Мальтийский механизм

Мальтийский механизм — это кинематическое устройство, преобразующее непрерывное вращательное движение ведущего звена в прерывистое (шаговое) вращение ведомого звена с фиксацией в определённых угловых положениях. Название получил из-за внешнего сходства ведомого диска с крестом, напоминающим мальтийский крест (символ Мальтийского ордена). Также известен как «механизм внешнего зацепления с цевками» или «крест Мальты». Применяется в тех случаях, когда требуется периодическое перемещение рабочего органа с точным позиционированием, например, в кинопроекторах, станках-автоматах, счётчиках и часовых механизмах.

История

Происхождение мальтийского механизма точно не установлено. Первые известные упоминания относятся к часовому делу XVII—XVIII веков. В часовых механизмах он использовался для ограничения числа оборотов заводной пружины (так называемый «стоп-ворот»), предотвращая её перезавод. В начале XX века механизм получил широкое распространение в кинематографе. В 1896 году французский изобретатель Огюст Люмьер применил мальтийский механизм в своём «Кинематографе» для прерывистого перемещения киноплёнки. В 1900-х годах этот принцип стал стандартом для большинства кинопроекторов и киносъёмочных аппаратов, так как обеспечивал точное пошаговое продвижение плёнки с остановкой для экспонирования или проекции каждого кадра.

Устройство и принцип действия

Основные элементы

Мальтийский механизм состоит из двух основных звеньев:

• Ведущее звено (кривошип, водило) — диск или рычаг с одним или несколькими цевками (роликами, пальцами). Цевка расположена на определённом радиусе от оси вращения ведущего звена.
• Ведомое звено (мальтийский крест) — диск с радиальными пазами (обычно от 4 до 12), число которых равно числу шагов за один оборот. Между пазами на кресте имеются выемки (дуги окружности), которые служат для фиксации креста в неподвижном состоянии.

Работа механизма

При непрерывном вращении ведущего звена цевка входит в паз мальтийского креста и поворачивает его на один шаг (угол, равный 360° / число пазов). После выхода цевки из паза крест останавливается и фиксируется выемкой на цилиндрической поверхности ведущего диска (или специальным фиксатором). Время движения креста составляет часть полного цикла, а время покоя — оставшуюся часть. Отношение времени движения к полному циклу называется коэффициентом времени движения (или углом поворота ведущего звена за один шаг). Этот коэффициент зависит от числа пазов креста и может быть меньше или больше 0,5.

Типы мальтийских механизмов

По расположению звеньев различают:

• Внешний мальтийский механизм — наиболее распространённый тип. Оси ведущего и ведомого звеньев параллельны, крест вращается в ту же сторону, что и ведущий элемент. Цевка движется по наружной стороне креста.
• Внутренний мальтийский механизм — крест вращается в противоположную сторону. Цевка движется внутри паза, что позволяет получить более компактную конструкцию при большом числе шагов.
• Пространственный мальтийский механизм — оси ведущего и ведомого звеньев не параллельны (например, пересекаются под углом). Используется реже, в специальных устройствах.

По числу цевок:

• Одноцевковый — за один оборот ведущего звена крест делает один шаг.
• Многоцевковый — несколько цевок на ведущем диске позволяют получить несколько шагов за один оборот, увеличивая частоту прерывистого движения.

Характеристики

Основные кинематические параметры мальтийского механизма:

• Число пазов креста (z) — определяет число остановок за один оборот креста. Обычно z = 4, 6, 8, 12. Чем больше z, тем меньше угол поворота за шаг и тем плавнее движение, но ниже быстродействие.
• Угол поворота креста за шаг — 360° / z.
• Угол поворота ведущего звена за время движения креста — 2π / z (для внешнего механизма с одной цевкой).
• Коэффициент времени движения — для внешнего одноцевкового механизма равен (1/2 + 1/z). При z = 4 он составляет 0,75, при z = 6 — 0,667, при z = 8 — 0,625.
• Максимальная угловая скорость креста — зависит от радиуса цевки, расстояния между осями и числа пазов. Для уменьшения динамических нагрузок стремятся к плавному входу и выходу цевки из паза.

Применение

Кинематограф и видеотехника

Классическое применение — лентопротяжный механизм кинопроекторов и киносъёмочных аппаратов. Мальтийский крест обеспечивает прерывистое продвижение киноплёнки на один кадр (шаг перфорации) с последующей остановкой для экспонирования или проекции. В кинопроекторах с частотой 24 кадра/с крест совершает 24 оборота в минуту. В современных цифровых проекторах мальтийский механизм вытеснен электронными системами, но в плёночных кинопроекторах (например, «Украина», «Киноп» (Kinoton) — бренд, продукция которого может использоваться в РФ) он остаётся стандартом.

Станкостроение

В металлорежущих станках мальтийские механизмы применяются для периодического поворота столов, револьверных головок, делительных устройств. Например, в многошпиндельных токарных автоматах и зубофрезерных станках. Они обеспечивают точное позиционирование заготовки или инструмента без дополнительных фиксаторов.

Приборостроение и автоматика

• Счётчики (электрические, механические) — для переключения цифр на барабанах.
• Часовые механизмы — в качестве ограничителя хода (стоп-ворот) и в некоторых типах секундомеров.
• Робототехника — в манипуляторах для прерывистого поворота захвата или карусельных питателях.
• Полиграфическое оборудование — для подачи бумаги или картона с остановкой под печатную форму.

Другие области

• Автоматические линии — для перемещения деталей по конвейеру с фиксацией на позициях обработки.
• Игрушки и модели — в конструкторах и настольных играх (например, рулетки).
• Специальные устройства — в системах наведения, оптических прицелах и некоторых типах переключателей.

Достоинства и недостатки

Преимущества

• Простота конструкции и высокая надёжность.
• Точное позиционирование без дополнительных тормозных устройств (за счёт фиксации выемкой).
• Возможность работы при высоких скоростях (до нескольких тысяч оборотов в минуту).
• Отсутствие скольжения (кинематическая связь жёсткая).

Недостатки

• Ударные нагрузки при входе цевки в паз и выходе из него, что ограничивает скорость и долговечность.
• Ограниченное число шагов за оборот (обычно не более 12).
• Неравномерность угловой скорости креста в течение шага (ускорение в начале и замедление в конце).
• Сложность регулировки угла поворота (требуется замена креста с другим числом пазов).

Интересные факты

• В кинопроекторах мальтийский крест изготавливается из высокопрочной стали или бронзы, а цевка — из закалённой стали, чтобы выдерживать миллионы циклов.
• В некоторых механизмах для уменьшения шума и износа применяют пластмассовые кресты (например, в игрушечных кинопроекторах).
• Существует вариант мальтийского механизма с двумя цевками, который позволяет получить два шага за один оборот ведущего вала, что используется в некоторых делительных устройствах.
• В СССР мальтийские механизмы выпускались серийно для станков и кинопроекторов (например, в кинопроекторе «КПТ-1»).

Источники

• Артоболевский И. И. Теория механизмов и машин. — М.: Наука, 1988.
• Кожевников С. Н. Теория механизмов и машин. — М.: Машиностроение, 1973.
• Баранов Г. Г. Кинематика и динамика мальтийских механизмов. — М.: Машгиз, 1956.
• Техническая энциклопедия. Том 12 / Под ред. Л. К. Мартенса. — М.: ОГИЗ РСФСР, 1932.