и фрезерных автоматов мальтийский механизм используется для смены инструмента шагами на 60°, 45° или меньший угол. Преимущество — простота управления (один оборот ведущего вала = одна смена инструмента) и надёжная фиксация позиции под действием рабочих усилий.
В роторных автоматах упаковки штучных изделий мальтийский механизм синхронизирует подачу изделий, упаковку, маркировку и выгрузку, поворачивая роторный стол на угол позиции за один такт работы привода.
Исторически массовое применение мальтийского механизма — проекционные киноаппараты. Четырёхпазовый мальтийский механизм с внешним зацеплением (z = 4) обеспечивает прерывистое перемещение киноленты от кадра к кадру: за каждый оборот ведущего вала кадр на короткое время оказывается в проекционном окне (фаза движения 90°), затем длительное время неподвижен (фаза простоя 270°), за которое экспонируется и проецируется на экран. В съёмочной и кинокопировальной технике мальтийский механизм применяется реже из-за более низкой точности по сравнению с грейферным.
Дозирующие и наполняющие установки в пищевой, химической и фармацевтической отраслях используют мальтийские механизмы для пошагового перемещения тары между позициями подачи продукта, укупорки и маркировки.
В механических счётчиках и хронометрических устройствах мальтийский механизм применяется для пошагового переноса разрядов и удержания счётного барабана в фиксированном положении между нажатиями.
На ведущем диске закреплён цилиндрический палец (цевка). За один оборот диска палец один раз входит в радиальный паз ведомого звена — мальтийского креста, проводит по пазу и выходит из него. За время прохождения пальцем паза крест поворачивается на угол 360°/z, где z — число пазов креста. После выхода пальца крест неподвижен до следующего цикла. Положение креста в интервале простоя удерживает запорный диск (стопорная шайба), жёстко связанный с ведущим звеном. Геометрия механизма обеспечивает плавный вход и выход пальца: в моменты входа и выхода угловая скорость креста равна нулю.
Базовый состав: ведущий диск (кривошип), палец (цевка) на ведущем диске, мальтийский крест с z радиальными пазами, запорный диск (стопорная шайба) для фиксации креста, опоры с межцентровым расстоянием L и корпус. Возможны исполнения с несколькими пальцами на ведущем диске для получения нескольких шагов за один оборот ведущего звена, а также сферические схемы для зацепления с осями, расположенными под углом.
В мальтийском механизме с внешним зацеплением палец входит в паз креста с наружной стороны; оси кривошипа и креста находятся вне круга, описанного крестом по дну пазов. Направления вращения противоположны. Коэффициент движения k = (z − 2) / (2z) — время движения меньше времени простоя. Во внутреннем зацеплении палец входит в паз с внутренней стороны (крест охватывает кривошип); направления вращения совпадают. Коэффициент движения k = (z + 2) / (2z) — время движения больше времени простоя. Выбор схемы определяется требуемым соотношением фаз и компоновочными ограничениями.
На угол β = 360° / z, где z — число пазов. Для z = 3 — на 120°, для z = 4 — на 90°, для z = 6 — на 60°, для z = 8 — на 45°, для z = 12 — на 30°. За z оборотов ведущего диска крест совершает один полный оборот. Угол шага постоянен и воспроизводится на каждом цикле, что и делает мальтийский механизм пригодным для индексирующих устройств с фиксированным числом равноотстоящих позиций.
Это следствие геометрического условия: в моменты входа и выхода вектор скорости пальца направлен вдоль оси паза. Иначе говоря, линия от оси кривошипа к пальцу в эти моменты перпендикулярна оси паза. Из соответствующего прямоугольного треугольника следует соотношение между радиусом кривошипа r, межцентровым расстоянием L и числом пазов z: L = r / sin(π/z). При выполнении этого условия в моменты входа и выхода угловая скорость креста равна нулю, и переход «простой–движение–простой» проходит без ударов и без бесконечно больших ускорений.
Коэффициент движения k — отношение времени движения креста к полному времени цикла (одного оборота ведущего диска). Для внешнего мальтийского механизма k = (z − 2) / (2z); для внутреннего k = (z + 2) / (2z). Например, у четырёхпазового внешнего механизма (z = 4) k = 1/4: четверть оборота диска — движение креста, три четверти — простой. У внутреннего четырёхпазового k = 3/4: три четверти оборота диска — движение, одна четверть — простой. Выбирая тип зацепления и число пазов, инженер задаёт требуемое соотношение времени работы и времени простоя на одной позиции.
Распространённый диапазон z — от 3 до 12. Малые z (3, 4) дают большой шаг и компактную конструкцию, но максимальные ударные ускорения и переменные нагрузки. Большие z (8, 12) дают мелкий шаг, плавный закон движения и малые динамические нагрузки, но увеличенные габариты. Конкретный выбор определяется требуемым числом позиций (равно z), соотношением времени движения и простоя, моментом инерции ведомых масс и допустимым уровнем динамики. Типовые промышленные значения — z = 4 (киноаппараты, простые индексаторы), z = 6 (револьверы и многопозиционные автоматы), z = 8 и z = 12 (тяжёлые столы и магазины станков с ЧПУ).
Запорным диском (стопорной шайбой) — конструктивным элементом, жёстко связанным с ведущим звеном. Запорный диск имеет цилиндрическую поверхность с вырезом в зоне работы пальца. Между двумя соседними пазами на торцевой поверхности креста выполнены ответные круговые впадины. В фазе простоя цилиндрическая поверхность запорного диска входит в круговую впадину креста и удерживает крест от поворота под действием внешних моментов и сил инерции. В фазе движения вырез запорного диска совпадает с положением пальца, и крест свободен для поворота. Фиксация согласована по фазе с входом пальца автоматически.
Индексирующие поворотные столы автоматических линий; револьверные головки и инструментальные магазины станков с ЧПУ; роторные автоматы упаковки и розлива; сборочные автоматы; дозирующие и наполняющие установки; проекционные киноаппараты (исторически — основное массовое применение); счётные и часовые механизмы. Основные сильные стороны: воспроизводимый угол шага, плавный пуск и остановка, встроенная фиксация положения, простота управления (один оборот ведущего вала равен одному циклу).
Храповой механизм передаёт прерывистое движение через собачку и зубья храповика; ход собачки определяет шаг. Включение и выключение храповика сопровождаются ударом собачки о зуб, что вызывает шум, износ и ограничивает скоростные режимы. Мальтийский механизм передаёт движение через входящий в паз палец без ударного контакта при условии правильной геометрии: вход и выход пальца происходят при нулевой угловой скорости креста. Кроме того, мальтийский механизм автоматически фиксирует положение запорным диском, тогда как храповой требует дополнительных средств удержания (фиксирующих собачек, тормозов). Мальтийский предпочтительнее для нагруженных и быстроходных индексирующих устройств; храповой — для простых задач и ручного привода.
Вы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.